Экстракторы

     Протекающий в аппарате этого типа процесс  в известной мере приближается к процессу в батарейных аппаратах, однако экстрактор намного компактнее батарейного.

     Оросительные  экстракторы относятся к типу аппаратов, в которых не вся масса  твердых частиц находится в постоянном контакте с жидкостью. Однако это не должно рассматриваться как недостаток, так как жидкость, движущаяся по поверхности твердого тела в виде пленки, в большей мере интенсифицирует процесс на границе раздела фаз, чем сплошная среда.

     Главным недостатком этого способа взаимодействия жидкости и твердых частиц является то, что на протяжении определенного участка длины аппарата жидкость имеет одинаковую концентрацию, что приводит к известному нарушению принципа противотока.

     В случае большого количества таких участков и небольшой длины каждого из них процесс может рассматриваться как комбинированный (полное смешение на каждой ступени и противоток при переходе от ступени к ступени) либо с большим приближением как чисто противоточный.

     По  конструктивному принципу оросительные аппараты делятся на ленточные, ковшовые и шнековые. В свою очередь ковшовые аппараты  разделяются на  вертикальные  и  горизонтальные.

     Ленточный экстрактор (рис. 6.16) имеет стальной корпус 1. Внутри корпуса расположен ленточный транспортер 4, пластины которого прикреплены к двум цепям, приводящимся в движение звездочками 3. Пластины имеют ребра жесткости, на которые укладываются перфорированные листы.

      Материал, поступающий  в аппарат через бункер 2, движется слоем высотой 0,6—1,2 м по верхней ветви транспортера. Над слоем материала расположены распылители 7, обеспечивающие равномерное распределение растворителя над слоем материала. Под лентой установлены воронки б, в которые попадает мисцелла после того, как она прошла через слой материала. Число воронок равно числу ступеней экстрагирования. Из каждой воронки жидкость попадает в соответствующий центробежный насос 6, который подает экстрагент в определенный распылитель. При этом жидкость обычно направляется не на тот участок, под которым она собрана, а на смежный, расположенный в направлении, противоположном движению ленты, вследствие чего обеспечивается переход жидкости от ступени к ступени по принципу противотока.  Частицы лежат небольшим слоем и мало деформируются. Процесс в аппарате протекает по сложной схеме: поперечный ток на каждом участке (в сущности, процесс, полного смешения) и противоток при переходе от участка к участку. Конструкция — сложная, металлоемкая, не обеспечивающая хорошего использования объема аппарата. Ремонт и обслуживание аппарата трудоемки.

     Вертикальный ковшовый экстрактор (рис. 6.17) имеет стальной корпус 7, в верхней части которого расположен дозатор твердого материала 2. Внутри корпуса расположена бесконечная цепь, одетая на звездочки 3. К цепи прикреплены ковши 4 с твердым материалом для экстрагирования. С торцевых сторон ковша имеются карманы, в которые подается чистый растворитель 5 или экстрагент 6.

      Карманы соединены между собой  трубками с отверстиями, через которые  подаваемые форсунками жидкости поступают  на орошение материала в расположенные ниже ковши. Днище ковша представляет собой рамку с густой проволочной сеткой, расположенную над оросительными трубками.

     В верхней части транспортера имеется  специальный опрокидывающий механизм,  который переворачивает и стряхивает ковш

над бункером для приемки шрота.

     Материал  загружается сверху, в верхний  ковш спускающегося ряда и орошается  с помощью форсунок и трубок в ковше растворителем, частично обогащенным экстрагирующим веществом, после прохождения через поднимающийся ряд ковшей. Проходя через частицы в ковше и дырчатое дно, экстрагент поступает в следующий ковш. Таким образом, в опускающемся ряду ковшей имеет место прямоточный процесс. Верхние ковши поднимающегося ряда орошаются таким же образом, как и опускающийся ряд, но чистым растворителем; следовательно, в этом ряду имеет место противоточный процесс. Жидкость, прошедшая через последний ковш этого ряда, собирается на дне аппарата и направляется в верхний ковш опускающегося ряда.

     Горизонтальные  ковшовые экстракторы работают по тому же принципу, что и ленточные: группа ковшей одновременно орошается жидкостью, которая собирается под ковшами и направляется на орошение соседней группы ковшей, расположенной в направлении, противоположном движению транспортера. В отличие от ленточного экстрактора, в ковшовом горизонтальном экстракторе используются обе его ветви.

