ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-КОНТАКТНЫЕ ЭКСТРАКТОРЫ

Гравитационные экстракторы (без подвода внешней энергии)

Распылительные колонны. Распылительный колонный экстрактор представляет собой полую колонну, внутри которой имеются лишь уст­ройства для ввода легкой и тяжелой фаз. На рис. ХIII-19 показан распы­лительный экстрактор, в котором диспергируется легкая фаза, поступаю­щая в корпус 1 через распределитель 2. Проходя через отверстия распре­делителя, легкая фаза в виде капель движется снизу вверх сквозь тяже­лую фазу, заполняющую смесительную зону колонны. К этой зоне сверху и снизу примыкают отстойные зоны, обычно имеющие больший по срав­нению со смесительной зоной диаметр для лучшего отстаивания жидкостей.

В верхней отстойной зоне капли сливаются и образуют слой легкой фазы, которая отводится сверху колонны. Тяжелая жидкость поступает через трубы 3 и движется в виде сплошной фазы сверху вниз. Она удаляет­ся из колонны через гидравлический затвор 4, с помощью которого до­стигается полное заполнение жидкостью корпуса колонны.

В соответствии с высотой перелива тяжелой жидкости устанавливается положение уровня раздела фаз в колонне. Снижая высоту перелива, можно перемещать уровень раздела в любое сечение смесительной зоны, а также в нижнюю отстойную зону колонны. Обычно в промышленных экст­ракторах положение уровня раздела фаз автоматически регулируется вентилем 5, установленным на выходе тяжелой жидкости из колонны, который соединяется с датчиком, контролирующим положение уровня раздела.

Каждой скорости тяжелой жидкости должна соответствовать некото­рая предельно-допустимая скорость легкой жидкости, и наоборот. С уве­личением скорости легкой жидкости возрастает число капель в единице объема аппарата и их движение происходит во все более стесненных ус­ловиях. В результате увеличивается объемная доля диспергируемой фазы (ее задержка в аппарате), что уменьшает до­лю поперечного сечения, свободного для про­хода сплошной фазы. Это, в свою очередь, вызывает возрастание локальных скоростей сплошной фазы, которая начинает уносить все большее число капель в направлении, обратном направлению движения дисперсной фазы. Возникают циркуляционные токи дис­персной фазы, т. е. обратное перемешивание, которое существенно умень­шает движущую силу и соответственно ин­тенсивность массопередачи в распылитель­ных экстракторах.

Возрастание уноса приводит в конечном счете к образованию второй поверхности раздела фаз в нижней отстойной зоне (см. рис. ХIII-19), нарушению противотока и «захлебыванию» колонны.

Аналогичное влияние оказывает умень­шение доли поперечного сечения аппарата распределителем для диспергируемой фазы: капли укрупняются и легко увлекаются сплошной фазой. Для того чтобы по возмож­ности свести к минимуму явления, ускоря­ющие «захлебывание», распределитель дис­персной фазы устанавливают в нижней рас­ширенной части колонны, где скорость сплошной фазы уменьшается, а сплошную фазу вводят, как показано на рис. XIII-19, чтобы устранить возмущение потока на вхо­де в колонну.

Распылительные экстракторы отличаются высокой производитель­ностью, но вместе с тем очень низкой интенсивностью массопередачи, обус­ловленной обратным (продольным) перемешиванием. Величина ВЕП в них достигает нескольких метров. Это является основной причиной весьма ограниченного промышленного применения распылительных колонн.

Полочные колонные экстракторы. Полочные экстракторы представ­ляют собой колонны с тарелками-перегородками различных конструк­ций. Перегородки имеют форму либо чередующихся дисков и колец (рис. ХIII-20), либо глухих тарелок с закраинами и сегментными выреза­ми, которые устанавливаются так же, как в барометрических конденсато­рах (см. рис. ХIII-20, а), либо форму дисков с вырезами, показанных на рис. ХIII-20, б. Расстояние между соседними полками составляет обычно 50—150 мм. Капли, коалесцируя, обтекают перегородки в виде тонкой пленки, омываемой сплошной фазой. Интенсивность массопередачи в по­лочных колоннах несколько выше, чем в распылительных, главным образом за счет их секционирования посредством перегородок, что приво­дит к уменьшению обратного перемешивания.

Рис. ХIII-20. Полочные колонные экстракторы: a—с полками типа диск—кольцо; б—с чередующимися

полками типов I и II.

Насадочные и ситчатые колонные экстракторы. Эти экстракторы по существу не отличаются от обычных насадочных и ситчатых колонн, широко применяемых для процессов абсорбции и других массообменных процессов.

В насадочных экстракторах насадка обычно распола­гается на опорных колосниковых решетках слоями высотой от 2 до 10 диаметров колонны. При таком размещении насадки жидкости дополни­тельно перемешиваются в пространстве между ее слоями. Одна из фаз диспергируется с помощью распределительного устройства и движется в колонне противотоком к сплошной фазе. Проходя через насадку, капли многократно коалесцируют и вновь дробятся. Их окончательная коалесценция и образование слоя диспергируемой фазы происходят в отстойной зоне колонны по выходе из слоя насадки. Соответственно в одной из отстойных зон (верхней или нижней) поддерживается уровень поверхности раздела фаз.

В качестве насадки наиболее часто используют керамическую насадку (кольца Рашига). Важное значение для гидродинамических условий работы насадочных экстракторов имеет смачиваемость материала насадки жидкостями. Для того чтобы поверхность контакта фаз определялась по­верхностью капель диспергированной фазы, сплошная фаза должна луч­ше смачивать насадку, чем диспергированная. В противном случае капли сливаются в пленки; при этом поверхность контакта фаз ограничивается геометрической поверхностью самой насадки.

В ситчатом экстракторе диспергируемая фаза, например легкая, как показано на рис. ХIIII-21, проходя через отверстия ситчатых тарелок, многократно дробится на капли и струйки, которые, в свою оче­редь, распадаются на капли в межтарелочном пространстве. После взаи­модействия со сплошной фазой капли коалесцируют и образуют слой лег­кой фазы под каждой вышерасположенной тарелкой. В случае если ди­спергируется тяжелая фаза, то слой этой жидкости образуется над та­релками.

Когда гидростатическое давление слоя жидкости становится достаточ­ным для преодоления сопротивления отверстий тарелки, жидкость, про­ходя через отверстия тарелки, диспергируется вновь. Сплошная фаза (в данном случае — тяжелая жидкость) перетекает с тарелки на тарелку через переливные патрубки.

Все гравитационные экстракторы отличаются простотой конструкции» обусловленной отсутствием движущихся частей. Соответственно стои­мость этих аппаратов и расходы, связанные с их эксплуатацией, относи­тельно невелики. Однако в большинстве случаев (исключая процессы обработки си­стем жидкость — жидкость с низким меж­фазным натяжением) интенсивность массопередачи в гравитационных экстракто­рах низка. Это объясняется тем, что для систем жидкость — жидкость разность плот­ностей фаз значительно меньше, чем для систем пар (газ) — жидкость и обычно не­достаточна для тонкого диспергирования одной жидкой фазы в другой, необходимого для создания значительной поверхности кон­такта фаз. Гравитационные экстракторы мало пригодны для работы с большими со­отношениями расходов фаз.