Лекция № 11. Расчет и конструирование экстракционной установки

Экстракцией называют процессы извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). При взаимодействии с экстрагентом в нем хорошо растворяются только извлекаемые компоненты и значительно слабее или вовсе не растворяются остальные компоненты исходной смеси. Процессы массоотдачи в твердой фазе существенно отличаются от массоотдачи в жидкостях, поэтому процессы экстракции в системах "жидкость-жидкость" и в системах "жидкость - твердое тело" рассматриваются раздельно.

1) Экстракция в системах "жидкость-жидкость"

Процессы экстракции в системах "жидкость-жидкость" эффективно используются для выделения в чистом виде различных продуктов, извлечения и разделения редких и рассеянных элементов, очистки сточных вод и др.

Исходная жидкая смесь обрабатывается экстрагентом, который нерастворим или малорастворим в исходной смеси. В результате взаимодействия экстрагента с исходным раствором образуются: экстракт - раствор извлеченных из исходной смеси компонентов в экстрагенте и рафинат - жидкая смесь, обедненная извлекаемыми компонентами и обычно содержащая некоторое количество экстрагента.

Разделение жидкой смеси методом экстракции складывается из следующих процессов:

1) смешение исходной смеси с экстрагентом для создания между ними тесного контакта;

2) разделение двух несмешивающихся жидких фаз (экстракта и рафината);

3) регенерация экстрагента, т.е. удаление его из экстракта и рафината.

Полученные жидкие фазы (экстракт и рафинат) отделяются друг от друга отстаиванием, иногда центрифугированием. После этого производят извлечение целевых продуктов из экстракта и регенерацию экстрагента из рафината.

На рисунке 41 показана принципиальная схема экстракции (без регенерации экстрагента).

А + В С

(исходная смесь) (избирательный растворитель)

Экстракция

С + А В

(экстракт) (рафинат)

Рисунок 41 – Принципиальная схема экстракции.

Соответствующие компоненты выделяются из экстракта ректификацией или путем реэкстракции, например, перевода их в водный раствор. Во избежание потерь экстрагента, растворенного или унесенного рафинатом, экстрагент выделяют ректификацией или экстракцией другим растворителем и возвращают для последующего использования. Схема процесса непрерывной экстракции приведена на рисунке 42. Процесс собственно экстракции происходит в колонном экстракторе 1, после чего производится выделение извлеченных веществ из экстракта (в ректификационной колонне 2) и экстрагента из рафината (в ректификационной колонне 3).

Рисунок 42 – Принципиальная схема непрерывной экстракции в системе "жидкость-жидкость". 1 - колонный экстрактор; 2 - ректификационная колонна для выделения извлеченных веществ из экстракта; 3 - ректификационная колонна для регенерации экстрагента из рафината.

Экстракцию проводят в аппаратах, называемых экстракторами. По принципу организации процесса все экстракторы могут быть разделены на периодически действующие и непрерывнодействующие. Классификация экстракторов приведена на рисунке 43.

2) Растворение и экстракция в системах "твердое тело - жидкость"

Растворение твердых частиц в жидкостях - один из широко используемых технологических процессов. Процесс избирательного (селективного) растворения одного или нескольких веществ из твердых тел, представляющий собой диффузионное извлечение растворителем компонента (или компонентов) из пористого твердого материала, называется экстракцией в системе твердое тело - жидкость, или выщелачиванием. В качестве избирательных растворителей при выщелачивании используют воду или водные растворы кислот и щелочей. Выщелачивание является первой стадией химической переработки минерального сырья, из которого этим способом извлекаются ценные компоненты, отделяемые от инертного материала (пустой породы). Выщелачивание часто сопровождается последующими операциями фильтрования, выпаривания и кристаллизации. Гетерогенные текучие системы, образованные растворителем и подвергаемым выщелачиванию твердым пористым материалом называются пульпами.

Любой процесс выщелачивания заключается в том, что жидкость проникая в поры твердого тела, растворяет извлекаемый компонент или вступает с ним в реакцию. Вещество, перешедшее в раствор (продукт реакции), диффундирует к поверхности твердого тела и переходит в основную массу жидкости. Основными способами растворения и выщелачивания являются: 1) замкнутый периодический процесс; 2) прямоточный и противоточный процессы; 3) процесс в неподвижном слое (флотационно-проточный или перколяционный).

Замкнутый периодический процесс растворения и выщелачивания проводится в аппарате с механическим или пневматическим перемешиванием (аппараты с мешалкой).

Прямоточный и противоточный процессы растворения и выщелачивания, проводимые в аппаратах непрерывного действия, широко распространены. Растворение и выщелачивание проводят в каскаде последовательно соединенных аппаратов с мешалками, через которые пульпа движется самотеком. При выщелачивании по принципу противотока твердые частицы движутся навстречу потоку жидкости в батарее аппаратов.

Процесс в неподвижном слое заключается в фильтровании жидкости (растворителя) сквозь слой пористого кускового материала. В промышленности выщелачивание в неподвижном слое часто проводят полунепрерывно в батарее последовательно соединенных (по ходу раствора) аппаратов, в каждом из которых через определенные промежутки времени производится выгрузка "отработанного" и загрузка свежего твердого материала. Выщелачивание, проводимое фильтрационно-проточным способом, является более медленным процессом, чем выщелачивание при перемешивании реагентов. Однако этот способ отличается простотой аппаратуры.

Рисунок 43 – Классификация экстракторов.

К конструкции аппаратов, в которых проводят процессы растворения и выщелачивания, предъявляются следующие требования:

1) высокая удельная производительность, характеризуемая выходом раствора с единицы рабочего объема аппарата;

2) возможно более высокая концентрация получаемого раствора;

3) низкий расход энергии.

Аппараты для растворения и выщелачивания делятся на периодически и непрерывнодействующие. В зависимости от взаимного направления движения фаз различают аппараты прямоточные и противоточные. По способу создания скорости обтекания твердых частиц жидкостью различают аппараты: с неподвижным слоем твердого материала, с механическим перемешиванием и со взвешенным (кипящим) слоем.

Конструкция роторно-дисковый экстрактора, диаметром 1500 мм приведена на рисунке 44.

Общие принципы расчета экстракционной аппаратуры включают:

1. Скорость осаждения капель.

2. Скорости захлебывания в противоточных экстракционных колоннах.

3. Удерживающая способность.

4. Размеры капель.

5. Массопередача в экстракционных аппаратах.

6. Размер отстойных зон.

Расчет каскада экстракторов при полном противотоке включает:

1. Выбор отборов.

2. Объем промывочного раствора.

3. Объем экстрагента.

4. Число ступеней в экстракционной части каскада и в промывочной части каскада.

5. Концентрации компонентов в рафинате, экстракте и в средней части каскада.

Литература: 1 осн. [253-273], 2 осн. [35-40].

Контрольные вопросы:

1. Принципиальная схема непрерывной экстракции в системе "жидкость-жидкость".

2. Общие принципы расчета экстракционной аппаратуры.

3. Классификация экстракторов.

4. Требования, предъявляемые к конструкции экстракционных аппаратов.

5. Конструкция роторно-дискового экстрактора.

Рисунок 44 – Экстрактор роторно-дисковый, диаметр 1500 мм.

Дата добавления: 2014-12-10