Дифференциально-контактные экстракторы

Распылительные колонны.

Распылительный колонный экстрактор представляет собой полую колонну, внутри которой имеются лишь устройства для ввода легкой и тяжелой фаз. На рис. 5 показан распылительный экстрактор, в котором диспергируется легкая фаза, поступающая в корпус 1 через распылитель 2. Проходя через отверстия распылителя, 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.

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. 6), либо глухих тарелок с закраинами и сегментными вырезками, которые устанавливаются так же, как в барометрических конденсаторах (см. рис. 6, а), либо форму дисков с вырезами, показанных на рис. 6, 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. 6. Полочные колонные экстракторы:

а – с полками типа диск-кольцо; б – с чередующимися полками типов I и II.

Ситчатые колонные экстракторы.

В ситчатом экстракторе диспергируемая фаза, например легкая, как показано на рис. 7, 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,

Рис. 7. Ситчатый колонный экстрактор.

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 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.

Роторно-дисковые экстракторы.

В этом экстракторе (рис. 8) внутри корпуса 1 на равном расстоянии друг от друга укреплены неподвижно кольцевые перегородки 2. По оси колонны проходит вертикально вал с горизонтальными плоскими дисками, или ротор 3, приводимый во вращение посредством привода 4. Диски ротора размещены симметрично относительно перегородок 2, причем каждые две соседние кольцевые перегородки и диск между ними образуют секцию колонны. Чередующиеся кольца и диски препятствуют продольному перемещению. К смесительной зоне колонны примыкают верхняя 5 и нижняя 6 отстойные зоны.

Одна из фаз (например, легкая фаза) диспергируется с помощью распределителя 7 и затем многократно дробится (редиспергируется) посредством дисков ротора в секциях колонны. После перемешивания фазы частично разделяются вследствие разности плотностей при обтекании ими кольцевых перегородок, ограничивающих секции колонны. При этом легкая фаза поднимается кверху, а тяжелая фаза опускается книзу и захватывается соответствующими дисками ротора для последующего перемешивания.

Рис. 8. Роторно-дисковой колонный экстрактор:

1 – корпус; 2 – кольцевые перегородки; 3 – ротор; 4 – привод; 5, 6 – отстойные зоны; 7 – распределитель легкой фазы.

Другие колонные экстракторы с мешалками.

Аппараты такого типа различаются главным образом конструкцией перемешивающих устройств. Так, вместо перемешивающих дисков в колонном аппарате (рис. 9, а) применяют открытые турбинные мешалки 1, а на его стенках устанавливают неподвижно вертикальные отражательные перегородки 2, улучшающие перемешивание. Мешалки ограничены неподвижными кольцевыми перегородками 3.

В экстракторе другой конструкции (рис. 9, б) внутри каждой секции, помимо кольцевых перегородок 3, установлены дополнительные направляющие перегородки в виде горизонтальных дисков 2, между которыми зажаты вертикальные сетчатые толстостенные перегородки в форме колец 4 из витков металлической сетки. С помощью таких кольцевых сетчатых перегородок облегчается коалесценция капель и достигается лучшее разделение фаз. Диски 2 и кольцевые перегородки 3 образуют как бы капсулу, в которой находятся лопастные мешалки 1.

Рис.9. Устройство секций непрерывно действующих колонных экстракторов с механическими мешалками:

а – с открытыми турбинными мешалками; б – с лопастными капсулированными мешалками; 1 – мешалки; 2 – отражательные перегородки (диски); 3 – кольцевые перегородки; 4 – кольца из витков металлической сетки.

Аппарат этой конструкции можно лишь условно отнести к экстракторам дифференциально-контактного типа. По принципу действия его можно считать колонным (вертикальным) смесительно-отстойным экстрактором, значительно превосходящим по компактности смесительно-отстойные экстракторы, описанные выше.

В непрерывно действующих колонных механических экстракторах достигаются хорошее диспергирование одной фазы в другой и высокая интенсивность массопередачи. Эти аппараты занимают малую производственную площадь и надежны в эксплуатации. Вместе с тем им присущи определенные недостатки. При большом числе ступеней (примерно больше 6-8) усложняется конструкция ротора и чрезмерно возрастает высота аппарата. Допустимые нагрузки ограничены, причем они снижаются с уменьшением разности плотностей фаз, а также в тех случаях, когда обрабатываемые системы жидкость – жидкость легко эмульгируются.

Пульсационные экстракторы.

Введение дополнительной энергии в жидкости путем сообщения им возвратно-поступательных колебаний (пульсаций) возможно двумя способами:

1) с помощью вибрирующих внутри аппарата перфорированных тарелок, укрепленных на общем штоке, которому сообщается возвратно-поступательное движение;

2) посредством специального механизма (пульсатора), находящегося вне аппарата; создаваемые пульсатором колебания гидравлически передаются жидкостям в экстракторе (см. рис. 10).

