Экстракция. 
Системный анализ процессов химической технологии: методы неравновесной термодинамики

Экстракция — извлечение растворенного в одной жидкости вещества или группы веществ другой жидкостью. Неравномерное распределение извлекаемого вещества происходит в результате неодинаковой растворимости его в обеих фазах или вследствие химического взаимодействия гидротированных ионов с экстрагентом с образованием соединения, растворимого в органической фазе (чаще всего извлекающей является органическая фаза, в противном случае процесс называют реэкстракцией). При экстракции веществ достигаются следующие цели [38]: избирательное извлечение вещества из исходного сырья; разделение веществ, содержащихся в исходном растворе и получение их в чистом виде; концентрирование извлекаемых веществ. В процессе экстракции при отсутствии равновесия между фазами происходит переход вещества из одной фазы в другую^ массопередача является сложным процессом, состоящим из процессов переноса вещества в пределах каждой из фаз (массоотдачи) и переноса вещества через границу раздела фаз.

Двухфазную систему в процессах экстракции определим как многокомпонентную среду, распределенную в пространстве и переменную во времени, в каждой точке гомогенности которой и на границе раздела фаз происходит перенос вещества, энергии и импульса при наличии источников (стоков) последних. Характерной особенностью такой системы является ее двойственная детерминированная природа. К ее важнейшим стохастическим особенностям относятся характер распределения элементов фаз по времени пребывания в аппарате, вид распределений включений дисперсных фаз по размерам, эффекты механического взаимодействия между фазами, приводящие к столкновению, дроблению и коалесценции (агломерации) включений, характер распределения включений по глубине химического превращения, вязкости, плотности и другим физико-химическим свойствам.

Рассматривая совокупность физико-химических эффектов и явлений, возникающих в процессе стесненного движения ансамбля капель жидкой фазы в сплошной жидкой среде, выделяем пять ступеней иерархии этих эффектов 139—40]: 1) совокупность явлений на атомарно-молекулярном уровне; 2) эффекты в масштабе надмолекулярных или глобулярных структур; 3) множество физико-химических явлений, связанных с движением дисперсной фазы, с учетом химических реакций и явлений межфазного энергои массопереноса; 4) физико-химические процессы в ансамбле включений, перемещающихся стесненным образом в слое сплошной фазы; 5) совокупность процессов, определяющих макрогидродинамическую обстановку в масштабе аппарата.

Первый уровень иерархии — это физико-химические взаимодействия на уровне молекул, определяющиеся исключительно физическими свойствами частиц. Второй уровень иерархии включает сегрегацию и ее воздействие на процессы переноса. Третий уровень иерархии рассмотрим подробно.

На рис. 2.21 изображена схема физико-химических эффектов третьего уровня иерархии ФХС.

Элемент дисперсной фазы (пузырь, капля), в котором протекают химические реакции как в объеме, так и на межфазной границе, движется в объеме сплошной фазы под действием сил Архимеда, инерционных сил и сил сопротивления, подвергаясь одновременно воздействию механизма переноса массы (ПМ), энергии (ПЭ) и импульса (ПИ) через границу раздела фаз в направлении /з=ь2.

В качестве исходной причины возникновения межфазных потоков принимают неравновесность гетерогенной системы, которая делится на несколько видов: неравновесность по составу Д_с, неравновесность по температуре Д_т, скоростная неравновесность Д", т. е. несовпадение скоростей фаз.

Каждый вид неравновесности обусловливает прежде всего перенос соответствующей субстанции (дуги 2, 3, 11) и одновременно оказывает перекрестное (косвенное) влияние на перенос других субстанций (дуги I, 4, 5, 6, 9, 10).

Потоки массы и энергии обусловливают (дуги 15—22) изменение энтальпии сплошной (индекс 1) и дисперсной (индекс 2) фаз (ИЭНТ,), (ИЭНТ_г). а также других физических и термодинамических характеристик фаз: вязкости, плотности, теплоемкости, состава, температуры и т. п. (узлы ИФХ, и ИФХ₂). ИФХ, и ИФХ_г оказывают влияние на степень удаления системы от равновесия, что условно отображается обратной связью 23. Перенос массы и энергии через границу раздела фаз нарушает равновесие сил на межфазной границе и обусловливает (дуги 7, 8) местные неравномерности ее поверхностного натяжения Д", Д" являются основной причиной (дуга 14) возникновения межфазной спонтанной конвекции (МСПК), которую разделают на упорядоченную (МСПК-У) и неупорядоченную (МСПК-НУ). Эффект МСПК оказывает влияние (дуга 30) на массоперенос (ПМ 1 и 2), а также приводит (дуга 31) к деформации границы раздела фаз (ДГРФ).

ПИ /ч=ь2 в каждой точке поверхности является векторной суммой двух составляющих: нормальной к границе раздела (ПИ_Х) и тангенциальной (ПИ,), которая ответственна за генерацию циркуляционных токов внутри включения (ЦТ,). ЦТ₂ интенсифицируют (дуга 39) процессы массои теплопередачи в элементе дисперсной фазы. ПИ_Х и ПИ, переориентируют включение в пространстве, изменяя (дуги 35, 36) траекторию его движения (ИТР₂), а также деформируют (дуги 34, 37) ГРФ (ДГРФ), Д" приводит (дуга 12) к появлению поверхностной диффузии (ПОВД), в результате которой поверхностно-активное вещество (ПАВ) «сдувается» к «корме» движущегося включения, создавая (дуга 52) неравномерность распределения ПАВ на ГРФ (Дпав). Аплв (дуга 13) вносит существенный вклад в неравного.

Рис. 2.21. Структурная схема физико-химических эффектов третьего уровня иерархии ФХС мерность Д₀; обусловливает появление дополнительных сил сопротивления, гасящих ЦТ₂ (дуга 40).

ДГРФ связана с рядом эффектов, наиболее существенны из них следующие: а) дробление капель или пузырей (ДР₂) и связанное с этим изменение площади ГРФ (ИПГРФ) (дуги 41, 42, 48); б) развитие межфазной турбулентности (МТУР); спонтанного эмульгирования (СПЭМ) и явления поверхностной эластичности (ПЭЛ) (дуги 43—45, 49, 50); в) изменение термодинамических характеристик в объеме включения (ИТХ₂): давления насыщения, температуры, состава; степени отклонения от химического равновесия (Д") и т. п. (дуги 46, 47). ДГРФ интенсифицирует ПМ 1+±2, ПЭ 1+*2, ПИ 1+±2, это влияние отображается обратной связью.

Основу описания эффектов этого уровня составляют методы механики гетерогенных сред, термодинамика поверхностных явлений, методы описания равновесия в системах, различные теории межфазного переноса.

В гл. 1 на основе методов термогидромеханики гетерогенных сред получена структура движущей силы массопередачи с учетом эффектов: концентрационной неравновести в фазах, тепловой неравновесности; влияния градиентов поверхностного натяжения.

Перейдем к разработке математических моделей экстракторов.