ВВЕДЕНИЕ
В ходехимико-технологического процесса химическому превращению подвергаютсяразнообразные вещества, обладающие различными физико-химическими свойствами.Разнообразна и сама природа химического взаимодействия. Этому многообразиюсоответствует многообразие химических реакторов. Хотя конструкция аппарата ивлияет на степень превращения (конверсию) и селективность (избирательность)процесса, сущность этого влияния определяется не собственно конструкцией, аопределенной взаимосвязью физических и химических факторов, необходимой дляуспешного протекания химических реакций. Конструкция же аппарата являетсятолько средством воздействия на эту взаимосвязь путем изменения скоростиотдельных физических и химических стадий процесса.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭКСТРАКТОРОВ И ОСОБЕННОСТИПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССА В НИХ
Классификация экстракторов
Для того, чтобы оборудование для проведения экстрагирования всистеме твердое тело — жидкость отвечало требованиям современноговысокоэффективного производства (большая единичная мощность аппарата при низкойотносительной металлоемкости, глубокое извлечение экстрагируемого вещества приминимальной длительности процесса и т. д.), оно должно обеспечивать протеканиепроцесса в условиях, наиболее близких к противотоку при минимальныхгидродинамическом сопротивлении относительному движению фаз, соотношениирасхода масс экстрагента и твердых частиц, и суммарном внутреннем, и внешнемдиффузионном сопротивлении.
Частицы, подвергаемые экстрагированию, весьма разнообразны пофизическим свойствам (плотности, консистенции, упругости, собственнойпористости, диффузионному сопротивлению и др.), форме и строению, причем этисвойства могут существенно изменяться в процессе. Велик и диапазон размеровчастиц (от 10 -6 м до 10 -1 м). В связи с большим разнообразием физических свойств материалов, подвергающихся экстрагированию,размеров и форм частиц весьма многообразны и конструкции экстракторов.
Классификация их может быть основана на многих признаках. Порежиму работу экстракторы делятся на периодические, полунепрерывные инепрерывные; по взаимному направлению движения экстрагента и твердых частиц —на противоточные, прямоточные, с периодическим процессом, процессом полного(идеального) смешения, процессом в слое и комбинированными процессами; по видуциркуляции — на экстракторы с однократным прохождением экстрагента, срециркуляцией экстрагента и оросительные; по давлению в экстракторе — наатмосферные, вакуумные и работающие под давлением; по свойствам твердых частиц,участвующих в процессе, — на экстракторы для крупнозернистых, мелкозернистых,тонкодисперсных, пастообразных, волокнистых и других материалов.
Конструктивно основные типы экстракторов классифицируются понеоднородным признакам: по виду корпуса аппарата — колонные и камерные; по видутранспортного органа — шнековые, лопастные, щепные, ковшовые, ротационные,ленточные; по расположению корпуса аппарата — горизонтальные, вертикальные и наклонные.
По гидродинамическому характеру процесса, протекающего ваппарате, экстракторы делятся на аппараты с неподвижным слоем твердых частиц,движущимся слоем и кипящим (взвешенным) слоем.
В название аппарата обычно входит один из перечисленных вышепризнаков, хотя в его конструкций имеются и другие важные конструктивныепризнаки, поэтому обычно название аппарата далеко не полно характеризует егоосновные конструктивные особенности. Наиболее общая классификация экстракторовпо конструктивному принципу включает такие их типы: колонные, ротационные,шнековые (двухшнековые наклонные), оросительные, аппараты с кипящим слоем, камерныеи батарейные.
ЭКСТРАКТОРЫ ПЕРИОДИЧЕСКОГО И ПОЛУПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
Экстракторы периодического и полупериодического действияотносятся к несовершенному виду оборудования. Тем не менее во многих отрасляхметаллургической, химической, целлюлозно-бумажной, фармацевтической, пищевой имясо — молочной промышленности они до сих пор имеют достаточно широкоераспространение. Если для некоторых категорий получаемых экстрактов и настоев вотдельных отраслях фармацевтической, пищевой и мясо — молочной промышленности,где производятся небольшие партии продукции весьма многочисленных наименований,применение периодической аппаратуры можно считать оправданным, то длябольшинства перечисленных производств вопрос о переходе к непрерывно действующимаппаратам с режимом интенсивного массообмена между фазами являетсяисключительно актуальным.
В качестве основных типов экстракторов периодическогодействия получили распространение камерные аппараты (реакторы) с механическим,пневматическим и пневмомеханическим перемешиванием, а также настойные чаны снеподвижным слоем твердых частиц с циркуляцией (перколяторы) и без циркуляцииэкстрагента.
Камерные аппараты (реакторы) обычно представляют собой сосудыцилиндрической формы с плоским или коническим днищем, выполненные из обычнойили нержавеющей стали и покрытые внутри (если экстрагент представляет собойагрессивную среду) слоем или несколькими слоями кислотоупорного материала.
В гидрометаллургии распространеныподобного рода реакторы с пневмомеханическим перемешиванием (рис. 6.1) илипериферическими аэролифтами (рис. 6.2). При центральном аэролифте пульпа (смесьтвердых частиц и экстрагента) сгребается мешалкой к центральной трубе, вкоторую подается воздух, поднимается по трубе кверху, вследствие меньшейплотности жидкости, содержащей воздушные пузыри, и растекается сверху пожелобам к периферии аппарата. Затем частицы оседают на дно и вновь сгребаются кцентру аппарата. Мешалка делает 2—4 об/мин.
В реакторах с периферическими аэролифтами воздух подается потрубкам 1 внутрь труб 2, оттуда пульпа попадает в центральную трубу 3 и затемна мешалку 4, с помощью которой разбрасывается по сечению аппарата и вновьпопадает в центральную трубу.
Аппараты подобного типа имеют обычно высоту от 2 до 4,5 м и соответственно диаметр от 2 до 9 м.
Процесс в таких аппаратах протекает как периодический или,при соединении нескольких подобных аппаратов в. виде каскада реакторов, какприближающийся к прямоточному.
/>
/>
Процесс в таких аппаратахпротекает мало интенсивно, поскольку перемешивание происходит с очень небольшойскоростью и имеются условия для образования сгустков твердых частиц, в которыеэкстрагент мало или почти не проникает. Весьма медленным является и последующийпроцесс разделения твердых частиц и экстрагента. Кроме того, этим аппаратомсвойственны все отмеченные выше недостатки периодического (замкнутого) ипрямоточного процессов и известные недостатки периодического процесса вообще.
Экстрагированиев неподвижном (плотном) слое частиц жидкостью, фильтрующейся через этот слой,производят в аппаратах, которые носят название диффузоров, или перколяторов.Конструктивно такие аппараты представляют собой сосуд цилиндрической,конической или прямоугольной формы, имеющий в нижней части ложноеперфорированное днище. Циркуляция экстрагента, фильтрующегося через слой,обеспечивается насосом. больших размеров для пищевой и фармацевтическойпромышленностей выполняют с мешалками (рис. 6.3). Процесс экстрагирования вэтих аппаратах является периодическим.
/>
Аппаратымалых объемов для экстрагирования в плотном слое располагаются обычновертикально и имеют комбинированную форму: в основной своей части —цилиндрическую и с одного или обоих концов — форму усеченного конуса (рис. 6.4и 6.5). Верхнее отверстие служит для загрузки аппарата твердыми частицами,нижнее — для выгрузки. К этим отверстиям плотно прижимаются крышки с помощьюспециального механического или гидравлического устройства.
