Ректификация в присутствии третьего компонента

Ректификация в присутствии третьего компонента

Принципиальная схема абсорбционно-десорбционной установки

Рис.1. Принципиальная схема абсорбционно-десорбционной установки:
/ — абсорбер; 2 — холодильник; 3 — подогреватель; 4 — десорбер; 5 — конденсатор; 6 — емкость; 7 — теплообменник. Потоки: I — сырой газ; II— сухой (тощий) газ; III — насыщенный абсорбент; IV — регенерированный абсорбент; V — извлеченные компоненты; V7 — несконденсированные газовые компоненты; VII — жидкий продукт

Расчет простой абсорбции

Основные типы абсорберов

Насадочные абсорберы

Широкое распространение в промышленности в качестве абсорберов получили колонны, заполненные насадкой –– твердыми телами различной формы. В насадочной колонне (рис.7) насадка 1 укладывается на опорные решетки 2, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Последняя с помощью распределителя 3 равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадки равномерного распределения жидкости по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом –– большей плотностью укладки насадки в центральной части колонны, чем у ее стенок. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Поэтому для улучшения смачивания насадки в колоннах большого диаметра насадку иногда укладывают слоями (секциями) высотой 2-3 м и под каждой секцией, кроме нижней, устанавливают перераспределители жидкости 4.

В насадочной колонне жидкость течет по элементу насадки главным образом в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки, и насадочные аппараты можно рассматривать как разновидность пленочных. Однако в последних пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата, а в насадочных абсорберах –– только по высоте элемента насадки. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит через расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью.

Основными характеристиками насадки является ее удельная поверхность а (м2/м3) и свободный объем e (м3/м3). Величину свободного объема для непористой насадки обычно определяют путем заполнения насадки водой. Отношение объема воды к объему, занимаемому насадкой, дает величину e. Эквивалентный диаметр насадки находится по формуле

Гидродинамические режимы. Насадочные абсорберы могут работать в различных гидродинамических режимах.

Первый режим –– пленочный –– наблюдается при небольших плотностях орошения и малых скоростях газа. Количество задерживаемой в насадке жидкости при этом режиме практически не зависит от скорости газа.

Второй режим –– режим подвисания. При противотоке фаз вследствие увеличения сил трения газа о жидкость на поверхности соприкосновения фаз происходит торможение жидкости газовым потоком. В результате этого скорость течения жидкости уменьшается, а толщина ее пленки и количество удерживаемой в насадке жидкости увеличиваются. В режиме подвисания с возрастанием скорости газа увеличивается смоченная поверхность насадки и соответственно –– интенсивность процесса массопередачи. В режиме подвисания спокойное течение пленки нарушается: появляются завихрения, брызги, т.е. создаются условия перехода к барботажу. Все это способствует увеличению интенсивности массообмена.

Третий режим –– режим эмульгирования –– возникает в результате накопления жидкости в свободном объеме насадки. Накопление жидкости происходит до тех пор, пока сила трения между стекающей жидкостью и поднимающимся по колонне газом не уравновесит силу тяжести жидкости, находящейся в насадке. При этом наступает обращение или инверсия фаз (жидкость становится сплошной фазой, а газ –– дисперсной). Образуется газо-жидкостная дисперсная система, по внешнему виду напоминающая барботажный слой (пену) или газо-жидкостную эмульсию. Режим эмульгирования начинается в самом узком сечении насадки, плотность засыпки которой, как указывалось, неравномерна по сечению колонны. Путем тщательного регулирования подачи газа режим эмульгирования может быть установлен по всей высоте насадки. Гидравлическое сопротивление колонны при этом резко возрастает.

Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн, прежде всего за счет увеличения поверхности контакта фаз, которая в этом случае определяется не только (и не столько) геометрической поверхностью насадки, а поверхностью пузырьков и струй газа в жидкости, заполняющей весь свободный объем насадки. Однако при работе колонны в таком режиме ее гидравлическое сопротивление относительно велико.

В режимах подвисания и эмульгирования целесообразно работать, если повышение гидравлического сопротивления не имеет существенного значения (например, в процессах абсорбции, проводимых при повышенных давлениях). Для абсорберов, работающих при атмосферном давлении, величина гидравлического сопротивления может оказаться недопустимо большой, что вызовет необходимость работать в пленочном режиме. Поэтому наиболее эффективный гидродинамический режим в каждом конкретном случае можно установить только путем технико-экономического расчета.

