МАШИНОСТРОЕНИЕ

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЖИДКОСТНОЙ ЭКСТРАКЦИИ

Экстракция в системе жидкость - жид­кость представляет собой процесс извлечения одного или нескольких компонентов из исход­ного раствора в несмешивающийся с раство­ром растворитель, называемый экстрагентом.

Экстракцию широко используют для концен­трирования одного или нескольких компонен­тов, разделения близких по свойствам веществ и очистки. Ее применяют в процессах перера­ботки нефти для разделения ароматических и алифатических углеводородов, в химической технологии, в том числе для разделения изоме­ров, обезвоживания укс>сной кислоты, при по­лучении различных лекарственных препаратов. и др. [17, 25, 27, 35, 48, 62, 76, 78].

Классификация экстракторов. Про­мышленные экстракционные аппараты можно подразделить на периодически и непрерывно действующие, а по принципу взаимодействия или способу контакта фаз - на дифференци­ально-контактные и ступенчатые.

Дифференциально-контактные экстрак­торы отличаются непрерывным контактом ме­жду фазами и плавным изменением концентра­ций вдоль длины (высоты) аппарата. Они ком­пактны и не требуют большой производствен­ной площади. Вместе с тем, в аппаратах этого типа может происходить значительное умень­шение средней движущей силы за счет про­дольного перемешивания.

Ступенчатые аппараты состоят из дис­кретных ступеней, в каждой из которых осуще­ствляется контактирование фаз, после чего они разделяются и движутся по принципу противо­тока в последующие ступени. Продольное пе­ремешивание в этих аппаратах значительно слабее, чем в дифференциально-контактных, а эффективность ступеней высокая. Однако не­обходимость разделения фаз между соседними ступенями может приводить (при плохо от­стаивающихся системах) к существенному увеличению размеров аппарата и объема нахо­дящегося в нем экстрагента.

Экстракторы классифицируют по роду сил, под действием которых осуществляется диспергирование одной фазы в другой: под действием гравитационных сил (разности плотностей фаз) и под действием внешней энергии. Введение внешней энергии возможно путем сообщения жидкости колебательного движения (пульсации или вибрации), переме­шивания механическими мешалками, контак­тирования в поле центробежных сил.

Важный признак, учитываемый при клас­сификации экстракторов, - вид процесса сепа­рации фаз, которая может происходить вслед­ствие разности плотностей фаз (гравитацион­ная сепарация), либо под действием центро­бежных сил (центробежная сепарация). Экс­тракторы, в которых смешение и сепарация

Осуществляются в поле центробежных сил, на­зывают центробежными.

Выбор конструкции аппарата для кон­кретного производственного процесса жидко­стной экстракции основан на технико-экономи - ческом сравнении разных конструкций с уче­том их производительности, разделительной способности, энергетических затрат, а также капитальных и эксплуатационных расходов. В некоторых случаях, в первом приближении, ограничиваются одним из критериев сравнения различных экстракторов - фактором эффек­тивности, который представляет собой отно­шение предельно допустимой удельной произ­водительности W, м3/(м2 с), суммарной по обе­им фазам, к высоте эквивалентной теоретиче­ской ступени ВЭТС, м, или к высоте единицы переноса ВЕП, м. Эта величина, обратная вре­мени задержки жидкости в аппарате, может рассматриваться как удельная разделительная мощность, определяющая съем продукции, м3/с, с единицы рабочего объема аппарата [78].

Гравитационные экстракторы. Движе­ние взаимодействующих жидкостей происхо­дит под действием разности плотностей фаз. Поверхность контакта фаз в них образуется за счет собственной энергии потоков.

К гравитационным экстракторам относят­ся распылительные, ситчатые и насадочные колонны [25, 67, 78]. Все гравитационные экс­тракторы отличаются простотой конструкции (обусловленной отсутствием движущихся час­тей) и низкой стоимостью эксплуатации. Про­изводительность гравитационных экстракторов (особенно распылительных) относительно вы­сокая, но интенсивность массопередачи в них низкая.