Разделительноесито может находиться над нижней (рис. 6.5) или под верхней (рис. 6.4) крышкамидиффузора.
Последовательноесоединение группы из 4—16 таких аппаратов позволяет проводить процессполупериодически. При этом он может протекать по двум схемам.
1.Определенный период времени во всех аппаратах жидкость неподвижна, затемпроисходит продвижение экстрагента из аппарата в аппарат. Такой процесс долженрассматриваться как комбинированный прямоточно-противоточный процесс, и числонеобходимых аппаратов или конечные параметры процесса должно рассчитываться поалгоритму.
/>/>
2. После подключенияочередного диффузора, со свежим материалом сразу же начинается движениеэкстрагента, которое прерывается только на период подключения очередногоаппарата. В этом случае процесс приближается к противоточному.
Группа последовательно соединенных аппаратов (рис. 6.6) носитназвание батареи. Для поддержания соответствующего температурного режима междукаждой парой диффузоров может устанавливаться теплообменник.
/>
Замкнутая система коммуникаций позволяет периодическиотключать один из аппаратов от циркуляционной системы, освобождать его отполностью истощенного материала и заполнять свежим. После этого аппарат вновьвключается в систему циркуляции и в него поступает наиболее обогащенныйэкстрагент, прошедший через все остальные п — 1 или п — 2 аппараты, и отключаетсяследующий: аппарат, в который до этого поступал чистый растворитель. Чем большечисло аппаратов, тем ближе процесс к непрерывному. Главным недостаткомбатарейных аппаратов, которые еще широко применяются в целлюлозно-бумажной,легкой, фармацевтической, пищевой и других областях промышленности, является большаязатрата ручного труда при их эксплуатации, значительные потери экстрагируемого вещества(частицы нередко выгружаются вместе с последними порциями растворителя,поступившего в аппарат), большая металлоемкость и трудность регулированияпроцессов, невозможность его механизации и автоматизации. Достоинством этогоаппарата является то, что неподвижно лежащий в нем слой частиц не разрушается впроцессе экстрагирования; это во многих случаях обеспечивает улучшениегидродинамических условий процесса и более высокое качество экстракта, а такжевозможность осуществить любой температурный режим, поскольку экстрагентпереходит из одного аппарата в другой через теплообменник.
Применение единичных аппаратов этого типа целесообразно дляпроведения экстрагирования настаиванием в тех случаях, когда процесс протекаетособенно длительно или экстрактивные вещества получают в малых количествах, но оченьмногих наименований
ЭКСТРАКТОРЫ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
Экстракторы непрерывногодействия по сравнению с периодическими и полупериодическими кроме общеизвестныхпреимуществ любого непрерывного процесса перед периодическим (полное исключениезатрат ручного труда, возможность автоматизации процесса,, создание единичного аппаратабольшой производительности, равномерность потребления энергии и сырья и др.)имеют и такое важное преимущество, как улучшение массообменных характеристикпроцесса и, в частности, увеличение коэффициента массоотдачи от поверхностичастиц к экстрагенту. Однако аппараты непрерывного действия имеют и ряднедостатков, главные из которых состоят в продольном перемешивании экстрагентаи твердых частиц, значительном разрушении последних, неравномерности протеканияпроцесса.
Создание совершенного непрерывно действующего экстракторабольшой единичной мощности может быть осуществлено только путем устранения всехэтих важнейших недостатков аппарата.
Наиболее широкораспространенной группой аппаратов непрерывного действия являются колонные. Этиаппараты по конструктивным признакам делятся на одноколонные и многоколонные,по расположению основного корпуса (корпусов) — на вертикальные,
горизонтальные и наклонные, а по виду транспортного органа —на лопастные, шнековые и цепные.
/>
Одноколонный аппарат(рис. 6.7,6) может иметь лопасти 3, винтожным образом расположенные навертикальном полом валу 2, и жонтрлопасти 4, закрепленные на корпусе аппарата 1между лопастями и препятствующие вращению массы твердых частиц вместе с валом.Транспортный орган колонного аппарата в некоторых случаях представляет собойотдельные витки, в промежутке между которыми также находятся контрлапы (рис.6.7, а). При значительном отличии от плотности твердых частиц от плотностиэкстрагента колонный аппарат может вообще не иметь основного транспортногооргана (рис. 6.7, в). Сложной является система подачи твердых частиц в аппарат.Она обеспечивается специальным насосом (рис. 6.7, аи б), однако при этом требуетсязначительное обогащение жидкостью смеси твердых частиц с экстрагентом. Смесьподается в колонну над разделительным ситом 5. Отделяющийся этим ситомэкстрагент частично идет на дальнейшую переработку (выпаривание, очистку), нобольшая его часть попадает в смеситель для образования смеси с твердымичастицами, направляющимися в аппарат. Необходимость отделения на сите 5 значительногоколичества жидкости создает тяжелый гидродинамический: режим в этой зонеаппарата. Твердые частицы могут подаваться: вколонный аппарат специальным шнеком (рис. 6.7, в). При обоих способахподачи частиц в аппарат происходит значительное их разрушение, которое можетсущественно ухудшить массообмен в аппарате. В одноколонном аппарате дроблениетвердых частиц; имеет место и при их дальнейшей транспортировке — это ухудшаетгидродинамические условия в процессе. В аппаратах этого типа трудно осуществитьподвод тепла, который во многих случаях необходим в процессе экстрагирования.
Достоинства одноколонного аппарата, которые можно отнестипочти ко всем аппаратам колонного типа, состоят в том, что процесс в нихпротекает противоточно и непрерывно, вся масса частиц постоянно находится вжидкой фазе. Такие аппараты занимают малые площади, обладают, как правило,малой металлоемкостью (все внутреннее пространство аппарата используетсяполезно).
Для определения условий массообмена в экстракторе снимаютсяэкстракционные кривые, для чего экспериментально устанавливаются концентрацииэкстрагируемого вещества в твердых частицах: и в жидкости в пробах, отобранныхв ряде точек по длине аппарата. По известным, таким образом, концентрациям накаждом интервале — аппарата между точками «отбора проб, размеру частиц, временипребывания частиц на интервале, коэффициенту диффузии (который может бытьизмерен для каждого интервала в лабораторных условиях) коэффициент массоотдачидля этого интервала вычисляется с помощью алгоритма обратногоинтервально-итерационного расчета; так, например, в случае использованияномограмм необходимо вычислить отношение избыточных концентраций на концахинтервалов (Z), определить величину критерия Фурьедля интервалов (по известным коэффициенту диффузии, размеру частицы и временипребывания частицы на интервале) и, зная q — соотношение расхода масс, по номограмме найти величинукритерия Био.
Такое распределение величины массоотдачи можно объяснитьследующим образом. В нижней части аппарата происходит некоторое уплотнение слоятвердых частиц, связанное с отделением экстрагента, удаляемого из колонны, и всвязи с этим ухудшение гидродинамических условий обтекания частицэкстракционной жидкостью.
В средней зоне аппарата обычно устанавливается оптимальнаягидродинамическая обстановка процесса. Смесь твердых частиц с экстрагентомхорошо перемешивается транспортирующим устройством и равномерно распределяетсяпо сечению аппарата, чего не наблюдается в нижней его части. Величинамассоотдачи на этом участке аппарата должна достичь своего максимума.
