КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ ЭКСТРАКТОРОВ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Рязанский государственный агротехнологический университет

имени П. А. Костычева»

Кафедра

«Технология общественного питания»

Лабораторная работа № 10

по дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств»

Устройство экстракционных аппаратов

Рязань – 2011 г.

Методические указания обсуждены на заседании кафедры ТОП протокол №1 «31» августа 2011 года

Заведующий кафедрой___________ О.В. Черкасов

Одобрено советом (методической комиссией) технологического факультета

«_____» _____________ 2011 года.

Председатель ____________ О.В. Платонова

Цель работы –закрепление теоретических знаний по разделу «Массообменные процессы», изучение конструкций и аппаратов для проведения процесса экстракции.

В результате выполнения лабораторной работы студенты должны изучить конструкцию и порядок работы экстракционных аппаратов.

КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ ЭКСТРАКТОРОВ

Эффективность массопередачи в процессах экстракции пропор­циональна площади массообменной поверхности и средней движу­щей силе процесса, С целью увеличения площади массообменной поверхности в экстракторах одна из жидких фаз диспергируется и распределяется в другой в виде капель. Процесс массопередачи про­текает между дисперсионной и сплошной фазами. Для проведения процесса с наибольшей движущей силой в экстракторах организуют взаимодействие потоков в условиях, приближающихся к идеальному вытеснению. Это достигается проведением процесса в тонком слое в насадочных, центробежных экстракторах, путем секционирования экстракторов либо использования многоступенчатых секционных экстракционных установок.

Экстракторы по принципу организации процесса бывают непре­рывного и периодического действия.

В зависимости от способа контакта фаз экстракторы можно раз­делить на три группы: ступенчатые, или секционные, дифферен­циально-контактные и смесительно-отстойные.

Ступенчатые (секционные) экстракторысостоят из отдельных секций, в которых изменение концентрации в фазах происходит скачкообразно. В ряде случаев каждая секция приближается по полю концентраций к аппарату идеального смешения. Экстрактор, состоящий из нескольких таких секций, по полю концентраций приближается к аппарату идеального вытеснения.

Необходимость разделения фаз после каждой секции экстракции в случае плохо разделяемых эмульсий может приводить к значи­тельному увеличению размеров экстрактора.

Дифференциально-контактные экстракторыобеспечивают непрерывный контакт между фазами и плавное непрерывное изме­нение концентраций в фазах. За счет продольного перемешивания фаз в таких аппаратах может иметь место значительное снижение средней движущей силы по сравнению с аппаратами идеального вытеснения.

Для диспергирования жидкой фазы требуются затраты энергии. В зависимости от вида затрачиваемой энергии экстракторы могут быть без подвода внешней энергии и с подводом ее. Внешняя энер­гия во взаимодействующие фазы может вводиться перемешива­ющими устройствами, вибраторами и пульсаторами, например в вибропульсационных экстракторах, в виде центробежной силы в центробежных экстракторах, кинетической энергии струи в инжек­торных и эжекторных экстракторах.

Смеснтельно-отстойные экстракторысостоят из нескольких сту­пеней, каждая из которых включает смеситель и разделитель. В смесителе за счет подвода внешней энергии происходит диспергирование одной из жидких фаз с образованием дисперсионной фазы, которая распределяется в другой — сплошной фазе. Дисперсной фазой может быть как легкая, так и тяжелая фаза.

В разделителе, который представляет собой отстойник, а в сов­ременных установках — сепаратор, происходит разделение эмуль­сии на рафинат и экстракт. Схема простейшего смесительно-отстойного экстрактора приведена на рис. 1.

1 — экстрактор: 2— сепаратор

Рисунок 1 - Смесительно-отстойная экс­тракционная установка

Посредством соединения нескольких смесительно-отстойных секций образуются различные по схемам экстракционные установ­ки.

Приведенная схема из-за ряда присущих ей недостатков, а имен­но: громоздкости, значительной производственной площади, высо­кой металло- и энергоемкости, вытесняется более совершенными конструкциями.