     Хотя  ковшовые экстракторы и более  производительны,   чем  ленточные,    они   обладают   теми   же недостатками:   нарушение  противотока,   большие   габариты,   плохое    использование объема   аппарата.

      Оросительный  экстрактор с шнековым транспортным органом (рис. 6.18) значительно менее  металлоемок, чем рассмотренные  выше оросительные экстракторы. Двухшнековый наклонный аппарат (рис. 6.19) представляет собой корытообразный наклонно установленный  корпус с рубашками на   внешней поверхности для   обогрева  паром.   Внутри  корпуса*имеющего в поперечном сечении со-образную форму, расположены два вращающиеся навстречу друг другу шнека, опирающиеся на ряд равномерно расположенных по длине аппарата подшипников, ьиткж шнеков частично заходят один в другой, чем предотвращается вращение частиц вместе со шнеками. Перед нижней торцевой стенкой аппарата находится сито, которое вместе со стенкой образует камеру для отделения экстрагента. Сито очищается вращающимися скребками. Над головной частью аппарата находится приемный бункер, одна из стенок которого является продолжением нижней торцевой стенки аппарата. Шнеки приводятся во вращение двумя специальными приводами, установленными у нижней и верхней торцевых стенок аппарата. Для удаления частиц из аппарата в верхней его части имеется колесо с черпаками. Растворитель подается в аппарат специальными поворотными патрубками с соплами в верхней части аппарата над последними витками шнеков.

Двухшнековые   аппараты   по   характеру   перемешивания   фаз, возможностям   продольного   перемешивания   и  типу  интегральной

кривой  выхода твердых частиц из аппарата наиболее  близки к  экстракторам  колонного типа.  

     Главная из этих конструктивных особенностей состоит в том, что аппарат разделен на пять однотипных секций, на стыке которых установлены подшипники, служащие опорой для валов транспортирующих органов. Рамы, поддерживающие подшипники, играют роль контр-лап, а транспортный орган (его витки) имеет в местах установки подшипников разрывы, так что концы витков играют роль, близкую к роли лап в колонных аппаратах.                                        •

Характер  движения экстрагируемых частиц и экстрагента  внутри каждой секции и на стыке  секций, где возникает возможность  более энергичного перемешивания  фаз, имеет, таким образом, существенные отличия.

Максимумы интенсивности массообмена приходятся на участки, наиболее близко расположенные к местам разрыва витков транспортирующего органа.

В средней  части каждой секции аппарата, гщ частицы менее интенсивно перемешиваются, величина коэффициентов массоотдачи имеет наименьшее значение.

В уменьшении общей интенсивности массообмена в хвостовой части экстрактора, наряду с факторами, связанными с изменением свойств экстрагируемых частиц, определенное значение имеет дополнительное разрушение частиц, вызванное интенсивным перемешиванием на стыке секций аппарата, которое ухудшает гидродинамические условия процесса. Двухшнековые наклонные аппараты имеют наименьшую из всех широко применяемых в промышленности типов экстракторов металлоемкость, занимают наименьший объем здания, имеют меньший расход энергии и меньшую стоимость всей установки по сравнению с другими аппаратами такой же производительности. Конструкция их достаточно проста и доступна для эксплуатации и ремонта. Недостатками аппаратов этого типа является рециркуляция частиц и экстрагента по длине аппарата, значительное дробление твердых частиц и трудности в создании необходимого температурного режима в аппарате (особенно, в аппаратах больших размеров).

     Существует  несколько видов экстракторов, которые  невозможно причислить ни к одной  из основных рассмотренных групп аппаратов.

     Это, например, отстойно-смесительные экстракторы  для переработки тонкодисперсных  частиц, приближающиеся к подобным аппаратам для системы жидкость—жидкость, разного типа секционные аппараты, в которых имеет место интенсивное перемешивание фаз, а затем жз разделение для передачи в соседнюю секцию. В аппаратах такого типа широко используются различные методы интенсификации массообмена между фазами (перемешивание, пульсации, низкочастотные механические колебания, кипящий слой). Следует, однако, иметь в виду, что нарушение противотока в каждой секции такого аппарата при значительных величинах критерия Фурье может привести к ухудшению всех показателей процесса, несмотря на то, что в каждой секции массообмен будет весьма эффективен.