Распылительный экстрактор (рис. 5.6.1) представляет собой полую колонну, заполнен­ную сплошной фазой. Для создания большой поверхности контакта дисперсная фаза распы­ляется при помощи распределительного уст­ройства в сплошной фазе. Распылительные ко­лонны используют в основном в тех случаях, когда требуется достичь высокой производи­тельности аппарата при низком числе теорети­ческих ступеней контакта фаз (не более двух).

В ситчатых колоннах с перфорирован­ными тарелками и переливными устройствами диспергируемая фаза, проходя через отверстия тарелок, многократно дробится на капли, а сплошная фаза движется перекрестным током в межтарельчатом пространстве и через сли­вы перетекает с тарелки на тарелку (рис. 5.6.2).

Капли, пройдя сквозь отверстия тарелок, коа- лесцируют и образуют подпорный слой под каждой тарелкой или над ней, в зависимости от того, какая фаза диспергируется: легкая (ЛФ) или тяжелая (ТФ).

Ситчатые гравитационные экстракторы отличаются высокой производительностью (уступая лишь распылительным колоннам), а также надежностью в работе. Благодаря сек­ционированию продольное перемешивание в этих экстракторах невелико. Вместе с тем, они не пригодны для обработки жидкостей с малой разностью плотностей (ориентировочно менее 50 кг/м3), содержащих твердые примеси в ко­личествах >0,1 % (по массе).

В насадочных колоннах для уменьшения продольного перемешивания экстракционную колонну заполняют насадкой, которая служит одновременно для ускорения протекания про­цессов коалесценции и диспергирования ка­пель дисперсной фазы. Насадочные колонны используют в основном для систем, не имею­щих твердой фазы. В них можно достичь сте­пени извлечения, соответствующей несколь­ким теоретическим ступеням разделения.

Колонные экстракторы с вводом энер­гии. Роторные колонные экстракторы - ро - торно-дисковые, роторные с мешалками и го­ризонтальные роторные [25, 67, 78] получили широкое распространение в промышленности.

Основными достоинствами этих аппара­тов являются:

Высокая интенсивность массопередачи, в том числе при обработке трудноэкстрагируе - мых систем, состоящих из жидкостей с повы­шенной вязкостью и отличающихся большими значениями отношения межфазного натяжения к разности плотностей фаз;

Гибкость в работе, обусловленная воз­можностью варьирования интенсивностью массопередачи и производительности, за счет изменения частоты вращения ротора;

Возможность эксплуатации аппаратов большой единичной мощности, отличающихся высокой надежностью в работе;

Малая чувствительность к умеренным со­держаниям примесей твердой фазы в жидко­сти.

В роторно-дисковых экстракторах по оси колонны вращается ротор-вал, на который на­сажены плоские диски, перемешивающие жид­кость (рис. 5.6.3). Колонна делится на секции кольцевыми перегородками, укрепленными на стенках обечайки аппарата, причем диски на -

Ходятся на середине высоты каждой секции. Движущиеся противотоком жидкие фазы сме­шиваются в каждой секции и в некоторой сте­пени разделяются при обтекании неподвижных кольцевых перегородок, ограничивающих сек­ции, и у стенок обечайки аппарата. В верхней и нижней частях колонны расположены отстой­ные зоны. Высота рабочей зоны (участок с кольцевыми перегородками и дисками) опре­деляется свойствами обрабатываемой экстрак­ционной системы, т. е. числом теоретических ступеней для разделения компонентов.

Производительность и эффективность ро­торно-дискового экстрактора зависит от часто­ты вращения ротора, соотношения размеров дисков и кольцевых перегородок, расстояния между ними, соотношения расходов фаз.

Роторные колонны с мешалками исполь­зуют в целях интенсификации процесса мас - собмена экстракционных процессов за счет увеличения межфазной поверхности.

Мешалки располагаются на центральном валу (рис. 5.6.4). Секционирование осуществ­ляется за счет горизонтальных кольцевых пе­регородок. Верх и низ колонны служат для от­стаивания.

Для повышения турбулентности жидко­сти в колоннах устанавливают отражательные перегородки. Оптимальная частота вращения вала мешалки определяется для каждой систе­мы индивидуально.

