Сущность процесса экстракции

Сущность процесса экстракции

Экстракция - процесс избирательного извлечения компонентов жидкой (или твердой) фазы при ее обработке р-лем, к-ый хорошо растворяет извлекаемые компоненты и ограниченно или практически не растворяет другие компоненты исходного сырья.

Применение:

· очистка смазочных масел, дизельных топлив,

· деасфальтизация тяжелых нефтяныхостатков,

· извлечение аром УВ из бензинов пиролиза, продуктов риформинга или легких газойлей коксования,

· извлечение высококипящих или нелетучих комп-ов из сточных вод.

Применяемые р-ли: фенол, фурфурол, N-метил-2-пирролидон, диэтиленгликоль, вода, жидкий пропан,бензол, диметилсульфоксид, производные морфолина и пр.

Р-р, состоящий из р-ля и извлеченных компонентов, называется экстрактным, а р-р включающий неизвлеченные компоненты и р-ль, называется рафинатным.

Извлекаемый компонент или смесь нескольких компонентов распределяется между экстрактным и рафинатным р-ми в соответствии с законом фазового равновесия:

К = х₁ / х₂,

х₁ и х₂ — концентрации извлекаемого компонента в образующихся фазах;

К — коэффициент распределения, зависящий от природы системы, состава и температуры; значение его определяется экспериментально и для данной системы он является величиной постоянной.

При выборе растворителя учитывают его избирательность (селективность) и растворяющую способность.

Повышение температуры растворения, понижение растворяющей способности растворителя и повышение его селективности достигаются добавлением в систему компонента, который хорошо растворяется в растворителе и значительно хуже — в исходной разделяемой смеси

Для повышения взаимной растворимости растворителя и исходной смеси, понижения температуры растворения и избирательности растворителя в систему добавляют компонент, хорошо растворяющийся как в растворителе, так и в исходной смеси. Скорость расслаивания определяется разностью плотностей фаз, степенью дисперсности капель и вязкостью сплошной среды.

На процесс экстракции оказывает влияние соотношение растворителя и исходного сырья. В случае небольшого количества растворителя он при соответствующей температуре полностью растворяется в исходной смеси, образуя гомогенный раствор. При большом количестве растворителя исходная смесь полностью растворяется в растворителе.

Ниже кривой растворимости находится область расслаивающихся растворов, выше — область гомогенных растворов.

 

t

x

Схема переноса компонентов при контакте газа с абсорбентом

РИС Схема абсорбера с промежуточным отводом тепла и изменение температуры по высоте аппарата

.

Абсорбция тощих газов.

В случае абсорбции так называемых "сухих" газов кол-во извлекаемых комп-ов невелико, что позволяет в расчетах пользоваться усредненным абсорбционным фактором А, к-ый рассчитывают как среднее геометрическое м ежду абсорбционными факторами для низа и верха абсорбера:

В этом случае уравнение запишется в виде

Варьируя номером тарелки j от 1 до N,

получим с-му равенств:

 

После соответствующих подстановок и преобразований получим выражение изменение концентрации на нижней тарелке.

Исключим Y_N из этого уравнения, использовав уравнение

Получим

Это уравнение можно привести к виду уравнения

если в левой части последнего прибавить и отнять A^N+1Y_N+1

После преобразований получим уравнение Кремсера.

 

При заданных эффективности извлечения е и абсорбционном факторе А из этого уравнения можно определить N — число теоретических тарелок в абсорбере.

При идеальном отделении абсорбента от извлеченных компонентов, когда Y₀=0. получим уравнение для расчета коэффициента извлечения через фактор абсорбции.

Из этого уравнения может быть получено следующее уравнение для расчета числа теоретических тарелок в абсорбере:

 

 

Для компонента, у которого абсорбционный фактор А = 1, из последнего уравнения после раскрытия неопределенности получим N=ε/(1-ε)

Зависимость между эффективностью абсорбции, абсорбционным фактором и числом теоретических тарелок, определяемая уравнением Кремсера, представлена графически на рис. Этот же график может быть использован и для расчета процесса десорбции.

 

 

Изотерма адсорбции

Равновесное состояние при адсорбции характеризуется изотермой адсорбции, она связывает количество адсорбированного единицей массы адсорбента вещества, т.е. активность (в массовых, мольных или объемных единицах) с концентрацией или парциальным давлением (в случае газовой фазы) компонента разделяемой смеси при данной температуре. Обычно изотермы адсорбции строят на основании экспериментальных данных.

