Схема многоступенчатая экстракция с перекрестным движением потоков

 

В каждую ступень подается свежий экстрагент, а из нее выводится экстракт. При достаточном числе ступеней достигается высокая степень очистки рафината

    Недостатки:

1) большой расход экстрагента

2) низкая концентрация экстракта

Диаграмма У-Х аналогична предыдущей.

 

 

3. Многоступенчатая противоточная экстракция (непрерывная) Ошибка!

 

Свежий экстрагент вступает в контакт с рафинатом, имеющим наименьшую концентрацию распределяемого компонента и после многократного контактирования в последовательно расположенных ступенях постепенно насыщается извлекаемым веществом. Поэтому требуемая степень экстракции достигается при меньшем расходе реагента.

 

Многоступенчатая экстракция в противоточной колонне

Экстракт и рафинат после подогрева направляются в ректификационные колонны, где в качестве дистилята получают регенированный экстрагент, а в кубе – экстрагент и рафинат.

 

 

 

Смесительно-отстойные экстракторы

Установки для проведения многоступенчатой экстракции состоят их двух основных элементов: аппаратов для экстракции, снабженных мешалками и устройств для разделения жидкостей (отстойников).

           Для перемешивания используются аппараты с мешалками (лопастными, пропеллерными или турбинными). Жидкости обычно подводятся в аппарат снизу, а выводятся сверху.

           Потребление мощности мешалкой определяется общим уравнением:

 [Вт],

где: n – скорость вращения, об/с;

ρ – плотность жидкости;

С – постоянная величина, зависящая от формы лопасти и сосуда;

λ – коэф сопротивления, являющийся функцией критерия Re_м

Для мешалок Re _м = ;

Некоторый конструкции

1. Горизонтальный смесительно отстойный экстрактор

Цилиндрический аппарат, разделенный перегородками на отсеки. Каждый отсек состоит из камеры смешения (труба с внутренним погружным насосом) и отстойной камеры.

Исходный раствор через трубу 1 входит в камеру смешения, куда подаётся экстракт из предыдущей секции. После перемешивания смесь подаётся на разделение в камеру, откуда экстракт удаляется, а рафинат снизу поступает в следующую камеру смешения, куда подаётся и рафинат из предыдущей секции. Камеры внизу отделены перегородками, а вверху уровень раствора поддерживается ниже верхнего уровня камеры смешения.

Это многоступенчатый экстрактор.

Применяются горизонтальные экстракторы в виде батареи, элементы которой устанавливаются обычно каскадно. Тяжёлая фаза переливается самотёком, а лёгкая перекачивается насосами.

       

Следовательно, в пределах каждой ступени жидкости движутся прямотоком, а вся система работает при противотоке фаз.

Многоступенчатый смеситель-отстойник экстрактор может быть и вертикального исполнения.

Колонна разделяется по высоте на чередующиеся смесительные и отстойные секции, для успокоения потока. Причём отстойные секции (каждая высотой 0,3м и более) заполнены специальной насадкой в виде свёрнутой в рулон редкоплетёной сетки (S_своб = 97-98 %).

 

В смесительных зонах переливание осуществляется турбинными или пропеллерными мешалками, вращающимися на общем вертикальном валу, который проходит по оси колонны.

Струйный экстрактор. Экстракторы этого типа действуют по принципу введения одной жидкости в другую многочисленными тонкими струйками.

Экстрагент поступает в коническую перфорированную трубку, из которой он вытекает тонкими струйками перпендикулярно движению исходного раствора. Пространство, по которому течёт смесь жидкостей, сужается в направлении потока.

Кроме того, спиральная поверхность, укреплённая в этом пространстве, сообщает эмульсии вращательное движение. Оба эти фактора положительно влияют на увеличение завихрений и хорошее перемешивание жидкостей.

Недостатки:

1) Работают с невязкими жидкостями μ > 100

2) Влияют колебания в подаче раствора

Одноступенчатый экстрактор представляет собой соединение аппарата с мешалкой и отстойника.

Исходный раствор и раство-ритель поступают в зону перемешивания, причём предвари-тельное смешивание производится уже на входе в зону, а затем – мешалкой. Смесь жидкостей поднимается вверх и попадает сначала в кольцеобразное пространство, а затем в зону отстаивания.

Тяжёлая жидкость выводится со дна через сифон, лёгкая вытекает вверху через перелив. Часть жидкости циркулирует через трубу.

Центробежные экстракторы.

Такие экстракторы имеют следующие преимущества:

1) Возможность экстрагировать трудно разделяющиеся жидкости, например, с малой разницей в плотностях;

2) Возмоность провести экстракцию нестойких веществ ввиду малого времени контакта (большой скорости процесса), сильная турбулизация.

Обычно экстрактор представляет собой вращающийся барабан (на горизонтальном или вертикальном валу). Внутри барабан разделён на ряд каналов. Исходный раствор и экстрагент подают с помощью насосов по каналам, просверленным в валу. Тяжёлая жидкость поступает по оси барабана, лёгкая подводится к периферии. В барабане жидкости движутся противотоком и многократно смешиваются в каналах барабана.рафинад и экстракт удаляются также через обособленные каналы вала.

Экстракционные колонны.

В экстракционных колоннах обе жидкие фазы, равномерно распределённые по всему сечению аппарата, перемещаются друг относительно друга благодаря разности плотностей. Контакт фаз не прерывается по всей рабочей длине колонны. Высота колонны зависит от требуемой чистоты продуктов, и, следовательно, от интенсивности массообмена. Диаметр колонны зависит от свойств жидкостей и гидродинамического режима.