В верхней части аппарата, где частицы значительнораздроблены, наблюдается их слеживание, образуются отдельные сгустки частиц или«комки», внутрь которых поток жидкости не попадает. Аналогичное явление имеетместо в случаях даже гораздо более интенсивного взаимодействия твердой и жидкойфаз.
Одновременно начинает сказываться тормозящее влияниеустройства для выгрузки твердой фазы. Удельная нагрузка в этой зонеувеличивается, что ухудшает гидродинамические условия процесса экстракции.
Увеличение размера частиц в колонном аппарате, как и в другихтипах экстракторов, приводит к улучшению массообмена между частицами иэкстрагентом.
Повышение соотношения расхода масс на большей части высоты аппаратаухудшает массообмен, так как под влиянием возрастающего потока жидкости частицыприжимаются с большей силой к транспортному органу, их слой уплотняется, чтоприводит к ухудшению гидродинамических условий в слое, уменьшению активнойповерхности частиц.
Несколько разновидностей одноколонных экстракторов,предназначенных главным образом для переработки мелкораздробленных (порошковых)материалов, имеющих плотность, существенно отличную ют плотности экстрагента,по конструкции приближается к колонным аппаратам для экстракции в системежидкость—жидкость. Основным контактным устройством таких экстракторов являютсятарелки. Экстракторы данного типа, как и жидкостные, могут иметьперемешивающие, вибрационные и
/>
пульсирующие устройства. Из многообразных конструкциймногоколонных аппаратов в промышленности получили распространение двухколонныйаппарат с шнековым транспортным органом, двухколонный аппарат с цепнымтранспортным органом, трехколонный аппарат со шнековыми транспортерами,многоколонный вертикальный аппарат с цепным транспортным органом.
Вкаждой из трех колонн вертикального шнекового экстрактора (рис. 6.9) —загрузочной 1, горизонтальной 2 и экстракционной 3 — находятся шнеки. Шнек 4 загрузочнойколонны и шнек 5 экстракционной колонны подвешены с помощью вала на упорныхподшипниках. В верхней части загрузочной колонны имеется цилиндрическое сито 6 дляотделения экстракта, уходящего из аппарата, от твердых частиц.
Экстракторыэтого типа получили распространение в химической, фармацевтической и пищевойпромышленности.
Достоинствамивертикального шнекового экстрактора являются небольшие площадь и объем здания,занимаемого аппаратом, малая металлоемкость, хорошее использование всего объемааппарата, относительная простота конструкции и легкость обслуживания, анедостатками — сильное дробление материала, запрессовка некоторых видов сырья(особенно, растительного), закручивание твердого материала вместе со шнеками.
Интенсивностьмассообмена по длине аппарата значительно изменяется (рис. 6.10) и имеет следующиеособенности: в загрузочной (А) колонне экстрактора коэффициент массоотдачиубывает, в горизонтальной (В) — несколько увеличивается, а в экстракционной (В)после незначительного убывания резко возрастает. Такой характер изменениякоэффициента массоотдачи по высоте экстрактора объясняется следующим образом. Вначале загрузочной колонны экстрагент имеет наибольшую концентрацию исоответственно большую вязкость. По направлению к горизонтальной колоннеконцентрация экстрагента уменьшается, что создает условия для увеличениякоэффициента массоотдачи. Однако разрушаемость частиц, взаимная блокировкаповерхности частицами ведет к ухудшению условий омывания их жидкостью.
Увеличениезначений коэффициента массоотдачи в горизонтальной колонне также можно объяснитьповышением относительной скорости движения экстракционной жидкости в этой частиаппарата.
Припереходе частиц из горизонтальной колонны в экстракционную величинакоэффициента массоотдачи уменьшается, затем она увеличивается в экстракционнойколонне.
В заключениеотметим, что массообмен в аппаратах этого типа протекает недостаточноэффективно.
/>
Двухколонный аппарат сцепным транспортным органом (рис. 6.11) имеет в нижней части переходнойокругленный участок /, соединяющий вертикальные колонны 2. Все части корпуса всечении представляют собой прямоугольник. Внутри корпуса по направляющим движутсядве роликовые цепи S, к которым прикреплены на определенномрасстоянии (0,5—0,6 м) прямоугольные рамки,4 с натянутыми на них цепями. Цепиприводятся в движение барабаном 5 от привода, имеющего электродвигатель.
Частицы твердого, материала располагаются между рамками,поэтому при движении они не деформируются. В этом большое достоинство аппарата.В вертикальной загрузочной колонне условия процесса особенно благоприятны, таккак слой частиц на рамке расположен равномерно. Однако при прохождении черездуговую часть корпуса, материал смещается относительно рамки, что даетвозможность экстрагенту проходить над слоем твердых частиц. Неравномерноераспределение материала остается на рамках и в экртракционной колонне, поэтомужидкость проходит в той части, где слой материала меньше, а основная масса егоомывается экстр-агентом гораздо хуже.
В результате этого массообменные характеристики аппаратавесьма похожи на показанные выше характеристики для трехколонного шнековогоаппарата.
/>
Многоколонные аппараты с цепным транспортным органом 2 -(рис.6.12) во многом аналогичны двухколонным с цепным транспортным органом. Твердыечастицы небольшими слоями лежат на сетках 1, что создает благоприятные условиядля осуществления противотока, при этом частицы не подвергаются разрушению.Легко осуществлять заданный температурный режим по аппарату, так как малоесечение аппарата позволяет хорошо его нагреть через стенки корпуса. Однако такиеаппараты сложны в эксплуатации, занимают большой объем и площади помещений посравнению с одноколонными. Кроме того, после перехода из одной колонны в другуюравномерность расположения слоя части на сетке меняется, что несколько нарушаетгидродинамический режим взаимодействия жидкой и твердой фаз.
Особенно высокие значения коэффициента массоотдачи в первойвертикальной колонне. Действительно, на этом участке создаются наиболееблагоприятные гидродинамические условия процесса — частицы равномерно заполняютмежситовые пространства. Равномерное движение экстрагента в этой колоннеспособствует хорошему отводу тепла от греющей поверхности и быстрому нагреваниювсей массы вещества в колонне.
В других вертикальныхучастках аппарата коэффициент массоотдачи хотя и выше, чем на смежных, нозначительно ниже, чем в первой колонне. Связано это главным образом с тем, чтово все последующие вертикальные участки частицы поступают после сжатия исмещения в переходных коленах. Следовательно, в этих вертикальных участках частицырасположены на сетках неравномерно и омываются экстрагентом значительно хуже,чем в первой колонне.
Ротационные аппаратыбывают в основном двух видов: аппараты, корпус которых вращается вокруггоризонтальной оси — барабанного типа и аппараты, корпус которых вращаетсявокруг вертикальной оси— карусельного типа.
/>
/>
Рис. 6.15. Ротационный аппарат с вертикальной осью вращения(оросительный):
1 —корпус; 2 — ротор; 3 — ороситель; 4 — перегородка; 5 — лоток; 6 — выгрузнаяшахта; 7 — днище (сплошное, неподвижное).
Ротационные аппараты барабанного типа (рис. 6.14) имеютцилиндрический корпус, вращающийся на катках. Внутренняя полость аппарата повсей его длине разделена по диаметру дырчатой перегородкой 2 (рис. 6.14, а). Навнутренней поверхности корпуса расположены винтовые перегородки 2, не доходящиедо центра аппарата. В центральной части аппарата находятся наклонныеперегородки 3 (рис. 6.14, б), соединяющие между собой винтовые перегородкисоседних витков. Аппарат заполнен смесью частиц и жидкостью только до уровнянаклонных перегородок (примерно1/4—1/3объема). При вращении барабана экстрагент, находящийся всегда в нижней частиаппарата между сплошными винтовыми витками, перемещается вдоль аппарата, атвердые частицы увлекаются дырчатой перегородкой 2, отделяются на ней отжидкости и после определенного угла поворота барабана по наклонным перегородкам3 сползают в полость между соседними витками и, таким образом, перемещаются поаппарату в противоположном направлении.