Колонны с механическим перемешивани­ем отличаются простотой конструкции пере­мешивающего устройства, малым расходом энергии, простотой обслуживания и низкой чувствительностью к твердым примесям. Стоимость механических экстракционных ко­лонн на 30.. .50 % ниже стоимости тарельчатых и насадочных колонн.

К горизонтальным роторным экстракто­рам относится горизонтальный разбрызгиваю- ще-черпаковый экстрактор (рис. 5.6.5) [78]. Внутри горизонтального цилиндрического кор­пуса 1 на центральном валу 2 смонтированы диски 3, между которыми расположен ряд чер­паков (ковшей) 4. Жидкости движутся проти­вотоком по периферийному щелевому про­странству между стенкой корпуса 1 экстракто­ра и черпаками 4. Сечение щелевого канала для прохода жидкостей выбирают таким, чтобы общий перепад давлений был не слишком ве­лик, но достаточен для сведения к минимуму продольного перемешивания При медленном вращении ротора каждая из фаз диспергирует­ся одна в другой, что является принципиальной особенностью аппарата данной конструкции.

В вибрационных экстракторах исполь­зуются пульсации малой амплитуды и высокой частоты (рис. 5.6.6) [78]. Перемешивание фаз осуществляется при помощи движущихся ме­ханических органов, размещенных внутри ко­лонны (пакета тарелок с отверстиями). Тарелки в колонне крепятся к общему стержню и со­вершают возвратно-поступательное движение.

Продольное перемешивание в вибраци­онной колонне увеличивается с повышением частоты вибраций, диаметра отверстий в та­релках и расстояния между ними. Для умень­шения продольного перемешивания вибри­рующие тарелки занимают не все сечение ап­парата, а сплошная фаза движется не через от­верстия в тарелках, где образуются капли, а в межтарельчатом пространстве.

С целью нахождения компромисса между предельной производительностью и интенсив­ностью массопередачи разработана конструк­ция вибрационного экстрактора, получившего промышленное применение. В корпусе 1 ко­лонны на центральном штоке 2 вибрирует па­кет ситчатых тарелок 3, имеющих срезанные в виде сегмента кромки у противоположных концов смежных тарелок (рис. 5.6.7, а). При этом в смежных тарелках образуются каналы, смещенные друг относительно друга на угол 180°, так что взаимное направление фаз в ко­лонне приближается к перекрестному току.

Тот же принцип несколько иначе реали­зован в динамически уравновешенном экс­тракторе (рис. 5.6.7, б), в котором осуществле­но встречное движение соседних тарелок. Та­релки делятся на две равные группы, причем

Соа

ЛФ

1І-

Б)

Рис. 5.6.6. Схемы вибрационных колонн:

А- с перфорированными тарелками; б- с тарелками и кольцевыми перегородками; в - с отбортованными тарелками; г - с тарелками, снабженными переливными устройствами; 1 - корпус; 2 - шток; 3 - перфорированная тарелка; 4 - кольцевая перегородка; 5 - тарелка с отбортовкой; 6 - тарелка с переливным устройством

Тарелки одной группы чередуются с тарелками другой. Каждая группа имеет самостоятельные приводы, штоки которых свободно, с зазором, проходят сквозь отверстия тарелок другой группы. Штоки соединены с коленчатым ва­лом; кривошипы вала сообщают двум группам тарелок возвратно-поступательное движение, смещенное по фазе на 180°.

Недостатком всех вибрационных экстрак­торов (по сравнению с пульсационными) явля­ется необходимость зазора между кромками вибрирующих тарелок и внутренней поверхно­стью стенок аппарата. Наличие зазора способ­ствует усилению продольного перемешивания и поперечной неравномерности, причем отри­цательное влияние байпасного движения жид­костей через зазор может стать существенным в аппаратах большой единичной мощности.

Опыт промышленной эксплуатации и ре­комендации по расчету вибрационных экстрак­торов освещены в монографии [17].