В обычных насадочных колоннах поддержание режима эмульгирования представляет большие трудности. Имеется специальная конструкция насадочных колонн с затопленной насадкой, называемых эмульгационными (рис.XI-14). В колонне 1 режим эмульгирования устанавливают и поддерживают с помощью сливной трубы, выполненной в виде гидравлического затвора 2. Высоту эмульсии в аппарате регулируют посредством вентилей 3. Для более равномерного распределения газа по сечению колонны в ней имеется тарелка 4. Эмульгационные колонны можно рассматривать как насадочные лишь условно. В этих колоннах механизм взаимодействия фаз приближается к барботажному.

Пределом нагрузки насадочных абсорберов, работающих в пленочном режиме, является точка эмульгирования, или инверсия. В обычных насадочных колоннах пленочный режим неустойчив и сразу переходит в захлебывание. Поэтому эту точку называют точкой захлебывания насадочных колонн. С увеличением скорости орошения снижается предельная скорость газа. В точке инверсии скорость газа уменьшается также с увеличением вязкости жидкости и снижением ее плотности. При одинаковых расходах газа и жидкости скорость газа, соответствующая точке инверсии, выше для более крупной насадки.

Четвертый режим –– режим уноса, или обращенного движения жидкости, выносимой из аппарата газовым потоком. Этот режим на практике не используется.

Выбор насадок. Для того чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим основным требованиям: 1) обладать большой поверхностью в единице объема; 2) хорошо смачиваться орошаемой жидкостью; 3) оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку; 4) равномерно распределять орошающую жидкость; 5) быть стойкой к химическому воздействию жидкости и газа, движущихся в колонне; 6) иметь малый удельный вес; 7) обладать высокой механической прочностью; 8) иметь невысокую стоимость.

Насадок, полностью удовлетворяющих всем указанным требованиям, не существует, т.к., например, увеличение удельной поверхности насадки влечет за собой увеличение гидравлического сопротивления аппарата и снижение предельных нагрузок. В промышленности применяют разнообразные по форме и размерам насадки (рис.XI-15), которые в той или иной мере удовлетворяют требованиям, являющимся основными при проведении конкретного процесса абсорбции. Насадки изготавливают из разнообразных материалов (керамика, фарфор, сталь, пластмасса и др.), выбор которых диктуется величиной удельной поверхности насадки, смачиваемостью и коррозионной стойкостью.

В качестве насадки используют также засыпаемые навалом в колонну куски кокса или кварца размерами 25-100 мм. Однако вследствие ряда недостатков (малая удельная поверхность, высокое гидравлическое сопротивление и др.) кусковую насадку в настоящее время применяют редко.

Широко распространена насадка в виде тонкостенных керамических колец высотой, равной диаметру (кольца Рашига), который изменяется в пределах 15-150 мм. Кольца малых размеров засыпают в абсорбер навалом. Большие кольца (размерами не менее 50´50 мм) укладывают правильными рядами, сдвинутыми друг относительно друга. Этот способ заполнения аппарата насадкой называют загрузкой в укладку, а загруженную таким образом насадку –– регулярной. Регулярная насадка имеет ряд преимуществ перед нерегулярной, засыпанной в абсорбер навалом: обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, допускает большие скорости газа. Однако для улучшения смачивания регулярных насадок необходимо применять более сложные по конструкции оросители. Хордовая деревянная насадка обычно используется в абсорберах, имеющих значительный диаметр. Основное ее достоинство –– простота изготовления, недостатки –– относительно небольшая удельная поверхность и малый свободный объем.

За последние годы стали применяться спиральные насадки, выполненные из металлических лент и проволоки, различные металлические сетчатые насадки, а также насадки из стеклянного волокна.

При выборе размеров насадки следует учитывать, что чем больше размеры ее элемента, тем выше допустимая скорость газа (и соответственно –– производительность абсорбера) и ниже его гидравлическое сопротивление. Общая стоимость абсорбера с насадкой из элементов больших размеров будет ниже за счет уменьшения диаметра аппарата, несмотря на то, что его высота несколько увеличится по сравнению с высотой аппарата, имеющего насадку меньших размеров (вследствие снижения величины удельной поверхности насадки и интенсивности массопередачи).