Процесс экстрагирования в каждом промежутке между витками(камере) протекает прямоточно, а переход между камерами осуществляется попринципу противотока, т. е. имеет место комбинированный процесс. Транспортнаясистема аппарата проста, и деформация твердых частиц не происходит.
Главным недостатком аппаратов этого типа является оченьнизкий коэффициент использования объема и трудность поддержания необходимоготемпературного режима по его длине.
В аппаратах ротационного типа коэффициент массоотдачи сувеличением размера частиц возрастает более значительно, чем в аппаратах другихтипов. Это связано с особенностями процесса в ротационных аппаратах, где массачастиц разделена на независимые слои, не сжимаемые общим потоком жидкости.Пористость такого слоя в большей степени зависит от размера частиц.
Увеличение соотношения расхода масс твердых частиц иэкстрагента не приводит к сильному сжатию частиц, так как масса частиц разделенана независимые слои, поэтому обнаружена прямая пропорциональность междусоотношением расхода масс и коэффициентом массоотдачи.
Ротационные экстракторыкарусельного типа выполнены в виде цилиндра, высота которого примерно вдвоеменьше диаметра. Вращающийся в корпусе ротор разделен радиальными перегородкамина 12—18 секций. Днище либо является сетчатым и вращается вместе с ротором,тогда каждый сектор днища присоединяется к ротору на шарнирах и может в нужныймомент откидываться для выгрузки твердых частиц, либо днище неподвижноесплошное и имеет окно для выгрузки. В последнем случае (рис. 6.15) обод иперегородки ротора плотно прижаты к днищу и при вращении ротора трутся о днище(так же, как и нижний слой частиц, загружающих каждую секцию). Под каждымсектором имеется сборник экстрагента и насос, откачивающий жидкость из данногосектора, над сектором —
орошающее устройство. Собранная под сектором жидкостьнаправляется насосом на орошение соседнего сектора (в направлении,противоположном вращению ротора). Таким образом, достигается противоток междутвердыми частицами и экстрагентом. Следовательно, карусельный экстракторявляется одновременно и оросительным.
Главными достоинствами карусельных экстракторов являются:соблюдение противотока между фазами, весьма малая степень разрушения частиц впроцессе экстрагирования хорошее использование объема аппарата, относительнаяпростота конструкции. Недостаток этих экстракторов — неравномерность процесса,так как в условиях неподвижного слоя жидкость не одинаково проникает в поры повсему объему материала и в процессе участвует не вся действительная поверхностьчастиц. При орошении * жидкость движется в слое с малой скоростью. Это тожеотрицательно влияет на массообмен. Наконец, процесс в таких аппаратах неявляется строго непрерывным, поскольку пока идет выгрузка материала из однойсекции и загрузка в другую (иногда стекания жидкости из третьей) роторнаходится в неподвижном положении.
Протекающий в аппарате этого типа процесс в известной мереприближается к процессу в батарейных аппаратах, однако экстрактор намногокомпактнее батарейного.
Оросительные экстракторы относятся к типу аппаратов, вкоторых не вся масса твердых частиц находится в постоянном контакте сжидкостью. Однако это не должно рассматриваться как недостаток, так какжидкость, движущаяся по поверхности твердого тела в виде пленки, в большей мереинтенсифицирует процесс на границе раздела фаз, чем сплошная среда.
Главным недостатком этого способа взаимодействия жидкости итвердых частиц является то, что на протяжении определенного участка длиныаппарата жидкость имеет одинаковую концентрацию, что приводит к известномунарушению принципа противотока.
В случае большого количества таких участков и небольшой длиныкаждого из них процесс может рассматриваться как комбинированный (полноесмешение на каждой ступени и противоток при переходе от ступени к ступени) либос большим приближением как чисто противоточный.
По конструктивному принципу оросительные аппараты делятся наленточные, ковшовые и шнековые. В свою очередь ковшовые аппараты разделяются навертикальные и горизонтальные.
Ленточный экстрактор (рис. 6.16) имеет стальной корпус 1. Внутрикорпуса расположен ленточный транспортер 4, пластины которого прикреплены кдвум цепям, приводящимся в движение звездочками 3. Пластины имеют ребражесткости, на которые укладываются перфорированные листы.
/>
Материал, поступающий в аппарат через бункер 2, движетсяслоем высотой 0,6—1,2 м по верхней ветви транспортера. Над слоем материаларасположены распылители 7, обеспечивающие равномерное распределениерастворителя над слоем материала. Под лентой установлены воронки б, в которыепопадает мисцелла после того, как она прошла через слой материала. Числоворонок равно числу ступеней экстрагирования. Из каждой воронки жидкостьпопадает в соответствующий центробежный насос 6, который подает экстрагент вопределенный распылитель. При этом жидкость обычно направляется не на тотучасток, под которым она собрана, а на смежный, расположенный в направлении,противоположном движению ленты, вследствие чего обеспечивается переход жидкостиот ступени к ступени по принципу противотока. Частицы лежат небольшим слоем имало деформируются. Процесс в аппарате протекает по сложной схеме: поперечныйток на каждом участке (в сущности, процесс, полного смешения) и противоток припереходе от участка к участку. Конструкция — сложная, металлоемкая, необеспечивающая хорошего использования объема аппарата. Ремонт и обслуживаниеаппарата трудоемки.
Вертикальный ковшовый экстрактор (рис. 6.17) имеет стальнойкорпус 7, в верхней части которого расположен дозатор твердого материала 2. Внутрикорпуса расположена бесконечная цепь, одетая на звездочки 3. К цепи прикрепленыковши 4 с твердым материалом для экстрагирования. С торцевых сторон ковшаимеются карманы, в которые подается чистый растворитель 5 или экстрагент 6.
/>
Карманы соединены между собой трубками с отверстиями, через которыеподаваемые форсунками жидкости поступают на орошение материала в расположенныениже ковши. Днище ковша представляет собой рамку с густой проволочной сеткой,расположенную над оросительными трубками.
В верхней части транспортера имеется специальный опрокидывающиймеханизм, который переворачивает и стряхивает ковш над бункером для приемкишрота.
Материал загружается сверху, в верхний ковш спускающегосяряда и орошается с помощью форсунок и трубок в ковше растворителем, частичнообогащенным экстрагирующим веществом, после прохождения через поднимающийся рядковшей. Проходя через частицы в ковше и дырчатое дно, экстрагент поступает вследующий ковш. Таким образом, в опускающемся ряду ковшей имеет местопрямоточный процесс. Верхние ковши поднимающегося ряда орошаются таким жеобразом, как и опускающийся ряд, но чистым растворителем; следовательно, в этомряду имеет место противоточный процесс. Жидкость, прошедшая через последнийковш этого ряда, собирается на дне аппарата и направляется в верхний ковш опускающегосяряда.
Горизонтальные ковшовые экстракторы работают по тому жепринципу, что и ленточные: группа ковшей одновременно орошается жидкостью,которая собирается под ковшами и направляется на орошение соседней группыковшей, расположенной в направлении, противоположном движению транспортера.
