Устройство экстракционных аппаратов

К конструкции аппаратов, в которых проводят процессы экстракции и растворения, предъявляются следующие основные требования:

1) высокая удельная производительность, характеризуемая выходом раствора с единицы рабочего объема аппарата;

2) возможно более высокая концентрация получаемого раствора;

3) низкий расход энергии на единицу объема конечного раствора.

Аппараты для экстракции и растворения делятся на периодически и не­прерывно действующие. В зависимости от взаимного направления движе­ния фаз различают аппараты прямоточные и противоточные, а также аппа­раты, работающие по принципу смешанного тока.

По способу создания скорости обтекания твердых частиц жидкостью различают аппараты: неподвижным слоем твердого материала, с механи­ческим перемешиванием и со взвешенным, или кипящим, слоем.

Аппараты периодического действия вследствие низкой производитель­ности применяются лишь в малотоннажных производствах и представляют собой обычно аппараты (реакторы) без перемешивающих устройств, снаб­женные обогревом, и аппараты с мешалками. В промышленной практике все большее распространение получают непрерывно действующие аппа­раты.

Аппараты с неподвижным слоем твердого материала. В этих аппаратах скорость движения жидкости при ее фильтровании сквозь слой практиче­ски совпадает по величине я направлению со скоростью обтекания. Про­стейшим аппаратом такого типа является открытый резервуар с ложным днищем (решеткой), подобный открытому нутч-фильтру. На решетку загружается слой твердого материала, через который сверху вниз протекает растворитель. При таком направлении движения жидкость равномерно заполняет сечение аппарата и не происходит смешения более концентрированного раствора с раствором низкой концентрации, приво­дящего к снижению движущей силы. Выгрузку выщелаченного твердого остатка производят периодически, чаще всего гидравлическим способом — вымывая твердый материал из аппарата водой.

XVI-14.

При движении жидкости сквозь слой относительно небольшой высоты не удается получить раствор достаточно высокой концентрации. Исполь­зование циркуляции жидкости для укрепления раствора нецелесообразно ввиду указанного выше вредного эффекта смешения растворов разной кон­центрации. Поэтому для повышения степени извлечения и увеличения производительности применяют герметически закрытые аппараты с ложным днищем, подобные закрытым нутч-фильтрам, получившие название диф­фузоров.

Диффузор (рис. XVI-14, а) состоит из цилиндрического корпуса 1, ложного днища, или решетки, 2 и откидного днища 3. Свежий растворитель поступает через штуцер 4, а конечный раствор удаляется через штуцер 5. Диффузоры соединяются последовательно в батареи и работают под избы­точным давлением. При этом растворитель прокачивается одним насосом 6 снизу вверх последовательно через все аппараты батареи, в которых в дан­ный момент происходит выщелачивание. Общее число диффузоров в батарее зависит от скорости процесса и может достигать 10-15 и более. В любой рассматриваемый момент один из аппаратов, в котором уже достигнута заданная степень извлечения, отключается на разгрузку выщелоченного материала и загрузку свежим материалом. В это время в остальных аппа­ратах (исключая один из аппаратов, находящийся обычно в резерве) осу­ществляется выщелачивание. Периодическая разгрузка выщелоченного материала производится самотеком под давлением через нижний люк, снабженный откидным днищем и ручным (рис. ХVI-14, а) или гидравличе­ским затвором.

Батарея диффузоров работает по принципу противотока, т.е. свежий растворитель взаимодействует с уже в значительной степени выщелочен­ным материалом, а наиболее концентрированный раствор — со свежим твердым материалом. В современных установках смена операций в усло­виях полунепрерывной работы диффузоров осуществляется автоматически.

Существенным недостатком аппаратов с неподвижным слоем является неравномерность обтекания твердых частиц жидкостью и образование за­стойных зон вблизи точек соприкосновения частиц. Увеличение скорости фильтрования ограничивается уносом мелких частиц жидкостью и значи­тельным возрастанием гидравлического сопротивления. Поэтому такие аппараты постепенно вытесняются аппаратами непрерывного действия.

Непрерывно действующие аппараты с механическим перемешиванием. Одним из распространенных аппаратов этой группы является шнековый экстрактор (рис. XVI-15). Он представляет собой горизон­тальное корыто, или желоб 1, в котором вращается горизонтальный вал 2 с укрепленными на нем спиральными лопастями 3 и крестовинами 4.

