Широкое промышленное применение жидкостная экстракция получила в процессах нефтехимического синтеза, при экстракции жиров И масел, и коксохимической и химико-фармацевтической отраслях промышленности, в технологии органических и неорганических веществ, для разделения металлов в гидро - металлургии.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЭКСТРАКЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Промышленные экстракционные аппараты можно подразделить на периодически- и непрерывнодействующие. Аппараты первого типа применяются только в производствах с небольшими массовыми потоками. Это обычные химические реакторы с мешалками, в которые загружают исходный раствор и экстрагент, перемешивают в течение необходимого времени, дают жидкостям отстояться и раздельно направляют на последующие операции. В связи с тем, что экстракторы периодического действия имеют ограниченное применение вследствие низкой эффективности, в дальнейшем они подробно рассматриваться не будут.
При осуществлении процесса экстракции в промышленных аппаратах используют и другие технологические процессы, которые в этом случае играют роль вспомогательных.
К ним относятся:
1) перемешивание двух жидких фаз, необходимое для образования большой поверхности контакта, на которой происходит массопередача экстрагируемого компонента;
2) разделение ранее смешанных фаз путем гравитационного отстаивания или центрифугирования;
3) разделение жидких смесей (экстрактов) путем дистилляции с целью регенерации экстрагента и выделения целевого компонента.
Возможность различных сочетаний вспомогательных процессов и организации потоков фаз привело к созданию большого количества конструкций экстракционных аппаратов. Упрощенная классификация экстракторов приведена ниже:
По характеру изменения состава жидких фаз экстракционные аппараты можно разделить на две группы.
| I. Дифференциально-контактные экстракторы | ||||||||||
| Экстракторы без механического перемешивания | Механические экстракторы | |||||||||
| Распылитель- ные колонны | Колонны с тарелками и перегородками | Насадочные колонны | Многоступенчатые смесительные экстракторы | Пульсационные колонны | Центробежные экстракторы | |||||
| II. Ступенчатые экстракторы | ||||||||||
| Экстракторы без механического перемешивания | Смесительно-отстойные механические экстракторы | |||||||||
| Тарельчатые колонны | Горизонтальные экстракторы | Вертикальные экстракторы | Центро» бежные экстрак* торы | |||||||
1.Дифференциально-контактные экстракторы, в которых характер изменения состава фаз близок к непрерывному.
2. Ступенчатые экстракторы, в которых изменение состава фаз происходит скачкообразно (ступенчато) и в каждой ступени осуществляется перемешивание и разделение (сепарация) фаз.
Экстракторы обеих групп могут быть классифицированы по двум признакам: 1) по способу контакта между сплошной фазой, заполняющей аппарат, и дисперсной фазой, распределяемой в виде капель в сплошной фазе (контакт между фазами возможен за счет собственной энергии потоков фаз — экстракторы без механических перемешивающих устройств или за счет подвода энергии извне — механические экстракторы);
2) по виду сепарации фаз, которая может происходить вследствие разности плотностей фаз (гравитационная сепарация) либо под действием центробежных сил (центробежная сепарация).
Экстракторы, в которых смешение и сепарация фаз осуществляются в поле центробежных сил, называют центробежными.
В приведенной классификации не отражены разновидности горизонтальных смесительно-отстойных экстракторов, различных по конструкции перемешивающих устройств и взаимному направлению движения фаз после отстаивания (прямоток или противоток).
Ниже рассмотрены типы экстракторов, нашедшие наибольшее применение в различных отраслях промышленности.
В качестве аппаратуры для непрерывной противоточной экстракции применяют вертикальные колонны, горизонтальные смесители-отстойники и центробежные экстракторы.
Экстракторы колонного типа (статические) могут быть полыми (распылительные колонны), заполненными насадкой или оборудованными перфорированными тарелками, что уменьшает продольное перемешивание и способствует столкновению и разрушению капель дисперсной фазы. В результате возрастает скорость массопередачи и уменьшается высота, эквивалентная теоретической ступени (ВЭТС). В экстракторах этого типа диспергирование фаз достигается за счет разности плотностей водной и органической фаз, а в колоннах с механическим перемешиванием и в пульсационных колоннах — за счет работы мешалки или пульсатора.