В промышленности применяют экстракционные колонны нескольких типов, различающихся по конструкции:

 

1) Распылительные             поверхность контакта фаз поддерживается

2) Насадочные                    благодаря разности плотностей обеих

3) Тарельчатые и каскадные                            фаз

4) Пульсационные, более эффективны – пов-сть контакта фаз развивается работой пульсатора, вызывающего колебательное движение столба жидкости.

Насадочные. Более эффективное взаимодействие фаз по сравнению с полыми экстракторами, т.к. насадка обеспечивает некоторое дополнительное дробление капель и увеличивает пов-сть контакта фаз и увеличивает время пребывания капель дисперсной фазы в аппарате. Кроме того, насадка сводит к минимуму обратное перемешивание.

Насадку располагают в виде слоёв высотой от 2 до 10 диаметров колонны, помещённых на опорные решётки. Расстояние между решётками 0,9-1,8 м.

Примечание. Кольца Рашига (d≤1/8Д_кол.), седла, кокс, хорд. насадка. Производительность их ниже, чем полых, т.к. некоторая часть сечения занята насадкой, эффективность – выше полых, но не очень высокая.

Тарельчатые. Тарельчатые ситчатые экстракторы аналогичны ситчатым колоннам. Дисперсная фаза многократно раздробляется при прохождении через отверстия ситчатых тарелок (d=2-9мм). Струйки дисперсной фазы распадаются на мелкие капли. Диспергирование происходит, когда давление жидкости достаточно для прохождения её через отверстия. Для стока сплошной фазы на тарелках имеются сливные патрубки. Расстояние между тарелками 0,15-0,6м.

Каждая тарелка имеет рабочую высоту сплошной фазы h_с.

Кроме того, на каждой тарелке должен быть подпорный слой диспергируемой жидкости h_д. В экстракционных колоннах одна из жидкостей образует сплошную фазу, другая вводится в диспергированном состоянии [одна – исходная смесь, другая – экстрагент]. Тяжёлая жидкость подаётся всегда в верхнюю часть колонны, лёгкая – в нижнюю.

Капли поднимаются или опускаются.

Левая колонная: тяжелая сплошная фаза передвигается за счет разности уровней. Легкая диспергированная фаза передвигается за счет разности плотностей.

Правая колонная: легкая сплошная фаза передвигается насосом. Тяжелая диспергируемая фаза передвигается за счет разности плотностей.

Поверхность раздела фаз устанавливается высотой перелива и должна находиться выше или ниже штуцера ввода сплошной фазы, чтобы обеспечить каплям наибольший путь через колонну.

Поток сплошной фазы обеспечивается насосом или разностью уровней, движение диспергированной фазы происходит благодаря разности плотностей жидкости.

Обычно диспергируется та жидкость, количество которой больше, т.к. в этом случае получается наибольшая пов-сть раздела фаз.

 

Вопросы гидродинами

Работа экстракционной колонны существенно зависит от гидродинамических условий, определяемых скоростью потока фаз. Для сплошной фазы скорости подбирают в таких пределах, чтобы получить свободное движение диспергированной фазы. Скорость диспергированной фазы зависит исключительно от свойств обеих жидкостей и для соответственно малых капель может быть вычислена по закону Стокса:

где W _{д o} – скорость капель относительно неподвижной сплошной фазы,  

d – диаметр капель

ρ _д – плотность диспергированной фазы

ρ _с – плотность сплошной фазы

μ _с – динамическая вязкость сплошной фазы

Абсолютная скорость капель относительно стенок колонны есть равнодействующая скорости W _{д o}, вызванной разностью плотностей и линейной скорости сплошной фазы.

При неправильном подборе скорости течения жидкостей в работе колонны возникают расстройства. При слишком больших линейных скоростях сплошная фаза может захватывать капли диспергированной, которая будет уходить из колонны вместе со сплошной. При перегрузке по диспергированной фазе капли сливаются, образуя сначала струйки, а затем и скопления, которые могут заполнить даже всё сечение колонны. Возникающее торможение потока диспергированной жидкости ведёт к её перебросу вместе со сплошной фазой. Одновременнно может появиться некоторое количество очень мелких капелек. Эти нарушения работы называются «захлёбыванием» колонны, делающим невозможным нормальное протекание процесса.

 

Вопросы массообмена

Влияние различных факторов на массообмен.

Скорость течения фаз

Увеличение скорости потока фаз увеличивает турбулентность в обеих фазах и пов-сть контакта фаз, что приводит к улучшению массообмена. Однако, слишком большие скорости движения жидкостей приводят к ухудшению массообмена.

При увеличении количества диспергированной фазы количество капель в колонне возрастает, следовательно увеличивается пов-сть контакта и улучшается массообмен. По достижении некоторого предела массообмен ухудшается, т.к. при больших скоростях истечения из распылителя и при больших нагрузках капли имеют неодинаковые размеры и соответственно разную скорость, в результате чего часто сталкиваются и сливаются (уменьшается поверхность контакта). Дальнейшее увеличение нагрузки по диспергированной фазе приводит к захлёбыванию колонны.

При увеличении количества сплошной фазы уменьшается скорость отстаивания капель, увеличивается удерживающая способность и массообмен улучшается. При больших количествах сплошной фазы мелкие капли могут слиться в крупные, которые отстаиваются скорее, что уменьшает поверхность контакта.