Экстракторы

Достоинства одноколонного аппарата, которые  можно отнести почти ко всем аппаратам колонного типа, состоят в том, что процесс в них протекает противоточно и непрерывно, вся масса частиц постоянно находится в жидкой фазе. Такие аппараты занимают малые площади, обладают, как правило, малой металлоемкостью (все внутреннее пространство аппарата используется полезно).

Для определения  условий массообмена в экстракторе  снимаются экстракционные кривые, для  чего экспериментально устанавливаются концентрации экстрагируемого вещества в твердых частицах: и в жидкости в пробах, отобранных в ряде точек по длине аппарата. По известным, таким образом, концентрациям на каждом интервале - аппарата между точками «отбора проб, размеру частиц, времени пребывания частиц на интервале, коэффициенту диффузии (который может быть измерен для каждого интервала в лабораторных условиях) коэффициент массоотдачи для этого интервала вычисляется с помощью алгоритма обратного интервально-итерационного расчета; так, например, в случае использования номограмм необходимо вычислить отношение избыточных концентраций на концах интервалов (Z), определить величину критерия Фурье для интервалов (по известным коэффициенту диффузии, размеру частицы и времени пребывания частицы на интервале) и, зная q — соотношение расхода масс, по номограмме найти величину критерия Био.

Такое распределение величины массоотдачи  можно объяснить следующим образом. В нижней части аппарата происходит некоторое уплотнение слоя твердых  частиц, связанное с отделением экстрагента, удаляемого из колонны, и в связи  с этим ухудшение гидродинамических условий обтекания частиц экстракционной жидкостью.

В средней  зоне аппарата обычно устанавливается  оптимальная гидродинамическая  обстановка процесса. Смесь твердых  частиц с экстрагентом хорошо перемешивается транспортирующим устройством и равномерно распределяется по сечению аппарата, чего не наблюдается в нижней его части. Величина массоотдачи на этом участке аппарата должна достичь своего максимума.

В верхней  части аппарата, где частицы значительно  раздроблены, наблюдается их слеживание, образуются отдельные сгустки частиц или «комки», внутрь которых поток жидкости не попадает. Аналогичное явление имеет место в случаях даже гораздо более интенсивного взаимодействия твердой и жидкой фаз.

Одновременно  начинает сказываться тормозящее влияние устройства для выгрузки твердой фазы. Удельная нагрузка в этой зоне увеличивается, что ухудшает гидродинамические условия процесса экстракции.

Увеличение  размера частиц в колонном аппарате, как и в других типах экстракторов, приводит к улучшению массообмена между частицами и экстрагентом.

Повышение соотношения расхода масс на большей  части высоты аппарата ухудшает массообмен, так как под влиянием возрастающего  потока жидкости частицы прижимаются  с большей силой к транспортному органу, их слой уплотняется, что приводит к ухудшению гидродинамических условий в слое, уменьшению активной поверхности частиц.

Несколько разновидностей одноколонных экстракторов, предназначенных главным образом для переработки мелкораздробленных (порошковых) материалов, имеющих плотность, существенно отличную ют плотности экстрагента, по конструкции приближается к колонным аппаратам для экстракции в системе жидкость—жидкость. Основным контактным устройством таких экстракторов являются тарелки. Экстракторы данного типа, как и жидкостные, могут иметь перемешивающие, вибрационные и пульсирующие устройства.

Из многообразных  конструкций многоколонных аппаратов  в промышленности получили распространение двухколонный аппарат с шнековым транспортным органом, двухколонный аппарат с цепным транспортным органом, трехколонный аппарат со шнековыми транспортерами, многоколонный вертикальный аппарат с цепным транспортным органом.

     В каждой из трех колонн вертикального  шнекового экстрактора (рис. 6.9) —  загрузочной 1, горизонтальной 2 и экстракционной 3 — находятся шнеки. Шнек 4 загрузочной колонны и шнек 5 экстракционной колонны подвешены с помощью вала на упорных подшипниках. В верхней части загрузочной колонны имеется цилиндрическое сито 6 для отделения экстракта, уходящего из аппарата, от твердых частиц.

Экстракторы этого типа получили распространение в химической, фармацевтической и пищевой промышленности.