Рис.1. общий вид изотермы адсорбции при разных температурах.

На рис.1 приведены типичные изотермы адсорбции для двух температур. Из анализа этих кривых следует, что активность адсорбента возрастает с увеличением концентрации или парциального давления) адсорбируемого компонента и с понижением температуры процесса.

Для описания изотермы адсорбции наибольшее распространение получили:

Уравнение Лэнгмюра

Уравнение Фрейндлиха ,

где а – активность (емкость) адсорбента; с - концентрация или парциальное давление адсорбируемого компонента; А₁, А₂,b, d – коэффициенты и показатели степени, зависящие от природы адсорбента и адсорбата, а так же от температуры.

Режимы движения жидкости

Режим движения вязкой ж-ти может быть ламинарным и турбулентным.

Ламинарный режим течения наблюдается при малых скоростях движения или большой вязкости жидкости. При этом жидкость движется как бы параллельными струйками, которые не смешиваются одна с другой.

По сечению трубопровода скорости струек изменяются по параболическому закону, однако скорости всех струек направлены вдоль оси потока и постоянны по величине. Около стенки трубы скорость равна нулю, на оси трубы – она макс. Средняя скорость жидкости равна половине макс-ой.

Опыты, проведенные в 1883г. Рейнольдсом:

 

 

Турбулентный режим наблюдается при больших скоростях. Частички жидкости движутся беспорядочно по рассекающимся направлениям. Однако в каждый момент имеется некоторое распределение скоростей, определяющее движение частиц жидкости вдоль оси потока. В каждой точке потока происходит пульсация скорости относительно некоторой средней величины.

Переход ламинарного течения к турбулентному тем легче, чем больше массовая скорость жидкости, диаметр и меньше вязкость жидкости , которые определяют величину безразмерного комплекса – критерия Рейнольдса:

Re < 2300 – устойчивый ламинарный режим

2300 < Re < 10000 – неустойчиво турбулентный режим

Re > 10000 – устойчиво турбулентный режим

23.Уравнение неразрывности потока
(Материальный баланс потока)

Рассмотрим объем элементарной струйки между двумя сечениями. Слева в выделенный объем втекает в единицу времени количество жидкости

А справа из этого объема за то же время вытекает количество жидкости

 

Если же жидкость несжимаема, через боковую поверхность струйки расход жидкости отсутствует и в жидкости не образуются пустоты:

 

 

Поскольку это соотношение справедливо для любых двух сечениях струйки:

- Уравнение неразрывности

 

 

Для потока жидкости уравнение неразрывности записывается:

 

Отсюда

 

 

Т.е. средние скорости потока жидкости обратно пропорциональны площади поперечного сечения соответствующих сечениях потока.

Уравнение Дарси-Вейсбаха.

- Уравнение Бернулли для реальной жидкости, где

 

потери напора на преодоление сопротивлений движению жидкости

 

 

При движении реальной жидкости по трубопроводу или каналу происходит потеря напора, которая складывается из потери на трение частиц жидкости друг о друга и о стенки трубы или канала, и потери на местных сопротивлениях, которые изменяют направление или скорость потока.

Потери на трение. Рассмотрим случай установившегося равномерного и прямолинейного движения жидкости по трубопроводу.

Силы давления: Р₁ =p₁F,

F – площадь поперечного сечения P₂ = p₂F

Сила тяжести: G = ρgFl

Силы трения: Т = τПl, τ - напряжение внутреннего трения, П - периметр, l – длина.

При равномерном и прямолинейном движении действующие на жидкость силы будут находиться в равновесии:

Подставляем:

Разделим уравнение на ρgF:

 

 

Потери напора при равномерном движении:

 

Потеря напора на трение может быть выражена ч/з скоростной напор w2/2g:

,

 

где ζ — коэффициент потерь энергии по длине или коэффициент сопротивления трения.

Напряжение трения τ: Введем обозначение:

 

- коэффициент трения. =>

 

Потери напора на трение:

Для круглого трубопровода d_гидр = d получаем

 

Уравнение Дарси- Вейсбаха

Ротаметр

, F_Щ-площадь щели между поплавком и стенкой, V_П-объем поплавка, F_П-площадь …. сечения поплавка, ρ_П, ρ-плотность материала поплавка и жидкости.

Трубка Пито-Прандтля

, нужны поправочн коэф, учитывающие искажение потока и потеря напора в самой трубке.

