» » Промышленное осуществление экстракции
01.06.2015

Внедрение процессов экстракции в промышленность привело к созданию ряда конструкций экстракционных аппаратов. В настоящее время усилия исследователей направлены на разработку экстракционной аппаратуры, в которой осуществляется наибольшая турбулизация потоков. К таким аппаратам относятся пульсационные колонны и аппараты с вибрирующими элементами, предложенные в последние годы. Кроме того, ведутся поиски путей повышения эффективности работы аппаратов более старой конструкции, главным образом за счет осуществления в них турбулентных режимов.
Наиболее распространенным типом экстракционной аппаратуры являются колонны. В колоннах существуют две несмешивающиеся жидкие фазы: сплошная, заполняющая весь объем аппарата, и дисперсная, распределяющаяся в ней в виде мелких капель или струй. Выбор фазы для диспергирования зависит от конкретных особенностей данной системы и технологии процесса. Уровень границы раздела фаз в колонне устанавливается с помощью U-образной трубы, по которой стекает тяжелая жидкость (рис. 4). Движение жидкостных потоков в экстракционных колоннах обусловлено разностью удельных весов сплошной и дисперсной фаз. Для определения пропускной способности агрегатов важно знать предельные скорости потоков, которые не ведут к нарушению работы колонны, когда одна фаза начинает увлекать другую; момент нарушения процесса в колонне называется ее затоплением или захлебыванием. Приемлемые для практики скорости потоков на 10—20% ниже скоростей захлебывания.
Промышленное осуществление экстракции

Производительность колонны определяется ее поперечным сечением, а разделяющая способность — высотой. Диаметр колонны можно рассчитать по оптимальным линейным скоростям потоков и по объемным скоростям фаз в колонне. Гоффинг и Локхат предложили график определения скоростей захлебывания колонн, однако установленная ими зависимость относится только к насадочным колоннам. При других же типах данные для определения диаметра нужно получать опытным путем.
Движущей силой экстракционного процесса является так называемый концентрационный напор, т. е. разница между равновесной и фактической концентрациями вещества в любом сечении колонны. Величина концентрационного напора обусловливает эффективность работы колонны, которая может быть охарактеризована с помощью двух следующих единиц;
1) ВЭТТ — высота, эквивалентная одной теоретической тарелке, т. е. высота участка колонны, в котором фазы, находящиеся на противоположных границах, приобретают равновесную концентрацию экстрагируемого вещества (рис. 5);
2) ВЕП — высота единицы переноса, т. е. высота участка колонны, потребная для изменения концентрации фазы на величину среднего по колонне концентрационного напора (рис. 6).
Промышленное осуществление экстракции

Число теоретических тарелок в колонне и число единиц переноса в колонне в ряде случаев могут быть установлены графическими и аналитическими методами. Однако большей частью ВЕП или ВЭТТ приходится определять моделированием экстракционных процессов.
Все разнообразие экстракционной аппаратуры, применяющейся в настоящее время, можно классифицировать на аппараты с фиксированной поверхностью фазового контакта и аппараты, в которых поверхность фазового контакта развивается в процессе движения потоков. Последняя группа аппаратов наиболее эффективна. Соответствующая классификация экстракционной аппаратуры представлена в табл. 2.
Пользуясь материалами, систематизированными В.В. Кафаровым и С.А. Жуковской и некоторыми другими, остановимся кратко на характеристике современных экстракционных колонн.
Полочные колонны

Основной конструктивной деталью этих колонн (рис. 7, а) являются полки, в зависимости от формы и расположения которых, колонны бывают кольцевыми и сегментными. Эти колонны могут быть легко приспособлены к различным условиям работы в широком диапазоне нагрузок по сплошной и дисперсной фазам. Установлено, что ВЕП в этих колоннах, при диаметрах 1,0—1,8 м и расстояниях между полками 1 —1.5 см, составляет 12—18 см.
Насадочные колонны

В практике экстракции получила распространение насадка из колец Рашига, создающая наибольшую турбулизацию двухфазного потока. Другие виды насадок менее эффективны. Если насадка смачивается дисперсной фазой, последняя растекается в виде струй, что затрудняет интенсификацию процесса. В последнее время для увеличения эффективности насадочных колонн стали вводить пульсационную подачу жидкостей и применять перемешивающие устройства. ВЭТТ этих колонн колеблется в пределах 0,5—1,5 м.
Ситчатые колонны

