Аппараты для жидкостной экстракции

 

Жидкостная экстракция – это избирательное, селективное извлечение растворителем (экстрагентом) одного или нескольких компонентов из смеси жидких веществ. После осуществления процесса экстракции получают две фазы: экстракт (экстрагент, насыщенный извлекаемым компонентом) и рафинат (раствор, очищенный от извлекаемого вещества).

Экстракция является почти единственно возможным методом разделения жидких смесей, которые не могут быть разделены ректификацией вследствие того, что жидкости имеют близкие температуры кипения или разлагаются при нагревании.

В зависимости от вида контакта между фазами экстракторы делятся на группы:

· смесительно-отстойные, в которых смешение и разделение фаз происходит скачкообразно, от ступени к ступени;

· колонные, в которых осуществляется непрерывный (или почти непрерывный) контакт экстрагента и обрабатываемого раствора;

· центробежные экстракторы, в которых разделение фаз происходит в поле центробежных сил. Здесь контакт фаз может быть ступенчатым или непрерывным.

Смесительно-отстойные экстракторы относятся к числу старейших экстракционных аппаратов, важным достоинством которых является возможность их эффективного применения для процессов экстракции, требующих большого числа ступеней. Смесительно-отстойные экстракторы занимают большую площадь, но требуют меньшей высоты производственного помещения (при горизонтальном расположении ступеней). Недостатком смесителей-отстойников многих конструкций является медленное отстаивание в них жидкостей, что нежелательно при обработке дорогостоящих, взрывоопасных, легковоспламеняющихся веществ. Кроме того, наличие мешалок с приводом усложняет конструкцию аппарата и приводит к повышению капитальных затрат и эксплуатационных расходов. Возможна организация непрерывного процесса экстракции в батарее экстракторов при условии разделения полученной эмульсии в специальных отстойниках. В батарее мешалок можно осуществлять процесс прямоточного или противоточного направления.

Колонные экстракторы делятся на гравитационные и экстракторы с подводом внешней энергии. Все гравитационные экстракторы отличаются простотой конструкции, отсутствием движущихся частей. Соответственно стоимость таких аппаратов и расходы, связанные с их эксплуатацией, относительно невелики. Однако в большинстве случаев интенсивность массопередачи в гравитационных экстракторах низка. Гравитационные экстракторы мало пригодны для работы с большими соотношениями расходов фаз. Для интенсификации процесса массопередачи применяют экстрактора с подводом внешней энергии. В таких аппаратах достигается увеличение поверхности контакта фаз за счет высокой степени диспергирования и турбулизации сплошной фазы. Пульсация способствует выравниванию скоростей жидкости по сечению колонны и уменьшению продольного перемешивания.

Центробежные экстракторы являются интенсивно работающими аппаратами. Значительные скорости движения фаз обусловливают их высокую производительность и компактность. Они незаменимы в процессах экстракции продуктов, время пребывания которых в аппарате ограничено (например, экстракция антибиотиков). Однако такие экстрактора имеют сложную конструкцию, высокую стоимость и дороги в эксплуатации.

ЭКСТРАКТОР С МЕШАЛКОЙ

 

Принцип работы

 

Экстрактор с мешалкой (рис. 12) состоит из корпуса 2 и мешалки 3, закрепленной на валу электродвигателя 1.

После заполнения аппарата обрабатываемым раствором и экстрагентом, осуществляется его включение. Перемешивающее устройство (мешалка) осуществляет дробление жидкости, увеличивая поверхность контакта фаз, поддерживает полученные капели во взвешенном состоянии и приводит их к относительному перемещению. В основном применяются быстроходные механические пропеллерные или турбинные мешалки, которые могут устанавливаться на валу по две штуки. После процесса смешения аппарат отключается от источника энергии, фазы расслаиваются и, благодаря различию в плотностях, удаляются из нижней части аппарата поочередно.

 

РАСПЫЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСТРАКТОР

 

Принцип работы

 

Распылительный колонный экстрактор (рис. 13) состоит из полой колонны, внутри которой имеются распределительные устройства 1 и 2 для ввода легкой и тяжелой фаз. Верхняя и нижняя части колонны имеют больший диаметр, чем диаметр корпуса, и играют роль отстойников для разделения эмульсий.