В отличие от ленточного экстрактора, в ковшовомгоризонтальном экстракторе используются обе его ветви.
Хотя ковшовые экстракторы и более производительны, чем ленточные,они обладают теми же недостатками: нарушение противотока, большие габариты, плохоеиспользование объема аппарата.
/>
Оросительный экстрактор с шнековым транспортным органом (рис.6.18) значительно менее металлоемок, чем рассмотренные выше
оросительные экстракторы. Двухшнековый наклонный аппарат(рис. 6.19) представляет собой корытообразный наклонно установленный корпус срубашками на внешней поверхности для обогрева паром. Внутри корпуса*имеющего впоперечном сечении сообразную форму, расположены два вращающиеся навстречу другдругу шнека, опирающиеся на ряд равномерно расположенных по длине аппаратаподшипников, они частично заходят один в другой, чем предотвращается вращениечастиц вместе со шнеками. Перед нижней торцевой стенкой аппарата находитсясито, которое вместе со стенкой образует камеру для отделения экстрагента. Ситоочищается вращающимися скребками. Над головной частью аппарата находитсяприемный бункер, одна из стенок которого является продолжением нижней торцевойстенки аппарата. Шнеки приводятся во вращение двумя специальными приводами,установленными у нижней и верхней торцевых стенок аппарата. Для удаления частициз аппарата в верхней его части имеется колесо с черпаками. Растворительподается в аппарат специальными поворотными патрубками с соплами в верхнейчасти аппарата над последними витками шнеков.
Двухшнековые аппараты по характеру перемешивания фаз,возможностям продольного перемешивания и типу интегральной
кривой выхода твердых частиц из аппарата наиболее близки к экстракторамколонного типа.
Главная из этих конструктивных особенностей состоит в том,что аппарат разделен на пять однотипных секций, на стыке которых установленыподшипники, служащие опорой для валов транспортирующих органов. Рамы,поддерживающие подшипники, играют роль контр-лап, а транспортный орган (еговитки) имеет в местах установки подшипников разрывы, так что концы витковиграют роль, близкую к роли лап в колонных аппаратах.
Характер движения экстрагируемых частиц и экстрагента внутрикаждой секции и на стыке секций, где возникает возможность более энергичногоперемешивания фаз, имеет, таким образом, существенные отличия.
Максимумы интенсивности массообмена приходятся на участки,наиболее близко расположенные к местам разрыва витков транспортирующего органа.
В средней части каждой секции аппарата, гщ частицы менееинтенсивно перемешиваются, величина коэффициентов массоотдачи имеет наименьшеезначение.
В уменьшении общей интенсивности массообмена в хвостовойчасти экстрактора, наряду с факторами, связанными с изменением свойствэкстрагируемых частиц, определенное значение имеет дополнительное разрушениечастиц, вызванное интенсивным перемешиванием на стыке секций аппарата, котороеухудшает гидродинамические условия процесса. Двухшнековые наклонные аппаратыимеют наименьшую из всех широко применяемых в промышленности типов экстракторовметаллоемкость, занимают наименьший объем здания, имеют меньший расход энергиии меньшую стоимость всей установки по сравнению с другими аппаратами такой жепроизводительности. Конструкция их достаточно проста и доступна дляэксплуатации и ремонта. Недостатками аппаратов этого типа является рециркуляциячастиц и экстрагента по длине аппарата, значительное дробление твердых частиц итрудности в создании необходимого температурного режима в аппарате (особенно, ваппаратах больших размеров).
Существует несколько видов экстракторов, которые невозможнопричислить ни к одной из основных рассмотренных групп аппаратов. Это, например,отстойно-смесительные экстракторы для переработки тонкодисперсных частиц,приближающиеся к подобным аппаратам для системы жидкость—жидкость, разного типасекционные аппараты, в которых имеет место интенсивное перемешивание фаз, азатем их разделение для передачи в соседнюю секцию. В аппаратах такого типа широкоиспользуются различные методы интенсификации массообмена между фазами(перемешивание, пульсации, низкочастотные механические колебания, кипящийслой). Следует, однако, иметь в виду, что нарушение противотока в каждой секциитакого аппарата при значительных величинах критерия Фурье может привести кухудшению всех показателей процесса,
/>
несмотря на то, что в каждой секции массообмен будет весьмаэффективен. В аппарате с кипящим слоем (рис. 6.21) форма корпуса / итранспортный орган 6 такие же, как у наклонного двухшнекового экстрактора.Основное его отличие состоит в устройстве дополнительной кипятильной камеры 2 сперфорированным днищем 7, препятствующим выбросу и продольному перемешиваниютвердых частиц, поперечных перегородок 8, ограничивающих продольноеперемешивание экстрагента, и наличии специального корпуса 5, в которомрасположены холодильники 3 и сепаратор 4.
Достоинство этого аппарата заключается в возможностипроводить экстрагирование из частиц малых размеров или значительнодеформированных частиц при больших значениях коэффициента массоотдачи, т. е.значительно интенсифицировать процесс, легко поддерживать необходимыйтемпературный режим в аппарате. Когда температура кипения выше, чем допустимаяпо технологическим соображениям, процесс необходимо проводить под вакуумом. Вэтом случае требуется специальное устройство для загрузки и выгрузки изаппарата частиц твердого материала (турникет или мешалка и насос для нагнетанияи удаления смеси твердых частиц и экстрагента).
В таких аппаратах имеет место нарушение противотока — впромежутке между витками происходит полное смешение.
Многочисленностьконструкций экстракторов связана с большим разнообразием видов сырья,перерабатываемого в этих аппаратах. Если, например, твердые частицы легкоразрушаются в процессе экстрагирования, то необходимо применять экстракторыоросительного типа; при частицах, мало упругих и склонных к слеживанию,предпочтительно применение многоколонных и двухшнековых аппаратов. Определенноезначение имеет и то, что ни одна из существующих конструкций экстракторов неотвечает всем требованиям, предъявленным к аппаратам этого типа: протеканиестрого противоточного процесса с малым внешним диффузионным сопротивлением прималых размерах частиц, минимальная металлоемкость, малые габаритные размерыаппарата, простота конструкции, доступность для эксплуатации и ремонта.
ОСНОВЫ ВЫБОРА И РАСЧЕТА ЖИДКОСТНЫХ ЭКСТРАКТОРОВ ОБЩИЕСВЕДЕНИЯ О ЖИДКОСТНОЙ ЭКСТРАКЦИИ
Жидкостная экстракция представляет собой процесс извлечениявещества, называемого целевым компонентом, из одной жидкой фазы в другую. Двевзаимно нерастворимые жидкости и распределяемый между ними целевой компонентобразуют экстракционную систему.
Существуют экстракционные системы двух типов:
1) органическая фаза — распределяемый «компонент— воднаяфаза;
2) органическая фаза—распределяемый компонент — органическаяфаза. Распределяемыми (извлекаемыми) компонентами могут быть органические,неорганические вещества и комплексные соединения.
Таким образом, в процессе экстракции участвуют две жидкиефазы — экстрагент и исходный раствор. Получаемые после экстракции фазыназываются экстрактом и рафинатом.
При экстракции веществ достигаются следующие цели:
1) избирательное извлечение вещества из исходного раствора;
2) разделение веществ, содержащихся в исходном растворе иполучение их в чистом виде;
3) концентрирование извлекаемых веществ.