Эти аппараты (рис. 7, б) предложены во многих вариантах, из которых наиболее распространенными являются колонны с ситчатыми поверхностями (тарелками) или тарелками, имеющими форму сегментов с бортами.
Дисперсная фаза в этих колоннах попеременно диспергируется и собирается в сплошной слой при прохождении через ситчатые тарелки. Сплошная фаза перетекает с тарелки на тарелку по переливным патрубкам или карманам. Размеры отверстий в тарелках находятся в пределах от 1,6 до 10 мм, а суммарная площадь сечения отверстий составляет около 10%. Расстояние между тарелками — 0,15—0,6 м. По эффективности ситчатые колонны несколько уступают насадочным.
Распылительные колонны

Эти колонны (рис. 7, в) оборудуются различными системами распылителей — форсунками, инжекторами и др. Следует отметить, что эти колонны с увеличением диаметра и высоты работают хуже вследствие укрупнения капель дисперсной фазы (коалесценции) и обратной циркуляции потоков. Эффективность pacпылитeльныx колонн несколько ниже других (кроме малогабаритных).
Пульсационные колонны

Эти аппараты (рис. 7. г) могут выполняться в виде насадочных или ситчатых, в которых с помощью специального насоса достигается пульсационное движение. Наложение пульсаций на потоки фаз увеличивает эффективность соответствующих колонн в два-четыре раза. Скорости затопления пульсирующих колонн зависят от частоты и амплитуды пульсаций и составляют обычно 60% от скоростей захлебывания обычных колонн. Выигрыш высоты при сообщении пульсации жидкостям, обладающим плохой «дробимостью», значительно больше, нежели легко диспергируемым.
Промышленное осуществление экстракции

Между амплитудой и частотой пульсаций существует оптимальное соотношение, при котором достигается максимум эффективности работы колонн. Для насадочной колонны с пульсацией этот максимум отвечает частоте 250 циклов в мин. и амплитуде 1 мм.
Разновидностью пульсационных колонн являются вибрационные, в которых турбулизация осуществляется возвратно-поступательным движением вибратора, помещенного в поток жидкости.
Колонны с мешалками

В технике нашли применение вертикальные экстракторы-смесители (рис. 7, д), в которых зона сепарации сокращена до минимума, а зона смешения развита. Высота, эквивалентная теоретической ступени, составляет для этих колонн 0,24—0,4 м. Сообщение дополнительной энергии потокам с помощью мешалок различных конструкций увеличивает эффективность распылительных и насадочных колонн в два-три раза. Недостатками подобных аппаратов являются громоздкость и повышенный расход энергии.
Центробежные экстракторы

При осуществлении некоторых технологических экстракционных процессов используется центробежный экстрактор Подбельняка, работающий по принципу сепаратора. Для удлинения пути прохождения жидких фаз ротор экстрактора, являющийся его основной частью изготовляется в виде спирали. В экстракторе Подбельняка (а также Лувеста), благодаря центробежной силе осуществляется противоточное движение тяжелой и легкой жидкостей, подаваемых в агрегат с помощью насосов, как показано на рис. 8.
Промышленное осуществление экстракции

Максимальное число единиц переноса (число ступеней контакта), которое можно получить на центробежном экстракторе, 7; оно отвечает наибольшей эффективности экстракции и наблюдается при работе в режиме, близком к затоплению. Применение центробежных экстракторов целесообразно при малой разности удельных весов обрабатываемых жидкостей, требующих незначительной продолжительности контакта. Сложность изготовления и обслуживания аппаратов подобного типа, а также сравнительно большой расход энергии ограничивают их использование.
Все перечисленные типы колонн могут работать с дополнительным орошением (рис. 9). Отличительной особенностью колонн с орошением является расположение места ввода питания (в средней части колонны). Эти колонны предназначены для высокой степени разделения экстрагируемых веществ.
Большие преимущества экстракционного разделения металлов еще очень мало использованы в промышленности. В этой области необходима постановка самых широких исследовательских работ. Есть все основания полагать, что многие разделения, например Fe, Со, Ni; Se, Те; Sb, As благородных металлов, могут быть успешно выполнены в промышленном масштабе с применением экстракции. Вместе с тем экстракционные методы могут дать решение проблемы получения отдельных металлов высокой чистоты.