| 8695912 9216 5224 943 1одных полях и т. п.
При малых концентрациях экситонов Э., состоящий из двух фермионов (электрона проводимости и дырки), можно рассматривать как бозон. Это означает, что возможна бозе-конденсация Э. (накопление большого числа Э. на наинизшем энергетич. уровне). Бозе-конденсация Э. может привести к существованию в кристалле незатухающих потоков энергии. Однако, в отличие от сверхтекучего жидкого гелия или сверхпроводника, сверхтекучий поток Э. может существовать не сколь угодно долго, а лишь в течение времени жизни Э.
Лит.: Гросс E. Ф., Экситон и его движение в кристаллической решетке, "Успехи физических наук", 1962, т. 76, в. 3; H о к с Р., Теория экситонов, пер. с англ., M., 1966; Агранович В. M., Теория экситонов, M., 1968; Давыдов А. С., Теория молекулярных экситонов, M., 1968; Экситоны в полупроводниках, [Сб. статей], M., 1971; О с и р ь я н Ю. А., Физика твердого тела выходит на передовые позиции, "Природа", 1975, № 10. А. П. Силин.
30-02.htm
ЭКСТРАКЦИЯ (от позднелат. extra-ctio - извлечение), экстрагирование, процесс разделения смеси жидких или твёрдых веществ с помощью избирательных (селективных) растворителей (экстрагентов).
Процесс Э. включает 3 последовательные стадии: смешение исходной смеси веществ с экстрагентом; механич. разделение (расслаивание) двух образующихся фаз; удаление экстрагента из обеих фаз и его регенерацию с целью повторного использования. После механич. разделения получают раствор извлекаемого вещества в экстрагенте (экстракт) и остаток исходного раствора (рафинат) или твёрдого вещества. Выделение экстрагированного вещества из экстракта и одновременно регенерация экстрагента производится дистилляцией, выпариванием, кристаллизацией, высаливанием и т. п.
Достоинствами Э. являются низкие рабочие темп-ры, рентабельность извлечения веществ из разбавленных растворов, возможность разделения смесей, состоящих из близкокипящих компонентов, и азеотропных смесей, возможность сочетания с др. технологич. процессами (ректификацией, кристаллизацией), простота аппаратуры и доступность её автоматизации. Недостатком Э. в ряде случаев является трудность полного удаления экстрагента из экстрагируемых веществ.
Э. подчиняется законам диффузии и равновесного распределения. При Э. из жидкостей после смешения исходного раствора с экстрагентом и расслоения образовавшейся смеси концентрация у экстрагируемого вещества (В) в фазе экстракта больше его концентрации х в фазе рафината. При взаимной нерастворимости экстрагента (С) и растворителя (А) исходного раствора зависимость у от х для равновесной системы <для к-рой у обозначается как yР) изображается в диаграмме у - х (рис. 1, а). Если раствор разбавлен, а вещество В в экстракте находится в неассоциированном и недиссоциированном состояниях, отношение
[30-01-1.jpg]
(коэфф. распределения) - величина постоянная, не зависящая от концентрации, и линия равновесия в диаграмме у - х является прямой; в противном случае Кp - функция концентрации, и линия равновесия криволинейна. Кpвсегда зависит от температуры, практически не зависит от давления; определяется он экспериментальным путём.
Вследствие кратковременности и несовершенства акта смешения экстрагента и исходного раствора действительная (рабочая) концентрация у всегда меньше равновесной yр. Степень приближения у к yp характеризует эффективность Э., а разность yр-у является его движущей силой.
В результате однократной Э. возможна сравнительно небольшая степень извлечения вещества В из исходного раствора, поэтому прибегают к многократному повторению актов смешения и последующего расслаивания взаимодействующих фаз при их встречном движении (рис. 1, б). Если в исходном растворе концентрация вещества В уменьшается от x1до x2, то его концентрация в фазе экстракта возрастает от 0 до у1. Из ур-ния материального баланса Э.: Dy1 = W(x1-x2) = M (a) (где D и W - соответственно расходы чистого экстрагента и чистого растворителя) можно определить расход экстрагента:
[30-01-2.jpg]
Ур-ние (а) описывает прямую (см. рис. 1,я), проходящую через точки с координатами (х2, 0)u(x1, y1). В приведённых выражениях x1 и y1 - концентрации относительно чистого растворителя А и чистого экстрагента С. Очевидно, что при прочих равных условиях расход экстрагента растёт по мере уменьшения концентрации (x2) вещества В в рафина-те и уменьшения его концентрации (y1) в экстракте.