Чтобы характеризовать движение потока жидкости вводят понятие о площади живого сечения потока, под которой понимают площадь сечения потока, проведенную перпендикулярно к направлению линий тока.

Поток жидкости может двигаться внутри канала, ограниченного твердыми стенками, заполняя все его сечение или только часть (живое сечение меньше сечения канала). В первом случае мы имеем дело с так называемым напорным движением жидкости, во втором - с безнапорным. При безнапорном движении жидкости возникает граница раздела между движущейся жидкостью и пространством над ней.

Часть периметра живого сечения, соприкасающаяся с движущимся потоком, называется смоченным периметром.

Для характеристики размера живого сечения вводят понятие о гuдравлическом радиусе (диаметре). Под гидравлическим (эквивалентным) радиусом r_гидр понимают отношение площади живого сечения F к смоченному периметру П.

r_гидр =F/П

Соответственно гидравлический (эквивалентный) диаметр

d_гидр =4F/П

Для круглого трубопровода d_гидр= d,

Введенные понятия гидравлических радиуса и диаметра позволяют использовать

уравнения гидравлики для трубопроводов (каналов), имеющих некруглую форму

поперечного сечения.

Расходом называется количество жидкости, протекающей через живое сечение потока в

единицу времени. Расход может быть выражен в массовых (m) или объемных единицах

(Q). Массовый и объемны расходы связаны соотношением..

 

где. р плотность жидкости. Размерности расходов: объемного

массового [m] =[М]/ [T]

 

Если расход ж-ти через поперечное сечение ΔF элементарной

струйки составляет ΔQ то средняя скорость жидкости в данном сечении W равна

W= ΔQ/ ΔF

При ΔF --> О получим истинную скорость в данной точке поперечного сечения.

Для потока, представляющего собой множество элементарных струек, общий расход Q

можно выразить как сумму расходов элементарных струек, составляющих поток жидкости,

т.е ..

Средняя скорость потока Wсp при которой обеспечивается заданный расход жидкости Q

через поперечное сечение потока

Q=w_сpF

Способы фильтрования

Фильтрованием называется процесс разделения суспензий и аэрозолей с использованием

пористых перегородок, на поверхности которых задерживаются взвешенные в жидкости или

газе твердые частицы, образующие на перегородке слой осадка. Жидкость, отделенная от

осадка, называется фильтратом.

В нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности фильтрование применяется

в процессах депарафинизации масел, производства парафина, церезина, пластичных смазок,

при очистке нефтепродуктов и контактной очистке масел, для улавливания технического

углерода, отделения химических реактивов и особо чистых химических веществ и других

ценных продуктов от газов, отходящих от технологических установок распыливающего типа и

печей кипящего слоя. Движение жидкости через пористые перегородки и слой осадка создают за

счет разности давления в аппарате, являющейся движущей силой процесса.

Перепад давления может создаваться: 1) столбом жидкости над фильтрующей

перегородкой (гидростатическое фильтрование); 2) избыточным давлением жидкости, например,

при подаче ее насосом (фильтрование под давлением); 3) путем создания разрежения

под фильтрующей перегородкой при помощи вакуум-насоса (фильтрование под вакуумом).

Разделение суспензий на фильтрах обычно состоит не только из основной операции

по фильтрованию суспензий, но в ряде случаев и из вспомогательных операций, таких как

промывка осадка (при которой с помощью специальной жидкости фильтрат выдавливается

из пор осадка), его продувка и сушка воздухом или инертным газом.

Режим при постоянном перепаде давления ∆р (вакуумное фильтрование,

гидростатическое фильтрование с постоянным столбом жидкости над фильтрующей

перегородкой, подача суспензии центробежным насосом при постоянном избыточном давлении

на выкиде насоса). При этом режиме скорость фильтрования в связи с постоянным

увеличением высоты слоя осадка и ростом его сопротивления с течением времени уменьшается.

Режим при постоянной скорости С (подача суспензии на фильтр поршневым или

плунжерным насосом постоянной производительности).При режиме с постоянной

скоростью фильтрования слой осадка и его сопротивление постоянно увеличиваются, вследствие

чего должно непрерывно расти давление поступающей суспензии, а следовательно, и

перепад давления ∆р.

Эффективность разделения и производительность фильтра зависят от свойств

обрабатываемой суспензии, правильного выбора типа фильтра, его оснащения и режима работы.