Мелкая насадка предпочтительнее также при проведении процесса абсорбции под повышенным давлением, т.к. в этом случае гидравлическое сопротивление абсорбера не имеет существенного значения. Кроме того, мелкая насадка, обладающая большей удельной поверхностью, имеет преимущества перед крупной тогда, когда для осуществления процесса абсорбции необходимо большое число единиц переноса или теоретических ступеней изменения концентраций.

Основные достоинства насадочных колонн является простота устройства и низкое гидравлическое сопротивление. Недостатки: трудность отвода тепла и плохая смачиваемость насадки при низких плотностях орошения. Отвод тепла из этих аппаратов и улучшение смачиваемости достигаются путем рециркуляции абсорбента, что усложняет и удорожает абсорбционную установку. Для проведения одного и того же процесса требуются насадочные колонны обычно большего объема, чем барботажные.

Насадочные колонны мало пригодны при работе с загрязненными жидкостями. Для таких жидкостей в последнее время стали применять абсорберы с «плавающей» насадкой. В этих абсорберах в качестве насадки используют главным образом легкие полые или сплошные пластмассовые шары, которые при достаточно высоких скоростях газа переходят во взвешенное состояние.

В абсорберах с «плавающей» насадкой допустимы более высокие скорости газа, чем в абсорберах с неподвижной насадкой. При этом увеличение скорости газа приводит к большому расширению слоя шаров и, следовательно, к незначительному увеличению гидравлического сопротивления аппарата.

Распыливающие абсорберы

В абсорберах этого типа тесный контакт между фазами достигается путем распыливания или разбрызгивания различными способами жидкости в газовом потоке.

Полый распыливающий абсорбер (рис.XI-28) представляет собой колонну, в верхней части корпуса 1 которой имеются форсунки 2 для распыливания жидкости (главным образом механические). В распыливающих абсорберах объемные коэффициенты массопередачи быстро снижаются по мере удаления от форсунок вследствие коалесцениции капель и уменьшения поверхности фазового контакта. Поэтому оросители (форсунки) в этих аппаратах обычно устанавливают на нескольких уровнях.

К достоинствам полых распыливающих абсорберов относятся: простота устройства, низкое гидравлическое сопротивление, возможность работы с загрязненными газами, легкость осмотра, очистки и ремонта. Недостатки этих аппаратов: невысокая эффективность, значительный расход энергии на распыление жидкости, трудность работы с загрязненными жидкостями, необходимость подачи больших количеств абсорбента для увеличения количества капель и соответственно –– поверхности контакта фаз, низкие допустимые скорости газа, значения которых ограничены уносом капель жидкости.

Распыливающие абсорберы применяются главным образом для поглощения хорошо растворимых газов, т.к. вследствие высокой относительной скорости фаз и турбулизации газового потока коэффициенты массоотдачи в газовой фазе (bг) в этих аппаратах достаточно высоки.

Значительно более эффективными аппаратами являются прямоточные распыливающие абсорберы, в которых распыленная жидкость захватывается и уносится газовым потоком, движущимся с большой скоростью (20-30 м/сек и более), а затем отделяется от газа в специальной камере. К аппаратам такого типа относится абсорбер Вентури (рис.XI-29), основной частью которого является труба Вентури. Жидкость поступает в конфузор 1 трубы, течет в виде пленки и в горловине 2 распыливается газовым потоком. Далее жидкость выносится газом в диффузор 3, в котором постепенно снижается скорость газа, и кинетическая энергия газового потока переходит в энергию давления с минимальными потерями. Сепарация капель происходит в камере 4.

К распыливающим относятся также механические абсорберы, в которых разбрызгивание жидкости производится с помощью вращающихся устройств, т.е. с подводом внешней энергии для образования возможно большей поверхности контакта фаз между газом и жидкостью.

Механические абсорберы компактнее и эффективнее распыливающих абсорберов других типов. Однако они значительно сложнее по устройству и требуют больших затрат энергии на осуществление процесса.

