АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Аппаратура экстракционных установок

Массопередача при экстрагировании. Физическая сущность процес­са экстрагирования состоит в переходе распределяемого между фазами вещества из одной жидкой фазы в другую. Поэтому эффективность работы экстракционных аппаратов определяется скоростью массопередачи и может быть выражена уравнениями массопередачи, которые были при­ведены в главе X.

Массопередача в значительной мере зависит от гидродинамического режима в данном экстракционном аппарате, основой которого является междуфазовый контакт или взаимодействие двух жидкостных потоков. При рассмотрении фазового равновесия мы называли жидкостные потоки экстрактом и рафинатом, а в массопередаче обычно называют одну фазу легкой, а другую тяжелой, либо одну фазу сплошной, а другую дисперс­ной. При этом сплошной фазой называют ту, которая заполняет все се­чение экстракционного аппарата, а дисперсной ту фазу, которая в виде капель или струй распределяется в сплошной фазе; легкой называют фазу, обладающую меньшим удельным весом, а тяжелой—фазу, обла­дающую большим удельным весом.

Решающим фактором в работе экстракционных аппаратов является скорость жидкостных потоков. Очевидно, что чем с большей скоростью протекают жидкости по аппарату, тем с большей производительностью он будет работать. Поэтому представляется целесообразным применять как можно большие скорости потоков. Однако, как это мы видели при рассмотрении процессов перегонки и абсорбции, беспредельно увеличи­вать скорости потоков при взаимодействии двух фаз не представляется возможным, так как при достижении некоторой предельной для данного случая скорости потока происходит так называемое затопление аппарата; одна фаза увлекает за собой другую и фазовое взаимодействие полностью нарушается. Практически 'оптимальными или наиболее выгодными явля­ются скорости потоков, несколько меньшие скоростей, соответствующих возникновению явления затопления; обычно работают при скоростях, на 10—20% меньших предельных.

Если экстракционный аппарат имеет вполне определимую поверх­ность фазового контакта F, то движущая сила процесса может быть выра­жена средней разностью концентраций и производительность аппарата может быть определена либо по уравнению (3—34):

G = KyFLycp. кг-мол/час либо по уравнению (3—37):

G — KxFAxcp. Кг-мол/час

Уравнением (3—34) пользуются тогда, когда движущая сила про­цесса выражена разностью равновесной и рабочей концентраций в фазе экстракта. В этом случае

А#ср. — A-VhIvA-Vk (3-299)

1П-Аt

Где Дг/н=*/р. н—ук—начальная разность концентраций; &ук=ур. к—ук—конечная разность концентраций;

Ун и Ук—начальная и конечная рабочие концентрации рас­пределяемого между фазами компонента в фазе экстрак­та, в долях моля;

Ур. н и Ур. к—начальная и конечная равновесные концентрации того же компонента в долях моля;

Kv—коэффициент массопередачи, выражающийся в кг-мол/м2-час-кг-мол/кг-мол (движущая сила выра­жена в единицах концентрации фазы экстракта).

Уравнением (3—37) пользуются, когда движущая сила процесса выражена разностью рабочей и равновесной концентрации Ахср. в фазе рафината. В этом случае

Л*ср. = А*НТА*К (3-300)

Где Дхн=л:н—Хр. н—начальная разность концентраций;

LxK=xK—хр. к—конечная разность концентраций;

Хн и хк—начальная и конечная рабочие концентрации рас­пределяемого между фазами компонента в фазе ра­фината, в долях моля; хр. к и хр. к—начальная и конечная равновесные концентрации того же компонента в долях моля;

Кх—коэффициент массопередачи, выражающийся в кг-мол/м2- час кг-мол /кг-мол (движущая сила про­цесса выражена в единицах концентрации фазы ра­фината).

В большинстве случаев не представляется возможным составить урав­нение для поверхности фазового контакта и приходится определять либо объем, либо высоту экстракционного аппарата, а в аппаратах ступен­чатых—число реальных ступеней.

Число ступеней изменения концентрации, как это было показано выше, можно определить графически. Однако практически в реальных условиях концентрации экстракта и рафината, вытекающих со ступени, никогда не достигают равновесного состояния, вследствие чего раздели­тельная способность реальной ступени всегда меньше разделительной способности соответствующей ступени изменения концентрации. Поэтому NT реальное число ступеней в экстракционных установках всегда больше

Теоретического Nc и число ступеней, соответствующее одной ступени изме­нения концентрации, выражается отношением

(3-301)

Отсюда реальное число ступеней экстракционного аппарата может быть найдено как

NT = ECNC (3—302)

Где величина Ес зависит от конструкции аппарата и гидродинамического режима его работы.

