Равновесие в системах жидкость — жидкость

Большинство процессов жидкостной экстракции происходит при неизменной температуре, поэтому равновесие в системе, состоящей из двух жидкостей (растворителей) и целевого компонента, в различной степени растворяющегося в этих жидкостях, удобно^ представлять в виде изотерм равновесия (рис. 29.3) в координатах х — у: х — концентрация целевого компонента в исходном растворителе (рафинат); у (х) — равновесная концентрация компонента в экстракте [13].

Согласно известному из курса физической химии правилу фаз Гиббса, число степеней свободы системы, состоящей из трех (?) компонентов (А, В и С) и двух несмешивающихся жидких фаз (Ф), равно к — Ф + 2 = 3. В процессах жидкостной экстракции эти три степени свободы обычно реализуются в виде независимых величин составов двух жидких фаз и температуры. Внешнее давление при этом уже не может быть независимым параметром и, следовательно, на процесс жидкостной экстракции не влияет.

Равновесные составы трехкомпонентной смеси в общем случае могут быть изображены на так называемой треугольной диаграмме (рис. 29.4). Относительный состав каждого из трех компонентов по отношению к общей смеси х, соответствует отрезку стороны равностороннего треугольника (отрезок отсчитывается по часовой стрелке в направлении компонента).

На рис. 29.4 показаны отрезки сторон треугольника диаграммы, соответствующие долям х, хв, хс для точки М. Чтобы для точки М отсчитать долю х, компонента по отношению ко всей смеси, необходимо от точки М провести линии, параллельные сторонам треугольника СА, А В и ВС, противоположных /-ым вершинам треугольника. Тогда отрезки сторон, прилегающих к предшествующим вершинам С, А и В треугольника будут соответствовать искомой доле хд, хв и хс.

Очевидные свойства треугольных диаграмм равновесия при любом положении точки Л/, характеризующем состав тройной смеси, — сумма долей всех трех компонентов равна единице: ха + хд + хс = 1. Положение точки М на какой-либо из сторон треугольника означает наличие лишь двойной смеси, т. е. отсутствие компонента, соответствующего противоположной вершине треугольника.

Способ изображения равновесных составов трехкомпонентных смесей с помощью треугольных диаграмм не связан с вопросом о взаимной растворимости компонентов. Однако вопрос о растворимости компонентов для промышленных процессов жидкостной экстракции важен, поскольку две образовавшиеся жидкие фазы — рафината и экстракта (рис. 29.1) не должны быть растворимы друг в друге. В противном случае их*невозможно разделить в гравитационных или центробежных отстойниках, используя разность их плотностей.

Трехкомпонентные жидкие системы все же обладают некоторой взаимной растворимостью. Зона растворимости изображается на треугольной диаграмме с помощью так называемой бимодальной кривой (пунктирная кривая на рис. 29.4), которая делит площадь треугольника на две части. Любая точка, лежащая выше бинодальной кривой, соответствует полной взаимной растворимости смеси трех компонентов (зона гомогенной смеси). Положение точки под бинодальной кривой означает, что две жидкие фазы не смешиваются друг с другом (зона гетерогенной смеси — эмуль;

Рис. 29.3 Вид изотерм экстракционного равновесия неэлеюролитов (1) и электролитов (2).

Рис. 29.4 Треугольная диаграмма составов трехкомпонентной смеси

сии) и потому могут быть разделены (гл.9) в отстойнике (рис. 9.4) или в центробежном сепараторе (рис. 9.18).

Близкое положение точек а и с к вершинам А и С треугольника означает наличие некоторой растворимости исходного растворителя (А) и экстрагента (Q, что для процессов промышленной экстракции нежелательно, так как означает присутствие некоторого количества исходного растворителя в экстракте и экстрагента в рафинате. Верхняя часть площади треугольника не представляет интереса для промышленного процесса экстракции, так как гомогенную трехкомпонентную смесь невозможно разделить механическими методами.

Форма бинодальной кривой зависит от характера межмолекулярного взаимодействия компонентов и может быть найдена по экспериментальным данным свойств взаимной растворимости конкретных компонентов.

На взаимную растворимость веществ значительное влияние оказывает температура, по мере увеличения которой растворимость обычно возрастает. Поэтому по мере повышения температуры трехкомпонентной системы точки, а и с на рис. 29.4 перемещаются дальше от вершин А и С, а высота бинодальной кривой уменьшается. Иными словами, увеличение температуры сокращает пределы существования гетерогенной жидкофазной трехкомпонентной смеси. Поэтому процессы жидкофазной экстракции предпочтительно проводить при низких температурах. Обычно используются комнатные температуры, что не требует специального охлаждения.

Для анализа процессов жидкостной экстракции существенное значение имеет распределение целевого компонента В в жидких фазах исходного растворителя (А) и экстрагента © при установлении между ними состояния равновесия. Такие данные получают экспериментальным путем и представляют в виде коэффициента распределения (отношения концентрации компонента в одной жидкости к концентрации в другой жидкости) целевого компонента (В) в двух жидкостях. Эти же экспериментальные данные изображают графически, фиксируя на бинодальной кривой точки, соответствующие концентрациям компонента в одной и другой жидкостях.

Для дальнейшего анализа процессов экстракции удобнее оперировать величинами концентрации целевого компонента (В) в бинарной исходной смеси с первоначальным растворителем (Af), в трехкомпонентной смеси исходного раствора (рис 29.5) с экстрагентом (Хм) и в расслоившихся жидкостях: в экс;

Рис. 29.5 Треугольная диаграмма равновесных свойств трехкомпонентных жидких смесей

тракте (Хе) и рафинате (X_R). Все концентрации целевого компонента отсчитываются как отрезки сторон АВ треугольника, начинающиеся от вершины А. При этом отсчет концентрации в экстракте Хе (отрезок СЕ) для удобства переносится на сторону АВ.

Точки Е и R на бинодальной кривой, соответствующие равновесным значениям концентраций компонента в экстракте Хе и рафинате Xr, соединяются отрезком ER. Этот отрезок называется коннодои.

Поскольку значение коэффициента распределения Хе/ Xr обычно не является постоянным даже для одной и той же системы и изменяется в зависимости от величины концентрации в одной из расслоившихся фаз, то на треугольной диаграмме это соответствует наличию пучка коннод, соединяющих точки равновесных концентраций (Е и R, Е и R и т. д.).