Во многих случаях в системах газ –– жидкость для диспергирования одной фазы в другой оказывается достаточным использование энергии потока газа, взаимодействующего с жидкостью, и подвод внешней энергии для этой цели нецелесообразен.
9.Гидродинамика насадочного абсорбера
10. Жидкостная экстракция. Общие сведения о процессе; область применения

Жидкостная экстракция -это перевод одного или нескольких компонентов раствора из одной жидкой фазы в контактирующую и не смешивающуюся с ней другую жидкую фазу, содержащую избирательный растворитель (экстрагент). Один из массообменных процессов химической технологии. Используется для извлечения, разделения и концентрирования растворенных веществ.
Жидкостная экстракция является одним из наиболее распространенных процессов химической технологии. На долю жидкостной экстракции приходится около 20% всех затрат химической промышленности. Широкое распространение получили экстракционные методы в фармацевтической, нефтеперерабатывающей промышленности, а также в атомной энергетике.
Экстрагенты обеспечивают переход целевых компонентов из исчерпываемой (тяжелой) фазы, которая чаще всего представляет собой водный раствор, в извлекающую (легкую) фазу (обычно органическую жидкость). Две контактирующие жидкие фазы и распределяемый между ними целевой компонент образуют экстракционную систему. Извлекающая фаза включает только экстрагент (или смесь экстрагентов) либо является раствором одного или неск. экстрагентов в разбавителе, служащем для улучшения физических (вязкость, плотность) и экстракционных свойств экстрагентов. В качестве разбавителей используют, как правило, жидкости (керосин, бензол, хлороформ и др.) либо их смеси, которые в исчерпываемой фазе практически нерастворимы и инертны по отношению к извлекаемым компонентам раствора. Иногда к разбавителям добавляют модификаторы, повышающие растворимость экстрагируемых компонентов в извлекающей фазе или облегчающие расслаивание фаз (спирты, кетоны, трибутилфосфат и т. д.).

Основные стадии жидкостной экстракции:
- приведение в контакт и диспергирование фаз;
- разделение или расслаивание фаз на экстракт (извлекающая фаза) и рафинат (исчерпываемая фаза);
- выделение целевых компонентов из экстракта и регенерация экстрагента, для чего наряду с дистилляцией наиб, часто применяют реэкстракцию (процесс, обратный жидкостной экстракции), обрабатывая экстракт водными растворами веществв, обеспечивающих полный перевод целевых компонентов в раствор или осадок и их концентрирование;
- промывка экстракта для уменьшения содержания и удаления механически захваченного исходного раствора.

В любом экстракционном процессе после достижения требуемых показателей извлечения фазы должны быть разделены. Эмульсии, образующиеся при перемешивании, обычно термодинамически неустойчивы, что обусловлено наличием избыточной свободной энергии вследствие большой межфазной поверхности. Последняя уменьшается из-за коалесценции (слияния) капель дисперсной фазы. Коалесценция энергетически выгодна (особенно в бинарных системах) и происходит до тех пор, пока не образуются 2 слоя жидкости.

Разделение эмульсий осуществляется, как правило, в 2 стадии. Сначала довольно быстро осаждаются (всплывают) и коалесцируют крупные капли. Значительно более мелкие капли остаются в виде "тумана", который отстаивается довольно долго. Скорость расслаивания зачастую определяет производительность аппаратуры всего экстракционного процесса. На практике для интенсификации разделения фаз используют центробежные сипы и применяют различные устройства или насадки, которые располагают в отстойниках. В ряде случаев расслаиванию способствует электрическое поле.
Основные требования к промышленным экстрагентам:
высокая избирательность;
высокая экстракционная емкость по целевому компоненту;
низкая растворимость в рафинате;
совместимость с разбавителями;
легкость регенерации; высокая химическая, а в ряде случаев и радиационная стойкость; негорючесть или достаточно высокая температурара вспышки (более 600С);
невысокая летучесть и низкая токсичность;
доступность и невысокая стоимость.

Наиболее распространенные промышленные экстрагенты подразделяют на классы:
- нейтральные, извлечение которымирыми осуществляется по разным механизмам в зависимости от кислотности исходного раствора - вода, фосфорорганические соединения (в основном, трибугилфосфат), нефтяные сульфоксиды, насыщенные спирты, простые и сложные эфиры, альдегиды, кетоны и др.;
- кислые, которые извлекают катионы металлов в органическую фазу из водной - фосфорорганической к-ты (ди(2-этилгексил)фосфорная кислота), карбоновые и нафтеновые кислоты, сульфокислоты, алкилфенолы, хелатообразующие соединения (гидроксиоксимы, алкилгидроксихинолины, бета-дикетоны);
-основные, с помощью которых извлекают анионы металлов из водных растворов - первичные, вторичные, третичные амины и их соли, соли четвертичных аммониевых, фосфониевых и арсониевых оснований и др.
Термодинамически жидкостная экстракция - самопроизвольный процесс выравнивания хим. потенциалов в-в в контактирующих фазах.

