Экстракторы с подводом внешней энергии

Эту группу аппаратов разделяют на три основные подгруппы все они нашли применение в промышленности:

— колонны с вращающимися мешалками;

— пульсационные колонны и колонны с вибрирующими перфорированными тарелками;

— центробежные экстракторы.

Общим для аппаратов данной группы является непрерывный (без промежуточных зон расслаивания) противоточный контакт фаз и интенсификация путем подвода извне механической энергии. Интенсификация массопереноса достигается в основном благодаря росту поверхности контакта фаз из-за уменьшения размера капель. Из различных вариантов колонн с вращающимися элементами наибольшее распространение нашли роторно-дисковые экстракторы (РДЭ). В этом экстракторе (рис.13.2) внутри цилиндрического корпуса 1 на равном расстоянии неподвижно установлены кольцевые перегородки 2. По оси колонны проходит вертикальный вал 3 с горизонтальными дисками 4 — ротор аппарата. Диски ротора обычно располагаются в середине секций, образованных двумя соседними кольцами 2.

Рис.4.9 Пульсационные колонны: а~-насадочная, б —- ситчатая;

1— колонна, 2 — пульсатор;ЛФ — легкая фаза, ТФ — тяжелая фаза

Дисперсная фаза через распределитель (обычно кольцевой барботер 5) подается с одного конца в рабочую зону колонны; с другого конца поступает сплошная фаза. Дисперсная фаза, двигаясь по колонне противоточно к сплошной, дробится вращающимися дисками ротора на мелкие капли и, пройдя через всю рабочую зону, коалесцирует на поверхности раздела фаз в соответствующей отстойной зоне.

Роторно-дисковая колонна фактически представляет собой каскад разделенных контактных ступеней, через которые противотоком движутся потоки рафината и экстракта в виде сплошной и дисперсной фаз. Интенсивное перемешивание дисками создает в каждой секции (ступени) режим, близкий к идеальному перемешиванию для сплошной фазы, так что аппарат может рассматриваться как каскад ячеек полного перемешивания.

В пульсационной колонне — насадочной (рис. 13.3,0) или с ситчатыми тарелками (рис. 13.3,6) на потоки жидкостей с помощью пневматического или поршневого пульсатора 2. находящегося вне экстрактора накладывается возвратно-поступательное движение, обеспечивающее тонкое дробление капель и интенсивный контакт фаз.

В мировой практике применяются ситчатые пулъсационные колонны диаметром до 3 м и насадочные диаметром до 2 м. Отличительная особенность этих аппаратов — отсутствие движущихся внутренних деталей обусловливает специ­фические области их применения: когда требуется полная герметизация оборудования и недопустим контакт обслуживающего персонала с обрабатываемыми жидкостями (радиоактивные и ядовитые растворы). К недостаткам пульсационных колонн можно отнести динамические нагрузки на днище и высокие энергозатраты.

Рис.4.9 Пульсационные колонны: а~-насадочная, б —- ситчатая;

1— колонна, 2 — пульсатор;ЛФ — легкая фаза, ТФ — тяжелая фаза

Наиболее прогрессивным типом колонных экстракторов с внешним подводом энергии на настоящий момент являются колонны с вибрирующими перфорированными тарелками.Они экономичнее пульсационных экстракторов по энергозатратам; в них в отличие от пульсационных аппаратов колебательное движение совершает пакет (или пакеты) перфорированных тарелок, а не столб жидкости. Если учесть, что в аппаратах промышленных размеров вес столба жидкости на порядок больше веса пакета тарелок, то станет очевидным, что инерционные нагрузки в вибрационном экстракторе значительно меньше, нежели в пульсационном.

Еще одно важное преимущество экстракторов с вибрирующими тарелками (по сравнению с остальными типами колонн с внешним подводом энергии) —сочетание высокой производительности и массообменной эффективности.