Экстрагент — это органический растворитель, экстрагирующийвещество из исходного раствора. В большинстве случаев жидкостная экстракцияосложняется химической реакцией. В таких процессах ионы вещества илинезаряженные частицы в исходном растворе первоначально вступают вовзаимодействие с компонентами экстрагента, а затем продукты реакциирастворяются в экстрагенте. Органический реагент, который входит II состав экстрагента (либо применяетсякак самостоятельная фаза) и образует с извлекаемым компонентом комплекс илисоль, способные экстрагироваться, называется экстракционным реагентом. Дляулучшения физических (плотность, вязкость) или экстракционных (например, избирательность)свойств экстрагента экстракционный реагент растворяют в инертном растворителе.Под инертностью растворителя подразумевается неспособность образовыватьсоединения с извлекаемым веществом.
Каждый экстрагент при экстрагировании определенного компонента(например, металла) имеет предельную емкость. При ее достижении экстрагентнасыщается. Концентрация насыщения данного экстрагента (емкость) может быть определенапосле многократной обработки после многократной обработки в воронке нескольких свежихпорций исходного раствора. Обработка проводится одной порцией экстрагента дотех пор, пока количество компонента в экстрагенте не станет постоянным.Значения предельной емкости для различных экстрагентов изменяются в широкихпределах. На практике стараются избегать максимального насыщения экстрагента,так как с увеличением насыщения возрастает вязкость, что приводит к ухудшениюпоказателей работы экстракционного оборудования.
Емкость экстрагента, измеряемая обычно в мг-экв извлекаемого вещества,приходящихся на единицу мольного объема или массы органической фазы, должнаиметь возможно большую величину, так как в противном случае применение дажевысокоселективного экстрагента может оказаться неэкономичным из-занеобходимости иметь в системе большое количество экстрагента.
В экстракционных процессах жидкости после их смешениярасслаиваются. В простых случаях расслоение определяется взаимной нерастворимостью фаз и различием их физических СВОЙСТВ, однако иногда оно происходитВ замкнутой области, поскольку вода имеет «полую» структуру, в пустотах котороймогут располагаться молекулы экстрагентов, образуя при этом соединениявнедрения.
Наличие области расслоения — первое требование к экстрагенту. Практически неменее важна малая растворимость экстрагента в воде. Хорошее расслоение прималой растворимости обеспечивается наличием в молекуле экстрагента неполярнойгидрофобной части — радикала, который чаще всего представлен углеводороднымигруппамиСnH2n+1(n=10÷12). Аналогичный эффект достигается введением вмолекулу экстрагента длинной алкильной боковой цепи. Практически это означает,что экстрагент должен иметь молекулярную массу М = 200÷600. При меньшемзначении М он становится слишком растворимым в водной фазе, а при большем имеетнизкую емкость по извлекаемому металлу и повышенную вязкость.
Добавка трибутилфосфата и других нейтральныхфосфор-органических соединений или высокомолекулярных спиртов к органическойфазе снижает растворимость экстрагентов и в ряде случаев резко увеличиваеткоэффициенты распределения (так называемый синергетический эффект).
Необходимо учитывать, что в ряде случаев цена экстрагентовнаходится в пределах от 500 до 2500 руб. за 1 т, поэтому уже при потерях 100мг/л (100 г/м3) дорогие экстрагенты можно применять приконцентрациях извлекаемого металла и несколько граммов на 1 л исходного раствора при тис металла, незначительно отличающейся от цены экстрагента.Следовательно, стоимость извлекаемого металла определяется минимальнуюконцентрацию в водном растворе, при которой экстракция будет экономическивыгодной.
Процессыэкстракционного извлечения и разделения металлов идут, как правило, путемсмешения органической и водной фаз с последующим их разделением. Чем большеразность плотностей органического и водного слоев и чем меньше вязкость экстрагента,тем легче (быстрее) идет их разделение. Поэтому обычно работают с разбавленнымиэкстрагентами, используя в качестве разбавителей неполярные малоактивные иустойчивые жидкости: бензол, толуол, керосин и т. д. Иногда, наоборот,утяжеляют органический слой, используя в качестве разбавителя четыреххлористыйуглерод, хлороформ и т. д.
Межфазноенатяжение на границе раздела должно быть достаточно высоким для ускорениякоалесценции (соединения) несмешивающихся жидкостей при их отстаивании. Однакослишком большое межфазное натяжение приводит к увеличению энергии,затрачиваемой на создание дисперсии смеси, а жидкости с малым межфазнымнатяжением образуют стабильные эмульсии.
Существенноевлияние на величину межфазного натяжения оказывают (как правило, снижая его)примеси, которые адсорбируются на поверхности раздела фаз —поверхностно-активные вещества (ПАВ), поэтому технические жидкости почти всегдаобладают межфазным натяжением меньше стандартного.
Экстрагентдолжен быть стабильным, не изменяться под действием таких окислителей, как,например, азотная кислота, не полимеризоваться, не окисляться кислородомвоздуха и не изменяться при многократном нагревании. Необходимо также приниматьво внимание возможность гидролиза экстрагентов, который может привести к образованиюкоррозионно-активных соединений. Экстрагент должен иметь низкое давлениенасыщенных паров, что обеспечивает возможность проведения процесса в открытойаппаратуре. При этом уменьшаются его потери за счет испарения. В целяхбезопасности температура вспышки экстрагента должна быть достаточно высокой.
Реэкстракцияпредставляет собой процесс обратного извлечения вещества из экстракта путемобработки специальном раствором, который называют реэкстрагентом, а получаемыйпродукт (чаще всего это раствор) — реэкстрактом. В качестве реэкстрагентаиспользуют воду, водные растворы, нерастворимые в экстрагенте органическиевещества.
Реэкстракциюможно осуществлять одним из следующих способов:
1)промывка органической фазы;
2)осаждение металла непосредственно из органической фазы;
3)селективное извлечение компонента, если в органической фазе содержитсянесколько металлов.
При реэкстракции достигаются следующие цели:
1) выделение вещества из экстракта;
2) разделение веществ (избирательная реэкстракция);
3) концентрирование извлекаемых веществ;
4) регенерация экстрагента для повторного использования (в некоторых случаях для регенерацииэкстрагента принимают перегонку, при этом отгоняется и конденсируется либо экстрагент,либо получаемый целевой компонент).
Выбор реэкстрагентов зависит от механизма экстракции. Изэфиров и нейтральных фосфорорганических соединений металлы легчереэкстрагируются водой, из кислых фосфорорганических соединений их можнореэкстрагировать кислотой или щелочью. Обычно применяются концентрированныекислоты, чтобы сдвинуть равновесие реакции в требуемом направлении. Прииспользовании щелочей после реэкстракции образуются растворимые илинерастворимые гидроокиси. Реэкстракция аминов может происходить в результатезамещения, гидролиза, комплексообразования и осаждения.
Регенерация экстрагента может быть осуществлена такжеректификацией, выпариванием, кристаллизацией и т. д.
Химическая реакция между экстрагентом и компонентами водногораствора должна быть обратимой, так как иначе регенерация экстрагента будетзатруднена или невозможна. Для кислотных и хелатообразующих экстрагентовпроцесс экстракции можно сделать обратимым путем обработки органической фазыминеральной кислотой. Добавление карбоновых и фосфорных кислот встехиометрическом количестве по отношению к количеству металла в органическойфазе обычно достаточно для полной реэкстракции металла и регенерацииэкстрагента. Для хелатообразующих экстрагентов с возрастанием прочностиэкстрагируемого комплекса увеличивается концентрация кислоты, необходимой дляреэкстракции. Если используется очень сильная кислота или донорный атомсильноосновен, то может происходить протонирование атома-донора ссоответствующей потерей кислоты. Это вызывает снижение эффективностиреэкстракции, а иногда приводит к тому, что ион металла может вновьэкстрагироваться из реэкстракта органической фазой в виде анионного комплекса.Вследствие этого иногда используют способ реэкстракции, независимый от рН:прямое восстановление металла в органической фазе водородом.