Тарельчатые экстракторы(рис. 2) представляют собой колонные аппараты с ситчатыми тарелками различных конструк­ций, снабженными переливными устройствами. Взаимодействие фаз происходит в перекрестном токе накаждой тарелке. Дисперги­руемая фаза (легкая или тяжелая) проходит через отверстия в тарелках и дробится на капли. Сплошная фаза движется вдоль тарелки от перелива к переливу. Капли на тарелках коалесцируют и образуют сплошной слой жидкости над тарелкой (тяжелая жид­кость) или под тарелкой (легкая жидкость). Подпорный слой сек­ционирует экстрактор по высоте и обеспечивает подпор для диспер­гирования жидкости через отверстия тарелок. Секционирование экстрактора снижает обратное перемешивание фаз и приводит к увеличению средней движущей силы процесса.

1 — цилиндрический корпус; 2 — переливное устройство; 3 —ситчатые тарелки

Рисунок 2 – Тарельчатый экстрактор

Скорость дисперсной фазы в отверстиях тарелки определяют из условий создания струйного режима. Критическая скорость, соответствующая переходу от капельного режима к струйному, зависит от диаметра отверстий:

Для работы экстрактора в устойчивом струйном режиме ско­рость увеличивают примерно на 20% по сравнению с критической.

Роторно-дисковый экстрак­тор(рис. 3) относится к экстракторам с механическим перемешиванием фаз. Он пред­ставляет собой вертикальный многосекционный аппарат, в цилиндрическом корпусе кото­рого по оси установлен ротор с круглыми горизонтальными дис­ками. Диски вращаются в сред­ней плоскости секции экстрак­тора и разделены кольцевыми перегородками, что препят­ствует продольному перемеши­ванию потоков и способствует увеличению движущей силы про­цесса. При вращении ротора диски создают осевые потоки сплошной фазы, направленные от оси ротора к стенкам экстрактора. Достигнув стенок, жидкость дви­жется вдоль них вверх и вниз в пространстве, ограниченном кольце­выми перегородками. Отражаясь от колец перегородки, жидкость меняет направление и движется к оси экстрактора. Так возникают тороидальные потоки сплошной фазы. В верхней и нижней частях экстрактора расположены отстойные зоны. Капли легкой фазы — экстракта движутся вверх и коалесцируют в верхней отстойной зоне. Для лучшего разделения фаз отстойные зоны имеют диаметр несколько больший, чем зоны смешения.

1, 5 — отстойные зоны; 2 — корпус; 3 — коль­цевые перегородки; 4 — ротор

Рисунок 3 – Роторно-дисковый экстрак­тор

В других конструкциях на роторе в средней плоскости каждой секции расположены открытые турбинные мешалки. Секциониро­вание достигается с помощью кольцевых перегородок. В таких экстракторах чередуются зоны смешения и разделения.

Вместо кольцевых перегородок зоны перемешивания могут раз­деляться слоем насадки, например колец Рашига, в которой проис­ходит разделение тройной смеси на легкую и тяжелую жидкость. На рис. 4 показан экстрактор с турбинными мешалками и отстой­ными зонами, заполненными кольцами Рашига.

Преимуществами описанных экстракторов являются: эффектив­ный гидродинамический режим, который определяет высокие коэффициенты массопередачи и площади поверхности межфазного контакта; разделение реакционного объ­ема на секции, что приводит к увеличению средней движущей силы до значений, близких к таковым для аппарата идеального вытесне­ния; возможность регулирования частоты вращения ротора, что позволяет изменять производительность и эффективность работы экстрактора.

1 — ротор; 2 — слой насадки; 3 — турбинные мешалки

Рисунок 4 – Фрагмент роторно-насадочного экстрактора

Вибрационные и пульсацнонные экстракторыпозволяют повы­сить интенсивность массопередачи и использовать положительные качества гравитационных экстракторов (простота конструкции, низкая стоимость, небольшие затраты на эксплуатацию).

