Экстракторы

Экстракторы обеих групп могут быть классифицированы по двум признакам: 1) по способу контакта между сплошной фазой, заполняющей аппарат, и дисперсной фазой, распределяемой в виде капель в сплошной фазе (контакт между фазами возможен за счет собственной энергии потоков фаз — экстракторы без механических перемешивающих устройств или за счет подвода энергии извне — механические экстракторы);

2) по виду сепарации фаз, которая  может происходить вследствие  разности плотностей фаз (гравитационная  сепарация) либо под действием  центробежных сил (центробежная  сепарация).

Экстракторы, в которых смешение и сепарация фаз осуществляются в поле центробежных сил, называют центробежными.

В приведенной классификации не отражены разновидности горизонтальных смесительно-отстойных  экстракторов, различных по конструкции перемешивающих устройств и взаимному направлению движения фаз после отстаивания (прямоток или противоток).

Ниже  рассмотрены типы экстракторов, нашедшие наибольшее применение в различных отраслях промышленности. 

В качестве аппаратуры для непрерывной  противоточной экстракции применяют вертикальные колонны, горизонтальные смесители-отстойники и центробежные экстракторы.

Экстракторы колонного типа (статические) могут  быть полыми (распылительные колонны), заполненными насадкой или оборудованными перфорированными тарелками, что уменьшает продольное перемешивание и способствует столкновению и разрушению капель дисперсной фазы. В результате возрастает скорость массопередачи и уменьшается высота, эквивалентная теоретической ступени (ВЭТС). В экстракторах этого типа диспергирование фаз достигается за счет разности плотностей водной и органической фаз, а в колоннах с механическим перемешиванием и в пульсационных колоннах — за счет работы мешалки или пульсатора.

Горизонтальные  смесительно-отстойные экстракторы  в отличие от колонных позволяют при сравнительно малой высоте аппарата перерабатывать большие объемы жидкостей. Экстракционная установка с использованием  смесительно-отстойной аппаратуры может состоять из отдельных смесителей и отстойников, установленных каскадом и соединенных внешними трубопроводами. Одна из фаз движется от ступени к ступени каскада самотеком, другая перекачивается насосами. Перемешивание обычно производится механическими мешалками. Во внутренних смесителях-отстойниках перемешивание и транспортирование жидкостей осуществляются с помощью турбинной мешалки,  помещаемой  в  кожухе  непосредственно  внутри  отстойной камеры.

Горизонтальные  смесители-отстойники занимают большую  площадь, однако ее можно уменьшить, используя аппараты ящичного типа. Каждый экстрактор состоит из секций, имеющих смесительную и отстойную камеры. Движение жидкостей через аппарат противоточное, а внутри секций прямоточное. В камерах смешения устанавливают мешалки (обычно турбинного типа), одновременно перемешивающие жидкости, перемещающие их на соседние ступени и регулирующие уровень в камерах.

При использовании каскадов смесителей-отстойников  теоретическая ступень может соответствовать практической, если на каждой ступени выходящие органическая и водная фазы находятся в равновесии.

Центробежные  экстракторы используются в тех  случаях, когда плотности органической и водной фаз близки и система имеет тенденцию к эмульгированию.

Смешение  и разделение фаз в подобных аппаратах  осуществляется в поле действия центробежных сил, что позволяет эффективно разделять жидкие фазы и снижать потери растворителя с уносом водной фазой. Необходимо отметить, что время пребывания смеси жидких фаз в центробежных, экстракторах мало (от одной до нескольких секунд), поэтому для случая массообмена, осложненного химической реакцией, применение данной аппаратуры иногда нецелесообразно.

Для ряда систем применяются также статические  экстракторы, представляющие собой цилиндрическую трубу, в которой размещаются специальные насадки, способствующие перемешиванию фаз при их движении по трубе. 

ОСНОВЫ  ВЫБОРА ЭКСТРАКТОРА 

При выборе типа экстракционного аппарата для осуществления заданного технологического процесса необходимо учитывать:

1) пригодность конструкции, которая  определяется физико-химическими характеристиками реагентов (плотность, вязкость, токсичность, концентрация и т. д.), степенью проработки конструкции (наличием результатов опытно-промышленной проверки, использованием в промышленности) и масштабом производства;

2) технологичность конструкции, которая определяется удельной производительностью и эффективностью, коэффициентом масштабного перехода (отношением эффективности промышленного аппарата к эффективности лабораторного образца);

3) экономичность конструкции, которая  характеризуется капитальными (стоимость аппарата, загрузка экстрагента и т.д.) и эксплуатационными (расход электроэнергии, реагентов, стоимость обслуживания и т. д.) затратами.

Для предварительного выбора экстрактора  необходимо учитывать конструктивные его особенности и значения параметров процесса экстракции.

1.  Число ступеней экстрактора определяется в зависимости от  величины    требуемых    теоретических    ступеней |экстракции. Если эта величина менее 3, то на практике можно

использовать  практически любой тип аппарата. Когда число ступеней более 20 наиболее целесообразно применять аппараты типа смеситель-отстойник, при 10—20 ступенях — колонные аппараты (однако при расчетах необходимо учитывать предельную высоту, которую может иметь данный тип колонны).

2.  Производительность.    При низких и средних нагрузках наиболее целесообразно использовать распылительную и насадочную колонны, для умеренных и высоких — роторно-дисковый экстрактор, пульсационную    тарельчатую    колонну

или смеситель-отстойник. Наиболее высокие удельные производительности имеют пульсационные тарельчатые колонны и центробежные экстракторы.