Для аминов и сольватирующих экстрагентов в качествереэкстрагентов обычно применяют разбавленные растворы, содержащие лиганды.Несмотря на то, что реэкстракция анионами, не содержащимися в органическойфазе, иногда проходит эффективно, их использование нежелательно, так как в этомслучае возникает проблема дополнительной перезарядки экстрагента в форму,удобную для последующей экстракции.
Обычно жидкостная экстракция используется в тех случаях,когда прямые методы разделения смесей непригодны пли когда, несмотря на недостаткиэкстракционных способов разделении, затраты на другие способы оказываются большими.
Широкое промышленное применение жидкостная экстракцияполучила в процессах нефтехимического синтеза, при экстракции жиров И масел, икоксохимической и химико-фармацевтической отраслях промышленности, в технологииорганических и неорганических веществ, для разделения металлов в гидро — металлургии.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЭКСТРАКЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Промышленные экстракционные аппараты можно подразделить напериодически- и непрерывнодействующие. Аппараты первого типа применяются тольков производствах с небольшими массовыми потоками. Это обычные химическиереакторы с мешалками, в которые загружают исходный раствор и экстрагент,перемешивают в течение необходимого времени, дают жидкостям отстояться ираздельно направляют на последующие операции. В связи с тем, что экстракторыпериодического действия имеют ограниченное применение вследствие низкойэффективности, в дальнейшем они подробно рассматриваться не будут.
При осуществлениипроцесса экстракции в промышленных аппаратах используют и другие технологическиепроцессы, которые в этом случае играют роль вспомогательных.
К ним относятся:
1) перемешивание двухжидких фаз, необходимое для образования большой поверхности контакта, накоторой происходит массопередача экстрагируемого компонента;
2) разделение ранеесмешанных фаз путем гравитационного отстаивания или центрифугирования;
3) разделение жидкихсмесей (экстрактов) путем дистилляции с целью регенерации экстрагента ивыделения целевого компонента.
Возможность различных сочетаний вспомогательных процессов иорганизации потоков фаз привело к созданию большого количества конструкцийэкстракционных аппаратов. Упрощенная классификация экстракторов приведена ниже:
По характеру изменения состава жидких фаз экстракционныеаппараты можно разделить на две группы.
I. Дифференциально-контактные экстракторы Экстракторы без механического перемешивания Механические экстракторы
Распылитель-
ные колонны Колонны с тарелками и перегородками Насадочные колонны Многоступенчатые смесительные экстракторы Пульсационные колонны Центробежные экстракторы II. Ступенчатые экстракторы Экстракторы без механического перемешивания Смесительно-отстойные механические экстракторы Тарельчатые колонны Горизонтальные экстракторы Вертикальные экстракторы Центро» бежные экстрак* торы /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
1.Дифференциально-контактные экстракторы, в которых характеризменения состава фаз близок к непрерывному.
2. Ступенчатые экстракторы, в которых изменение состава фазпроисходит скачкообразно (ступенчато) и в каждой ступени осуществляется перемешиваниеи разделение (сепарация) фаз.
Экстракторы обеих групп могут быть классифицированы по двумпризнакам: 1) по способу контакта между сплошной фазой, заполняющей аппарат, идисперсной фазой, распределяемой в виде капель в сплошной фазе (контакт междуфазами возможен за счет собственной энергии потоков фаз — экстракторы безмеханических перемешивающих устройств или за счет подвода энергии извне —механические экстракторы);
2) по виду сепарации фаз, которая может происходитьвследствие разности плотностей фаз (гравитационная сепарация) либо поддействием центробежных сил (центробежная сепарация).
Экстракторы, в которых смешение и сепарация фазосуществляются в поле центробежных сил, называют центробежными.
В приведенной классификации не отражены разновидностигоризонтальных смесительно-отстойных экстракторов, различных по конструкцииперемешивающих устройств и взаимному направлению движения фаз после отстаивания(прямоток или противоток).
Ниже рассмотрены типы экстракторов, нашедшие наибольшееприменение в различных отраслях промышленности.
В качестве аппаратуры для непрерывной противоточнойэкстракции применяют вертикальные колонны, горизонтальные смесители-отстойникии центробежные экстракторы.
Экстракторы колонного типа (статические) могут быть полыми(распылительные колонны), заполненными насадкой или оборудованнымиперфорированными тарелками, что уменьшает продольное перемешивание испособствует столкновению и разрушению капель дисперсной фазы. В результатевозрастает скорость массопередачи и уменьшается высота, эквивалентнаятеоретической ступени (ВЭТС). В экстракторах этого типа диспергирование фаз достигаетсяза счет разности плотностей водной и органической фаз, а в колоннах смеханическим перемешиванием и в пульсационных колоннах — за счет работы мешалкиили пульсатора.
Горизонтальные смесительно-отстойные экстракторы в отличие отколонных позволяют при сравнительно малой высоте аппарата перерабатыватьбольшие объемы жидкостей. Экстракционная установка с использованием смесительно-отстойнойаппаратуры может состоять из отдельных смесителей и отстойников, установленныхкаскадом и соединенных внешними трубопроводами. Одна из фаз движется от ступеник ступени каскада самотеком, другая перекачивается насосами. Перемешиваниеобычно производится механическими мешалками. Во внутреннихсмесителях-отстойниках перемешивание и транспортирование жидкостей осуществляютсяс помощью турбинной мешалки, помещаемой в кожухе непосредственно внутри отстойнойкамеры.
Горизонтальные смесители-отстойники занимают большую площадь,однако ее можно уменьшить, используя аппараты ящичного типа.
Каждый экстрактор состоит из секций, имеющих смесительную иотстойную камеры. Движение жидкостей через аппарат противоточное, а внутрисекций прямоточное.
В камерах смешения устанавливают мешалки (обычно турбинноготипа), одновременно перемешивающие жидкости, перемещающие их на соседние ступении регулирующие уровень в камерах.
При использовании каскадов смесителей-отстойниковтеоретическая ступень может соответствовать практической, если на каждойступени выходящие органическая и водная фазы находятся в равновесии.
Центробежные экстракторы используются в тех случаях, когдаплотности органической и водной фаз близки и система имеет тенденцию кэмульгированию.
Смешение и разделение фаз в подобных аппаратах осуществляетсяв поле действия центробежных сил, что позволяет эффективно разделять жидкиефазы и снижать потери растворителя с уносом водной фазой. Необходимо отметить,что время пребывания смеси жидких фаз в центробежных, экстракторах мало (отодной до нескольких секунд), поэтому для случая массообмена, осложненногохимической реакцией, применение данной аппаратуры иногда нецелесообразно.
Для ряда систем применяются также статические экстракторы,представляющие собой цилиндрическую трубу, в которой размещаются специальныенасадки, способствующие перемешиванию фаз при их движении по трубе.