Если число ступеней изменения концентрации известно, можно определить высоту аппарата, как и при перегонке и абсорбции, по уравне­нию

H = H3KB.Nc М (3—303)

Где Лэкв.—высота, эквивалентная одной ступени изменения концентрации, значение которой также зависит от типа и конструкции аппарата и гидро­динамического режима.

Высоту экстракционного аппарата можно определять по-предыду­щему при линейной равновесной зависимости по уравнению (3—42):

TOC \o "1-3" \h \z И G П = ---- 7т7-- т------- м

И уравнению (3—42а)

И G

П = ------ -ТГГ-------- Т М

AfKx^XCp.

При любой другой равновесной зависимости высота определяется • по уравнению (3—46)

Н = Г Dy

AfKy J Ур — у

И уравнению (3—46а)

Н = Gx г Dx AjKx ) X — Xv

Где Gv—весовая скорость фазы экстракта в кг-мол! час\ Gx—весовая скорость фазы рафината в кг-молічас. Практически при экстрагировании состав фаз в аппарате может меняться либо непрерывно, либо ступенями. В последнем случае смешение и последующее разделение фаз происходит в каждой ступени. В соответ­ствии с этим представляется необходимым при рассмотрении типов и конструкций экстракционных аппаратов разделять их на две группы: 1) дифференциально-контактные аппараты и 2) ступенчатые аппараты.

Кроме того, жидкостные потоки в экстракционных аппаратах обус­ловливаются либо разностью удельных весов жидких фаз, либо сообще­нием потокам извне дополнительного количества энергии путем механи­ческого перемешивания, действием центробежной силы, поршневыми пульсаторами и другими способами. Поэтому экстракционные аппараты каждой из указанных выше двух групп целесообразно разделить в свою очередь на гравитационные экстракторы и на механические экстракторы.

Подразделять экстракторы на аппараты с фиксированной поверх­ностью фазового контакта и на аппараты, в которых поверхность фазово­го контакта развивается в процессе движения потоков, как это иногда

Делают, не представляется целесообразным, так как одни и те же аппараты в зависимости от гидродинамического режима их работы пришлось бы рассматривать дважды в двух группах.

Гравитационные дифференциально-контактные экстракционные ап­параты. Полочные колонны. Наиболее широко распространен­ными экстракционными аппаратами в промышленности являются грави­тационные колонны: полочные, распылительные, на­садочные. Полочные колонны (рис. 433) имеют внутри либо коль­цевые (рис. 433, а), либо сегментные (рис. 433, б и В) полки площадью каж­дая —70% от общего се­чения колонны. Расстоя­ние между полками прини­мают 75—100 мм, а число полок в действующих ко­лоннах достигает 100. Сум­марная скорость потоков в наиболее узком сечении колонны

W = Wy + Wx =

= 0,006 — 0,01 М/сек

Предельные скорости потоков, при которых на­ступает затопление полоч­ных колонн для жидко­стей С ВЯЗКОСТЬЮ р=1 СП и поверхностным натяже­нием а=35 дин/см, могут быть определены по диаг­рамме рис. 434, где по оси абсцисс отложены разно­сти удельных весов жид­ких фаз, а на оси орди­нат предельная суммарная скорость потоков, умно­женная на 3,28. Так, на­пример, при разности удельных весов Л-г=0,2 и удельном весе сплош­ной фазы ус = 0,9 предельная суммарная скорость потоков в полоч-

0 3

Ной колонне может быть принята ay=g-^g~0,00915 м/сек.

Установлено, что при расстоянии между полками 0,10-1-0,150 мм в колоннах диаметром от 0,915 до 1,8 ж можно принимать высоту, экви­валентную одной ступени изменения концентрации:

^экв. = 0,12-5- 0,18 м

Распылительные колонны. Распылительная колонна (рис. 435) представляет собой полую оболочку, снабженную на вводе одной жид­кости либо на вводах обеих жидкостей приспособлениями для дисперги­рования жидкости в виде мелких капель. Тяжелая жидкость вводится в верхнюю часть колонны и заполняет ее всю. Легкая жидкость вво­дится в нижнюю часть колонны и выходит из распределителя в виде мелких капель, которые вследствие меньшего удельного веса легкой
жидкости поднимаются в тяжелой жидкости как в среде, собираются в виде слоя в верхней части колонны и отводятся из нее в виде экстракта. Тяжелая жидкость, в той или иной степени освобожденная от растворяю-

Щегося в легкой жидкости компонента, из нижней части колонны удаляет­ся через U-образную трубу, высота сливного патрубка которой опреде­ляет положение поверхности раздела фаз в колонне (слой ё).

