Материал: массооб колонн

циями лопастные или турбинные мешалки размещены на общем вертикальном валу попеременно со слоями неподвижной насадки (кольца Рашига, спирали, пакеты сеток и пр.). Перемешанные жидкости, пройдя через слои насадки, расслаиваются. Применяются также экстракторы с непрерывным контактом взаимодействующих фаз (распылительные, насадочные), не разделённые на отдельные ступени, их эффективность при достаточной высоте измеряется несколькими ступенями. Распылительные экстракторы (рис. 4.3, г) снабжены соплами, инжекторами и т. п. для диспергирования взаимодействующих жидкостей. Такие аппараты отличаются простотой и высокой производительностью, но сравнительно невысокой эффективностью. Несколько более эффективны, но менее производительны насадочные экстракторы(рис. 4.3, д), наполненныекольцами Рашига, кольцами Паля и др.

Часто используются ящичные экстракторы, которые разделены вертикальными перегородками на ступени, каждая из которых состоит из смесительной и отстойной камер (рис. 4.4). Расположенные в смесительной камере турбинные мешалки перемешивают жидкости и одновременно транспортируют их из ступени в ступень. Такие экстракторы могут работать при любом соотношении исходного раствора и экстрагента, сохраняя при этом рабочие концентрации жидкостей при прекращении процесса.

Рис. 4.4. Ящичный экстрактор: 1 – камера смешения; 2 – жалюзийная перегородка; 3 – отстойная камера; 4 – граница раздела фаз; 5, 6 – регулирующие трубки;

7 – рециркуляционная трубка; 8 – всасывающий коллектор; 9 – турбинная мешалка

Для экстракции неустойчивых соединений (например, антибиотиков) используются центробежные экстракторы, ротор которых состоит из набора цилиндров, перфорированных с обоих концов, или спиральных лент. Исходный раствор и экстрагент движутся навстречу друг другу, причём более тяжёлая жидкость – от центра к периферии, а более лёгкая – в обратном направлении. Контакт жидкостей происходит на пути их движения,

36

а диспергирование – при прохождении через перфорированные части цилиндров. Экстракция из твёрдых веществ изображается диаграммой фазового равновесия, показанной на рис. 4.1, а. В этом случае в зависимости от конструкции используемого аппарата экстрагент проходит либо через слой неподвижной твёрдой фазы, либо перемешивается с нею, либо движется в противотоке к твёрдой фазе, перемещаемой различными транспортными устройствами. Применяется, например, непрерывный противоточный экстрактор (рис. 4.5), где твёрдая фаза перемещается перфорированными шнеками вдоль U-образного цилиндрического корпуса навстречу экстрагенту.

Рис. 4.5. Непрерывный противоточный экстрактор:

1 – корпус; 2 – перфорированные шнеки; 3 – ввод твердой фазы; 4 – отвод твердой фазы;

5 – ввод экстрагента;

6 – отвод экстрагента;

7 – процеживатель

Экстракт отводится через процеживатель – цилиндрический лист с вертикальными прорезями.

Экстракция широко применяется в химической, нефтеперерабатывающей, металлургической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. Экстрагентами при этом служат спирты, кетоны, простые и сложные эфиры, амины, эфиры фосфорной кислоты, хелатообразующие соединения и др. Экстрагенты используют в смесях с разбавителями – жидкостями, которые служат для улучшения физических (вязкость, плотность) или экстракционных свойств экстрагентов. Разбавителями могут быть керосин, бензол, хлороформ и т. п.

Достоинством экстракции при работе с короткоживущими радиоактивными изотопами является также экспрессность. В таких процессах экстрагенты должны обладать радиационной устойчивостью. Для обеспечения безопасности человека при экстракции радиоактивных веществ применяют дистанционное управление. Во многих случаях использование экстракции в аналитической химии и радиохимии сочетают с другими методами (хроматографией, соосаждением, дистилляцией и т. д.).

37

5. АППАРАТЫ ДЛЯ ПРОЦЕССОВ АДСОРБЦИИ

Процесс адсорбции заключается в избирательном поглощении компонентов из парогазовых (или жидких) сред, поверхностью твердого поглотителя – адсорбента. Сорбционные процессы, как правило, обратимы. Поглощаемое из раствора вещество называется адсорбтивом. После того как извлеченный компонент перешел в адсорбированное состояние, его называют адсорбатом.

Применение адсорбционных методов экономически выгодно в случае небольших концентраций поглощаемого вещества в растворе. Процессы адсорбции широко используются в промышленности для глубокой осушки природных газов, воздуха, газовых смесей в каталитических процессах, для очистки вентиляционных выбросов. При адсорбции из отходящих газов удаляют сероводород, хлор, сероуглерод, извлекают бензин из углеводородных газов. Из жидких сред выделяют растворители, очищают масла и парафин. Адсорбция позволяет почти полностью извлечь из смеси целевые компоненты.

Механизм сорбции обусловлен силами притяжения между молекулами адсорбента и адсорбтива. Силы притяжения имеют физическую или химическую природу. Соответственно, они обуславливают либо физическую адсорбцию, либо химическую (хемосорбцию). Взаимосвязь между молекулами раствора и поверхностью адсорбента определяется слабыми дисперсными, индукционными и ориентационными силами при физической сорбции. С повышением температуры количество адсорбированного вещества, как правило, уменьшается, а рост давления приводит к возрастанию величины сорбции. При хемосорбции между молекулами раствора и поверхностными молекулами поглотителя происходит химическая реакция, возникающие при этом силы сцепления значительно больше, чем при физической адсорбции, происходит потеря индивидуальности адсорбтива и адсорбента. Физическая адсорбция в отличие от химической является обратимым процессом. Обратимость физической адсорбции позволяет последовательно проводить процессы адсорбции и десорбции. При десорбции из адсорбента извлекаемый поглощенный компонент и очищенный адсорбент можно использовать вновь.