Горизонтальные смесительно-отстойные экстракторы в отличие от колонных позволяют при сравнительно малой высоте аппарата перерабатывать большие объемы жидкостей. Экстракционная установка с использованием смесительно-отстойной аппаратуры может состоять из отдельных смесителей и отстойников, установленных каскадом и соединенных внешними трубопроводами. Одна из фаз движется от ступени к ступени каскада самотеком, другая перекачивается насосами. Перемешивание обычно производится механическими мешалками. Во внутренних смесителях-отстойниках перемешивание и транспортирование жидкостей осуществляются с помощью турбинной мешалки, помещаемой в кожухе непосредственно внутри отстойной камеры.
Горизонтальные смесители-отстойники занимают большую площадь, однако ее можно уменьшить, используя аппараты ящичного типа.
Каждый экстрактор состоит из секций, имеющих смесительную и отстойную камеры. Движение жидкостей через аппарат противоточное, а внутри секций прямоточное.
В камерах смешения устанавливают мешалки (обычно турбинного типа), одновременно перемешивающие жидкости, перемещающие их на соседние ступени и регулирующие уровень в камерах.
При использовании каскадов смесителей-отстойников теоретическая ступень может соответствовать практической, если на каждой ступени выходящие органическая и водная фазы находятся в равновесии.
Центробежные экстракторы используются в тех случаях, когда плотности органической и водной фаз близки и система имеет тенденцию к эмульгированию.
Смешение и разделение фаз в подобных аппаратах осуществляется в поле действия центробежных сил, что позволяет эффективно разделять жидкие фазы и снижать потери растворителя с уносом водной фазой. Необходимо отметить, что время пребывания смеси жидких фаз в центробежных, экстракторах мало (от одной до нескольких секунд), поэтому для случая массообмена, осложненного химической реакцией, применение данной аппаратуры иногда нецелесообразно.
Для ряда систем применяются также статические экстракторы, представляющие собой цилиндрическую трубу, в которой размещаются специальные насадки, способствующие перемешиванию фаз при их движении по трубе.
ОСНОВЫ ВЫБОРА ЭКСТРАКТОРА
При выборе типа экстракционного аппарата для осуществления заданного технологического процесса необходимо учитывать:
1) пригодность конструкции, которая определяется физико-химическими характеристиками реагентов (плотность, вязкость, токсичность, концентрация и т. д.), степенью проработки конструкции (наличием результатов опытно-промышленной проверки, использованием в промышленности) и масштабом производства;
2) технологичность конструкции, которая определяется удельной производительностью и эффективностью, коэффициентом масштабного перехода (отношением эффективности промышленного аппарата к эффективности лабораторного образца);
3) экономичность конструкции, которая характеризуется капитальными (стоимость аппарата, загрузка экстрагента и т.д.) и эксплуатационными (расход электроэнергии, реагентов, стоимость обслуживания и т. д.) затратами.
Для предварительного выбора экстрактора необходимо учитывать конструктивные его особенности и значения параметров процесса экстракции.
1. Число ступеней экстрактора определяется в зависимости от величины требуемых теоретических ступеней |экстракции. Если эта величина менее 3, то на практике можно
использовать практически любой тип аппарата. Когда число ступеней более 20 наиболее целесообразно применять аппараты типа смеситель-отстойник, при 10—20 ступенях — колонные аппараты (однако при расчетах необходимо учитывать предельную высоту, которую может иметь данный тип колонны).
2. Производительность. При низких и средних нагрузках наиболее целесообразно использовать распылительную и насадочную колонны, для умеренных и высоких — роторно-дисковый экстрактор, пульсационную тарельчатую колонну
или смеситель-отстойник. Наиболее высокие удельные производительности имеют пульсационные тарельчатые колонны и центробежные экстракторы.
3. Время пребывания экстрагента. Для процессов, требующих малого времени пребывания экстрагента, наиболее целесообразно использовать центробежный экстрактор, где разделение фаз происходит под действием центробежной силы. Смесительно-отстойные экстракторы с гравитационным расслаиванием фаз при большом числе ступеней применяются для длительных процессов (для таких аппаратов расслоение и разделение фаз зависит от скорости коалесценции дисперсной фазы и будет происходить после каждой смесительной ступени). В дифференциально-контактных экстракторах расслоение и разделение фаз происходит только на концах аппарата, поэтому время пребывания фаз зависит от средней скорости подъема или падения капель и не зависит от времени коалесценции.
4. Отношение потоков фаз влияет на размеры аппарата, причем при снижении скорости движения потоков дисперсной и сплошной фаз объем экстрактора будет уменьшаться.