Пульсационные ситчатые колонны со­стоят из непосредственно технологического аппарата, пневматической системы пульсаций, включающей пульсационную камеру (аккуму­лятор энергии импульсов), пульсопровод (пе­редатчик импульсов), генератор импульсов (пульсатор) и вспомогательного оборудования [27].

Генератор импульсов через пульсопровод генерирует в пульсационной камере импульсы определенной мощности и приводит в колеба­тельное движение жидкостную систему. При движении пульсирующего потока через встро­енные в аппарат неподвижные устройства обеспечивается требуемый гидродинамический режим движения потока и смешения фаз. Ко­лонны работают при противоточном и прямо­точном движении фаз (рис. 5.6.8).

Колонна снабжается ситчатыми тарелка­ми без патрубков для перетока сплошной фазы (рис. 5.6.9). В качестве пульсатора, обеспечи­вающего колебательные движения небольшой

Б)

Рис. 5.6.9. Пульсаторы:

1 - корпус экстрактора; 2 - перфорированная тарелка. 3 - бесклапанный поршневой насос, 4 - мембрана,

5 - сильфон

Амплитуды (а =10. ..25 мм) и определенной частоты / чаще всего используют бесклапан­ный поршневой насос, присоединенный трубой к днищу колонны (рис. 5.6.9. а) или к линии подачи легкой жидкости (рис. 5.6.9, б). При со­общении жидкости пульсаций происходит многократное тонкое диспергирование одной из фаз, что обусловливает интенсивную массо - передачу. Помимо ситчатых экстракторов при­меняются насадочные ri\льсационные колон­ны.

Для надежного отделения механизма пульсатора от рабочей среды при обработке химически агрессивных и радиоактивных ве­ществ применяют мембрану (рис. 5.6.9. в), сильфон (рис. 5.6.9. г) или пневматическое уст­ройство. В последнем случае между поршнем пульсатора и колонной помещают слой возду­
ха, который попеременно расширяется и сжи­мается, сообщая колебания жидкости в колон­не.

Для улучшения диспергирования фаз в пульсационных колоннах устанавливают рас­пределительные насадки.

Затраты мощности на перемешивание в пульсационных колоннах в несколько раз вы­ше, чем у экстракторов с механическим пере­мешиванием. Поэтому их применение оправ­дано лишь в очень ограниченных случаях, на­пример, когда особые условия производства требуют дистанционного управления или не­возможно обслуживать движущиеся части не­посредственно в рабочей зоне. Такие аппараты рассчитаны на производительность до 5... 10 м3/ч.

Основным достоинством пульсационных колонн является возможность увеличения тур­булентности потоков равномерно по всему объему аппарата, в результате чего получаются капли одинакового размера.

В пульсационных насадочных экстракто­рах интенсификация процесса достигается за счет турбулизации жидкости и увеличения по­верхности контакта фаз под действием пульса­ций при многократных соударениях капель с насадкой и их деформации [27].

Насадочные колонны с пульсацией могут стабильно работать, обеспечивая интенсив­ность массообмена в несколько раз большую, чем гравитационные насадочные колонны. Предпочтительная область их применения - обработка жидкостей, требующих полной изо­ляции рабочей среды от обслуживающего пер­сонала; кроме того, они более приспособлены для работы на загрязненных жидкостях, чем обычные насадочные колонны, но менее при­годны для легко эмульгируемых жидкостей.

Смесительно-отстойные экстракторы. К старейшим экстракционным аппаратам отно­сятся горизонтальные смесители-отстойники. Они состоят из ряда ступеней, причем каждая включает смесительную и отстойную камеры, в которых фазы движутся прямотоком, в то время как аппарат в целом работает по прин­ципу противотока фаз [25, 27, 67, 78].

Для непрерывнодействующих горизон­тальных смесителей-отстойников с механиче­ским перемешиванием характерны следующие достоинства:

Высокая эффективность ступеней, кото­рая может приближаться к эффективности рав­новесной (теоретической)ступени;

Гибкость конструкции, позволяющей в случае необходимости легко изменять число ступеней аппарата;

Пригодность для работы в широких пре­делах изменения физических свойств и объем­ного соотношения фаз;

Легкое масштабирование: сохранение концентраций фаз по ступе­ням после остановки, что обеспечивает быст­рый последующий ввод аппарата в нормаль­ную эксплуатацию.

