Материал: массооб колонн

В вакуумной ректификации используют объемные насадки из гофрированных листов, размещенных горизонтально. В слое насадки небольшой высоты соседние листы укладывают гофрами перпендикулярно один другому, как в случае гофрированной сетчатой насадки. Разновидность насадочных аппаратов – тарельчато-насадочные аппараты, в которых размещены с зазором чередующиеся слои насадок и тарелки. При использовании в таких аппаратах, например, провальных тарелок и насадок из гофрированных лент обеспечиваются равномерное распределение жидкости и высокая эффективность тепло- и массообмена в широком диапазоне нагрузок по газу и жидкости при незначительном брызгоуносе. Насадочные аппараты обладают высокой разделительной способностью смесей на компоненты и отличной производительностью, а также сравнительно низким гидравлическим сопротивлением, просты в изготовлении, надежны в работе. Недостатки: трудность отвода теплоты, выделяющейся при контакте взаимодействующих потоков, и плохая смачиваемость насадки при малых плотностях орошения. Насадочные аппараты широко применяют во многих отраслях промышленности.

4.ЭКСТРАКЦИОННЫЕ АППАРАТЫ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Процессом экстракции называют избирательное извлечение отдельных компонентов из смеси жидких или твердых веществ с помощью растворителей. Смесь растворителя (экстрагента) с извлеченным компонентом называют экстрактом; смесь, образовавшуюся после процесса экстракции, – рафинатом. Если реализуется взаимодействие между жидкой и твердой фазами, то имеет место экстрагирование твердых тел, если взаимодействуют только жидкие фазы, то имеет место экстрагирование жидкостей.

Процесс экстракции включает 3 последовательные стадии: смешение исходной смеси веществ с экстрагентом; механическое разделение (расслаивание) двух образующихся фаз; удаление экстрагента из обеих фаз и его регенерацию с целью повторного использования. После механического разделения получают раствор извлекаемого вещества в экстрагенте (экстракт) и остаток исходного раствора (рафинат) или твёрдого вещества. Выделение экстрагированного вещества из экстракта и одновременно регенерация экстрагента производится дистилляцией, выпариванием, кристаллизацией, высаливанием и т. п. Достоинствами экстракции являются низкие рабочие температуры, рентабельность извлечения веществ из разбавленных растворов, возможность разделения смесей, состоящих из близкокипящих компонентов, и азеотропных смесей, возможность сочетания с другими технологическими процессами (ректификацией, кристаллизацией), простота аппаратуры и доступность её автоматизации. Недостатком

31

экстракции в ряде случаев является трудность полного удаления экстрагента из экстрагируемых веществ. Экстракция подчиняется законам диффузии и равновесного распределения. При экстракции из жидкостей после смешения исходного раствора с экстрагентом и расслоения образовавшейся смеси концентрация у экстрагируемого вещества (В) в фазе экстракта больше его концентрации х в фазе рафината. При взаимной нерастворимости экстрагента (С) и растворителя (Л) исходного раствора зависимость у от х для равновесной системы (для которой у обозначается как ур) изображается в диаграмме у – х (рис. 4.1, а). Если раствор разбавлен, а вещество В в экстракте находится в неассоциированном и недиссоциированном состояниях, то отношение (коэффициент распределения) – величина постоянная, не зависящая от концентрации, и линия равновесия в диаграмме у – х является прямой; в противном случае Kp – функция концентрации, и линия равновесия криволинейна. Kp всегда зависит от температуры, практически не зависит от давления; определяется он экспериментальным путём.

Рис. 4.1. Диаграммы равновесия и схема однократной экстракции:

а– диаграмма равновесия для систем, в которых экстрагент

ирастворитель исходного раствора взаимно нерастворимы;

б– схема однократной экстракции при встречном движении

исходного раствора и экстрагента; в – диаграмма равновесия для систем, в которых экстрагент и растворитель исходного раствора частично растворимы

Вследствие кратковременности и несовершенства акта смешения экстрагента и исходного раствора действительная (рабочая) концентрация у всегда меньше равновесной ур. Степень приближения у к ур характеризует эффективность экстракции, а разность yp – y является его движущей силой. В результате однократной экстракции возможна сравнительно небольшая степень извлечения вещества В из исходного раствора, поэтому

32

прибегают к многократному повторению актов смешения и последующего расслаивания взаимодействующих фаз при их встречном движении (рис. 4.1, б). Если в исходном растворе концентрация вещества В уменьшается от x1 до x2, то его концентрация в фазе экстракта возрастает от 0 до y1. Из уравнения материального баланса экстракции:

где D и W – соответственно расходы чистого экстрагента и чистого растворителя) можно определить расход экстрагента. Уравнение (1) описывает прямую (см. рис. 4.1, а), проходящую через точки с координатами (x1,0) и (x1, y1). В приведённых выражениях x1 и y1 – концентрации относительно чистого растворителя А и чистого экстрагента С. Очевидно, что при прочих равных условиях расход экстрагента растет по мере уменьшения концентрации (x2) вещества В в рафинате и уменьшения его концентрации y1 в экстракте. Кинетикаэкстракцииописываетсяобщимуравнениеммассообмена:

M = KcFt,

где М – количество экстрагированного вещества; К – коэффициент массопередачи; с – средняя разность концентраций экстрагируемого вещества в обеих фазах; F – величина межфазной поверхности; t – время.