Легкая жидкость

I

TJ

Рис. 435. Распылительные колонны: «—поверхность раздела.

Когда сливной патрубок U-образной трубы находится в наивысшем положении (рис. 435, а), поверхность раздела фаз выше ввода тяжелой жидкости и в этом случае легкая жидкость представляет собой дисперс-

Ную фазу—капли легкой жидкости поднимаются в тяжелой, как в сплош­ной фазе. При наинизшем положении сливного патрубка (рис. 435, б) поверхность раздела фаз е располагается ниже ввода' легкой жидкости и в этом случае легкая жидкость представляет собой сплошную фазу, а тяжелая жидкость—дисперсную, капли которой опускаются сверху вниз.

При положении сливного патрубка, показанном на рис. 435, в, поверхность раздела е находится где-то посредине колонны, и в этом случае выше поверхности раздела фаз сплошной фазой является легкая жидкость и дисперсной—тяжелая, а ниже поверхности раздела фаз, наоборот, легкая жидкость является дисперсной и тя­желая—сплошной; в этом положении, очевидно, мас­сопередача будет наибольшей.

На рис. 436 представлена схема распылительной колонны несколько иной конструкции. Здесь произво­дится диспергирование только легкой жидкости и для создания лучших гидродинамических условий верхняя и нижняя части колонны сделаны значительно шире.

Найдено, что затопление распылительной колон­ны наступает в том случае, когда скорость капель по отношению к потоку сплошной фазы достигает вели­чины 75% от скорости свободного падения частиц в неподвижной среде, определяемой по закону Стокса (см. стр. 85).

Относительная скорость капель определяется как

WK-hwc

Где wK—скорость капель по отношению к стенке ко­лонны в м/сек-, шс—скорость сплошной фазы в місек.

Отношение (У. С.) называют удержи-

Вающей способностью колонны по дис­персной фазе (WD—линейная скорость" дисперсной фа­зы). Для распылительных колонн удерживающая спо­собность выражается величиной У. С. = 10—35%.

Скорость сплошной фазы в распылительных колоннах сравнительно невелика и составляет 0,0038— 0,0090 м/сек, а диаметр капель порядка 1-10 ж Чем больше диаметр капель, тем меньше коэффициент массопередачи. Исследованные распылительные колонны имели коэффициенты массо­передачи порядка от 1 кг-мол/мъ -час (в колоннах с каплями диамет­ром до 10 мм) до 60 кг-мол/м3- час (с каплями диаметром 1 -І- 3 мм). Распылительные колонны применяются в промышленности, однако они имеют весьма низкие пределы нагрузки, так как увеличение скорости потоков в них приводит к рециркуляции дисперсной фазы. Их эф­фективность сравнительно мала, поэтому в последнее время эти колон­ны вытесняются другими, более совершенными, экстракционными ап­паратами.

Насадочные колонны. Одним из наиболее эффективных экстракционных аппаратов является насадочная колонна, схематически изображенная на рис. 437. При работе в условиях оптимального режима и при скоростях, близких к скоростям затопления, поверхность фазового контакта в насадочной колонне развивается турбулент­ными потоками фаз, а насадка служит для обеспечения большей турбу-
лизации потоков. Из различных видов насадок наибольшее распростра­нение получила насадка из колец Рашига (см. стр. 490), которая создает наибольшую турбулизацию двухфазного потока. Другие насадки (седла Берля, проволочные спирали и т. п.) менее пригодны, так как имеют геометрическую форму, при которой возможно плавное обтекание насадки потоком жидкости.

Если колонна работает при невысоких скоростях потоков, то при выборе дисперсной фазы необходимо учитывать, что в случае смачивае­мости насадки дисперсной фазой последняя растекается по ее поверх­ности в виде жидких пленок и струй, и это снижает эффективность работы колонны.

Поверхность фазового контакта будет максимальной, а следователь­но, эффективность работы насадочных колонн будет максимальной при

Скоростях сплошной фазы, близких к скоростям затопления колонны. Практически работают при скоростях на 10—20% ниже скоростей затопления.

Скорость затопления насадочной колонны можно определить по формуле (3—86). Экстра­гирование в насадочных колоннах можно про­водить и при режиме эмульгирования. В этом случае скорость сплошной фазы в колонне мож­но определить по уравнению (3—88).

Высоту насадки, эквивалентную одной еди­нице изменения концентрации, можно опреде­лить по формуле (3—94).

