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

 

 

а)

б)

 

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.

 

 

Рис. 15.14. Экстрактор с ситчатыми тарелками:	Рис. 15.15. Роторно-дисковый экстрактор:
1 – тарелки; 2 – сливные устройства для перетока тяжелой фазы	1 – вал ротора с дисками; 2 – кольцевые перегородки

 

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.

 

Рис. 15.16. Пульсационный насадочный экстрактор: 1 – пульсатор; 2 – насадка

Рис. 15.17. Экстрактор с вибрирующими тарелками: 1 – штанга с закрепленными перфорированными тарелками; 2 – привод кривошипно-шатунного механизма; 3, 4 – распределители легкой и тяжелой фаз

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