Конструкции экстракторов

Промышленные экстракторы, как правило, представляют собой устройства непрерывного действия. Экстракторы периодического действия применяют в малотоннажных производствах и при лабораторных работах.

По характеру изменения состава жидких фаз экстракционные аппараты делятся на смесительно-отстойные, колонные (дифференциально-контактные) и центробежные.

В смесительно-отстойных экстракторах происходит смешение и разделение фаз в каждой ступени. Поэтому концентрации извлекаемого компонента в экстрагенте и обрабатываемой смеси изменяются ступенчато.

В колонных экстракторах осуществляется непрерывный или близкий к непрерывному контакт экстрагента и исходного раствора. Фазы движутся противотоком друг к другу и непрерывно разделяются на выходе из аппарата. Концентрация извлекаемого компонента в фазах изменяется также непрерывно по всему аппарату.

В центробежных экстракторах сам процесс экстракции и разделение фаз происходит в центробежном поле, причем контакт фаз может осуществляться как ступенчато, таки непрерывно.

Смесительно-отстойные экстракторы могут представлять собой один аппарат, в котором процесс осуществляется периодически (перемешивание – расслоение), либо два аппарата, обеспечивающих непрерывный процесс: в первом происходит процесс экстракции (перемешивание), во втором – разделение полученных продуктов (отстаивание).

Экстракторы с мешалками являются наиболее распространенными аппаратами этого типа. Перемешивающее устройство необходимо для дробления одной из жидкостей в другой, что обеспечивает увеличение поверхности контакта фаз. Кроме того, оно обеспечивает поддержание капель во взвешенном состоянии и их перемещение относительно дисперсионной среды.

Для перемешивания применяют чаще всего быстроходные пропеллерные или турбинные мешалки. На рис. 12.2 представлен экстрактор с мешалкой, на вертикальном валу которой установлено

два пропеллера 1 и 2 с противоположным наклоном лопастей. Для усиления дробящего действия эти пропеллеры могут быть помещены в центральную циркуляционную трубу 3 с отверстия ми 4.

Смесительные экстракторы могут не иметь движущихся частей.

Инжекторный смеситель (рис. 12.3, а) обеспечивает перемешивание фаз в диффузоре путем подачи в него с большой скоростью жидкости L, засасывающей за счет своей кинетической энергии жидкость G.

Диафрагменный смеситель (рис. 12.3, б) обеспечивает дробление и перемешивание жидкостей L и G путем пропускания и: через установленные внутри трубы перфорированные диафрагмы. К экстракторам этого типа относятся трубы, заполненные насад кой, сопла, а также вентили.

Трубчатый смеситель (рис. 12.3, в) состоит из коаксиально установленных труб. Во внутреннюю перфорированную трубу подается под давлением жидкость (фаза G), в межтру6ное пространство, также под давлением, - фаза L. Перемешивание фаз (экстракция) происходит в кольцевом зазоре между трубами.

Недостатками последних трех типов смесителей является незначительная продолжительность перемешивания жидкостей в их рабочих зонах, а также необходимость установки после них сепарационного о6орудования (отстойников).

Колонные экстракторы подразделяют на распылительные (полые), насадочные, тарельчатые, пульсационные и роторно-дисковые.

Распылительные (полые) экстракторы представляют собой пустотелые колонны, заполненные одной из взаимодействующих жидкостей. На рис. 12.4 представлен экстрактор 1, заполненный тяжелой жидкостью L. Более легкая жидкость G распыляется в нее с помощью диспергирующего устройства 2, установленного в нижней части аппарата. Если в качестве сплошной фазы используется легкая жидкость, тяжелая жидкость распыливается в нее сверху.

Распылительные колонны обладают высокой производительностью, но малоэффективны, что объясняется укрупнением капель дисперсной фазы и обратным перемешиванием вследствие возникновения местных циркуляционных токов, нарушающих противоток фаз.

Насадочные экстракторы представляют собой распылительные экстракторы, заполненные насадочными телами, что способствует многократному дроблению и слиянию капель дисперсной фазы, а также сводит к минимуму обратное перемешивание.

По конструкции и простоте устройства насадочные экстракторы близки к распы‑

лительным, но производительность их несколько ниже, так как некоторая часть

сечения колонны занята насадкой. Эффективность разделения в этих аппаратах также невысокая.

Колонные экстракторы с тарелками (перегородками) применяют для уменьшения явления обратного перемешивания, а также организации благоприятных гидродинамических режимов проведения процессов экстракции.

В качестве перегородок могут использоваться чередующиеся друг с другом плоские диски (тарелки) и кольца. Контакт между фазами осуществляется при обтекании перегородок дисперсной фазой в виде тонкой пленки (при коалесценции* капель) и при движении капель дисперсной фазы в пространстве между перегородками.

