Экстрагирование

1, 5—отстойные зоны; 2—корпус; 3—кольцевые перегородки; 4—ротор

Рисунок 11 – Роторно-дисковый экстрактор

 

Диаметр дисков ротора D_p составляет 0,5...0,7 диаметра экстрактора, а диаметр отверстий кольцевых перегородок D_K = (0,6...0,8) Д, (где D_э — диаметр экстрактора), высота секции Н= (0,15...0,3) D_э

В других конструкциях на роторе в средней плоскости каждой секции расположены открытые турбинные  мешалки. Секционирование достигается при помощи кольцевых перегородок. В таких экстракторах чередуются зоны смешения и разделения.

Вместо кольцевых перегородок  зоны перемешивания могут разделяться  слоем насадки, например колец Рашига, в которой тройная смесь разделяется на легкую и тяжелую жидкость. На рис. 12 показан экстрактор с турбинными мешалками и отстойными зонами, заполненными кольцами Рашига.

1—ротор; 2— слой насадки; 3—турбинные мешалки

Рисунок 12 – Фрагмент  роторно-насадочного экстрактора

 

Преимуществами описанных  экстракторов являются: эффективный  гидродинамический режим, соответствующий  значениям модифицированного числа  Рейнольдса , который определяет высокие коэффициенты массопередачи и площади поверхности межфазного контакта; разделение реакционного объема на секции, что приводит к увеличению средней движущей силы до значений, близких к таковым для аппарата идеального вытеснения; возможность регулирования частоты вращения ротора, что позволяет изменять производительность и эффективность работы экстрактора.

Вибрационные и пульсационные  экстракторы позволяют повысить интенсивность массопередачи и использовать положительные качества гравитационных экстракторов (простота конструкции, низкая стоимость, небольшие затраты на эксплуатацию).

Колебательное движение жидкостям  может сообщаться установленным вне экстрактора пульсатором либо посредством движущегося возвратно-поступательного блока ситчатых тарелок, насаженных на подвижный общий шток. В первом случае экстрактор называется пульсационным (рис. 13), во втором — вибрационным.

Золотниково-распределительный  механизм состоит из диска, вращающегося в неподвижном корпусе. Диск и  корпус имеют по два окна для соединения пульсационной камеры с системой сжатого воздуха и для сообщения  камеры с атмосферой. При совпадении прорезей для сжатого воздуха на диске и корпусе жидкость в пульсационной камере находится под избыточным давлением. За счет перепада давления жидкость приобретает поступательное движение. Когда пульсационная камера сообщается с атмосферой, при совпадении прорезей сброса давления на вращающемся диске и корпусе происходит сброс давления и жидкость совершает возвратное движение. Регулируя частоту вращения диска, можно изменять частоту колебания жидкости в экстракторе. Амплитуда колебаний определяется давлением сжатого воздуха. Частота пульсаций обычно составляет 30...250 мин^-1, а амплитуда — 2...25 мм.

1 – неподвижный корпус; 2- вращающийся диск; 3 — окна для соединения с системой сжатого воздуха; 4 — окно для сообщения с атмосферой; 5—пульсационная камера

Рисунок 13 – Пульсационный экстрактор

 

В зависимости от произведения амплитуды на частоту колебаний (Af) пульсационные экстракторы могут работать в смесительно-отстойном и эмульгационном режимах.

В смесительно-отстойном  режиме за один цикл пульсаций легкая фаза, перемещаясь с нижней на вышележащую тарелку, диспергируется на тарелке и коалесцирует в межтарельчатом пространстве. Тяжелая фаза движется навстречу через слой легкой жидкости. Для этого режима характерны небольшие продолжительность контакта фаз и площадь межфазной поверхности. С возрастанием Аf размер капель уменьшается и возникает эмульга-ционный режим, для которого характерно наличие мелких капель примерно одного диаметра, заполняющих весь межтарельчатый объем экстрактора.

Размер отверстий в  тарелках экстрактора составляет 3...5 мм, площадь всех отверстий принимается  равной 20...25 % площади поперечного  сечения колонны; расстояние между  тарелками 50 мм.