В связи с этим для достижения оптимальных условий процесса фильтрования выбор типа

фильтра, фильтровальной перегородки и режимов фильтрования должен проводиться на

основе экспериментального изучения особенностей фильтрования данной суспензии на

лабораторных или пилотных установках.

Вопрос 37 Расчет фильтров.

Схема и посл-сть расчета фильтра в знач-ой степени зависят от его типа и конструкции а также

от режима фильтрования. Рассмотрим посл-ть расчета применительно к конструкциям

фильтров периодического и непрерывного действия. Для данной суспензии при известном

объемном содержании осадка х по опытным или производственным данным принимают

значение сопротивлений Rф и r_o. Фильтры периодического действия. Их эксплуатация возможна

при двух режимах. Режим ∆р=const При этом режиме, 1) задаются толщиной осадка h, 2)опр-ют

по ур-нию прод-ть фильтрования 3) Находят объем фильтрата V1, полученного за одну

операцию с 1м² поверхности фильтра при объеме осадка 1*h. 4)Рассчитывают

конечную скорость в конце фильтрования и постоянную скорость промывки Cпр. 5) При известном

из опыта расходе промывной жидкости Vпр определяют скорость промывки

6) Оценив время затраченное на разгрузку и сборку фильтра, определяют

полную продолжительность одной операции. 7)Находят число

операций в сутки 8)Рассчитывают производительность 1м² фильтра в сутки . После

этого по заданной производительности рассчитываемой фильтровальной установки Vсут

находят требуемую общую поверхность фильтрования. и подбирают по каталогам размер

и число фильтров. Режим C=const. При этом режиме расчет фильтрования следует

вести, ориентируясь на фильтр определенного типа и размера, имеющей известную

площадь поверхности F, и на поршневой или плунжерной насос с определенной подачей V_н,

м³/час, задаются также предельным перепадом давлений ∆р, соответствующим конструкции

фильтра и насоса. Затем выполняют следующие расчетные операции: 1) находят скорость

фильтрования 2) Определяют продолжительность фильтрования .

3) Рассчитывают толщину осадка 4) Находят как и для предыдущего режима следующие параметры: продолжительность промывки

Продолжительность полной операции , число операций в сутки

5) Рассчитать производительность фильтра за одну операцию, зная производительность

насоса 6) Определяют суточную производительность данного фильтра по

объему суспензии

Рис2. Схема центрифуги

для разделения эмульсий.

1-кольцевая диафрагма,

2-закраина ротора,

3-ротор. Потоки: I-эмульсия,

II-тяж жидкость,

III-легкаяжидкость

От скорости потока.

Для плотного и взвешенного слоев характерна

зависимость между скоростью ожижающего потока

и гидравлическим сопротивлением слоя. Левая

часть графика, представленная линиями ОА и

ОВ, соответствует движению ожижающего агента

через неподвижный слой, когда с увеличением

скорости потока сопротивление слоя растет. В точке

В сопротивление слоя оказывается равным его весу и

слой переходит во взвешенное

состояние; соответствующее этой точке значение

скорости называют критической скоростью W_К или скоростью начала псевдоожижения.

Перепад давления в точке А перед началом псевдоожижения превышает вес слоя на величину

«пика давления» ΔP₀, затрачиваемую потоком на преодоление сил сцепления между

частицами. Величина ΔP₀ зависит от плотности упаковки частиц, формы и состояния их

поверхности.

При дальнейшем увеличении скорости потока перепад давления в слое остается неизменным, и

линия «кривой псевдоожижения» идет параллельно оси абсцисс. Постоянство значения

перепада давления в слое (участок ВС) характеризуется равенством гидродинамического давления

и веса слоя,

приходящегося на единицу площади его поперечного сечения, и сохраняется до значения

W_В, соответствующего скорости витания, выше которой

частицы уносятся из слоя и наступает режим пневмотранспорта.

Перепад давления

ΔР= H_og(ρ_Т-ρ)(l-ε₀),

где ρ_Т и ρ — соответственно плотность твердых частиц и потока.

Прикладная гидравлика

1) Определить плотность воздуха при вакууме р=440мм рт ст, t =-40⁰С. Воздух по объему

состоит из 79% азота и 21% кислорода. р_о=750 мм рт ст.