Экстрактор смеситель-отстойник Эде - леану (рис. 5.6.10) представляет каскад отдель­но расположенных смесительных / и отстой­ных 3 камер. Тяжелая фаза (ТФ) в нем перете­кает самотеком, легкая (ЛФ) подается насоса­ми. Недостатком аппарата является необходи­мость поддержания определенного уровня раз­дела фаз в каждой секции, большая площадь, занимаемая им, и наличие двух разных меха­низмов для каждой экстракционной ступени.

Насосно-отстойные экстракторы не со­держат смесительных камер, их заменяют на­сосы, позволяющие уменьшить объем аппарата (рис. 5.6.11, а). Кроме того, высокая степень диспергирования фаз в насосах обеспечивает минимальное время контактирования. Совер­шенствование конструкций этих аппаратов привело к созданию однокорпусного экстрак­тора (рис. 5.6.11, б, в).

Общий недостаток насосно-отстойных экстракторов - наличие большого количества механизмов, нуждающихся в обслуживании, и

Щі

ТН£ Щ tU і

2 1

ЛФ —----------

ТФ

Б)

Возможность потерь реагентов через уплотне­ния.

Смесительно-отстойные ящичные экс­тракторы применяют на разделительных ус­тановках различной производительности [17, 78]. В таком аппарате интенсивность смеше­ния, поверхность массообмена и движение тя­желой фазы обеспечиваются импеллерными мешалками 6 (рис. 5.6.12. а). Легкая фаза дви­жется самотеком или принудительно (рис. 5.6.12, 6, в). Конструкция позволяет осущест­вить рециркуляцию любой из фаз, а регулиро­вание уровня раздела на выходе тяжелого реа­гента можно производить при помощи специ­альной камеры, находящейся под дополни­тельным давлением воздуха.

В настоящее время для ряда отраслей промышленности требуются смесительно - отстойные экстракторы большой производи­тельности (1000... 1500 м3/ч и более), состоя­щие из десятков ступеней.

На рис. 5.6.13 показана схема смеситель - но-отстойного экстрактора с раздельными пе­ремешивающими и транспортирующими уст­ройствами на одном вал\.

А)

Рис. 5.6.12. Смеситель-отстойник KAPL (а) и различные схемы посту пления легкой фазы в его смесительную камеру принудительно (б) и самотеком (в):

1 - гидрозатвор импеллерной мешалки; 2 - отстойная камера; 3 - жалюзи; 4 - отверстие для перетока легкой фазы, 5 - смесительная камера, 6- импеллерная мешалка, 7- отверстие для перетока тяжелой фазы

Для обработки легко эмульгируемых сис­тем, чувствительных к срезающим усилиям, создаваемым мешалкой, разработаны промыш­ленные аппараты, в которых эффективное вре­мя пребывания составляет лишь 10...20 с. Сме­ситель аппарата такого типа имеет цилиндри­ческий корпус /, снабженный мешалкой 2, вы­полняющий функции одновременно смеси­тельного и насосного устройств (рис. 5.6.14). Диаметр мешалки составляет 70...90% диа­метра смесителя. Мешалка снабжена большим числом лопаток и находится между двумя не­подвижными горизонтальными дисками 3. Над мешалкой и под ней расположены рециркуля­ционные камеры 4. Для ускорения циркуляции по траекториям, указанным стрелками, камеры снабжены криволинейными перегородками; при этом скорости жидкостей при рециркуля­ции не менее чем на порядок выше их скорости при поступлении к мешалке.

Сверху объем смесителя ограничен глу­хой коаксиальной цилиндрической крышкой б. Над ней расположен периферийный кольцевой канал 7, по которому эмульсия поднимается, а затем по переливной трубе 8 поступает танген­циально в компактный отстойник. Камера от­стойника делится неподвижными перегород­ками, слегка наклоненными в направлении движения эмульсии, на 40 - 50 отсеков, благо­даря чему отстаивание протекает в слоях тол­щиной 20...30 мм. Производительность аппа­рата (при диаметре смесителя 1270 мм) дости­гает 200 м3/ч.

