Дифференциально-контактные экстракторы

Экстракторы без подвода дополнительной энергии. Наиболее просты по устройству полые колонные распылительные экстракторы. На рис. 15.12. изображен полый экстрактор с диспергированием легкой фазы, осуществляемым с помощью распылителя 2 в нижней части колонны (возможно диспергирование тяжелой фазы в верхней части колонны). Тяжелая фаза, являющаяся в данном случае сплошной, подается сверху. Диспергирование происходит за счет энергии потока, а противоточное движение фаз и их расслаивание под действием силы тяжести. В верхней и нижней частях колонны, имеющих, как правило, большее сечение, расположены отстойные зоны. Гидрозатвор 4, через который отводится тяжелая фаза, предназначен для полного заполнения жидкостью колонны, а также совместно с вентилями 5 регулирования уровня раздела фаз по высоте колонны. Из верхней части колонны отводится легкая фаза. Для устранения перемешивания легкой и тяжелой фаз последнюю вводят через трубы 3. Каждому расходу одной из фаз соответствует предельно допустимый расход второй, при котором наблюдается явление захлебывания. Оно заключается в уносе дисперсной фазы сплошной за счет увеличения относительной скорости их движения и образовании еще одной границы раздела фаз вблизи распылителя. Поскольку распылитель уменьшает свободное сечение колонны, увеличивая скорости движения фаз, способствуя тем самым возрастанию уноса дисперсной фазы и возникновению захлебывания, его стараются разместить в части колонны с большим поперечным сечением.

Рис.15.12. Полый колонный распылительный экстрактор: 1 – колонна; 2 – распылитель; 3 – трубы для ввода тяжелой фазы; 4 – гидрозатвор; 5 – вентили

Недостатком полых распылительных экстракторов является низкая интенсивность массопередачи, обусловленная невысокими значениями коэффициентов массопередачи и удельной поверхности контакта фаз, а также значительным обратным перемешиванием, что снижает среднюю движущую силу процесса. Поток дисперсной фазы движется, в основном, в центральной части колонны, а сплошной ближе к стенкам, что создает циркуляционные токи и приближает структуру потока сплошной фазы к идеальному смешению, особенно, в аппаратах большого диаметра. В результате, эффективность полых распылительных экстракторов невелика и составляет одну – две теоретических ступени изменения концентрации. Достоинствами данных аппаратов являются простота конструкции, высокая производительность и возможность использования для сред, содержащих твердые примеси.

С целью уменьшения обратного перемешивания и увеличения коэффициента массопередачи применяются полочные колонные экстракторы (рис. 15.13.). Капли дисперсной фазы коалесцируют (сливаются), обтекая перегородки, и вновь диспергируются, отрываясь от них, что увеличивает величину коэффициента массопередачи. Кроме того, наличие полок уменьшает явление обратного перемешивания по сравнению с полыми колоннами, предотвращает возникновение циркуляционных токов.

С этими же целями применяются колонные насадочные экстракторы, конструкция которых мало чем отличается от насадочных колонн, применяемых для процессов абсорбции и ректификации (рис.13.10.) или смотри далее рис. 15.16. Насадку обычно располагают слоями высотой от 2 до 10 диаметров колонны. Проходя через слой насадки, капли многократно коалесцируют и вновь дробятся, а в пространстве между слоями перемешиваются, что способствует снижению поперечной неравномерности потоков.При выборе материала насадки необходимо учитывать его предпочтительную смачиваемость сплошной фазой, в противном случае капли дисперсной фазы сливаются в пленку, уменьшая

Рис. 15.13. Полочные колонные экстракторы: а) с сегментными перегородками; б) с чередующимися перегородками типа диск-кольцо

поверхность контакта фаз. Недостатками насадочных колонных экстракторов по сравнению с полыми являются их большая стоимость и меньшая производительность, так как захлебывание достигается при меньших расходах фаз за счет уменьшения свободного сечения колонны.

