Порядок выполнения работы. 1. Ознакомиться с технологическими схемами экстракции в системе жидкость – жидкость

1. Ознакомиться с технологическими схемами экстракции в системе жидкость – жидкость.

2. Изучить устройство и принцип действия экстракторов.

3. Составить отчет.

Экстракторы по принципу организации процесса бывают непрерывного и периодического действия. В зависимости от способа контакта фаз их можно разделить на две группы: ступенчатые (секционные) и дифференциально-контактные.

Ступенчатые (секционные) экстракторы состоят из отдельных секций, в которых изменение концентрации в фазах происходит скачкообразно. В ряде случаев каждая секция приближается по полю концентраций к аппарату идеального смешения. Экстрактор, состоящий из нескольких таких секций, по полю концентраций идентичен аппарату идеального вытеснения.

Необходимость разделения фаз после каждой секции экстракции при плохо разделяемых эмульсиях может приводить к значительному увеличению размеров экстрактора.

Дифференциально-контактные экстракторы обеспечивают непрерывный контакт между фазами и плавное непрерывное изменение концентраций в фазах. За счет продольного перемешивания фаз в таких аппаратах значительно снижается средняя движущая сила (по сравнению с аппаратами идеального вытеснения).

Для диспергирования жидкой фазы требуются затраты энергии. В зависимости от вида затрачиваемой энергии экстракторы могут быть без подвода внешней энергии и с подводом. Внешняя энергия во взаимодействующие фазы вводится: перемешивающими устройствами, вибраторами и пульсаторами в вибропульсационных экстракторах, в виде центробежной силы в центробежных экстракторах, кинетической энергии струи в инжекторных и эжекторных экстракторах.

Смесительно-отстойные экстракторы состоят из нескольких ступеней, каждая из которых включает смеситель и разделитель. В смесителе за счет подвода внешней энергии происходит диспергирование одной из жидких фаз с образованием дисперсионной фазы, которая распределяется в другой – сплошной фазе. Дисперсной фазой может быть как легкая, так и тяжелая фаза.

В разделителе, который представляет собой отстойник, а в современных установках сепаратор, происходит разделение эмульсии на рафинат и экстракт. Схема простейшего смесительно-отстойного экстрактора приведена на рис. 107.

Рис. 107.Смесительно-отстойная экстракционная установка: 1 – экстрактор; 2 – сепаратор

Приведенная схема из-за присущих ей недостатков (громоздкости, значительной производственной площади, высокой металло- и энергоемкости) вытесняется более совершенными конструкциями. Посредством соединения нескольких таких секций образуются различные по схемам экстракционные установки.

Тарельчатые экстракторы (рис. 108) представляют собой колонные аппараты с ситчатыми тарелками различных конструкций, снабженными переливными устройствами. Взаимодействие фаз происходит в перекрестном токе на каждой тарелке. Диспергируемая фаза (легкая или тяжелая) проходит через отверстия в тарелках и дробится на капли. Капли на тарелках коалесцируют и образуют сплошной слой жидкости над тарелкой (тяжелая жидкость) или под ней (легкая жидкость). Подпорный слой делит экстрактор на секции по высоте и обеспечивает подпор для диспергирования жидкости через отверстия тарелок, что снижает обратное перемешивание фаз и приводит к увеличению средней движущей силы процесса.

В роторно-дисковом экстракторе (рис. 109) фазы перемешиваются механически. Он представляет собой вертикальный многосекционный аппарат, в цилиндрическом корпусе которого по оси установлен ротор с круглыми горизонтальными дисками. Диски вращаются в средней плоскости экстрактора и разделены кольцевыми перегородками, что препятствует продольному перемешиванию потоков и способствует увеличению движущей силы процесса. При вращении ротора диски создают осевые потоки сплошной фазы, направленные от оси ротора к стенкам экстрактора. Достигнув стенок, жидкость движется вдоль них вверх и вниз в пространстве, ограниченном кольцевыми перегородками. Отражаясь от колец перегородки, она меняет направление и движется к оси экстрактора. Так возникают тороидальные потоки сплошной фазы.

