Гравитационные экстракторы (без подвода внешней энергии)

Распылительные колонны. Распылительный колонный экстрактор представляет собой полую колонну, внутри которой имеются лишь уст­ройства для ввода легкой и тяжелой фаз. На рис. XVI-4 показан распы­лительный экстрактор, в котором диспергируется легкая фаза, поступа­ющая в корпус 1 через распределитель 2. Проходя через отверстия распределителя, легкая фаза в виде капель движется снизу вверх, сквозь тяже­лую фазу, заполняющую смесительную зону колонны. К этой зоне сверху и снизу примыкают отстойные зоны, обычно имеющие больший по сравне­нию со смесительной зоной диаметр для лучшего отстаивания жид­костей.

В верхней отстойной зоне капли сливаются и образуют слой легкой фазы, которая отводится сверху колонны. Тяжелая жидкость поступает через трубы 3 и движется в виде сплошной фазы сверху вниз. Она уда­ляется из колонны через гидравлический затвор 4, с помощью которого достигается полное заполнение жидкостью корпуса колонны.

В соответствии с высотой перелива тяжелой жидкости устанавливается положение уровня раздела фаз в колонне. Снижая высоту перелива, можно перемещать уровень раздела в любое сечение смесительной зоны, а также в нижнюю отстойную зону колонны. Обычно в промыш­ленных экстракторах положение уровня разде­ла фаз автоматически регулируется вентилем 5, установленным на выходе тяжелой жидко­сти из колонны, который соединяется с дат­чиком, контролирующим положение уровня раздела.

Каждой скорости тяжелой жидкости должна соответствовать некоторая предельно-допусти­мая скорость легкой жидкости, и наоборот. С увеличением скорости легкой жидкости воз­растает число капель в единице объема аппа­рата и их движение происходит во все более стесненных условиях. В результате увеличи­вается объемная доля диспергируемой фазы (ее задержка в аппарате), что уменьшает долю поперечного сечения, свободного для прохода сплошной фазы. Это, в свою очередь, вызывает возрастание локальных скоростей сплошной фазы, которая начинает уносить всё большее число капель в направлении, обратном направ­лению движения дисперсной фазы. Возникают циркуляционные токи дисперсной фазы, т.е. обратное перемешивание, кото­рое существенно уменьшает движущую силу и соответственно интенсивность массопередачи в распылительных экстракторах.

Возрастание уноса приводит в конечном счете к образованию второй поверхности раздела фаз в нижней отстойной зоне (рис. ХVI-4), нарушению противотока и «захлебыванию» колонны.

Аналогичное влияние оказывает уменьшение доли поперечного сече­ния аппарата распределителем для диспергируемой фазы: капли укруп­няются и легко увлекаются сплошной фазой. Для того чтобы по возмож­ности свести к минимуму явления, ускоряющие "захлебывание", распреде­литель дисперсной фазы устанавливают в нижней расширенной части колонны, где скорость сплошной фазы уменьшается, а сплошную фазу вводят, как показано на рис. XVI-4, чтобы устранить возмущение потока на входе в колонну.

Распылительные экстракторы отличаются высокой производитель­ностью, но вместе с тем очень низкой интенсивностью массопередачи, обусловленной обратным (продольным) перемешиванием. Величина ВЕП в них достигает нескольких метров. Это является основной причиной весьма ограниченного промышленного применения распылительных колонн.

XVI-5.

Полочные колонные экстракторы. Полочные экстракторы представ­ляют собой колонны с тарелками-перегородками различных конструк­ций. Перегородки имеют форму либо чередующихся дисков и колец (рис. XIII-5), либо глухих тарелок с закраинами и сегментными вырезами, которые устанавливаются так же, как в барометрических конденсаторах (рис. XVI-5, а), либо форму дисков с вырезами, показанных на рис. ХVI-5,б. Расстояние между соседними полками составляет обычно 50-150 мм. Капли, коалесцируя, обтекают перегородки в виде тонкой пленки, омываемой сплошной фазой. Интенсивность массопередачи в по­лочных колоннах несколько выше, чем в распылительных, главным образом за счет их секционирования посредством перегородок, что при­водит к уменьшению обратного перемешивания.

Насадочные и ситчатые колонные экстракторы. Эти экстракторы по существу не отличаются от обычных насадочных и ситчатых колонн, широко применяемых для процессов абсорбции и других массообменных процессов.

В насадочных экстракторах насадка обычно распола­гается на опорных колосниковых решетках слоями высотой от 2 до 10 диа­метров колонны. При таком размещении насадки жидкости дополнительно перемешиваются в пространстве между ее слоями. Одна из фаз дисперги­руется с помощью распределительного устройства и движется в колонне противотоком к сплошной фазе. Проходя через насадку, капли много­кратно коалесцируют и вновь дробятся. Их окончательная коалесценция и образование слоя диспергируемой фазы происходят в отстойной зоне колонны по выходе из слоя насадки. Соответственно в одной из отстойных зон (верхней или нижней) поддерживается уровень поверхности раздела фаз.

В качестве насадки наиболее часто используют керамическую насадку (кольца Рашига). Важное значение для гидродинамических условий работы насадочных экстракторов имеет смачиваемость материала насадки жидкостями. Для того чтобы поверхность контакта фаз определялась поверхностью капель диспергированной фазы, сплошная фаза должна лучше смачивать насадку, чем диспергированная. В противном случае капли сливаются в пленки; при этом поверхность контакта фаз ограничивается геометрической поверхностью самой насадки.

В ситчатом экстракторе диспергируемая фаза, например легкая, как показано на рис. XVI-6, проходя через отверстия ситчатых тарелок, многократно дробится на капли и струйки, которые, в свою оче­редь, распадаются на капли в межтарелочном пространстве. После взаи­модействия со сплошной фазой капли коалесцируют и образуют слой легкой фазы под каждой вышерасположенной тарелкой. В случае если диспергируется тяжелая фаза, то слой этой жидкости образуется над тарелками.

Когда гидростатическое давление слоя жидкости становится достаточ­ным для преодоления сопротивления отверстий тарелки, жидкость, про­ходя через отверстия тарелки, диспергируется вновь. Сплошная фаза (в данном случае — тяжелая жидкость) перетекает с тарелки на тарелку через переливные патрубки.

Все гравитационные экстракторы отличаются простотой конструкции, обусловленной отсутствием движущихся частей. Соответственно стои­мость этих аппаратов и расходы, связанные с их эксплуатацией, относи­тельно невелики. Однако в большинстве случаев (исключая процессы обработки систем жидкость — жидкость с низким межфазным натяжением) интенсивность массопередачи в гравитационных экстракторах низка. Это объясняется тем, что для систем жидкость—жидкость разность плотно­стей фаз значительно меньше, чем для систем пар (газ) — жидкость и обычно недостаточна для тонкого диспергирования одной жидкой фазы в другой, необходимого для создания значительной поверхности контакта фаз. Гравитационные экстракторы мало пригодны для работы с большими соот­ношениями расходов фаз.