Для увеличения коэффициентов массопередачи и уменьшения обратного перемешивания применяются также экстракторы с ситчатыми тарелками. Одна из фаз, например, легкая (рис.15.14.) многократно диспергируется протекая через отверстия тарелок, взаимодействует с тяжелой и коалесцирует скапливаясь под следующей тарелкой. Тяжелая фаза перетекает с верхней тарелки на нижнюю через сливные устройства, а затем двигается в горизонтальном направлении вдоль тарелки к очередному перетоку. При этом сливные и переливные перегородки, в отличие от тарельчатых аппаратов для проведения процессов абсорбции и ректификации (рис.15.14), не устанавливаются, а сливные планки погружены в слой тяжелой фазы.

Все дифференциально-контактные экстракторы без подвода дополнительной энергии отличаются с одной стороны простотой конструкции, надежностью (отсутствие движущихся частей), низкими энергозатратами, а с другой – малой эффективностью массопередачи и сепарации фаз, что приводит к их большой металлоемкости.

Экстракторы с подводом дополнительной энергии. Роторно-дисковые экстракторы (рис.15.15.) по конструкции схожи с полочными колоннами (рис. 15.13б.). Отличия заключаются в том, что диски имеют меньший диаметр, закреплены на валу и вращаются вместе с ним. Легкая фаза может изначально диспергироваться при обтекании кольцевых перегородок либо с помощью распылителя. Затем, соприкасаясь с поверхностью вращающихся дисков, она многократно коалесцирует и редиспергируется. В каждой секции, расположенной между соседними кольцевыми перегородками, образуются сложные, как правило, турбулентные тороидальные течения, способствующие увеличению коэффициентов массопередачи и уменьшению обратного перемешивания в аппарате в целом, несмотря на то, что в каждой секции структура потоков близка к идеальному смешению. Иногда вместо дисков на валу ротора устанавливаются мешалки различных типов. Недостатком роторно-дисковых экстракторов является снижение их эффективности при увеличении диаметра аппарата.

Для интенсификации процесса массопередачи используются пульсационные экстракторы, в которых на противоточное движение фаз накладываются возвратно-поступательные колебания небольшой амплитуды. Используются два способа создания пульсаций: с помощью пульсаторов, расположенных вне колонны (рис. 15.16), или за счет вибрации тарелок, находящихся внутри экстрактора (рис. 15.17). Применение пульсаций способствует лучшему многократному дроблению капель, увеличивая коэффициент массопередачи.

Колонна с вынесенным пульсатором может быть полой, тарельчатой или насадочной (рис. 15.16.). Пульсатор, как правило, представляет собой поршневой или диафрагмовый насос, подключенный к линии подачи легкой фазы. Пульсации передаются всему объему жидкости в колонне, что требует больших затрат энергии и прочных массивных фундаментов. Достоинствами экстракторов с вынесенными пульсаторами являются отсутствие движущихся частей внутри аппарата и удобство обслуживания пульсатора, что особенно важно при работе с токсичными средами. Колонны с возвратно-поступательным движением перфорированных тарелок, их еще называют вибрационными экстракторами (рис. 15.17.), потребляют меньше энергии, так как пульсации сообщаются не всему объему жидкости, а лишь слоям, находящимся в непосредственной близости от тарелок. Однако они более сложны в обслуживании.

При невысокой разности плотностей фаз для обеспечения достаточной относительной скорости их движения и улучшения сепарации используют центробежные экстракторы (рис. 15.18.). Внутри вращающегося ротора 2 установлены цилиндрические перфорированные перегородки. Легкая и тяжелая фазы вводятся по каналам с противоположных концов полого вала 1. При этом легкая фаза подается к периферии ротора, а тяжелая – ближе к оси вращения. Под действием центробежной силы тяжелая фаза движется от центра к периферии, вытесняя легкую. При этом обе они многократно дробятся и коалесцируют, проходя сквозь отверстия перфорированных перегородок, обеспечивая высокую интенсивность массопередачи. Тяжелая фаза отводится по каналам от периферии ротора, а легкая – из центральной части. Достоинствами центробежных экстракторов служат компактность, малое время пребывания сред в аппарате, недостатками – дороговизна и большие затраты на эксплуатацию.

Рис.15.18. Центробежный экстрактор:1 – вал; 2 – ротор; 3 – перфорированные перегородки

15.4. Многокомпонентная экстракция