Устройство экстракционных аппаратов

Аппараты с неподвижным слоем твердого материала.

В этих аппаратах скорость движения жидкости при ее фильтровании сквозь слой практически совпадает по величине и направлению со скоростью обтекания.

На решетку загружается слой твердого материала, через который сверху вниз протекает растворитель. При таком направлении движения жидкость равномерно заполняет сечение аппарата и не происходит смешения более концентрированного раствора с раствором низкой концентрации, приводящего к снижению движущей силы. Выгрузку выщелоченного твердого остатка производят периодически, чаще всего гидравлическим способом – вымывая твердый материал из аппарата водой.

При движении жидкости сквозь слой относительно небольшой высоты не удается получить раствор достаточно высокой концентрации. Поэтому для повышения степени извлечения и увеличения производительности применяют герметически закрытые аппараты с ложным днищем, подобные закрытым нутч-фильтрам, получившие название диффузоров.

Рис. 14. Схема выщелачивания в батарее диффузоров:

а – диффузор; б – батарея диффузоров (I-V); 1 – корпус; 2 – ложное днище (решетка); 3 – откидное днище; 4 – штуцер для ввода свежего растворителя; 5 – штуцер для отвода конечного (концентрированного) раствора; 6 – насос.

Диффузор (рис. 14, а) состоит из цилиндрического корпуса 1, ложного днища, или решетки, 2 и откидного днища 3. Свежий растворитель поступает через штуцер 4, а конечный раствор удаляется через штуцер 5. Диффузоры соединяются последовательно в батареи и работают под избыточным давлением. При этом растворитель прокачивается одним насосом 6 снизу вверх последовательно через все аппараты батареи, в которых в данный момент происходит выщелачивание. Общее число диффузоров в батарее зависит от скорости процесса и может достигать 10 - 15 и более. В любой рассматриваемый момент один из аппаратов, в котором уже достигнута заданная степень извлечения, отключается на разгрузку выщелоченного материала и загрузку свежим материалом. В это время в остальных аппаратах (исключая один из аппаратов, находящийся обычно в резерве) осуществляется выщелачивание. Периодическая разгрузка выщелоченного материала производится самотеком под давлением через нижний люк, снабженный откидным днищем и ручным (рис. 14, а) или гидравлическим затвором.

Батарея диффузоров работает по принципу противотока, т.е. свежий растворитель взаимодействует с уже в значительной степени выщелоченным материалом. В современных установках смена операций в условиях полунепрерывной работы диффузоров осуществляется автоматически.

Существенным недостатком аппаратов с неподвижным слоем является неравномерность обтекания твердых частиц. Увеличение скорости фильтрования ограничивается уносом мелких частиц жидкостью и значительным возрастанием гидравлического сопротивления. Поэтому такие аппараты постепенно вытесняются аппаратами непрерывного действия.

Непрерывно действующие аппараты с механическим перемешиванием.

Одним из распространенных аппаратов этой группы является шнековый растворитель (рис.15). Он представляет собой горизонтальное корыто, или желоб 1, в котором вращается горизонтальный вал 2 с укрепленными на нем спиральными лопастями 3 и крестовинами 4.

Растворяемый твердый материал непрерывно поступает через штуцер 5, а жидкость (растворитель) – через штуцер 6 и движутся прямотоком друг к другу, причем твердый материал перемещается вдоль корыта с помощью спиральных лопастей. На лопастях укреплены дополнительные лопасти-скребки 7, которые приподнимают и сбрасывают твердые частицы, осуществляя перемешивание материала на различных участках корыта в вертикальной плоскости. Для ускорения процесса жидкость в корыте нагревается острым паром, поступающим через сопла 8 (как показано на рис. 15), или глухим паром через рубашку.

При движении вдоль аппарата раствор многократно направляется книзу посредством козырьков 9; это улучшает контакт между жидкой и твердой фазами. Концентрированный раствор удаляется с противоположного конца аппарата через сливной штуцер в верхней части корыта, а нерастворенный остаток твердого материала отводится с помощью наклонного элеватора 10. Ковши 11 элеватора имеют ситчатые стенки для отделения жидкости, сливающейся через штуцер 12.

Шнековые аппараты могут работать как по принципу прямотока, так и противотока фаз, причем чем интенсивнее перемешивание фаз в поперечном сечении аппарата, тем полнее могут быть использованы преимущества противотока.

Рис. 15. Шнековый растворитель:

1 – горизонтальное корыто (желоб); 2 – вал; 3 – спиральные лопасти; 4 – крестовина; 5 – штуцер для ввода твердого материала; 6 – штуцер для ввода свежего растворителя; 7 – лопасти-скребки; 8 – сопло; 9 – козырьки; 10 – элеватор; 11 – ковши; 12 – штуцер для слива жидкости.