Растворяемый твердый материал непрерывно поступает через штуцер 5, а жидкость (растворитель) — через штуцер 6 и движутся прямотоком друг к другу, причем твердый материал перемещается вдоль корыта с помощью спиральных лопастей. На лопастях укреплены дополнительные лопасти-скребки 7, которые приподнимают и сбрасывают твердые частицы, осуще­ствляя перемешивание материала на различных участках корыта в верти­кальной плоскости. Для ускорения процесса жидкость в корыте нагревается острым паром, поступающим через сопла 8 (рис. XVI-15), или глухим паром через рубашку.

При движении вдоль аппарата раствор многократно направляется книзу посредством козырьков 9; это улучшает контакт между жидкой и твердой фазами. Концентрированный раствор удаляется с противоположного конца аппарата через сливной штуцер в верхней части корыта (на рисунке не изображен), а нерастворенный остаток твердого материала отводится с помощью наклонного элеватора 10. Ковши 11 элеватора имеют ситчатые стенки для отделения жидкости, сливающейся через штуцер 12.

Шнековые аппараты могут работать как по принципу прямотока, так и противотока фаз, причем чем интенсивнее перемешивание фаз в попе­речном сечении аппарата, тем полнее могут быть использованы преимуще­ства противотока.

Иногда шнековые аппараты работают комбинированным способом. Процесс проводится в двух последовательно соединенных аппаратах, из которых в один, поступает исходный твердый материал, а в другой — све­жий растворитель. При этом в первом (по ходу твердой фазы) аппарате фазы движутся прямотоком, а во втором — противотоком.

Аппараты такого типа надежны в работе и обеспечивают высокие про­изводительности. Наряду с этим они металлоемки, громоздки и требуют сравнительно больших расходов электроэнергии. Удельная производи­тельность шнековых аппаратов (на единицу объема или веса аппарата) невелика, что объясняется относительно низкой скоростью обтекания ча­стиц и умеренной величиной поверхности соприкосновения фаз. Контакт между фазами ухудшается вследствие «проскока» некоторой части жид­кости, обусловленного заметным расслоением фаз, так как значительная часть твердого материала перемещается в виде более плотного слоя вдоль нижней части корыта.

Несколько более эффективно протекает процесс в барабанном экстракторе (рис. XVI-16). Аппарат представляет собой горизон­тальный цилиндрический барабан 1, закрытый с торцов передней крыш­кой 2 и задней крышкой 3. Через штуцер 4 в передней крышке поступает измельченный твердый материал, который транспортируется движущейся в том же направлении жидкостью (растворителем). Барабан 1 установлен на бандажах 5, опирающихся на ролики 6; он приводится во вращение через зубчатую передачу 7 и червячный редуктор 8 электродвигателем 9.

XVI-16.

Твердые частицы движутся при вращении барабана вместе с потоком жид­кости в осевом направлении и относительно потока — в поперечных сече­ниях барабана, причем для лучшего перемешивания фаз в вертикальной плоскости служат лопасти 10, укрепленные на внутренней стенке барабана. Концентрированный раствор и твердый остаток удаляются че­рез штуцер 11 в задней крышке аппарата. Для уменьшения по­терь тепла барабан снаружи по­крыт тепловой изоляцией 12. Барабанные экстракторы мо­гут работать также по принци­пу противотока. В этом случае перемещение твердого материа­ла осуществляется с помощью лопаток, установленных внутри горизонтального барабана под небольшим углом к образующей в направлении движения мате­риала.

В барабанных экстракторах достигаются большие удельные производительности и более вы­сокие коэффициенты массоотдачи (вследствие большей скоро­сти обтекания частиц), чем в шнековых аппаратах. Улуч­шение массоотдачи связано с систематическим обновлением поверхности контакта фаз при пересыпании твердых частиц внутри барабана.

В некоторых случаях экстракцию можно эффективно совмещать с мокрым измельчением твердого материала и осуществлять в одном аппарате, например в трубной мельнице. Проведение экстракции одновременно с размолом способст­вует созданию значительной и не­прерывно обновляемой поверхности соприкосновения фаз.

Аппараты со взвешенным, или кипящим, слоем. В таких аппаратах практически вся поверхность твер­дых частиц в течение всего процесса доступна для взаимодействия с тур­булентно движущимся потоком жид­кости, что способствует интенсифи­кации процесса экстракции.

Трубчатый экстрак­тор (рис. XVI-17) состоит из ряда последовательно соединенных труб 1, через которые с помощью насоса 2 прокачивается жидкость (растворитель) со взвешенными в ней мелкими твердыми частицами. Для проведения процесса при повышенной температуре трубы снабжаются паровыми ру­башками 3. При внезапной остановке насоса 2 через штуцер 4 подается промывная вода для того, чтобы удалить твердый материал из системы и предотвратить его осаждение в трубах. Ускорение процесса экстракции достигается вследствие того, что твердые частицы взаимодействуют с раст­ворителем, находясь во взвешенном состоянии, и аппарат работает в условиях, приближающихся к режиму идеального вытеснения.