     Достоинствами вертикального шнекового экстрактора  являются небольшие площадь и  объем здания, занимаемого аппаратом, малая металлоемкость, хорошее использование всего объема аппарата, относительная простота конструкции и легкость обслуживания, а недостатками — сильное дробление материала, запрессовка некоторых видов сырья (особенно, растительного), закручивание твердого материала вместе со шнеками.

Интенсивность массообмена по длине аппарата значительно  изменяется (рис. 6.10) и имеет следующие  особенности: в загрузочной (А) колонне экстрактора коэффициент массоотдачи убывает, в горизонтальной (В) — несколько увеличивается, а в экстракционной (В) после незначительного убывания резко возрастает. Такой характер изменения коэффициента массоотдачи по высоте экстрактора объясняется следующим образом. В начале загрузочной колонны экстрагент имеет наибольшую концентрацию и соответственно большую вязкость. По направлению к горизонтальной колонне концентрация экстрагента уменьшается, что создает условия для увеличения коэффициента массоотдачи. Однако разрушаемость частиц, взаимная блокировка поверхности частицами ведет к ухудшению условий омывания их жидкостью.

     Увеличение  значений коэффициента массоотдачи  в горизонтальной колонне также можно объяснить повышением относительной скорости движения экстракционной жидкости в этой части аппарата.

     При переходе частиц из горизонтальной колонны  в экстракционную величина коэффициента массоотдачи уменьшается, затем она увеличивается в экстракционной колонне.

  В заключение отметим, что массообмен в аппаратах этого типа протекает недостаточно эффективно.

      Двухколонный  аппарат с цепным транспортным органом (рис. 6.11) имеет в нижней части переходной округленный участок /, соединяющий вертикальные колонны 2. Все части корпуса в сечении представляют собой прямоугольник. Внутри корпуса по направляющим движутся две роликовые цепи S, к которым прикреплены на определенном расстоянии (0,5—0,6 м) прямоугольные рамки,4 с натянутыми на них цепями. Цепи приводятся в движение барабаном 5 от привода, имеющего электродвигатель.

Частицы твердого, материала располагаются  между рамками, поэтому при движении они не деформируются. В этом большое достоинство аппарата. В вертикальной загрузочной колонне условия процесса особенно благоприятны, так как слой частиц на рамке расположен равномерно. Однако при прохождении через дуговую часть корпуса, материал смещается относительно рамки, что дает возможность экстрагенту проходить над слоем твердых частиц. Неравномерное распределение материала остается на рамках и в экртракционной колонне, поэтому жидкость проходит в той части, где слой материала меньше, а основная масса его омывается экстр-агентом гораздо хуже.

     В результате этого массообменные  характеристики аппарата весьма похожи на показанные выше характеристики для  трехколонного шнекового аппарата.

      Многоколонные аппараты с цепным транспортным органом  2 -(рис. 6.12) во многом аналогичны двухколонным с цепным транспортным органом. Твердые частицы небольшими слоями лежат на сетках 1, что создает благоприятные условия для осуществления противотока, при этом частицы не подвергаются разрушению. Легко осуществлять заданный температурный режим по аппарату, так как малое сечение аппарата позволяет хорошо его нагреть через стенки корпуса. Однако такие аппараты сложны в эксплуатации, занимают большой объем и площади помещений по сравнению с одноколонными. Кроме того, после перехода из одной колонны в другую равномерность расположения слоя части на сетке меняется, что несколько нарушает гидродинамический режим взаимодействия жидкой и твердой фаз.

     Особенно  высокие значения коэффициента массоотдачи  в первой вертикальной колонне. Действительно, на этом участке создаются наиболее благоприятные гидродинамические условия процесса — частицы равномерно заполняют межситовые пространства. Равномерное движение экстрагента в этой колонне способствует хорошему отводу тепла от греющей поверхности и быстрому нагреванию всей массы вещества в колонне.

     В других вертикальных участках аппарата коэффициент массоотдачи хотя и выше, чем на смежных, но значительно ниже, чем в первой колонне. Связано это главным образом с тем, что во все последующие

вертикальные  участки частицы поступают после сжатия и смещения в переходных коленах. Следовательно, в этих вертикальных участках частицы расположены на сетках неравномерно и омываются экстрагентом значительно хуже, чем в первой колонне.