Смесительно-отстойные пульсационные экстракторы имеют неподвижные перемеши­вающие и транспортирующие устройства (рис. 5.6.15). Их применяют в ряде случаев, когда присутствие в реакционной зоне движущихся элементов (мешалок) является нежелательным, например при переработке высокотоксичных, летучих и коррозионных реагентов.

Основные достоинства смесительно - отстойных пульсационных аппаратов являют­ся: возможность достижения необходимого числа ступеней контакта и требуемого времени контактирования в каждой ступени; незначи­тельное влияние изменения нагрузки на техно­логические показатели процесса (КПД, унос фаз и т. д.); возможность работы на разных сис­темах без изменения конструкции аппарата; одинаковые гидродинамические характеристи­ки каждой секции; небольшая высота.

К недостаткам пульсационных смеси - тельно-отстойных аппаратов относятся: непри­годность для систем, образующих стойкие эмульсии; большая площадь отстойника для разделения фаз; длительный период выхода на стационарный режим работы; увеличенное ко­личество незавершенной продукции из-за большого объема экстрагента в аппарате.

Центробежные дифференциально-кон - тактные экстракторы. Отличительной осо­бенностью центробежных экстракторов явля -

1 - отстойная камера; 2 - смесительная камера; 3 - пульсационное перемешивающее устройство; 4,5- переточные отверстия для легкой и тяжелой фаз

Ется существенное ускорение в них процессов смешения и разделения жидких фаз в поле цен­тробежных сил и, соответственно, малое время пребывания разделяемых жидкостей, обычно исчисляемое секундами и не превышающее минут. Эти экстракторы могут успешно рабо­тать на системах жидкость - жидкость с малой разностью плотностей и при малой объемной доле экстрагента. Эти достоинства имеют ре­шающее значение при выборе относительно дорогих (по капитальным затратам и эксплуа­тационным расходам) центробежных экстрак­ционных машин для обработки лабильных и легко эмульгируемых проду ктов.

Центробежные экстракторы делятся на две основные группы:

дифференциально-контактные, в кото­рых процесс протекает при близком к непре­рывному контактировании движущихся встречных потоков фаз;

камерные, или дискретно-ступенчатые, состоящие из отдельных ступеней (камер), в каждой из которых осуществляются последо­вательно смешение и разделение движущихся противотоком фаз [76. 78].

Экстрактором дифференциально-кон­тактного типа является центробежный экс­трактор (рис. 5.6.16). Он имеет цилиндриче­ский ротор /, закрепленный на полом горизон­тальном валу 2. Ротор и вал вращаются с большой скоростью (1200...5000 мин"1) в опо­рах станины 3. Ротор заключен в кожух 4 со Съемной крышкой. На концах полого вала имеются каналы, через которые легкая ЛФ и тяжелая ТФ фазы раздельно подаются в ротор и отводятся из него. Вал приводится во враще­ние через клиноременную передачу 5.

Корпус ротора состоит из внутренней и наружной концентрических обечаек б и 7, за­крытых с торцов боковыми стенками. Внутри ротора находится пакет концентрических ци­линдров 8, расположенный с зазором относи­тельно боковых стенок корпуса; цилиндры за­креплены в двух боковых дисках. Цилиндры имеют отверстия круглые плоские либо в виде коротких сопел, либо прямоугольной формы с отбортовкой, от чего существенно зависит эф­фективность разделения фаз. Отверстия в смежных цилиндрах расположены взаимно противоположными группами, что позволяет удлинить путь и увеличить продолжительность контакта жидкостей.