Рис. 108. Тарельчатый экстрактор: 1 – цилиндрический корпус; 2 – переливное устройство; 3 – ситчатые тарелки	Рис. 109. Роторно-дисковый экстрактор: 1,5 – отстойные зоны; 2 – корпус; 3 – кольцевые перегородки; 4 – ротор

В верхней и нижней частях экстрактора расположены отстойные зоны. Капли легкой фазы движутся вверх и коалесцируют в верхней отстойной зоне. Для лучшего разделения фаз отстойные зоны имеют диаметр, несколько больший, чем зоны смешения.

Вибрационные и пульсационные экстракторы позволяют повысить интенсивность массопередач и использовать положительные качества гравитационных экстракторов (простота конструкции, низкая стоимость, небольшие затраты на эксплуатацию), сообщающие взаимодействующим жидкостям колебательное движение.

Колебательное движение жидкостям может сообщаться установленным вне экстрактора пульсатором или движущимся возвратно-поступательно блоком ситчатых тарелок, насаженных на подвижный общий шток. В первом случае экстрактор называется пульсационным (рис. 110), а во втором – вибрационным.

Рис. 110. Пульсационный экстрактор: 1 – неподвижный корпус; 2 – вращающийся диск; 3 – окна для соединения с системой сжатого воздуха; 4 – окно для сообщения с атмосферой; 5 – пульсационная камера

Золотниково-распределительный механизм состоит из диска, вращающегося в неподвижном корпусе. Диск и корпус имеют по два окна для соединения пульсационной камеры с системой сжатого воздуха и для сообщения камеры е атмосферой. При совпадении прорезей для сжатого воздуха на диске и корпусе жидкость в пульсационной камере находится под избыточным давлением. За счет перепада давления она получает поступательное движение. При сообщении пульсационной камеры с атмосферой при совпадении прорезей сброса давления на вращающемся диске и корпусе происходит сброс давления, и жидкость совершает возвратное движение. Регулируя частоту вращения диска, можно изменять частоту колебания жидкости в экстракторе. Частота пульсаций обычно составляет от 30 до 250 колебаний в минуту, а амплитуда – 2 – 25 мм.

В зависимости от произведения амплитуды на частоту колебаний (Af) пульсационные экстракторы могут работать в смесительно-отстойном и эмульгационном режимах.

В смесительно-отстойном режиме за один цикл пульсаций легкая фаза, перемещаясь с нижней на вышележащую тарелку, диспергируется на ней и коалесдирует в межтарельчатом пространстве. Тяжелая фаза через слой движется навстречу легкой жидкости. Для этого режима характерны небольшие продолжительность контакта фаз и площадь межфазной поверхности. С возрастанием Af происходит уменьшение размера капель и возникает эмульгационный режим, для которого характерно наличие мелких капель примерно одного диаметра, заполняющих весь межтарельчатый объем экстрактора.

Размер отверстий в тарелках экстрактора составляет 3 – 5 мм, площадь всех отверстий – 20 – 25 % площади поперечного сечения колонны, расстояние между тарелками – 50 мм.

Лучшее распределение и диспергирование достигаются на тарелках с прямоугольными отверстиями и направляющими лопатками.

В вибрационных экстракторах вибрация блока тарелок происходит при больших частотах и меньших амплитудах, чем пульсация жидкости в пульсационных. Расход энергии на вибрацию блока тарелок значительно меньше, чем в пульсационных экстракторах на перемещение всего столба жидкости.

Достоинством пульсационных и вибрационных экстракторов является эффективная массопередача за счет увеличения коэффициентов массоотдачи, средней движущей силы процесса и развитой поверхности фазового контакта.

Высокие удельные нагрузки 30 – 80 м³ / (м²·ч) превышают допустимые для роторно-дисковых экстракторов.

Высокая эффективность массопередачи позволяет значительно сократить металлоемкость экстракционного оборудования, в результате снижаются капитальные затраты.

В то же время для пульсационных и вибрационных экстракторов требуются более мощные фундаменты, выдерживающие значительные динамические нагрузки. Эксплуатационные затраты для таких экстракторов несколько выше,, чем для обычных тарельчатых.