     Ротационные аппараты бывают в основном двух видов: аппараты, корпус которых вращается вокруг горизонтальной оси — барабанного типа и аппараты, корпус которых вращается вокруг вертикальной оси— карусельного типа.

      Ротационные аппараты барабанного типа (рис. 6.14) имеют цилиндрический корпус, вращающийся на катках. Внутренняя полость аппарата по всей его длине разделена по диаметру дырчатой перегородкой 2 (рис. 6.14, а). На внутренней поверхности корпуса расположены винтовые перегородки 2, не доходящие до центра аппарата. В центральной части аппарата находятся наклонные перегородки 3 (рис. 6.14, б), соединяющие между собой винтовые перегородки соседних витков. Аппарат заполнен смесью частиц и жидкостью только до уровня наклонных перегородок (примерно ¹/₄—¹/₃ объема). При вращении барабана экстрагент, находящийся всегда в нижней части аппарата между сплошными винтовыми витками,  перемещается вдоль аппарата,  а твердые частицы увлекаются дырчатой перегородкой 2, отделяются на ней от жидкости и после определенного угла поворота барабана по наклонным перегородкам 3 сползают в полость между соседними витками и, таким образом, перемещаются по аппарату в противоположном направлении.

     Процесс экстрагирования в каждом промежутке между витками (камере) протекает  прямоточно, а переход между камерами осуществляется по принципу противотока, т. е. имеет место комбинированный процесс. Транспортная система аппарата проста, и деформация твердых частиц не происходит.

     Главным недостатком аппаратов этого типа является очень низкий коэффициент использования объема и трудность поддержания необходимого температурного режима по его длине.

     В аппаратах ротационного типа коэффициент  массоотдачи с увеличением размера  частиц возрастает более значительно, чем в аппаратах других типов. Это связано с особенностями процесса в ротационных

Рис. 6.15. Ротационный аппарат с вертикальной осью вращения (оросительный):

1 — корпус; 2 — ротор;   3 — ороситель; 4 — перегородка; 5 — лоток; 6 — выгрузная шахта; 7 — днище (сплошное, неподвижное).

аппаратах, где масса частиц разделена на независимые слои, не сжимаемые общим потоком жидкости. Пористость такого слоя в большей степени зависит от размера частиц.

Увеличение        соотношения расхода масс твердых  частиц и экстрагента не приводит к сильному сжатию частиц, так как масса частиц   разделена на независимые слои, поэтому обнаружена прямая пропорциональность между соотношением расхода масс и коэффициентом массоотдачи.

     Ротационные экстракторы карусельного типа выполнены  в виде цилиндра, высота которого примерно вдвое меньше диаметра. Вращающийся в корпусе ротор разделен радиальными перегородками на 12—18 секций. Днище либо является сетчатым и вращается вместе с ротором, тогда каждый сектор днища присоединяется к ротору на шарнирах и может в нужный момент откидываться для выгрузки твердых частиц, либо днище неподвижное сплошное и имеет окно для выгрузки. В последнем случае (рис. 6.15) обод и перегородки ротора плотно прижаты к днищу и при вращении ротора трутся о днище (так же, как и нижний слой частиц, загружающих каждую секцию). Под каждым сектором имеется сборник экстрагента и насос, откачивающий жидкость из данного сектора, над сектором —

орошающее устройство. Собранная под сектором жидкость направляется насосом на орошение соседнего сектора (в направлении, противоположном вращению ротора). Таким образом, достигается противоток между твердыми частицами и экстрагентом. Следовательно, карусельный экстрактор является одновременно и оросительным.

     Главными  достоинствами карусельных экстракторов являются: соблюдение противотока между фазами, весьма малая степень разрушения частиц в процессе экстрагирования хорошее использование объема аппарата, относительная простота конструкции. Недостаток этих экстракторов — неравномерность процесса, так как в условиях неподвижного слоя жидкость не одинаково проникает в поры по всему объему материала и в процессе участвует не вся действительная поверхность частиц. При орошении * жидкость движется в слое с малой скоростью. Это тоже отрицательно влияет на массообмен. Наконец, процесс в таких аппаратах не является строго непрерывным, поскольку пока идет выгрузка материала из одной секции и загрузка в другую (иногда стекания жидкости из третьей)  ротор находится в неподвижном положении.