Второй способ более экономичен и осуществляется при отсутствии движущихся частей в самом аппарате. Поэтому экстракторы с выносными пульсаторами применяются наиболее часто.

А б

Рис. 10. Пульсационные колонные экстракторы:

а – ситчатый с поршневым пульсатором; б – насадочный с пневматическим пульсатором; 1 – колонна с ситчатыми тарелками; 2 – пульсатор; 3 – насадочная колонна; 4 – поршень; 5 – камера.

Пульсации способствуют лучшему дроблению диспергируемой фазы на капли и соответственно увеличению поверхности контакта фаз, интенсивному их перемешиванию, а также увеличению времени пребывания диспергируемой фазы и ее задержки в колонне.

Пульсационный ситчатый экстрактор (рис. 10, а) представляет собой обычную колонну 1 с ситчатыми тарелками, к которой присоединен пульсатор 2. По аналогии с насосами различают пульсаторы поршневые (плунжерные), мембранные, сильфонные и пневматические. Поршневой пульсатор – это бесклапанный поршневой насос, который присоединяется либо к линии подачи легкой фазы (рис. 10, а), либо непосредственно к днищу колонны. С помощью пневматического пульсатора (рис. 10, б) при движении поршня 4 периодически изменяется давление воздуха или инертного газа над свободным уровнем жидкости камере 5, соединенной с насосом. Эти колебания давления, в свою очередь, вызывают колебательное движение жидкости в экстракционной насадочной колонне 3.

Отделение аппарата от пульсатора значительно облегчает обслуживание экстракционной установки в тех случаях, когда недопустимо соприкосновение обслуживающего персонала с обрабатываемыми жидкостями и требуется полная герметизация аппаратуры, например при работе с радиоактивными и ядовитыми растворами. В этом заключается специфическое и существенное достоинство пульсационных экстракторов, которые по интенсивности массопередачи и производительности близки к механическим экстракторам с мешалками.

Основной недостаток пульсационных экстракторов – ограниченность диаметра этих аппаратов (обычно не более 600–800 мм). С увеличением диаметра возрастают трудности гидродинамического характера (неравномерность распределения скоростей по сечению аппарата, возможность кавитации), а также резко увеличивается расход энергии на сообщение пульсаций большим объемам жидкости в аппарате.

Центробежные экстракторы

Использование центробежных сил является эффективным средством улучшения не только смешения, но и разделения фаз при экстракции.

Принцип работы центробежного экстрактора ясен из рис. 11. Жидкости поступают под напором с противоположных концов в каналы быстро вращающегося вала 1, на котором закреплен ротор (барабан) 2. Плотность соединения труб для подвода жидкостей и вращающегося вала достигается с помощью сальников у торцов вала. Внутри ротора по всей его ширине размещена спиральная перегородка 3 из перфорированной ленты. В каналах между ее витками противотоком друг к другу движутся легкая и тяжелая фазы. При этом тяжелая фаза движется от оси к периферии ротора, а легкая фаза – от его периферии по направлению к оси.

Обе фазы перемешиваются, проходя сквозь отверстия спиралей, и разделяются в каналах под действием центробежных сил. Таким образом, смешение и сепарирование жидкостей протекают одновременно и многократно повторяются. Легкая фаза отводится у наружной поверхности ротора, а тяжелая – вблизи его оси. Обе фазы удаляются через раздельные отводные каналы вала, как показано на рис.11.

Центробежные экстракторы обладают существенными достоинствами. Эти аппараты весьма компактны и сочетают значительную производительность с высокой интенсивностью массопередачи. В них можно эффективно обрабатывать жидкости с небольшой разностью плотностей. Вместе с тем центробежные экстракторы отличаются малой удерживающей способностью и коротким временем пребывания жидкостей в аппарате. Эта особенность центробежных экстракторов обусловливает их успешное применение для экстракции легко

Рис. 11. Схема устройства центробежного экстрактора:

1 – вал; 2 – ротор (барабан); 3 – спиральные перегородки из металлической перфорированной ленты.

разлагающихся веществ, например антибиотиков (пенициллина и др.), чувствительных не только к нагреванию, но и к продолжительному пребыванию в растворе при нормальной температуре. Вместе с тем эти аппараты не пригодны для экстракции, сопровождаемой химической реакцией, когда требуется длительное время контакта фаз.

Производительность центробежных экстракторов определяется шириной ротора, а число получаемых теоретических ступеней – его диаметром. В промышленных центробежных экстракторах число оборотов ротора колеблется ориентировочно в пределах 1200-5000 мин^-1, что ограничивает размеры ротора (барабана), диаметр которого не превышает 1,2-1,5 м.

В экстракторе, показанном на рис. 11, тяжелая фаза отводится через канал, расположенный у оси вращения ротора.