Колебательное движение жидкостям может сообщаться установ­ленным вне экстрактора пульсатором либо посредством движуще­гося возвратно-поступательного блока ситчатых тарелок, насажен­ных на подвижной общий шток. В первом случае экстрактор назы­вается пульсационным (рис 5), а во втором — вибрационным.

Золотниково-распределительный механизм состоит из диска, вращающегося в неподвижном корпусе. Диск и корпус имеют по два окна для соединения пульсационной камеры с системой сжатого воз­духа и для сообщения камеры с атмосферой. При совпадении прорезей для сжатого воздуха на диске и корпусе жидкость в пульсационной камере находится под избыточным давлением. За счет перепада давления жидкость получает поступательное движение. При сооб­щении пульсационной камеры с атмосферой при совпадении проре­зей сброса давления на вращающемся диске и корпусе происходит сброс давления и жидкость совершает возвратное движение. Регули­руя частоту вращения диска, можно изменять частоту колебания жидкости в экстракторе. Амплитуда колебаний определяется давле­нием сжатого воздуха. Частота пульсаций обычно составляет от 30 до 250 колебаний в минуту, а амплитуда — 2.. .25 мм.

1 — неподвижный корпус; 2 — вращающийся диск; 3 — окна для соединения с системой сжатого воздуха, 4 — окно для сообщения с атмосферой, 5 — пульсационная камера

Рисунок 5 – Пульсационный экстрактор

В зависимости от произведения амплитуды на частоту колебанийпульсационные экстракторы могут работать в смесительно-отстойном и эмульгационном режимах.

В смесительно-отстойном режиме за один цикл пульсаций легкая фаза, перемещаясь с нижней на вышележащую тарелку, дисперги­руется на тарелке и коалесцирует в межтарельчатом пространстве. Тяжелая фаза движется навстречу через слой легкой жидкости. Для этого режима характерны небольшие продолжительность контакта фаз и площадь межфазной поверхности. С возрастанием произведения амплитуды на частоту колебанийпроис­ходит уменьшение размера капель и возникает эмульгационный режим, для которого характерно наличие мелких капель примерно одного диаметра, заполняющих весь межтарельчатый объем экстрактора.

Размер отверстий в тарелках экстрактора составляет 3...5 мм, площадь всех отверстий принимается равной 20...25% площади поперечного сечения колонны; расстояние между тарелками 50 мм.

Лучшее распределение и диспергирование достигаются на тарел­ках с прямоугольными отверстиями и направляющими лопатками.

В вибрационных экстракторах вибрация блока тарелок происхо­дит при больших частотах и меньших амплитудах, чем пульсация жидкости в пульсационных экстракторах. Расход энергии на вибра­цию блока тарелок значительно меньше, чем в пульсационных экстракторах на перемещение всего столба жидкости.

Преимущество пульсационных и вибрационных экстракторов — эффективная массопередача, которая достигается путем увеличения коэффициентов массоотдачи, средней движущей силы процесса и развитой поверхности фазового контакта. ВЭТСв таких экстракто­рах в 5...6 раз ниже, чем в тарельчатых ситчатых экстракторах.

Высокие удельные нагрузки [30...80 м³/(м²·ч)] превышают допу­стимые нагрузки в роторно-дисковых экстракторах.

Высокая эффективность массопередачи позволила значительно сократить металлоемкость экстракционного оборудования, что при­вело к снижению капитальных затрат.

В то же время для пульсационных и вибрационных экстракторов требуются более мощные фундаменты, выдерживающие значитель­ные динамические нагрузки. Эксплуатационные затраты для таких экстракторов несколько выше, чем для обычных тарельчатых экстракторов.

В центробежных экстракторах(рис. 6) экстракция протекает при непрерывном контакте движущихся противотоком фаз при минимальном времени взаимодействия.