В центробежных экстракторах (рис. 111) экстракция протекает при непрерывном контактировании движущихся противотоком фаз при минимальном времени взаимодействия.

В корпусе машины, состоящем из двух кожухов – верхнего и нижнего, расположен вал с закрепленным на нем ротором. Вал с двух концов полый и выполнен по типу «труба в трубе», а в центральной части цельный, с каналами для отвода легкой жидкости. Вал вместе с ротором вращается с частотой около 4500 мин^-1.

Обрабатываемый раствор и экстрагент поступают в экстрактор с противоположных концов полого вала, как показано на рис. 111. Легкая жидкость подводится со стороны привода, а тяжелая - с противоположного конца вала. Вал уплотняется с помощью двойных торцевых уплотнений. Уплотнительной жидкостью служит жидкость, обрабатываемая в экстракторе.

Внутри ротора находится пакет концентрических V-образных колец. В роторе предусмотрены каналы для прохода легкой и тяжелой жидкости. Тяжелая жидкость поступает в центральную часть пакета ротора, а легкая – в периферийную. При вращении ротора вместе с пакетом колец тяжелая жидкость под действием центробежной силы устремляется к наружному периметру, а легкая жидкость движется навстречу валу. Таким образом, жидкости контактируют в противотоке. За счет многократного диспергирования жидкости на капли и их коалесценции достигается высокая эффективность экстракции.

Рис. 111. Экстрактор «Подбильняк»: 1 – корпус; 2 – V-образное кольцо; 3 – ротор; 4 – труба для подвода легкой жидкости; 5 – труба для отвода легкой жидкости; 6 – труба для подвода тяжелой жидкости; 7 – канал для выхода тяжелой жидкости

После разделения смеси жидкости выводятся по каналам в роторе в пустотелый вал: тяжелая – со стороны привода, а легкая – с противоположного конца вала, т. е. со стороны входа тяжелой жидкости.

Внутри ротора происходит инверсия фаз. Если в периферийной части ротора взаимодействует дисперсной фазы легкой жидкости со сплошной фазой тяжелой жидкости, то в зоне, прилежащей к оси ротора, наоборот, дисперсная фаза тяжелой жидкости контактирует со сплошной фазой легкой жидкости.

На отводной трубе легкой жидкости предусмотрен обратный клапан для регулировки положения границы двух фаз в радиальном направлении. Изменяя обратным клапаном рабочее давление легкой жидкости, можно получить необходимое соотношение объемов легкой и тяжелой жидкости, удерживаемой в роторе экстрактора.

С увеличением частоты вращения ротора возрастает производительность экстрактора, устраняется «захлебывание» и повышается эффективность разделения смеси.

Центробежные экстракторы характеризуются компактностью и высокой эффективностью. Их отличительной чертой является существенное ускорение процессов смешения и разделения фаз в поле центробежных сил. Время пребывания фаз в таких экстракторах в зависимости от конструкции составляет от нескольких секунд до нескольких минут.

В центробежных экстракторах могут обрабатываться жидкости с малой разностью плотностей и при низком модуле экстрагента.

В экстракционной установке непрерывного действия основными аппаратами являются экстрактор, емкости для исходного раствора, экстрагента, рафината и экстракта. Из емкости насосом исходный раствор подается в верхнюю часть экстрактора, а экстрагент (легкая жидкость) – в нижнюю.

Массообмен в экстракторе происходит в противотоке: экстрагент проходит через тарелку снизу вверх, а исходный раствор движется навстречу. В итоге из верхней части экстрактора выходит экстракт, а из нижней – рафинат, которые собираются в соответствующие емкости.

Производительность экстракторов определяют из предельной нагрузки, соответствующей «захлебыванию» экстрактора. В точке «захлебывания» нагрузку рассчитывают по максимальной удерживающей способности аппарата и по средней скорости осаждения капель в неподвижной сплошной фазе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.В каких аппаратах проводятся процессы экстракции?

2.В чем заключается принцип действия центробежных экстракторов? Какие преимущества они имеют в отличие от других типов экстракторов?