Применению противотока в трубчатых растворителях препятствует значительный унос мелких твердых частиц жидкостью. В данном случае можно эффективно использовать работу растворителей по схеме ступенча­того противотока: несколько аппаратов, работающих при прямоточном движении фаз, объединяются в сек­ции, соединение которых между собой осуществляется по принципу противотока.

Одна из конструкций колонных аппаратов с пеевдоожиженным (кипящим) слоем показана на рис. XVI-18. В цилиндриче­скую колонну 1 через нижний штуцер 2 непрерывно поступает жидкость (растворитель), которая, прохо­дя с необходимой скоростью сквозь отверстия рас­пределительной решетки 3, приводит слой мелко­раздробленных твердых частиц в псевдоожиженное состояние.

При высоте кипящего слоя, равной нескольким метрам, удается получить на выходе из него раствор достаточно высокой концентрации, который посту­пает в верхнюю, расширенную часть колонны, пере­ливается в кольцевой желоб 4 и удаляется через штуцер 5. Твердый остаток непрерывно отводится через штуцер 6, расположенный несколько выше решетки 3. Исходный твердый материал подается непосредственно в кипящий слой сверху через за­грузочную трубу 7.

Аппараты такого типа отличаются простотой уст­ройства и небольшим весом. В них достигаются значительная скорость процесса и достаточно высо­кая степень извлечения целевых компонентов из исходного твердого материала.

ЛЕКЦИЯ 9

XVII. АДСОРБЦИЯ

1. Общие сведения

2. Характеристики адсорбентов и их виды

3. Десорбция

4. Устройство адсорберов и схемы адсорбционных установок

5. Ионообменные процессы

Общие сведения

Под адсорбцией мы будем понимать процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом — адсорбентом. Поглощаемое вещество носит название адсорбата, или адсорбтива.

Процессы адсорбции (как и другие процессы массопередачи) избира­тельны и обычно обратимы. Благодаря их обратимости становится возмож­ным выделение поглощенных веществ из адсорбента, или проведение про­цесса десорбции.

Механизм процесса адсорбции отличается от механизма абсорбции, вследствие того, что извлечение веществ осуществляется твердым, а не жидким поглотителем. Каждый из этих сорбционных процессов имеет свои области применения, где его использование дает больший технико-эконо­мический эффект.

Адсорбция применяется главным образом при небольших концентра­циях поглощаемого вещества в исходной смеси, когда требуется достичь практически полного извлечения адсорбтива. В тех случаях, когда концен­трация поглощаемого вещества в исходной смеси велика, обычно выгоднее использовать абсорбцию.

Процессы адсорбции широко применяются в промышленности при очи­стке и осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении смесей газов или паров, в частности при извлечении летучих растворителей из их смеси с воздухом или другими газами (рекуперация летучих рас­творителей) и т.д. Еще сравнительно недавно адсорбция применялась в основном для осветления растворов и очистки воздуха в противогазах. В настоящее время ее используют для очистки аммиака перед контактным окислением, осушки природного газа, выделения и очистки мономеров в производствах синтетического каучука, смол и пластических масс, выде­ления ароматических углеводородов из коксового газа и для многих дру­гих целей. В ряде случаев после адсорбции поглощенные вещества выде­ляют (десорбируют) из поглотителя. Процессы адсорбции часто сопутст­вуют гетерогенному катализу, когда исходные реагенты адсорбируются на катализаторе, а продукты реакции десорбируются, например, при катали­тическом окислении диоксида серы в триоксид на поверхности платино­вого катализатора и др.

Значение адсорбционных процессов сильно возросло за последнее время вследствие расширения потребности в веществах высокой чистоты.

Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая адсорбция обусловлена взаимным притяжением молекул адсорбата и ад­сорбента под действием сил Ван-дер-Ваальса и не сопровождается химиче­ским взаимодействием адсорбированного вещества с поглотителем. При химической адсорбции, или хемосорбции, в результате химической реакции между молекулами поглощенного вещества и поверх­ностными молекулами поглотителя возникает химическая связь.

При поглощении паров адсорбция иногда сопровождается заполнением пор адсорбента жидкостью, образующейся в результате конденсации паров (капиллярная конденсация). Конденсация происходит вследствие понижения давления пара над вогнутым под действием сил по­верхностного натяжения мениском жидкости в капиллярах.