Иногда шнековые аппараты работают комбинированным способом. Процесс проводится в двух последовательно соединенных аппаратах, из которых в один поступает исходный твердый материал, а в другой – свежий растворитель. При этом в первом (по ходу твердой фазы) аппарате фазы движутся прямотоком, а в во втором – противотоком.

Аппараты такого типа надежны в работе и обеспечивают высокие производительности. Наряду с этим они металлоемки, громоздки и требуют сравнительно больших расходов электроэнергии. Удельная производительность шнековых аппаратов (на единицу объема или веса аппарата) невелика, что объясняется относительно низкой скоростью обтекания частиц и умеренной величиной поверхности соприкосновения фаз. Контакт между фазами ухудшается вследствие «проскока» некоторой части жидкости, обусловленного заметным расслоением фаз, так как значительная часть твердого материала перемещается в виде более плотного слоя вдоль нижней части корыта.

Рис. 16. Барабанный растворитель:

1 – горизонтальный цилиндрический барабан; 2 – передняя крышка; 3 – задняя крышка; 4 – штуцер для ввода твердого материала; 5 – бандаж; 6 – опорный ролик; 7 – зубчатая передача; 8 – червячный редуктор; 9 – электродвигатель; 10 – лопасти; 11 – штуцер для отвода концентрированного раствора и твердого остатка; 12 – тепловая изоляция.

Несколько более эффективно протекает процесс в барабанном растворителе (рис. 16). Аппарат представляет собой горизонтальный цилиндрический барабан 1, закрытый с торцов передней крышкой 2 и задней крышкой 3. Через штуцер 4 в передней крышке поступает измельченный твердый материал, который транспортируется движущейся в том же направлении жидкостью (растворителем). Барабан 1 установлен на бандажах 5, опирающихся на ролики 6, он приводится во вращение через зубчатую передачу 7 и червячный редуктор 8 электродвигателем 9. Твердые частицы движутся при вращении барабана вместе с потоком жидкости в осевом направлении и относительно потока – в поперечных сечениях барабана, причем для лучшего перемешивания фаз в вертикальной плоскости служат лопасти 10, укрепленные на внутренней стенке барабана. Концентрированный раствор и твердый остаток удаляются через штуцер 11 в задней крышке аппарата. Для уменьшения потерь тепла барабан снаружи покрыт тепловой изоляцией 12.

Барабанные растворители могут работать также по принципу противотока. В этом случае перемещение твердого материала осуществляется с помощью лопаток, установленных внутри горизонтального барабана под небольшим углом к образующей в направлении движения материала.

Аппараты со взвешенным, или кипящим, слоем

Трубчатый растворитель (рис.17) состоит из ряда последовательно соединенных труб 1, через которые с помощью насоса 2 прокачивается жидкость (растворитель) со взвешенными в ней мелкими твердыми частицами. Для проведения процесса при повышенной температуре трубы снабжаются паровыми рубашками 3. При внезапной остановке насоса 2 через штуцер 4 подается промывная вода для того, чтобы удалить твердый материал из системы и предотвратить его осаждение в трубах. Ускорение процесса растворения (выщелачивания) достигается вследствие того, что твердые частицы взаимодействуют с растворителем, находясь во взвешенном состоянии, и аппарат работает в условиях, приближающихся к режиму идеального вытеснения.

Рис. 17. Трубчатый растворитель:

1 – труба; 2 – насос; 3 – паровая рубашка; 4 – штуцер для ввода промывной воды.

Применению противотока в трубчатых растворителях препятствует значительный унос мелких твердых частиц жидкостью.

Одна из конструкций колонных аппаратов с псевдоожиженным (кипящим) слоем показана на рис. 18. В цилиндрическую колонну 1 через нижний штуцер 2 непрерывно поступает жидкость (растворитель), которая, проходя с необходимой скоростью сквозь отверстия распределительной решетки 3, приводит слой мелкораздробленных твердых частиц в псевдоожиженное состояние.

При высоте кипящего слоя, равной нескольким метрам, удается получить на выходе из него раствор достаточно высокой концентрации, который поступает в верхнюю, расширенную часть колонны, переливается в кольцевой желоб 4 и удаляется через штуцер 5. Твердый остаток непрерывно отводится через штуцер 6, расположенный несколько выше решетки 3. Исходный твердый материал подается непосредственно в кипящий слой сверху через загрузочную трубу 7.

Рис. 18. Колонный растворитель с псевдоожиженным (кипящим) слоем:

1 – колонна; 2 – штуцер для ввода свежего растворителя; 3 – распределительная решетка; 4 – кольцевой желоб; 5 – штуцер для отвода концентрированного раствора; 6 – штуцер для отвода твердого остатка; 7 – загрузочная труба для твердого матариала.

Аппараты такого типа отличаются простотой устройства и небольшим весом. В них достигаются значительная скорость процесса и достаточно высокая степень извлечения целевых компонентов из исходного твердого материала.