Механические дифференциально-контактные экстракционные аппараты. В гравитационных ко­лоннах без механических устройств энергия, необ­ходимая для диспергирования жидкости против сил поверхностного натяжения, ограничена ве­личиной внутренней потенциальной энергии по­токов, т. е. разностью плотностей или удельных весов фаз. Степень диспергирования и соответ­ственно эффективнссть работы аппарата можно значительно повысить при затрате дополнительного сравнительно неболь­шого количества механической энергии. Это осуществляется главным образом в колонных аппаратах, снабженных различными приспособлениями для механического перемешивания жидкостей.

Колонны с мешалками. Экстракционная колонна, снаб­женная кольцевыми полками и механической мешалкой (рис. 438, а) имеет, по литературным данным, эффективность, в 2—3 раза большую эффективности распылительных и насадочных колонн. Однако эти колонны потребляют значительное количество энергии.

Эффективность работы экстракционных колонн с мешалкой и на­садкой (рис. 438, б) в значительной мере зависит от числа оборотов мешал­ки. Для каждой системы существует оптимальное число оборотов, соот­ветствующее максимальной эффективности работы колонны. Так, для системы вода—метил—изобутилкетон в зависимости от направления экстракции оптимальные числа оборотов мешалки колонны найдены равными 400—600 об/мин. Высота, эквивалентная одной ступени изме­нения концентрации, составляет для таких колонн 0,237—0,406 м.

Колонны с пульсацией потоков. Для увеличения турбулизации потоков и степени дисперсности жидкостей при экстра­гировании в последнее время начали применяться пульсационные колон­ны. в которых пульсационное движение достигается с помощью специаль-
ного насоса. Такие колонны (рис. 438, в) могут выполняться насадочными или ситчатыми. Затопление таких колонн происходит при скоростях, составляющих 60% от скоростей затопления обычных насадочных колонн, для ситчатых колонн скорости затопления их^с пульсацией и без пуль­сации одни и те же. Эффективность работы пульсационных колонн зависит от частоты и амплитуды пульсаций (хода поршня). Имеются данные, что максимальная эффективность насадочной колонны с пульсацией достигается при частоте пульсаций 250 циклов/мин. и амплитуде 1 мм. В режимах, с нагрузкой колонны с пульсацией значительно меньше пре­дельной, можно проводить экстрагирование жидко­стей с разностью удель­ных весов 0,05 г/см3, од­нако производительность колонны при этом незна­чительна.

Разновидностью пуль­сационных колонн явля­ются вибрационные, в ко­торых турбулизация со­здается возвратно-поступа­тельным движением таре­лок, осуществляемым при помощи кривошипно-ша­тунного механизма.

Центробежный экстрактор Под - бельняка. Основной частью этого экстракто­ра (рис. 439) является ротор 2, насаженный на горизонтальный полый вал 1. Ротор вращается со скоростью от 2000 до 5 000 об/мин. Он представляет собой спираль с числом витков до 33; каналы, образованные витками спирали, имеют прямоугольное сечение. Стенки каналов могут быть как сплошными, так и перфориро­ванными. Противоточное движение жидкостей в роторе достигается при помощи насосов, подающих легкую и тяжелую жидкость через полый вал экстрактора, причем легкая жидкость подводится к периферии спирали, а тяжелая—к центру. Благодаря центробежной силе, возникающей при вращении ротора, создается противоточное движение потоков жид­костей.

Ступенчатые экстракционные аппараты без дополнительного сообщения потокам энергии. Колонны с ситчатыми тарелками. В ситча­тых колоннах (рис. 440) дисперсная фаза попеременно диспергируется и собирается в сплошной слой при прохождении через ситчатые тарелки. Сплошная фаза, как правило, перетекает с тарелки на тарелку по переливным патрубкам или карманам. Размеры отверстий в тарел­ках—в пределах от 1,6 до 9,66 мм, суммарная площадь сечения от­верстий—порядка 10% от сечения колонны; расстояние между тарел­ками 0,15-^-0,6 м.

Предельные нагрузки ситчатых колонн определяются смачиваемостью отверстий тарелок дисперсной фазой, высотой слоя дисперсной фазы на тарелке, высотой слоя сплошной фазы в сливном стакане, разностью удельных весов жидкостей, составляющих фазы. Если не принимать во внимание смачиваемость, то напор, необходимый для проталкивания дисперсной фазы через отверстия тарелки, определяется уравнением

Ат = А, + /?2 + /гЕ

Где] [Hx—напор, затрачиваемый на протекание дисперсной фазы через отверстия в тарелке.

Рис. 440. Ситчатая колонна.