В промышленности часто применяются колонные экстракторы с ситчатыми тарелками (рис. 12.5). В этом случае экстрактор 1 заполняется сплошной средой, которая перетекает из одного межтарельчатого пространства в другое через переливные патрубки 2.

Противотоком ей вводится дисперсная фаза, которая, накапливаясь в виде подпорного слоя под каждой тарелкой 3, диспергируется через отверстия тарелок в сплошную среду. Капли под действием подъемной силы движутся в среде и сливаются вновь в подпорном слое следующей тарелки.

В результате многократного диспергирования и слияния капель дисперсной фазы в противоточном слое сплошной среды осуществляется ступенчатая противоточная экстракция. С последней тарелки капли дисперсной фазы поступают в разделительную камеру или в специальный отстойник, откуда и выводятся из аппарата.

В колонных экстракторах дисперсной фазой может быть как легкая (см. рис. 12.5), таки тяжелая жидкости. В последнем случае переливные патрубки направлены вверх, подпорные слои накапливаются над тарелками, а разделительная камера находится под последней тарелкой в нижней части аппарата.

Колонные экстракторы с механическим перемешиванием фаз применяют при малой разности плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды и значительном межфазовом поверхностном натяжении, затрудняющем дробление из-за естественного течения жидкости. Высокая степень диспергирования в этом случае достигается путем введения в двухфазный поток механической энергии с помощью мешалок различных конструкций.

Одним из распространенных аппаратов такого типа является роторно-дисковый экстрактор (рис. 12.6, а). По оси колонны вращается ротор-вал 1, на который насажены плоские диски 2, перемешивающие двухфазный поток. Колонна делится на секции кольцевыми перегородками 3, укрепленными на стенках корпуса 4. Диски ротора вращаются в середине каждой секции. Движущиеся противотоком фазы L и G смешиваются дисками 2 и затем частично расслаиваются около неподвижных кольцевых перегородок.

Если в экстракторе сплошной фазой является тяжелая жидкость L, то для окончательного расслоения легкой дисперсной

фазы G и сплошной L служит верхняя часть б аппарата, отделенная от рабочей зоны перфорированной перегородкой 5.

Разновидностью аппаратов этого же типа является колонный экстрактор (рис. 12.6, б), в котором вместо плоских дисков установлены на валу лопастные 3 или открытые турбинные мешалки.

Для улучшения расслаивания фаз между смесительными секциями 1 расположены отстойные зоны 2, заполняемые сеткой, насадочными телами или блоками концентрических цилиндров.

Достоинством колонных экстракторов с механическим перемешиванием фаз является сочетание значительной производительности с высокой интенсивностью процесса массопередачи, что 1 позволяет уменьшать их высоту по сравнению с распылительными и насадочными колоннами. В то же время они потребляют значительное количество энергии.

В пульсационных экстракторах ввод дополнительной энергии в двухфазный поток осуществляется путем придания возвратно-поступательного движения (пульсации) жидкостям в рабочей зоне аппарата. Пульсация жидкостей увеличивает турбулизацию потоков и степень дисперсности фаз, повышая тем самым эффективность массопередачи в насадочных экстракторах или экстракторах с ситчатыми тарелками.

Для придания возвратно-поступательного движения жидкостным потокам используют бесклапанный поршневой, плунжерный или мембранный насос, или специальные пневматические устройства.

Режим работы пульсационного экстрактора зависит от интенсивности пульсации, характеризуемой произведением амплитуды (расстояния между крайними положениями уровня жидкости в экстракторе за один цикл) на частоту пульсации (число циклов в единицу времени). При малой интенсивности пульсации попеременно диспергируются легкая жидкость в слой тяжелой жидкости над тарелкой (первый период цикла) и тяжелая жидкость в слой легкой жидкости под тарелкой (второй период цикла). При увеличении интенсивности пульсации рабочая зона равномерно заполнена мелкими каплями, движущимися противотоком в сплошной фазе.

При дальнейшем увеличении интенсивности пульсации наступает захлебывание экстрактора вследствие образования стойкой эмульсии.

В центробежных экстракторах в качестве дополнительной механической энергии, обеспечивающей эффективное диспергирование, повышение относительной скорости движения фаз, а также интенсивного разделения, используется центробежная сила.

Центробежные экстракторы являются интенсивно работающими аппаратами. Значительные скорости движения жидкости обусловливают их высокую производительность и компактность.

Недостатками центробежных экстракторов по сравнению с другими типами аппаратов является их высокая стоимость и значительные затраты на эксплуатацию и ремонт из-за сложности конструкции.