Кинетические закономерности и материальный баланс

Процессов экстракции.

Кинетические закономерности процесса экстракции определяются основными законами массопередачи. Поскольку при экстракции происходит массообмен между двумя жидкими фазами, распределяемое вещество переходит из одной жидкости в другую. Для развития поверхности фазового контакта обычно одну из жидкостей диспергируют до капель определенной величины. Таким образом распределяемое вещество переходит из сплошной фазы к поверхности капли, и затем внутрь ее или из капли через поверхность раздела фаз в ядро потока сплошной фазы. Рассмотрим три случая:

Случай первый – диффузионное сопротивление внутри капли незначительно по сравнению с диффузионным сопротивлением в сплошной фазе. В этом случае массообмен определяется только диффузионным сопротивлением в сплошной фазе. Коэффициент массопередачи , а количество перенесенного из фазы в фазу распределяемого вещества может быть определено из соотношения:

.

(5.51)

Коэффициент массопередачи β ’ _c в свою очередь может быть рассчитан по приближенному уравнению подобия:

,

(5.52)

где - диффузионное число Нуссельта для сплошной фазы;  – коэффициент массопередачи по сплошной фазе, м/с; - диффузионное число Пекле для сплошной фазы; P_c – коэффициент диффузии распределяемого вещества в сплошной фазе, м²/с; d – диаметр капли, м; w – относительная скорость движения капель в сплошной фазе, м/с.

Случай второй – диффузионным сопротивлением внутри капли пренебречь нельзя, в то время как диффузионное сопротивление сплошной фазы незначительно. В этом случае массообмен определяется диффузионным сопротивлением внутри капли. Коэффициент массопередачи может быть принят равным коэффициенту массопередачи (β _y ≈ β _g), а количество вещества, переносимого из фазы в фазу, составит:

.

(5.53)

Коэффициент массопередачи β _g может быть найден по приближенному уравнению подобия:

,

(5.54)

где - диффузионное число Нуссельта для дисперсной фазы;  - модифицированное диффузионное число Пекле для дисперсной фазы; β _g – коэффициент массопередачи по дисперсной фазе, м/с; Р _g – коэффициент распределяемого вещества в дисперсной фазе, м²/с; M_g и M_c – динамический коэффициент вязкости соответственно дисперсной и сплошной фазы, Н·с/м².

Случай третий – диффузионным сопротивлением в сплошной фазе и внутри капли пренебречь нельзя и необходимо учитывать распределение массы как в сплошной среде, так и внутри капли. В этом случае можно использовать для расчета коэффициентов массопередачи уравнения (5.52) и (5.54), а затем рассчитать коэффициенты массопередачи по уравнениям:

или .

(5.55)

Материальный баланс экстракции выражается общими для массообменных процессов уравнениями в дифференциальной и интегральной формах (см. уравнения (5.8) – (5.16)). В случае частичной взаимной растворимости фаз L и G их величины не будут постоянными по высоте аппарата, а, следовательно, и отношение G / L будет переменной величиной. Отсюда вывод: рабочая линия экстракции в системе координат x - y при частичной взаимной растворимости фаз не будет прямой линией.

Рис. 5.7. Схема непрерывной экстракции: F – массовый расход исходного раствора; E – массовый расход полученного экстракта; S – массовый расход экстрагента; R – массовый расход рафината.

Уравнение материального баланса по общим потокам в этом случае будет иметь вид:

F + S = R + E,

(5.56)

где F, R – массовые количества соответственно исходного раствора и полученного рафината, кг/час; S, E – массовые количества соответственно экстрагента и полученного экстракта, кг/час.

Если переписать уравнение (5.56) в виде:

F + S = N = R + E.

(5.57)

То уравнение материального баланса может быть представлено графически на треугольной диаграмме (Рис. 5.8) как процесс смешения исходных потоков F + S (с образованием тройной смеси, изображаемой точкой N, и последующим разделением этой тройной смеси N на конечные потоки R + E).

Из диаграммы по правилу рычага:

(5.58)

можно найти количество необходимого для процесса экстрагента

(5.59)

или соотношение между количествами полученных потоков рафината и экстракта

(5.60)

а также состав любого из потоков, если заданы составы и количества трех остальных потоков.

Рис. 5.8. К составлению материального баланса процесса экстракции при частичной взаимной растворимости фаз

Материальный баланс процесса экстракции является основой для составления теплового баланса, который в общем виде можно представить следующим образом:

,

(5.61)

где Q_S, Q_E – тепло поступающее в экстрактор соответственно с экстрагентом и исходным раствором, кДж/час; Q_R, Q_F – тепло выходящее из экстракта с рафинатом и экстрактом, кДж/час;  – тепло подводимое для проведения процесса экстракции или отводимое от него через, теплообменные устройства, кДж/час;   – тепло выделяемое при частичном растворении экстрагента в исходном растворе или поглощаемое в этом процессе, кДж/час; Q _пот – тепловые потери в окружающую среду, кДж/час.

В каждом конкретном случае процесса экстракции уравнение (5.61) принимает свою строго определенную форму и служит для расчета энергетических затрат ( или ) на проведение экстракционных процессов.