Величина с однозначно определяется заданными концентрациями х, у и ур, поэтому для достижения больших значений М стремятся увеличить К путём турбулизации потоков взаимодействующих фаз и F — путём диспергирования одной из фаз (экстрагента или исходного раствора) на мелкие капельки. Точное значение К пока не может быть рассчитано теоретическим путём, поэтому эффективность процесса экстракции выражают, как и при ректификации или абсорбции, числом ступеней равновесия (идеальных тарелок). Графическое определение числа ступеней равновесия показано на рис. 4.1, а. В случае частичной растворимости растворителя А и экстрагента С равновесие системы изображается в плоскости равностороннего треугольника (рис. 4.1, в). Каждой точке внутри треугольника соответствует тройная смесь, в которой концентрации компонентов А, В, С измеряются длинами перпендикуляров, опущенных на противолежащие стороны. Под кривой EG (бинодальной кривой) расположена область гетерогенных смесей, а над кривой – гомогенных растворов. Процессы экстракции, поскольку в них чередуются акты смешения и расслаивания фаз, протекают только в гетерогенной области. Смешав исходный раствор с некоторым количеством экстрагента, получим тройную гетерогенную смесь Р, которая расслаивается на экстракт Q и рафинат R с концентрацией экстрагируемого вещества В. Если теперь смешать рафинат со свежей порцией экстрагента, то получим новую гетерогенную смесь P1, которая расслоится на экстракт Q1 и рафинат R1 с более низкой концентрацией Q1. Положение

33

прямых QR и Q1R1 называется конодами, определяется для каждой системы экспериментальным путём. Продолжая акты смешения и расслаивания, можно добиваться дальнейшего понижения концентрации компонента В в рафинате, т. е. повышения степени экстракции. Совершенно очевидно, что число построенных конод (их может быть сколько угодно) равно числу ступеней равновесия. В приведённом примере периодической экстракции после каждого акта смешения и расслаивания падает концентрация В как в рафинате, так и в экстракте. Для повышения концентрации вещества В в экстракте и большего его исчерпывания из рафината во многих случаях прибегают к экстракции с так называемой обратной флегмой. Сущность этого процесса сводится к частичному отделению экстрагента от экстракта и исходного растворителя от рафината и обратному возвращению долей этих фракций в аппарат навстречу уходящим потокам.

Для экстракционного разделения двух компонентов (B1 и B2), особенно с близкой растворимостью в исходном растворителе, часто используют два экстрагента с различной селективностью. Исходный раствор поступает в среднюю часть экстрактора, один из экстрагентов – в верхнюю часть, другой – в нижнюю. В результате компонент B1 переходит в фазу одного экстрагента, компонент B2 – в фазу другого (рис. 4.2). Наиболее эффективна непрерывная экстракция, осуществляемая в многоступенчатых аппаратах (экстракторах) при противотоке исходного раствора и экстрагента. В этом случае заданная степень экстракции достигается при наименьшем расходе экстрагента.

Рис. 4.2. Схема установки непрерывного действия

для экстракции двумя растворителями: 1 – колонна; II – установка для регенерации экстрагента SB2; III – установка для регенерации

экстрагента SB1; IV – дополнительные смесители (в случае работы

с флегмой); 1,2,3, ..., n-1, n – номера ступеней: L – исходный раствор; N – сырой экстракт; Rn – сырой рафинат; B1, B2 – экстрагируемые компоненты

34

Многоступенчатые экстракторы (см. рис. 4.3, а, б, в) обычно представляют собой вертикальные колонны, разделённые поперечными перфорированными тарелками, вращающимися дисками, мешалками и т. п. на ступени (секции). В каждой ступени происходит перемешивание взаимодействующих фаз и их расслаивание. Таким образом, исходный раствор и экстрагент многократно перемешиваются и расслаиваются. Эффективность этих аппаратов оценивается КПД отдельных ступеней или высотой аппарата, эквивалентной одной ступени равновесия – теоретической тарелке. Значит, распространение получили экстракторы ситчатые и с механическим перемешиванием.

В ситчатых (рис. 4.3, а) ступени разграничены перфорированными горизонтальными тарелками и сообщаются между собой переливными трубками. Одна из контактирующих жидкостей, проходя через отверстия тарелок, диспергируется, чем создаётся большая поверхность контакта с встречной жидкостью, протекающей по переливным трубкам в виде сплошной фазы.

Рис. 4.3. Схемы экстракционных колонн: а – колонна с ситчатыми тарелками;

б– роторно-дисковый экстрактор; в – колонна с чередующимися смесительными

иотстойными насадочными секциями; г – распылительная колонна;

д– насадочная колонна; 1 – колонна; 2, 6 – распылители; 3 – ситчатая тарелка; 4 – переливные трубки; 5, 12 – насадки; 7, 10 – валы; 8 – плоский ротор;

9 – кольцевые перегородки; 11 – мешалки

Экстракторы с механическим перемешиванием делятся на роторнодисковые (рис. 4.3, б) и с чередующимися смесительными и отстойными насадочными секциями (рис. 4.3, в). В роторно-дисковых экстракторах вращающиеся диски перемешивают и диспергируют жидкости, после чего они расслаиваются. В экстракторах со смесительными и насадочными сек-

35