Взаимодействующие жидкости подают под избыточным давлением через каналы вала 2;

При этом тяжелая жидкость поступает в ротор через сопла у его внутренней обечайки б, а легкая - через сопла у наружной обечайки 7. Через контактные элементы (цилиндры) жид­кости движутся противотоком, многократно перемешиваясь друг с другом (при истечении тяжелой жидкости через отверстия) и сразу же разделяясь в каналах между цилиндрами под действием центробежных сил. Многократное противоточное перемешивание фаз является характерным признаком центробежных экс­тракторов этого типа. Рафинат и экстракт уда­ляются через раздельные коаксиальные каналы в цапфах вала 2.

В других конструкциях дифференциаль­но-контактных центробежных экстракторах увеличение эффективности реализуется за счет удлинения пути контактирования жидкостей. К числу таких аппаратов относятся вертикаль­ные экстракторы «Альфа-Лаваль», у которых достигается эффективность разделения, соот­ветствующая 3-20 теоретическим ступеням, а также горизонтальные экстракторы «Квадро - ник» (США).

В НИИХИММАШе разработаны одноро - торные (ЭГН) и двухроторные (ЭЦД) эффек­тивные центробежные экстракторы, пригодные для разделения на компоненты в одном аппа­рате экстракционных систем, требующих до пяти-шести (предельно - до восьми) теорети­ческих ступеней [76, 78].

Центробежные однороторные экстрак­торы ЭГН. Особенностью этих экстракторов является наличие в роторе двух разделенных продольной перегородкой и параллельно рабо­тающих пакетов контактных цилиндров с от­верстиями. Площадь отверстий уменьшается с увеличением диаметра соосных цилиндров, а сами отверстия выполнены с учетом влияния кориолисова ускорения на движение жидко­стей в межцилиндровом пространстве. Эти конструктивные усовершенствования позволи­ли уменьшить гидравлическое сопротивление, устранить образование в роторе застойных зон, увеличить площадь поверхности контакта фаз, а следовательно, повысить эффективность ап­парата.

Центробежный двухроторный экстрак­тор ЭЦД (рис. 5.6.17) имеет соосно располо­женные наружный 1 и внутренний 2 роторы с независимыми приводами. Роторы вращаются в одну сторону, но с различными скоростями. Внутренний ротор снабжен мешалками 3. На внутренней поверхности ротора 1 имеются кольцевые перегородки 4 с отверстиями, с по­мощью которых пространство между роторами
разделяется на смесительные зоны, в которых происходит перемешивание фаз мешалками, и отстойные зоны. Жидкости поступают самоте­ком через противоположные цапфы ротора 2 и движутся противотоком, последовательно сме­шиваясь и расслаиваясь (с образованием двух кольцевых слоев) в роторе /. Слив жидкостей осуществляется через переливы 5 и б в обособ­ленные камеры кожуха аппарата, из которых они удаляются. Изменяя разность частот вра­щения роторов / и 2, регулируют интенсив­ность смешения фаз, т. е. подбирают оптималь­ную скорость массообмена. Разделение фаз происходит в поле центробежных сил при вращении ротора /.

Транспортирование фаз через аппарат происходит также за счет разности скоростей вращения роторов 1 и 2.

Центробежные ступенчатые экстрак­торы. Преимуществом многоступенчатых цен­тробежных экстракторов является меньшее число приводов в экстракционной установке. Это особенно важно, когда экстракционная схема состоит из нескольких десятков или со­тен ступеней. К недостаткам этих экстракторов следует отнести их относительную сложность в изготовлении и обслуживании.

По способу смешения фаз многоступен­чатые центробежные экстракторы можно раз­делить на две группы: 1) дробление дисперс­ной фазы в сплошной происходит в соплах различных конструкций в гравитационном по­ле; 2) смешение фаз осуществляется с помо­щью различных механических устройств (ме­шалок, лопаток и др.) в центробежном поле.

К группе ступенчатых центробежных ап­паратов относится экстрактор Лурги - Вестфа - лия («Лувеста»), представляющий собой цен­трифугу с внутренним устройством в виде двух или трех ступеней, или смесительно-раздели - тельных камер.