Кинетика Э. описывается общим уравнением массообмена: М = K&cFт, где М - кол-во экстрагированного вещества, К - коэффициент массопередачи, &с - ср. разность концентраций экстрагируемого вещества в обеих фазах, F - величина межфазной поверхности, т -время.
Величина &с однозначно определяется заданными концентрациями х, у и yр, поэтому для достижения больших значений М стремятся увеличить К путём турбулизации потоков взаимодействующих фаз и F - путём диспергирования одной из фаз (экстрагента или исходного раствора) на мелкие капельки. Точное значение К пока не может быть рассчитано теоретич. путём, поэтому эффективность процесса Э. выражают, как и при ректификации или абсорбции, числом ступеней равновесия (идеальных тарелок). Графическое определение числа ступеней равновесия показано на рис. 1, а. В случае частичной растворимости растворителя А и экстрагента С равновесие системы изображается в плоскости равностороннего треугольника (рис. 1, в). Каждой точке внутри треугольника соответствует тройная смесь, в к-рой концентрации компонентов А, В, С измеряются длинами перпендикуляров, опущенных на противолежащие стороны. Под кривой EG (бинодальной кривой) расположена область гетерогенных смесей , а над кривой - гомогенных растворов. Процессы Э., поскольку в них чередуются акты смешения и расслаивания фаз, протекают только в гетерогенной области. Смешав исходный раствор с некоторым количеством экстрагента, получим тройную гетерогенную смесь Р, к-рая расслаивается на экстракт Q и рафинат R с концентрацией экстрагируемого вещества Ь. Если теперь смешать рафинат со свежей порцией экстрагента, получим новую гетерогенную смесь P1, к-рая расслоится на экстракт Q1 и рафинат R1 с более низкой концентрацией bt. Положение прямых Q.R и Q1R1, наз. конодами, определяется для каждой системы экспериментальным путём. Продолжая акты смешения и расслаивания, можно добиваться дальнейшего понижения концентрации компонента В в рафинате, т. е. повышения степени Э. Совершенно очевидно, что число построенных конод (их может быть сколько угодно) равно числу ступеней равновесия. В приведённом примере периодич. Э. после каждого акта смешения и расслаивания падает концентрация В как в рафинате, так и в экстракте. Для повышения концентрации вещества В в экстракте и большего его исчерпывания из рафината во мн. случаях прибегают к Э. с т. н. обратной флегмой. Сущность этого процесса сводится к частичному отделению экстрагента от экстракта и исходного растворителя от рафината и обратному возвращению долей этих фракций в аппарат навстречу уходящим потокам.
Для экстракционного разделения двух компонентов (B1 и В2), особенно с близкой растворимостью в исходном растворителе, часто используют два экстрагента с различной селективностью. Исходный раствор поступает в ср. часть экстрактора, один из экстрагентов - в верхнюю часть, другой - в нижнюю. В результате компонент B1 переходит в фазу одного экстрагента, компонент В2 - в фазу другого (рис. 2).
Наиболее эффективна непрерывная Э., осуществляемая в многоступенчатых аппаратах (экстракторах) при противотоке исходного раствора и экстрагента. В этом случае заданная степень Э. достигается при наименьшем расходе экстрагента. Многоступенчатые экстракторы (см. рис. 3,а, б, в) обычно представляют собой вертикальные колонны, разделённые поперечными перфорированными тарелками, вращающимися дисками, мешалками и т. п. на ступени (секции). В каждой ступени происходит перемешивание взаимодействующих фаз и их расслаивание. Т. о., исходный раствор и экстрагент многократно перемешиваются и расслаиваются. Эффективность этих аппаратов оценивается кпд отдельных ступеней или высотой аппарата, эквивалентной одной ступени равновесия - теоретич. тарелке (см. Ректификация). Значит. распространение получили экстракторы ситчатые и с механич. перемешиванием. В ситчатых (рис. 3, а) ступени разграничены перфорированными горизонтальными тарелками и сообщаются между собой переливными трубками. Одна из контактирующих жидкостей, проходя через отверстия тарелок, диспергируется, чем создаётся большая поверхность контакта с встречной жидкостью, протекающей по переливным трубкам в виде сплошной фазы. Экстракторы с механич. перемешиванием делятся на роторно-дисковые (рис. 3, б) и с чередующимися смесительными и отстойными насадочными секциями (рис. 3, в). В роторно-дисковых экстракторах вращающиеся диски перемешивают и диспергируют жидкости, после чего они расслаиваются. В экстракторах со смесительными и насадочными секциями лопастные или турбинные мешалки размещены на общем вертикальном валу попеременно со слоями неподвижной насадки (кольца Рашига, спирали, пакеты сеток и пр.). Перемешанные жидкости, пройдя через слои насадки, расслаиваются. Применяются такж |