ОСНОВЫ ВЫБОРА ЭКСТРАКТОРА
При выборе типа экстракционного аппарата для осуществлениязаданного технологического процесса необходимо учитывать:
1) пригодность конструкции, которая определяетсяфизико-химическими характеристиками реагентов (плотность, вязкость,токсичность, концентрация и т. д.), степенью проработки конструкции (наличиемрезультатов опытно-промышленной проверки, использованием в промышленности) имасштабом производства;
2) технологичность конструкции, которая определяется удельнойпроизводительностью и эффективностью, коэффициентом масштабного перехода(отношением эффективности промышленного аппарата к эффективности лабораторногообразца);
3) экономичность конструкции, которая характеризуетсякапитальными (стоимость аппарата, загрузка экстрагента и т.д.) иэксплуатационными (расход электроэнергии, реагентов, стоимость обслуживания ит. д.) затратами.
Для предварительного выбора экстрактора необходимо учитыватьконструктивные его особенности и значения параметров процесса экстракции.
1. Число ступеней экстрактора определяется в зависимости от величинытребуемых теоретических ступеней |экстракции. Если эта величина менее 3, то напрактике можно
использовать практически любой тип аппарата. Когда числоступеней более 20 наиболее целесообразно применять аппараты типасмеситель-отстойник, при 10—20 ступенях — колонные аппараты (однако прирасчетах необходимо учитывать предельную высоту, которую может иметь данный типколонны).
2. Производительность. При низких и средних нагрузкахнаиболее целесообразно использовать распылительную и насадочную колонны, дляумеренных и высоких — роторно-дисковый экстрактор, пульсационную тарельчатую колонну
или смеситель-отстойник. Наиболее высокие удельныепроизводительности имеют пульсационные тарельчатые колонны и центробежныеэкстракторы.
3. Время пребывания экстрагента. Для процессов, требующихмалого времени пребывания экстрагента, наиболее целесообразно использовать центробежныйэкстрактор, где разделение фаз происходит под действием центробежной силы. Смесительно-отстойныеэкстракторы с гравитационным расслаиванием фаз при большом числе ступенейприменяются для длительных процессов (для таких аппаратов расслоение иразделение фаз зависит от скорости коалесценции дисперсной фазы и будетпроисходить после каждой смесительной ступени). В дифференциально-контактных экстракторахрасслоение и разделение фаз происходит только на концах аппарата, поэтому времяпребывания фаз зависит от средней скорости подъема или падения капель и независит от времени коалесценции.
4. Отношение потоков фаз влияет на размеры аппарата, причем приснижении скорости движения потоков дисперсной и сплошной фаз объем экстракторабудет уменьшаться.
5. Физико-химические свойства фаз влияют на размеры капель.Например, при большом отношении межфазного натяжения а и разности плотностейфаз ∆ρ образуются крупные капли, что приводит к уменьшениюповерхности раздела фаз и ухудшению массопередачи. Для таких систем (для оченьвязких жидкостей) рекомендуется использовать экстрактор с механическимперемешиванием с высокой интенсивностью перемешивания фаз, что дает возможностьобеспечить требуемую эффективность и производительность.
6. Направление массопередачи играет особую роль в системахвода — растворитель, так как размер капли увеличивается при массопередаче из растворителяв водную фазу. Поэтому для таких систем наиболее целесообразно использоватьэкстракторы с механическим перемешиванием фаз при интенсивном перемешивании. Вцелом влияние направления массопереноса необходимо определять в лабораторномэксперименте.
7. Диспергирование и задержка дисперсной фазы. Дляобеспечения наибольшей величины межфазной поверхности и высокой скорости массопередачинеобходимо диспергировать ту фазу, производительность по которой максимальна.При диспергировании водной фазы в колонных экстракторах вследствие смачиванияматериалов насадки водной фазой может ухудшиться процесс диспергирования. В этомслучае рекомендуется применять в качестве насадок гидрофобные материалы,устойчивые к воздействию экстракционных фаз. При загрязнении органической фазыпримесями на поверхности раздела фаз в колонном экстракторе диспергированиедолжно быть таким, чтобы граница раздела находилась над рафинатом в конце колонны.Если используются нестабильные растворенные вещества или растворители оченьдороги, то необходимо обеспечить малую задержку фаз, для чего применяютсяцентробежные экстракторы с минимальными временем контакта и рабочим объемом.
8. Скорость реакций. При осуществлении медленной реакции наповерхности раздела фаз или в объеме одной из фаз следует использовать смесители-отстойникис рециркуляцией внутри каждой ступени для увеличения времени контакта фаз.
9. Присутствие твердых веществ. В этом случае необходимоприменять экстракторы, имеющие приспособления для удаления твердых осадков, напримерпульсационную тарельчатую колонну, экстрактор Лувеста и др. 10. Оценка общей эффективностиработы экстрактора. Такая оценка проводится, например, при выборе размеровколонны и условий ведения процесса, для чего используется параметр, представляющийсобой модифицированный коэффициент массопередачи, — высота единицы переноса (ВЕП);ВЕП
/>
является мерой эффективности переноса растворенного веществаи производительности на единицу объема колонны. Для ступенчатых экстракторов вкачестве такого параметра можно использовать отношение суммы объемных скоростейфазовых потоков при захлебывании к общему объему одной ступени. Этот параметрможно использовать для различных экстракторов при их сравнении. С увеличениемзначения этого параметра для идентичных питающих потоков конструкцияэкстрактора будет более эффективной.
Окончательный выбор экстрактора осуществляется по результатампоследовательной оценки работы двух-трех выбранных типов экстракторов с использованиемэкономического показателя — приведенного дохода Рпр = РР —Зпр, где Рр — доход от реализации полученной продукции, Зпр— приведенные затраты.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАСЧЕТЕ ЖИДКОСТНЫХ ЭКСТРАКТОРОВ
К экстракционным аппаратам предъявляются разнообразныетребования, основными из которых являются:
1) максимальные производительность и интенсивность работы;
2) малый расход энергии при эксплуатации;
3) высокая степень извлечения ценных компонентов;
4) простота устройства и низкая стоимость изготовления;
5) легкость управления и автоматического регулирования.
От правильности выбора типа аппарата и значений параметров вомногом зависит эффективность всего процесса, проводимого в экстракторе.
В настоящее время используются в основном экстракторы двухтипов — периодического и непрерывного действия, причем применениенепрерывнодействующих экстракторов более эффективно вследствие возможностиобеспечения большей производительности и осуществления автоматизированногоконтроля за их работой. Экстракторы периодического действия выгоднееиспользовать в производствах с небольшими объемами потоков взаимодействующихфаз.
Для расчета экстрактора необходимо иметь данные о скоростяхпротекания химических реакций, тепло- и массопередачи и о гидродинамическойобстановке или структуре потоков в экстракторе.
К числу основных факторов,влияющих на работу экстрактора, следует отнести:
1) термодинамическиефакторы — константы химического и фазового равновесия; эта группа факторовопределяет направление реакции, технологические параметры проведения реакции иоказывает влияние на скорость и селективность всего процесса;
2) кинетические факторы —константы скорости и энергии активации основных и побочных реакций, а такжеистинные и кажущиеся порядки реакций;
3) массообменные факторы— коэффициенты массоперодачи исходных и промежуточных веществ и конечныхпродуктов реакции;
4) теплообменные факторы— коэффициенты теплопередачи между фазами и коэффициенты теплопередачи междусредой и теплообменными устройствами, величина поверхности внешнеготеплообмена;
5) гидродинамическиефакторы — характеристики межфазной поверхности и перемешивания по сплошной идисперсной фазам.