Напор рассчитывается по формуле:

/о

Yd 1- f Го

Нл = —І--------- р-— м (3—305)

2 ёС20

Здесь /0—площадь сечения одного отверстия в м2;

FK—площадь свободного сечения колонны в ж2;

W0=Wd -ь-—скорость протекания дисперсной фазы через отвер-

Що

Стия в тарелке в м! сек\ Tn—число отверстий в тарелке; mf0—суммарная площадь отверстий на тарелке, принимаемая обыч­но равной 10% от площади сечения колонны;

0 71

С0= 1 -------------- коэффициент отверстия (практически принимают Со=0,70).

В уравнении (3—304) величина h2 обозначает потери напора на тре­ние сплошной фазы в переливных патрубках, определяемые обычными методами гидродинамики. Площадь поперечного сечения переливных труб составляет обычно 5% от площади сечения колонны.

Величина h3 обозначает потери напора на трение дисперсной фазы при прохождении ее через сплошную фазу, эту величину можно опреде-

Ycl.5aЈ

/і = ——--------- м

3

В том случае, когда дисперсная фаза не смачивает отверстия тарелки, при сравнительно небольшой скорости сплошной фазы напор, необхо­димый для проталкивания жидкости через отверстия, будет определяться величиной напора, затрачиваемого на преодоление сил поверхностного натяжения:

4Ac_D

(3—307)

Ду4

Где D0—диаметр отверстий в мм.

Колпачков ые колонны. Эти колонны, используемые для ректификации и абсорбции, промышленного применения при экстраги­ровании не находят как мало эффективные.

Ступенчатые смесительно-отстойные экстракторы. Число пред­ложенных конструкций этого типа весьма велико; остановимся на наиболее важных из них.

/—вход тяжелой жидкости; //—вход легкой жидкости; ///—выход лег­кой жидкости; IV—выход тяжелой жидкости.

На рис. 441, а представлена схема колонны Шенеберна—вертикаль­ного гравитационного экстрактора с прямоточным осаждением. Экстрак­тор состоит из вертикальной колонны, разделенной на секции горизон­тальными перегородками, между которыми размещены мешалки турбин­ного типа, с приводом от общего вала. Разделение осуществляется в пространстве вокруг мешалки. Тяжелая фракция сливается у вала во всасывающие отверстия ниже расположенной турбины, в то время как легкая фаза поднимается вверх через четыре специальные переточные трубки к выше расположенной турбинке.

На рис. 441, б представлена схема экстрактора, состоящего из установленных друг на друга смесительных камер с мешалками на общем валу. Отстойные камеры состоят из горизонтальных труб большого диа­
метра, присоединенных одним концом к смесительным отделениям, а другим—к трубам, по которым разделенные фазы передаются в соот­ветствующие ступени.

На рис. 441, в представлена .схема вертикального экстрактора, в котором смесительные камеры расположены внутри отстойных камер. Легкая фаза протекает под действием силы тяжести, тяжелая же пере­качивается к низу со ступени на ступень. Отношение фаз в смеситель­ной камере может регулироваться независимо от соотношения потоков,

Путем изменения скорости перекачивания межступенчатыми насосами.

На рис. 442 представлена схема цен­тробежного смесительно-отстойного экстрак­тора Лувеста, представляющего собой разно­видность центробежного молочного сепарато­ра. Экстрактор имеет три ступени, и в каж-

Дой находятся распылительный дисковый смеситель и центробежная осадительная камера. Максимальная производительность экстрактора 5000 л/час при 3800 об/мин; объем барабана 84,1 л, объем камеры для осадка 34,2 л. Известны также и одноступенчатые экстракторы такого типа, которые могут быть соединены в виде каскада с любым числом ступеней.

На рис. 443 іпредставлена схема горизонтального экстрактора с мешалкой, снабженного наружной отстойной камерой, в которой распо ложе но смесительное отделение. Легкая и тяжелая фазы перекачивают ся из отстойной камеры в смесительное отделение посредством пропел лерной мешалки. Имеется также рециркуляционная труба для частич­ного разделения эмульсии. Соотношение фаз может, регулироваться не зависимо от соотношения потоков путем изменения высоты переверну­той U-образной трубы, через которую удаляется тяжелая фаза.

В качестве горизонтальных ступенчатых экстракторов с механи­ческим перемешиванием могут быть использованы любые аппараты с мешалками, рассмотренные 'выше в главе VI. В этом случае экстракто­ры устанавливают либо каскадом, либо в одной горизонтальной плоско­сти, (передачу же одной из фаз осуществляют при помощи насосов.