Лучшее распределение  и диспергирование достигаются  на тарелках с прямоугольными отверстиями и направляющими лопатками.

В вибрационных экстракторах вибрация блока тарелок происходит при больших частотах и меньших амплитудах, чем пульсация жидкости в пульсационных экстракторах. Расход энергии на вибрацию блока тарелок значительно меньше, чем в пульсационных экстракторах на перемещение всего столба жидкости.

Преимущество пульсационных  и вибрационных экстракторов—эффективная массопередача, которая достигается путем увеличения коэффициентов массоотдачи, средней движущей силы процесса и создания развитой поверхности фазового контакта. ВЭТС в таких экстракторах в 5...6 раз ниже, чем в тарельчатых ситчатых экстракторах.

Удельные нагрузки [30...80 м³/(м²ч)] превышают допустимые в роторно-дисковых экстракторах.

Высокая эффективность массопередачи позволяет значительно сократить металлоемкость экстракционного оборудования, что приводит к снижению капитальных затрат.

В то же время для пульсационных  и вибрационных экстракторов требуются более мощные фундаменты, выдерживающие значительные динамические нагрузки. Эксплуатационные затраты для таких экстракторов несколько выше, чем для обычных тарельчатых экстракторов.

В центробежных экстракторах (рис. 14) экстракция протекает при непрерывном контактировании движущихся противотоком фаз при минимальной продолжительности взаимодействия.

В корпусе машины, состоящем  из двух кожухов: верхнего и нижнего, расположен вал с закрепленным на нем ротором. Вал с двух концов полый и выполнен по типу «труба в трубе», а в центральной части цельный, с каналами для отвода легкой жидкости. Вал вместе с ротором вращается с частотой около 4500 мин^-1.

Обрабатываемый раствор  и экстрагент поступают в экстрактор с противоположных концов полого вала, как показано на рис. 10 Легкая жидкость подводится со стороны привода, а тяжелая — с противоположного конца вала. Вал уплотняется с помощью двойных торцевых уплотнений. Уплотнительной жидкостью служит обрабатываемая в экстракторе жидкость.

 

1 – корпус экстрактора; 2 – V-образное кольцо;  3 – ротор; 4 - труба для подвода легкой жидкости; 5 – труба для отвода легкой жидкости; 6 – труба для подвода тяжелой жидкости;  7 – канал для выхода тяжелой жидкости

Рисунок 14 – Экстрактор «Подбильняк»

 

Внутри ротора находится  пакет концентрических V-образных колец. В нем предусмотрены каналы для прохода легкой и тяжелой жидкости. Тяжелая жидкость поступает в пакет ротора, в его центральную часть, в то время как легкая жидкость — в периферийную часть. При вращении ротора вместе с пакетом колец тяжелая жидкость под действием центробежной силы устремляется к наружному периметру ротора, а легкая движется навстречу валу ротора. Таким образом, жидкости контактируют в противотоке. Благодаря многократному диспергированию жидкости на капли и их коалесценции достигается высокая эффективность экстракции.

После разделения тройной  смеси жидкости выводятся по каналам в роторе в пустотелый вал: тяжелая жидкость выводится со стороны привода, а легкая — с противоположного конца вала, со стороны входа тяжелой жидкости.

Внутри ротора происходит инверсия фаз. Если в периферийной части ротора дисперсная фаза легкой жидкости взаимодействует со сплошной фазой тяжелой жидкости, то в зоне, прилежащей к оси ротора, наоборот, дисперсная фаза тяжелой жидкости контактирует со сплошной фазой легкой жидкости.

На отводной трубе легкой жидкости предусмотрен обратный клапан для регулирования положения  границы двух фаз в радиальном направлении. Изменяя обратным клапаном рабочее давление легкой жидкости, можно получить необходимое соотношение объемов легкой и тяжелой жидкости, удерживаемых в роторе экстрактора.

Эффективность экстракции можно  регулировать в зависимости от свойств  обрабатываемых жидкостей путем  изменения объема удерживаемой в  роторе тяжелой и легкой жидкости.