На рис.4.10 изображен типичный колонный экстрактор с вибрирующими тарелками. Цилиндрический корпус 1 представляет собой рабочую -зону. Она соединена с верхним отстойником 2, имеющим распределитель 3 тяжелой фазы (кольцевой барботер) и перелив 5 для вывода с легкой диспергируемой фазы. Нижняя часть экстрактора состоит из отстойника 6 со штуцером вывода тяжелой фазы 7 и распределителем легкой фазы 8. В рабочей зоне размещен пакет (в промышленных аппаратах — пакеты) перфорированных тарелок , жестко закрепленных на штанге 10 которая соединена посредством шатунно-кривошипного механизма с приводом 4 обеспечивающим возвратно-поступательное (вверх-вниз) движение штанги с тарелками. Амплитуду колебаний регулируют изменением эксцентриситета кривошипа, частоту — изменением числа его оборотов. Тарелки 9 могут иметь круглые (мелкие или крупные) либо прямоугольные отверстия. В последнем случае отверстия тарелок снабжены направляющими лопатками

Рис. 4.10. Колонна с вибрирующими тарелками:

1 — корпус, 2 — верхний отстойник, 3 — распределитель ТФ, 4 — привод с шатунно-кривошипным механизмом, 5 — перелив для вывода легкой дисперсной фазы, 6 — нижний отстойник, 7 — вывод ТФ, 8 — распределитель ЛФ, 9 — перфорированные тарелки, 10 — штанга

В отличие от ранее рассмотренных аппаратов эффективность массообмена в тарельчатых пульсационных экстракторах и в колоннах с вибрирующими тарелками с увеличением диа­метра от 0,2—0,3 м до 1,5—2 м снижается не значительно.

Центробежные экстракторы (ЦЭ) представляют собой особую группу аппаратов, включающую в себя ряд существенно различающихся конструкций: вертикальные и горизонтальные, напорные и безнапорные, многоступенчатые экстракторы и др..

В этих экстракторах дробление дисперсной фазы, противоточное движение и сепарация фаз происходят под действием центробежных сил, возникающих при быстром вращении ротора.

Примером безнапорного экстрактора дифференциально-контактного типа может служить центробежный экстрактор (рис. 4.11), разработанный для селективной очистки смазочных масел. Аппарат состоит из цилиндрического ротора 2, заключенного в кожух 1 и опирающегося на подшипники 4. Вал 3 ротора приводится от электродвигателя через клиноременную передачу 5. На обоих концах вала расположены устройства 6 подвода жидкости. Внутри ротора с переменным шагом размещены контактные цилиндры 11. Ротор закрыт кожухом 12.

Тяжелая ТФ и легкая ЛФ фазы жидкости самотеком через устройства 6 поступают в полый вал, откуда под действием центробежных сил перемещаются: ЛФ – по радиальным каналам в диске 9 к периферии ротора, а ТФ – к первому от оси аппарата контактному цилиндру. ЛФ сплошным потоком перемещается из периферийной зоны к центру аппарата, попадает в приемный карман 13 и заборным диском 14 удаляется из аппарата. ТФ, диспергируясь при истечении из отверстий вала 3, перемещается к стенкам контактного цилиндра. На периферии ротора дисперсная фаза сепарируется на тарелках 10, коалесцирует, образует сплошной слой и отводится по каналам в диске 9 в приемный карман (образованный крышкой 8) для ТФ, откуда удаляется заборным диском 7. Достоинства ЦЭ — компактность и сочетание высоких производительности и интенсивности массообмена; они особенно эффективны для жидкостных систем с небольшой разностью плотностей фаз. ЦЭ отличаются малым временем пребывания фаз в аппарате, что обусловливает успешное их применение при обра­ботке нестойких веществ.

Рис. 4.11 Центробежный экстрактор:

Если в процессе экстракции требуется большое число теоретических ступеней разделения или большая поверхность межфазного контакта, применяют противоточный каскад центробежных экстракторов.

К недостаткам ЦЭ следует отнести сравнительно высокие капитальные и эксплуатационные затраты.

Оптимальная величина частоты вращения обычно составляет 600—1200 об/мин.

Оптимальная величина частоты вращения обычно составляет 600—1200 об/мин.