3.  Время   пребывания   экстрагента. Для процессов, требующих малого времени пребывания экстрагента, наиболее   целесообразно   использовать  центробежный экстрактор, где разделение  фаз происходит  под действием центробежной силы.   Смесительно-отстойные   экстракторы   с   гравитационным расслаиванием фаз при большом числе ступеней применяются для длительных процессов (для таких аппаратов расслоение и разделение фаз зависит от скорости коалесценции дисперсной фазы и будет происходить после каждой смесительной ступени).  В  дифференциально-контактных  экстракторах  расслоение и разделение фаз происходит только на концах аппарата, поэтому  время  пребывания  фаз   зависит   от   средней   скорости подъема или падения капель и не зависит от времени коалесценции. 

4.    Отношение  потоков  фаз влияет на размеры аппарата,  причем  при  снижении скорости движения  потоков дисперсной и сплошной фаз объем экстрактора будет уменьшаться. 

5.  Физико-химические   свойства   фаз влияют на размеры капель. Например, при большом отношении межфазного натяжения а и разности плотностей фаз ∆ρ образуются крупные капли, что приводит к уменьшению поверхности раздела фаз и ухудшению массопередачи. Для таких систем  (для очень вязких жидкостей)  рекомендуется использовать экстрактор с механическим перемешиванием с высокой интенсивностью перемешивания фаз, что дает возможность обеспечить требуемую эффективность и производительность. 

6.  Направление     массопередачи    играет    особую роль  в системах вода — растворитель,  так как размер  капли увеличивается при массопередаче   из   растворителя  в водную фазу. Поэтому для таких систем наиболее целесообразно использовать экстракторы с механическим перемешиванием фаз при интенсивном перемешивании. В целом влияние направления массопереноса необходимо определять в лабораторном эксперименте. 

7. Диспергирование и задержка    дисперсной фазы. Для обеспечения наибольшей величины межфазной поверхности  и    высокой    скорости    массопередачи    необходимо диспергировать  ту  фазу,   производительность по которой максимальна. При диспергировании водной фазы в колонных экстракторах вследствие смачивания материалов насадки водной фазой    может    ухудшиться    процесс    диспергирования. В    этом случае рекомендуется применять в качестве насадок гидрофобные материалы, устойчивые к воздействию экстракционных фаз. При загрязнении органической фазы примесями на  поверхности раздела фаз в колонном экстракторе диспергирование должно быть таким, чтобы граница раздела находилась над рафинатом   в  конце  колонны.   Если   используются  нестабильные растворенные вещества или растворители очень дороги, то необходимо  обеспечить  малую  задержку  фаз,  для   чего  применяются центробежные экстракторы с минимальными временем контакта и рабочим объемом. 

8.  Скорость   реакций.  При осуществлении медленной реакции на поверхности раздела фаз или в объеме одной из фаз следует  использовать  смесители-отстойники  с рециркуляцией внутри каждой ступени для увеличения времени контакта фаз. 

9.  Присутствие   твердых веществ. В этом случае необходимо применять экстракторы,  имеющие приспособления для удаления твердых осадков,  например  пульсационную тарельчатую колонну, экстрактор Лувеста и др. 

10.  Оценка     общей     эффективности      работы экстрактора. Такая оценка проводится, например, при выборе размеров колонны и условий ведения процесса, для чего используется  параметр,   представляющий   собой   модифицированный коэффициент массопередачи, — высота единицы переноса  (ВЕП); ВЕП является мерой эффективности переноса растворенного вещества и производительности на единицу объема колонны. Для ступенчатых экстракторов в качестве такого параметра можно использовать отношение суммы объемных скоростей фазовых потоков при захлебывании к общему объему одной ступени. Этот параметр можно использовать для различных экстракторов при их сравнении. С увеличением значения этого параметра для идентичных питающих потоков конструкция экстрактора будет более эффективной. 

Ориентировочная схема выбора типа экстрактора приведена на рис. слева. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Окончательный выбор экстрактора осуществляется по результатам последовательной оценки работы двух-трех выбранных   типов   экстракторов  с   использованием   экономического показателя — приведенного дохода Р_пр = Р_Р — З_пр, где Р_р — доход от реализации полученной продукции, З_пр — приведенные затраты. 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАСЧЕТЕ ЖИДКОСТНЫХ ЭКСТРАКТОРОВ 

К экстракционным аппаратам предъявляются  разнообразные требования, основными из которых являются:

1) максимальные производительность и интенсивность работы;

2) малый расход энергии при эксплуатации;

3) высокая степень извлечения ценных компонентов;

4) простота устройства и низкая стоимость изготовления;

5) легкость управления и автоматического  регулирования. 

От  правильности выбора типа аппарата и  значений параметров во многом зависит эффективность всего процесса, проводимого в экстракторе.

В настоящее время используются в  основном экстракторы двух типов  — периодического и непрерывного действия, причем применение непрерывнодействующих  экстракторов более эффективно вследствие возможности обеспечения большей производительности и осуществления автоматизированного контроля за их работой. Экстракторы периодического действия выгоднее использовать в производствах с небольшими объемами потоков взаимодействующих фаз.

Для расчета экстрактора необходимо иметь данные о скоростях протекания химических реакций, тепло- и массопередачи и о гидродинамической обстановке или структуре потоков в экстракторе.

К числу основных факторов, влияющих на работу экстрактора, следует отнести:

1) термодинамические факторы —  константы химического и фазового равновесия; эта группа факторов определяет направление реакции, технологические параметры проведения реакции и оказывает влияние на скорость и селективность всего процесса;