В аппарате с кипящим слоем (рис. 6.21) форма корпуса / и транспортный орган 6 такие же, как у наклонного двухшнекового экстрактора. Основное его отличие состоит в устройстве дополнительной кипятильной камеры 2 с перфорированным днищем 7, препятствующим выбросу и продольному перемешиванию твердых частиц, поперечных перегородок 8, ограничивающих продольное перемешивание экстрагента, и наличии специального корпуса 5, в котором расположены холодильники 3 и сепаратор 4.

Достоинство этого аппарата заключается в  возможности проводить экстрагирование из частиц малых размеров или значительно деформированных частиц при больших значениях коэффициента массоотдачи, т. е. значительно интенсифицировать процесс, легко поддерживать необходимый температурный режим в аппарате. Когда температура кипения выше, чем допустимая по технологическим соображениям, процесс необходимо проводить под вакуумом. В этом случае требуется специальное устройство для загрузки и выгрузки из аппарата частиц твердого материала (турникет или мешалка и насос для нагнетания и удаления смеси твердых частиц и экстрагента).

В таких  аппаратах имеет место нарушение  противотока — в промежутке между витками происходит полное смешение.

Многочисленность  конструкций экстракторов связана  с большим разнообразием видов  сырья, перерабатываемого в этих аппаратах. Если, например, твердые частицы легко разрушаются в процессе экстрагирования, то необходимо применять экстракторы оросительного типа; при частицах, мало упругих и склонных к слеживанию, предпочтительно применение многоколонных и двухшнековых аппаратов. Определенное значение имеет и то, что ни одна из существующих конструкций экстракторов не отвечает всем требованиям, предъявленным к аппаратам этого типа: протекание строго противоточного процесса с малым внешним диффузионным сопротивлением при малых размерах частиц, минимальная металлоемкость, малые габаритные размеры аппарата, простота конструкции, доступность для эксплуатации и ремонта. 
 

ОСНОВЫ  ВЫБОРА И РАСЧЕТА ЖИДКОСТНЫХ ЭКСТРАКТОРОВ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЖИДКОСТНОЙ ЭКСТРАКЦИИ 

Жидкостная  экстракция представляет собой процесс  извлечения вещества, называемого целевым компонентом, из одной жидкой фазы в другую. Две взаимно нерастворимые жидкости и распределяемый между ними целевой компонент образуют экстракционную систему.

Существуют  экстракционные системы двух типов:

1) органическая  фаза — распределяемый "компонент— водная фаза;

2) органическая  фаза—распределяемый компонент  — органическая фаза. Распределяемыми  (извлекаемыми) компонентами могут быть органические, неорганические вещества и комплексные соединения.

Таким образом, в процессе экстракции участвуют  две жидкие фазы — экстрагент и исходный раствор. Получаемые после экстракции фазы называются экстрактом и рафинатом.

При   экстракции   веществ   достигаются   следующие   цели:

1)   избирательное извлечение вещества  из исходного раствора;

2)   разделение веществ, содержащихся  в исходном растворе и получение  их в чистом виде;

3) концентрирование  извлекаемых веществ.

Экстрагент  — это органический растворитель, экстрагирующий вещество из исходного раствора. В большинстве случаев жидкостная экстракция осложняется химической реакцией. В таких процессах ионы вещества или незаряженные частицы в исходном растворе первоначально вступают во взаимодействие с компонентами экстрагента, а затем продукты реакции растворяются в экстрагенте. Органический реагент, который входит II состав экстрагента (либо применяется как самостоятельная фаза) и образует с извлекаемым компонентом комплекс или соль, способные экстрагироваться, называется экстракционным реагентом. Для улучшения физических (плотность, вязкость) или экстракционных (например, избирательность) свойств экстрагента экстракционный реагент растворяют в инертном растворителе. Под инертностью растворителя подразумевается неспособность образовывать соединения с извлекаемым веществом.

Каждый  экстрагент при экстрагировании  определенного компонента (например, металла) имеет предельную емкость. При ее достижении экстрагент насыщается. Концентрация насыщения   данного   экстрагента   (емкость)   может   быть   определена после  многократной  обработки  после многократной обработки в воронке нескольких свежих порций исходного раствора. Обработка проводится одной порцией экстрагента до тех пор, пока количество компонента в экстрагенте не станет постоянным. Значения предельной емкости для различных экстрагентов изменяются в широких пределах. На практике стараются избегать максимального насыщения экстрагента, так как с увеличением насыщения возрастает вязкость, что приводит к ухудшению показателей работы экстракционного оборудования.