С повышением частоты вращения ротора возрастают эффективность экстракции и производительность экстрактора, устраняется «захлебывание» и повышается эффективность разделения тройной смеси.

Центробежные экстракторы  характеризуются компактностью  и высокой эффективностью. Их отличительной  чертой является существенное ускорение процессов смешения и разделения фаз в поле центробежных сил. Время пребывания фаз в таких экстракторах в зависимости от конструкции составляет от нескольких секунд до нескольких десятков секунд.

В центробежных экстракторах можно обрабатывать жидкости с малой  разностью плотностей и при низком модуле экстрагента.

Экстракционная установка  непрерывного действия (рис. 11) включает экстрактор, а также емкости для исходного раствора, экстрагента, рафината и экстракта. Исходный раствор подается в верхнюю часть экстрактора из емкости 3 насосом 2. Из емкости 4 насосом 1 экстрагент (легкая жидкость) подается в нижнюю часть экстрактора.

Массообмен в экстракторе происходит в противотоке: экстрагент проходит через тарелки снизу вверх, а исходный раствор движется навстречу. В итоге из верхней части экстрактора выходит экстракт, а из нижней — рафинат, которые собираются в соответствующие емкости. [2]

 

1, 2—насосы; 3, 4, 6, 7—емкости; 5—экстрактор

Рисунок 15 – Схема непрерывнодействующей экстракционной установки

 

 

3 Инженерные расчеты

В противоточном экстракторе  непрерывного действия обрабатываются чистым бензолом сточные фенольные  воды с целью очистки воды и извлечения фенола. Определить необходимое количество растворителя и число теоретических ступеней экстракции, если в 1 ч обрабатывается 10 м³ воды. Содержание фенола в воде: начальное 8 кг/м³, конечное содержание фенола в бензоле 25 кг/м³, температура жидкостей 25.

Решение. Данные по равновесию берем из «Справочника химика»:

Содержание фенола в воде с₁, г-экв/л ……..0,0272  0,1013  0,3660

Равновесное содержание фенола

в бензоле с₂, г-экв/л…………………………..0,062    0,279    2,978

Пересчитываем концентрации в кг/м³: ; . При этом получаем:

Содержание фенола в воде , кг/м³………….0,426     1,59      5,74

Равновесное содержание фенола в

бензоле  , кг/м³……………………………….0,974     4,37      46,7

Необходимое количество бензола  найдем из уравнения материального  баланса:

 

 м³/ч, м³/ч=0,00083м³/с;

Общее количество растворителя:

 кг/с

Число теоретических ступеней находим графически: наносим на диаграмму  равновесия , построенную по приведенным данным, рабочую линию, проходящую через точки с координатами  , и , , и вписываем между рабочей линией и равновесной кривой ступени изменения концентрации. В данном случае требуется семь ступеней. [5]

 

Ответ: F=0,73 кг/с; 7 теоретических ступеней 

 

 

Список используемой литературы

 

1. Раицкий Г. Е. Курс лекций для студентов по специальности 1-49 01 02 «Технология хранения и переработки животного сырья». – Гродно, ГГАУ, 2011, 636 с, ил.

2. Кавецкий Г.Д., Васильев Б. В. Процессы и аппараты пищевой технологии. – 2-е изд., перераб. И доп. – М.: Колос, 2000. – 551 с. (Учебники и учеб. Пособия для студентов высших учебных заведений).

3. Кавецкий Г.Д., Воробьева А.В. Технологические процессы и производства (пищевая промышленность). – М.: КолосС, 2006. – 368 с.: ил. – (Учебники и учеб. пособия для студентов высших учеб. заведений).

4. Плаксин Ю. М., Малахов  Н. Н., Ларин В.А. Процессы и аппараты пищевых производств. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: КолосС, 2007. – 760 с.: ил. – (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений).

5. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов/ Под ред. чл. – корр. АН СССР П. Г. Романкова. – 9-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1981. – 560 с., ил.