Жидкостную экстракцию осуществляют в экстракторах, с однократным и многократным контактом фаз. При многоступенчатой экстракции ступенями разделения служат отдельные экстракторы или их секции.

Многократная экстракция, наиболее распространенная в промышленности, проводится непрерывно и по способу движения фаз подразделяется на противоточную, полупротивоточную и перекрестноточную. Чаще всего применяют противоточную экстракцию 1-м экстрагентом с числом ступеней обычно до 10. Для трудноразделяемых компонентов число ступеней достигает 70-100.

Четкость разделения исходной смеси можно повысить, используя следующие способы. При жидкостной экстракции с обратной флегмой экстрагент и рафинат частично отделяются от соответствующего экстракта и исходного раствора; далее определенные доли этих фракций обратно возвращаются в экстрактор навстречу уходящим потокам (процесс проводят подобно ректификации). При жидкостной экстракции с двумя несмещивающимися экстрагентами каждый из них избирательно растворяет какой-либо компонент или группу компонентов экстракционной системы системы.

Основные методы экстракции

В химических производствах применяются следующие схемы экстракции: однократная экстракция, многократная экстракция с перекрестным током растворителя, многократная экстракция с противотоком растворителя, непрерывная противоточная экстракция, ступенчатая противоточная экстракция.

Однократная экстракция может быть проведена периодическим или непрерывным способом. Схема процесса периодической экстракции приведена на рис. 4.48а. В аппарат с мешалкой загружается исходный раствор вместе с экстрагентом . Обе жидкости перемешивают до установления равновесия. По окончании перемешивания жидкости расслаиваются в этой же мешалке. После отстаивания сливают сначала наиболее тяжелый слой рафината , а затем экстракта .

Для расслаивания фаз часто используют особые отстойники (рис. 4.48б).
В таких случаях процесс однократной экстракции можно проводить непрерывным способом.

 

Рис. 4.48. Схема процесса однократной экстракции:

а – периодический способ; б – непрерывный способ

При взаимной нерастворимости фаз процесс однократной экстракции может быть изображен в координатах прямой линией (рис. 4.49), тангенс угла наклона которой равен отношению массовых загрузок исходного раствора и поглотителя . По диаграмме могут быть найдены составы рафината и экстракта при различных соотношениях загрузок. Если при увеличении количества растворителя можно получить рафинат любой степени чистоты, то предельное насыщение экстракта определится точкой .

 

Рис. 4.49. Процесс однократной экстракции в диаграмме

Эффективность процесса однократной экстракции невелика и поэтому широкого распространения в промышленности этот способ не получил. Эффективность процесса может быть повышена, если ее проводить многократно, используя каждый раз свежую порцию экстрагента для обработки одной и той же порции исходного раствора. Такой способ проведения процесса получил название многократной экстракции с перекрестным током экстрагента.

Из первой ступени однократной экстракции исходного раствора растворителем полученный рафинат состава вводится во вторую ступень, где обрабатывается свежей порцией растворителя, полученную смесь расслаивают на рафинат и экстракт . Процесс обработки ведут до тех пор, пока не получат рафинат заданного состава. Получаемые в каждой ступени порции экстракта содержат уменьшающееся количество распределяемого компонента.

Процесс многократной экстракции можно провести периодическим способом в одном аппарате с мешалкой. Для этого одну и ту же порцию исходного раствора обрабатывают несколькими порциями растворителя, каждый раз смешивая, расслаивая и выводя порцию экстракта из одного и того же аппарата.

При взаимной нерастворимости фаз процесс многократной экстракции с перекрестным током растворителя может быть представлен в диаграмме (рис. 4.50) рабочими линиями для каждой ступени, причем состав рафината после каждой ступени равен составу исходной смеси на входе в последующую ступень.

Недостатками способа являются большой расход свежего растворителя и его недостаточное насыщение в ступенях экстракции. Эти недостатки могут быть устранены, если использовать противоточное движение рафината и экстракта при многократной экстракции.

Многократная экстракция с противотоком растворителя. Исходный раствор самотеком перетекает из ступени в ступень, передавая распределяемый компонент эстрагенту.

В каждой ступени осуществляется однократная экстракция очищенного рафината более свежим противоточно движущимся растворителем. В последней ступени рафинат контактирует со свежим растворителем .