Трехступенчатый экстрактор «Луве - ста» включает ротор 1 с нижним приводом 2 (рис. 5.6.18). По оси ротора расположен непод­вижно закрепленный в кожухе экстрактора узел 3 ввода и вывода жидкостей с отверстия­ми и каналами, через которые жидкости пода­ются и отводятся, перемещаясь со ступени на ступень. Ступени отделены друг от друга не­подвижными разделительными тарелками 4. В каждой ступени находятся напорные диски 5 и б, предназначенные для прямоточного смеше­ния и транспортирования жидкостей, и пакет
тарелок 7, в пространствах между которыми осуществляется тонкослойное разделение жид­костей.

Траектория движения тяжелой фазы по­казана сплошной линией, легкой фазы - пунк­тирной, а их смеси - штрихпунктирной линией. Исходные фазы поступают в ротор самотеком. Тяжелая фаза по каналу 8 узла 3 подается на ступень I. Сюда же, в пространство под узлом 3, со ступени II через диск 5" и канал 9 подает­ся легкая фаза. Смесь жидкостей движется вниз через пространство, разделенное ребрами 9', и поступает в межтарелочные пространства.

Где происходит разделение фаз (пакет тарелок 7 показан условно лишь в ступени II). Легкая фаза под действием центростремительных сил выводится из ступени / через диск 5', а тяжелая фаза отбрасывается к периферии ступени и на­правляется через канал под разделительной та­релкой 4' к диску 6'.К этому же диску со сту­пени III (через диск 5"' по каналу 10) подается легкая фаза. Образовавшаяся смесь жидкостей направляется по каналу / / через отверстия 12 в пространство между ребрами 4'\ откуда она поступает в межтарельчатые пространства сту­пени II. Аналогично протекают процессы сме­шения и разделения фаз в ступени ///, причем к напорному диску 6" по каналу 13 поступает исходная легкая фаза (обычно свежий экстра - гент). Тяжелая фаза выводится из аппарата верхним диском 6"', а легкая - нижним дис­ком 5'.

Таким образом, в пределах каждой ступе­ни осуществляется прямоточное смешение фаз, в то время как работа аппарата в целом проис­ходит по принципу противоточного их движе­ния. В каждой ступени за очень короткое время контактирования практически достигается фа­зовое равновесие. Соответственно эффектив­ность одной ступени очень близка или равна одной теоретической ступени разделения.

Одноступенчатые центробежные экс­тракторы ЦЕНТРЭК НИКИМТа [35], обладая общими для всех центробежных экстракторов достоинствами, имеют ряд преимуществ перед многоступенчатыми:

Легко компонуются в установки с любым количеством ступеней;

Легко осуществляется управление уста­новкой с любым количеством ступеней;

При остановках каскадов из одноступен­чатых центробежных экстракторов растворы остаются в ступенях, фронт концентраций по каскаду при этом не нарушается, и последую­щий пуск с выходом на стационарный режим происходит очень быстро;

Имеют более простую конструкцию и, что особенно важно, проще демонтаж, ремонт и замена неисправной ступени;

Могут быть разработаны на более высо­кую производительность, чем многоступенча­тые.

Центробежные модульные и блочные экстракторы ЭЦБ НИКИМТа разработаны в трех исполнениях [35]:

в корпусе объединены перетоки между ступенями, кольцевые сборники фаз и смеси­тельные камеры (блочный центробежный экс­тракционный аппарат ЭЦБ80-4 производитель­ностью до 0,4 м3/ч) (рис. 5.6.19, а). Такая кон­струкция наиболее пригодна для экстракторов малой производительности;

в корпусе объединены перетоки между ступенями и смесительные камеры (блочный центробежный экстракционный аппарат ЭЦБ400-4 производительностью до 20 м3/ч) (рис. 5.6.19, б). Экстрактор предназначен для процессов с медленной кинетикой массопере­дачи;

3) в корпусе объединены только перетоки между ступенями (блочный центробежный экстракционный аппарат ЭЦБ 125-6 производи­тельностью до 1,5 м3/ч). Аппараты такого типа могут быть использованы для ядерно-безо­пасных процессов.

Методы инженерных расчетов жидкост­ных экстракторов приведены в работах [5, 17. 25, 35, 45, 58, 65, 76].