В корпусе машины, состоящем из двух кожухов: верхнего и ниж­него, расположен вал с закрепленным на нем ротором. Вал с двух концов полый и выполнен по типу «труба в трубе», а в центральной части цельный, с каналами для отвода легкой жидкости. Вал вместе с ротором вращается с частотой около 4500 мин^-1.

Обрабатываемый раствор и экстрагент поступают в экстрактор с противоположных концов полого вала, как показано на рис. 6. Легкая жидкость подводится со стороны привода, а тяжелая — с противоположного конца вала. Вал уплотняется с помощью двой­ных торцевых уплотнений. Уплотнительной жидкостью служит обрабатываемая в экстракторе жидкость.

Внутри ротора находится пакет концентрических V-образных колец. В роторе предусмотрены каналы для прохода легкой и тяже­лой жидкости. Тяжелая жидкость поступает в пакет ротора, в его центральную часть, в то время как легкая жидкость поступает в периферийную часть ротора. При вращении ротора вместе с паке­том колец тяжелая жидкость под действием центробежной силы устремляется к наружному периметру ротора, а легкая жидкость движется навстречу к валу ротора. Таким образом, жидкости кон­тактируют в противотоке. За счет многократного диспергирования жидкости на капли и коалесценции капель достигается высокая эффективность экстракции.

После разделения тройной смеси жидкости выводятся по кана­лам в роторе в пустотелый вал: тяжелая жидкость выводится со сто­роны привода, а легкая — с противоположного конца вала, со сто­роны входа тяжелой жидкости.

Внутри ротора имеет место инверсия фаз. Если в периферийной части ротора происходит взаимодействие дисперсной фазы легкой жидкости со сплошной фазой тяжелой жидкости, то в зоне, приле­жащей к оси ротора, наоборот, дисперсная фаза тяжелой жидкости контактирует со сплошной фазой легкой жидкости.

1 — корпус экстрактора; 2 — V-образное кольцо; 3 — ротор; 4 — труба для подвода легкой жидко­сти: 5 — труба для отвода легкой жидкости; 6 — труба для подвода тяжелой жидкости: 7 — канал для входа тяжелой жидкости

Рисунок 6 – Экстрактор «Подбильняк»

На отводной трубе легкой жидкости предусмотрен обратный клапан для регулировки положения границы двух фаз в радиальном направлении. Изменяя обратным клапаном рабочее давление легкой жидкости, можно получить необходимое соотношение объемов легкой и тяжелой жидкости, удерживаемых в роторе экстрактора.

Эффективность экстракции может устанавливаться в зависимо­сти от свойств обрабатываемых жидкостей путем изменения объема удерживаемой в роторе тяжелой и легкой жидкости.

С повышением частоты вращения ротора возрастают эффектив­ность экстракции и производительность экстрактора, устраняется «захлебывание» и повышается эффективность разделения тройной смеси.

Центробежные экстракторы характеризуются компактностью и высокой эффективностью. Их отличительной чертой является существенное ускорение процессов смешения и разделения фаз в поле центробежных сил. Время пребывания фаз в таких экстракто­рах в зависимости от конструкции составляет от нескольких секунд до нескольких десятков секунд,

В центробежных экстракторах могут обрабатываться жидкости с малой разностью плотностей и при низком модуле экстрагента.

В экстракционной установке непрерывного действия(рис. 7) основными аппаратами являются экстрактор, емкости для исход­ного раствора, экстрагента, рафината и экстракта. Исходный рас­твор подается в верхнюю часть экстрактора из емкости 3 насосом 2. Из емкости 4 насосом 1 экстрагент (легкая жидкость) подается в нижнюю часть экстрактора.

Массообмен в экстракторе происходит в противотоке: экстр­агент проходит через тарелки снизу вверх, а исходный раствор дви­жется навстречу. В итоге из верхней части экстрактора выходит экстракт, а из нижней части — рафинат, которые собираются в соответствующие емкости.

1,2 — насосы; 3, 4, 6, 7 — емкости: 5 — экстрактор

Рисунок 7 – Схема непрерывнодействующей экстракционной установки