§ 5 Аппаратурное оформление массообменных процессов.

Аппараты, предназначенные для проведения процессов абсорбции, ректификации и экстракции, называют, соответственно, абсорберами, ректификационными колоннами и экстракторами. В зависимости от способа создания поверхности фазового контакта эти аппараты можно подразделить на три основные группы:

а) аппараты, в которых поверхностью фазового контакта является поверхность жидкости, растекающейся по специальной насадке;

б) аппараты, в которых поверхность фазового контакта создается потоками газа (пара) и жидкости;

в) аппараты, в которых поверхность фазового контакта создается путем разбрызгивания жидкости.

На рис. 5.9 представлены принципиальные схемы некоторых из аппаратов для проведения массообменных процессов абсорбции, ректификации и экстракции.

На рис. 5.9 а показано контактное устройство аппарата с листовой насадкой. Контактное устройство представляет собой насадку 1 в виде вертикальных листов из твердого материала, помещенную в цилиндрическую колонну. В верхней части контактного устройства находятся распределяющие жидкость L приспособления 2, с помощью которых листовая насадка равномерно орошается с обеих сторон. Газ (пар) поступает в нижнюю часть аппарата и движется навстречу жидкости, взаимодействуя с ней. Контактное устройство трубчатого аппарата показано на рис. 5.9 б.

Взаимодействующая с газом (паром) жидкость поступает в верхнюю часть контактного устройства на трубную решетку, равномерно распределяется по трубам и в виде тонкой пленки стекает по их внутренней поверхности. Газ (пар) поступает в нижнюю часть аппарата под трубную решетку, распределяется по трубам и, поднимаясь вверх, взаимодействует с жидкостью.

Рис. 5.9. Принципиальные схемы аппаратов для проведения массообменных процессов

Аппараты со смоченной насадкой выполняются в виде цилиндрической колонны, заполненной насадочными телами (насадочные колонны). Схема насадочной колонны приведена на рис. 5.9 в. Основными узлами аппаратов с насадкой являются приспособления 3, распределяющие жидкость по насадке, насадочные тела 4 и устройства 5, направляющие к центру растекающуюся жидкость.

Газ (пар) G и жидкость L обычно взаимодействуют в противотоке. Жидкость поступает в верхнюю часть контактного устройства, распределяется по насадочным телам при помощи приспособлений 1 и стекает вниз по поверхности последних. Газ (пар) вводится снизу и движется вверх по каналам, образованными насадочными телами.

Аппараты, представленные на рис. 5.9 г снабжены горизонтальными тарелками 6 и переливными устройствами 7. Жидкость L поступает на верхнюю тарелку, переливается через переливные устройства сверху вниз и удаляется из нижней части аппарата. Газ (пар) G вводится в нижнюю часть аппарата и перемещается вверх, распределяясь на каждой тарелке в виде пузырьков или факелов. В зависимости от способа распределения газа (пара) на тарелках различают тарелки сетчатые и колпачковые.

  Для проведения процессов экстракции применяют полые (распылительные) экстракторы, колонные смесительно-отстойные экстракторы и ряд других.

На рис. 5.9 д приведена принципиальная конструкция полого (распылительного) экстрактора. Экстрактор заполняется тяжелой жидкостью L, которая сплошным потоком перемещается в аппарате со скоростью w и удаляется через сливное устройство. Легкая жидкость G вводится в аппарат через распылитель 8 и в виде капель поднимается вверх со скоростью w _д. В верхней части экстрактора капли сливаются, образуя сплошной слой легкой жидкости, которая и выводится из аппарата через верхний штуцер.

В некоторых случаях для улучшения расслаивания фаз используют экстракторы (рис. 5.9 е), у которых между смесительными секциями 9 расположены отстойные зоны 10, заполненные для ускорения расслаивания потоков сеткой, насадочными телами либо блоками концентрических цилиндров. Такие колонны устанавливаются как в вертикальном, так и наклонном положении.

 

 

Вопросы и упражнения для самостоятельной

Проработки материала.

1. Какие процессы относятся к массообменным? Для чего они применяются?

2. Перечислите основные группы массобменных процессов. Раскройте их сущность.

3. Дайте определение процессам абсорбции, ректификации и экстракции.

4. Как определяется скорость массообменных процессов? Поясните как определяется движущая сила процесса.

5. Как определяются коэффициенты массопередачи для газового и жидкого потоков в процессах абсорбции?

6. Приведите уравнение материального баланса для процесса абсорбции?

7. Запишите уравнение теплового баланса абсорбера. Каким уравнением определяется конечная температура жидкой фазы?

8. Объясните принцип ректификации? Приведите уравнение материального баланса.

9. Приведите уравнения линий рабочих концентраций. Поясните для чего они используются.

10. С какой целью проводят тепловые расчеты процессов ректификации? Приведите уравнение теплового баланса.

 11. Охарактеризуйте три основных случая развития поверхности фазового контакта в процессах экстракции.

12. Приведите уравнение материального баланса экстракции по общим потокам. Поясните его.