Противоток растворителя от последней ступени к первой (по току рафината) осуществляется насосами. На первой ступени насыщенный распределяемым веществом растворитель контактирует с исходным раствором и выходит в виде экстракта , предельно насыщенного распределяемым веществом.

Непрерывная противоточная экстракция. Схема непрерывной противоточной экстракции приведена на рис. 4.51а. Исходный раствор непрерывно стекает вниз, отдавая распределяемое вещество движущемуся противотоком экстракту. Такой процесс может быть осуществлен в насадочных или распылительных колоннах.

При взаимной нерастворимости фаз процесс противоточной экстракции представлен на рис. 4.51б.

 

 

Рис. 4.51. Непрерывная противоточная экстракция:

а – схема процесса; б – изображение процесса в диаграмме

 

 

Ступенчатая противоточная экстракция проводится в колонном тарельчатом экстракторе. Процесс, проводимый по данной схеме (рис. 4.52), отличается тем, что состав сплошной фазы при переходе от ступени к ступени меняется скачкообразно, а состав дисперсной фазы по высоте аппарата – непрерывно.

При взаимной нерастворимости фаз процесс ступенчатой противоточной экстракции по всему аппарату может быть представлен на диаграмме в виде рабочей линии ab.

Расчет процесса экстракции

Конструкции экстракторов

В промышленности применяется большое число различных конструк­ций экстракционных аппаратов; их можно подразделить:

I. По способу смешения фаз экстракторы делятся на подгруппы:

1) аппараты ступенчатого типа, имеющие определенное число ступе­ней (типа смеситель-отстойник), в каждой из которых происходит контак­тирование и последующее разделение фаз. В целом в системе осуществля­ется противоточное движение фаз за счет соответствующего соединения ступеней по потокам рафинатных и экстрактных растворов (см. рис. IX-13);

2) аппараты колонного типа с непрерывно изменяющимся составом фаз. Колонные аппараты могут быть пустотелыми, насадочными и тарель­чатыми. Противоточное движение фаз в аппаратах колонного типа осуществляется главным образом за счет разности плотностей сырья и раствори­теля или соответственно рафинатных и экстрактных растворов.

II. По способу разделения фаз экстракторы делятся на подгруппы:

1) аппараты отстойного типа;

2) центробежные аппараты.

111 По отсутствию или наличию подвода энергии

1) без подвода энергии – обычные колонные аппараты;

2) с подводом энергии (интенсифицированные)- пульсационные, ротационные, вибрационные, центробежные и т.д.

Наибольшее применение в нефтегазопереработке нашли аппараты колонного типа.

Промышленные экстракторы, как правило, представляют собой устройства непрерывного действия. Экстракторы периодического действия применяют в малотоннажных производствах и при лабораторных работах.

По характеру изменения состава жидких фаз экстракционные аппараты делятся на смесительно-отстойные, колонные (дифференциально-контактные) и центробежные.

В смесительно-отстойных экстракторах происходит смешение и разделение фаз в каждой ступени. Поэтому концентрации извлекаемого компонента в экстрагенте и обрабатываемой смеси изменяются ступенчато.

В колонных экстракторах осуществляется непрерывный или близкий к непрерывному контакт экстрагента и исходного раствора. Фазы движутся противотоком друг к другу и непрерывно разделяются на выходе из аппарата. Концентрация извлекаемого компонента в фазах изменяется также непрерывно по всему аппарату.

В центробежных экстракторах сам процесс экстракции и разделение фаз происходит в центробежном поле, причем контакт фаз может осуществляться как ступенчато, таки непрерывно.

Смесительно-отстойные экстракторы могут представлять собой один аппарат, в котором процесс осуществляется периодически (перемешивание – расслоение), либо два аппарата, обеспечивающих непрерывный процесс: в первом происходит процесс экстракции (перемешивание), во втором – разделение полученных продуктов (отстаивание).

Экстракторы с мешалками являются наиболее распространенными аппаратами этого типа. Перемешивающее устройство необходимо для дробления одной из жидкостей в другой, что обеспечивает увеличение поверхности контакта фаз. Кроме того, оно обеспечивает поддержание капель во взвешенном состоянии и их перемещение относительно дисперсионной среды.

Для перемешивания применяют чаще всего быстроходные пропеллерные или турбинные мешалки. На рис. 12.2 представлен экстрактор с мешалкой, на вертикальном валу которой установлено

два пропеллера 1 и 2 с противоположным наклоном лопастей. Для усиления дробящего действия эти пропеллеры могут быть помещены в центральную циркуляционную трубу 3 с отверстия ми 4.