Обрабатываемый раствор и экстрагент поступают в колонну через распределительные устройства. Жидкость I, имеющая большую плотность (тяжелая фаза) подается сверху, жидкость II с меньшей плотностью (легкая фаза) – снизу. При этом одной жидкостью заполняется весь объем колонны – это так называемая сплошная фаза, другая подается в виде небольших капель (диспергируется) – это дисперсная фаза. В распылительном экстракторе, представленном на рис. 13, диспергируется более легкая фаза. При прохождении капель по высоте колонны происходит процесс переноса вещества из одной фазы в другую. В зависимости от того, в какой фазе находится переносимое вещество, различают массопередачу в каплю и из капли. Легкая фаза, достигнув верхней части колонны, отстаивается, освобождаясь от капель более тяжелой фазы, и сливается с верхнего уровня отстойника. Тяжелая фаза отводится из колонны снизу через гидрозатвор 3. Высота гидрозатвора определяет положение границы раздела фаз и обусловливает диспергирование той или другой жидкости. Для предотвращения образования газовой пробки гидрозатвор соединен трубой 4 с верхним пространством аппарата, свободным от жидкости.

НАСАДОЧНЫЙ ЭКСТРАКТОР

 

 

 

Принцип работы

 

Насадочный колонный экстрактор (рис. 14) по конструкции аналогичен насадочному абсорберу. Он состоит из колонны, в которой находятся насадка 1, опорная решетка 2.

Насадку укладывают на опорную решетку, имеющую отверстия или щели для прохода жидкостей. Сначала подают исходный раствор, который является тяжелой фазой. Экстрагент противотоком диспергируют с помощью распределительного устройства. В слое насадки капли многократно коалесцируются (коалесценция – процесс сливания капелек жидкости в более крупные капли) и дробятся вновь, что повышает эффективность процесса. Разделение фаз в колонне происходит в отстойных зонах, из которых в дальнейшем осуществляется их слив. Для регулирования границы раздела фаз в аппарате используется гидрозатвор.

 

ТАРЕЛЬЧАТЫЙ ЭКСТРАКТОР

 

 

 

Принцип работы

 

Тарельчатая колонная (рис. 15) состоит из колонны, по высоте которой расположены ситчатые или перфорированные тарелки 1, имеющие отверстия для прохода дисперсной фазы, переливные трубки 2 для перетока тяжелой фазы, также имеется гидрозатвор 3.

Сплошная фаза I, как более тяжелая, движется сверху, перетекая от тарелки к тарелке по переливным трубам. Противотоком к ней диспергируется более легкая фаза II, которая собирается под тарелкой, образуя сплошной слой. Гидростатическим давлением слоя жидкость преодолевает сопротивление отверстий тарелки и вновь диспергируется, взаимодействуя со сплошной фазой. И так от тарелки к тарелке. Для регулирования границы раздела фаз в аппарате используется гидрозатвор.

Диспергировать можно и более тяжелую фазу. В этом случае она будет образовывать сплошной слой уже на тарелке и под действием гидростатического давления продавливаться через отверстия, дробиться и взаимодействовать со сплошной фазой.

 

ПУЛЬСАЦИОННЫЙ ЭКСТРАКТОР

 

 

Принцип работы

 

В пульсационной колонне (рис. 16) степень диспергирования увеличивается за счет дополнительного подвода механической энергии. Экстрактор состоит из колонны, в которой расположены ситчатые тарелки 1, у которых отсутствуют переливы. Возвратно-поступательное движение жидкостям сообщает поршневой насос 2 (или механический, пневматический и др. пульсатор).

Тяжелая сплошная фаза I движется сверху вниз. Более легкая дисперсная фаза II осуществляет движение снизу вверх. При взаимодействии фаз осуществляется их пульсация поршневым насосом или пульсатором. Пройдя по высоте колонны, каждая фаза отстаивается в отстойниках и отводится из колонны.

Пульсацию жидкостям можно сообщить посредством вибрации перфорированных тарелок, укрепленных на общем штоке, которому сообщается возвратно-поступательное движение. Такие аппараты чаще называют вибрационными экстракторами.