Применяемые в промышленности адсорбенты должны обладать следующими основными характеристиками: большая динамическая емкость (время защитного действия), развитая удельная поверхность, селективность (избирательная способность к поглощению), низкая стоимость, термическая и механическая прочность, способность к регенерации.

Промышленные адсорбенты можно охарактеризовать рядом признаков: адсорбционная (поглотительная) емкость (активность), поверхность, объем и размеры пор, избирательность. Адсорбционная емкость является

38

важнейшим показателем, она определяет эффективность очистки газов и размеры аппарата. Различают статическую (равновесную) и динамическую емкости адсорбентов. Для описания равновесного состояния системы применяют статическую емкость, которая устанавливает, какое максимальное количество вещества способен поглотить адсорбент. Динамическая емкость показывает, какое количество вещества способен адсорбировать адсорбент от начала процесса до момента, когда в выходящем из слоя сорбента газе-носителе появляются следы адсорбтива. Поглотительная способность адсорбента зависит от вида и концентрации сорбируемого вещества, от температуры и давления процесса, а также от природы самого адсорбента. Для промышленных адсорбентов первостепенное значение имеет отсутствие потери ими адсорбционной активности после проведения нескольких сотен и тысяч циклов «адсорбция–десорбция». Для увеличения поглотительной способности необходимо искусственно формировать адсорбенты с максимально возможной площадью поверхности пор. Согласно классификации академика М. М. Дубинина, поры в твердых телах могут быть подразделены на макропоры (эффективный радиус пор – r > 0,1 мкм), переходные поры (r – 0,0015...0,1 мкм) и микропоры (r < 0,0015 мкм). Удельная поверхность макропор относительно мала (составляет 0,2 - 0,5 % от общей поверхности адсорбента), поэтому макропоры поглощают незначительное количество вещества и служат для переноса адсорбируемых молекул к переходным порам или микропорам. В переходных порах образуются слои поглощенного вещества (один – мономолекулярная адсорбция, несколько – полимолекулярная адсорбция). В микропорах, размер которых соизмерим с размерами адсорбируемых молекул, происходит объемноезаполнениеадсорбатом.

В промышленности в качестве адсорбентов применяются следующие вещества, имеющие развитую поверхность и структуру пор: активные угли, силикагели, алюмогели и цеолиты.

Первостепенное значение в сорбционных технологиях имеет этап регенерации адсорбентов, который во многом определяет экономическую целесообразность использования данного процесса в промышленности. На очистку адсорбентов приходится до 60 - 70 % всех энергетических затрат адсорбционно-десорбционного цикла. Существует два основных метода проведения десорбции (регенерации адсорбентов):

1)вытеснение из адсорбента поглощенных веществ новыми компонентами, которые имеют большую склонность к сорбции;

2)испарение поглощенных компонентов путем нагрева адсорбента. Выбор метода регенерации зависит от особенностей конкретного

адсорбционного процесса. В настоящее время наиболее часто в качестве десорбирующих агентов используют острый насыщенный или перегретый водяной пар, инертные газы. После осуществления десорбции слой адсорбента, как правило, подвергают сушке и охлаждению.

39

6. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ

Мембранные процессы позволяют с помощью мембраны разделить исходную смесь на две составляющие: фильтрат (пермсат) и концентрат (ретант). Разделение происходит вследствие того, что один компонент из исходной смеси переносится через селективную мембрану в фильтрат с большей скоростью, чем другой компонент или компоненты, которые образуют в итоге концентрат.

В основу классификации мембранных процессов можно положить движущую силу. Микрофильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос, пьезодиализ осуществляются под действием перепада давления. Первапорацию (испарение через мембрану), газоразделение, диализ проводят под действием градиента концентраций. Термоосмос, мембранная дистилляция требуют градиента температур.

Условно выделяют мембранные процессы первого поколения (микрофильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос, электродиализ и диализ) и второго поколения (газоразделение, первапорация, мембранная дистилляция, разделение с помощью жидких мембран).

Мембранные процессы разделения обладают следующими преимуществами:

протекают без энергоемких фазовых переходов веществ (исключение составляет испарение через мембрану);

работают в мягких температурных режимах, что дает возможность разделять термически нестойкие продукты;

не требуют больших энергетических затрат;

могут легко сочетаться с другими процессами разделения;

мембранные установки требуют немного времени для запуска и остановки, легко автоматизируются, имеют возможность масштабирования на заданную производительность, трудозатраты на их эксплуатацию минимальны;

осуществляются без внесения каких-либо добавок, то есть являются экологически чистыми;

могут работать в непрерывном режиме.

Следует упомянуть и недостатки:

необходимость периодической очистки мембран вследствие отложения осадков на их поверхности;

короткое время эксплуатации мембран (в среднем от одного до трех лет).

Все мембранные аппараты имеют нечто общее, а именно мембрану – селективно проницаемую перегородку между двумя фазами. Согласно Комиссии по мембранной номенклатуре, мембрана – это объект, имеющий размер в одном измерении (толщину), значительно меньший, чем в других

40