Смесительные экстракторы могут не иметь движущихся частей.

Инжекторный смеситель (рис. 12.3, а) обеспечивает перемешивание фаз в диффузоре путем подачи в него с большой скоростью жидкости L, засасывающей за счет своей кинетической энергии жидкость G.

Диафрагменный смеситель (рис. 12.3, б) обеспечивает дробление и перемешивание жидкостей L и G путем пропускания и: через установленные внутри трубы перфорированные диафрагмы. К экстракторам этого типа относятся трубы, заполненные насад кой, сопла, а также вентили.

 

Трубчатый смеситель (рис. 12.3, в) состоит из коаксиально установленных труб. Во внутреннюю перфорированную трубу подается под давлением жидкость (фаза G), в межтру6ное пространство, также под давлением, - фаза L. Перемешивание фаз (экстракция) происходит в кольцевом зазоре между трубами.

Недостатками последних трех типов смесителей является незначительная продолжительность перемешивания жидкостей в их рабочих зонах, а также необходимость установки после них сепарационного о6орудования (отстойников).

Колонные экстракторы подразделяют на распылительные (полые), насадочные, тарельчатые, пульсационные и роторно-дисковые.

Распылительные (полые) экстракторы представляют собой пустотелые колонны, заполненные одной из взаимодействующих жидкостей. На рис. 12.4 представлен экстрактор 1, заполненный тяжелой жидкостью L. Более легкая жидкость G распыляется в нее с помощью диспергирующего устройства 2, установленного в нижней части аппарата. Если в качестве сплошной фазы используется легкая жидкость, тяжелая жидкость распыливается в нее сверху.

На некотором уровне капли дисперсной фазы сливаются и образуют слой, отделенный от сплошной фазы поверхностью раздела. Над ней установлен патрубок для отвода экстракта. Из нижней части колонны постоянно отводится сплошная фаза в качестве рафината.

Распылительные колонны обладают высокой производительностью, но малоэффективны, что объясняется укрупнением капель дисперсной фазы и обратным перемешиванием вследствие возникновения местных циркуляционных токов, нарушающих противоток фаз.

Насадочные экстракторы представляют собой распылительные экстракторы, заполненные насадочными телами, что способствует многократному дроблению и слиянию капель дисперсной фазы, а также сводит к минимуму обратное перемешивание.

По конструкции и простоте устройства насадочные экстракторы близки к распы‑

лительным, но производительность их несколько ниже, так как некоторая часть

сечения колонны занята насадкой. Эффективность разделения в этих аппаратах также невысокая.

Колонные экстракторы с тарелками (перегородками) применяют для уменьшения явления обратного перемешивания, а также организации благоприятных гидродинамических режимов проведения процессов экстракции.

В качестве перегородок могут использоваться чередующиеся друг с другом плоские диски (тарелки) и кольца. Контакт между фазами осуществляется при обтекании перегородок дисперсной фазой в виде тонкой пленки (при коалесценции* капель) и при движении капель дисперсной фазы в пространстве между перегородками.

В промышленности часто применяются колонные экстракторы с ситчатыми тарелками (рис. 12.5). В этом случае экстрактор 1 заполняется сплошной средой, которая перетекает из одного межтарельчатого пространства в другое через переливные патрубки 2.

Противотоком ей вводится дисперсная фаза, которая, накапливаясь в виде подпорного слоя под каждой тарелкой 3, диспергируется через отверстия тарелок в сплошную среду. Капли под действием подъемной силы движутся в среде и сливаются вновь в подпорном слое следующей тарелки.

В результате многократного диспергирования и слияния капель дисперсной фазы в противоточном слое сплошной среды осуществляется ступенчатая противоточная экстракция. С последней тарелки капли дисперсной фазы поступают в разделительную камеру или в специальный отстойник, откуда и выводятся из аппарата.

В колонных экстракторах дисперсной фазой может быть как легкая (см. рис. 12.5), таки тяжелая жидкости. В последнем случае переливные патрубки направлены вверх, подпорные слои накапливаются над тарелками, а разделительная камера находится под последней тарелкой в нижней части аппарата.

Колонные экстракторы с механическим перемешиванием фаз применяют при малой разности плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды и значительном межфазовом поверхностном натяжении, затрудняю<