2) Кинематическая вязкость нефти при 20 и 50⁰С даны. Определить вязкость при t=105⁰С

3) Опред-ть кинематический коэффициент взкости жидкости имеющей состав 70% мол

кислорода и 30%мол азота при Т=84К и р_абс=1атм. Считать кислород и азот

нормальными жидкостями. Даны вязкости и плотности компонентов.

4) Вычислить динамический коэффициент вязкости суспензии бензидина в воде, если в

чан загружено на 10м³ воды 1т бензидина. Температура суспензии 20⁰С. Относительная

плотность ТВ.фазы 1,2.

5) Цилиндр сосуд диаметром 20 см наполнен водой до верха. Определить высоту цилиндра, если

сила давления на дно и боковые стенки цилиндра одинаковы.

6) Вакуумметр на барометрическом конденсаторе показывает вакуум = 600мм ртути.

Атмосферное давление 748мм ртути. Определить: а)абсолютное давление в конденсаторе в Па

и в кгс/см²; б) на какую высоту Н поднимается вода в барометрич. Трубе.

7) Тонкостенный цилиндрич сосуд массой 100г и объемом 300 см³ ставят вверх дном на

поверхность воды и медленно опускают его вглубь таким образом, что он все время

остается вертикальным. На какую минимальную глубину надо погрузить стакан, чтобы он

не всплыл на пов-ть. Атмосферное давление р_о=10⁵Па

8) Вес камня в воздухе 49Н. Найти вес этого камня в воде, если его плотность=2500 кг/м³,

=1000 кг/м³

9) На поверхности воды плавает полый деревянный шар так, что в воду погружена 1/5 часть

его объема. Радиус шара =1см. Плотность дерева 840кг/м³. Найти объем полости в шаре.

Гидродинамика

10) По трубам одноходового кожухотрубчатого теплообменника проходит воздух при

средней температуре 50⁰С р = 2кгс/см² со скоростью = 9 м/с. Определить: а) массовый

расход воздуха; б) объемный расход воздуха при рабочих условиях; в) объемный расход воздуха

При нормальных условиях

11) Т/обм изготовлен из стальных труб диаметром 76х3. Требуется найти необходимый

диаметр труб для работы с тем же газом, но под изб.давлением 5 атм, если требуется

Сущность процесса экстракции

Экстракция - процесс избирательного извлечения компонентов жидкой (или твердой) фазы при ее обработке р-лем, к-ый хорошо растворяет извлекаемые компоненты и ограниченно или практически не растворяет другие компоненты исходного сырья.

Применение:

· очистка смазочных масел, дизельных топлив,

· деасфальтизация тяжелых нефтяныхостатков,

· извлечение аром УВ из бензинов пиролиза, продуктов риформинга или легких газойлей коксования,

· извлечение высококипящих или нелетучих комп-ов из сточных вод.

Применяемые р-ли: фенол, фурфурол, N-метил-2-пирролидон, диэтиленгликоль, вода, жидкий пропан,бензол, диметилсульфоксид, производные морфолина и пр.

Р-р, состоящий из р-ля и извлеченных компонентов, называется экстрактным, а р-р включающий неизвлеченные компоненты и р-ль, называется рафинатным.

Извлекаемый компонент или смесь нескольких компонентов распределяется между экстрактным и рафинатным р-ми в соответствии с законом фазового равновесия:

К = х₁ / х₂,

х₁ и х₂ — концентрации извлекаемого компонента в образующихся фазах;

К — коэффициент распределения, зависящий от природы системы, состава и температуры; значение его определяется экспериментально и для данной системы он является величиной постоянной.

При выборе растворителя учитывают его избирательность (селективность) и растворяющую способность.

Повышение температуры растворения, понижение растворяющей способности растворителя и повышение его селективности достигаются добавлением в систему компонента, который хорошо растворяется в растворителе и значительно хуже — в исходной разделяемой смеси

Для повышения взаимной растворимости растворителя и исходной смеси, понижения температуры растворения и избирательности растворителя в систему добавляют компонент, хорошо растворяющийся как в растворителе, так и в исходной смеси. Скорость расслаивания определяется разностью плотностей фаз, степенью дисперсности капель и вязкостью сплошной среды.

На процесс экстракции оказывает влияние соотношение растворителя и исходного сырья. В случае небольшого количества растворителя он при соответствующей температуре полностью растворяется в исходной смеси, образуя гомогенный раствор. При большом количестве растворителя исходная смесь полностью растворяется в растворителе.

Ниже кривой растворимости находится область расслаивающихся растворов, выше — область гомогенных растворов.

 

t

x