История развития науки о процессах и аппаратах

Разделение жидкой смеси методом экстракции складывается из следующих процессов:
- смешение исходной смеси методом экстракции для создания между ними тесного контакта;
- разделение двух жидких несмешивающихся фаз (экстракта и рафината);
- регенерация экстрагента, т. е. удаление его из экстракта и рафината.
Процесс экстракции проводится в условиях, обеспечивающих взаимопроникновение двух реагирующих жидкостей путем увеличения поверхности контакта между ними при большой разнице концентраций экстрагируемого вещества в них. Это создает движущую силу процесса. Экстракт и рафинат разделяют отстаиванием, затем из экстракта выделяют растворенное вещество отстаиванием, выпариванием или другими методами.
Преимущество процесса экстракции по сравнению с другими методами разделения жидких смесей заключается в возможности вести процесс при низкой (комнатной) температуре, не затрачивать тепло на испарение раствора, достичь более полного разделения смеси.
Экстракция является эффективным методом разделения неорганических веществ при неприемлемости других способов разделения. Процессы жидкостной экстракции широко применяются при переработке ядерного топлива, для разделения редких и рассеянных металлов, очистки сточных вод, выделения в чистом виде различных продуктов органического и нефтехимического синтеза, для получения высокочистых благородных металлов.
По характеру изменения состава жидких фаз экстракционные аппараты можно разделить на следующие две группы:
- дифференциально-контактные экстракторы, в которых характер изменения состава фаз близок к непрерывному;
- ступенчатые экстракторы, в которых изменение состава фаз происходит скачкообразно (ступенчато), в каждой ступени осуществляется смешение и разделение (сепарация) фаз.
Экстракторы обеих групп классифицируются по следующим двум признакам:
- 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) либо за счет подвода энергии извне (механические экстракторы);
- виду сепарации фаз, которая может происходить вследствие разности плотностей фаз (гравитационная сепарация) либо под действием центробежных сил (центробежная сепарация)..,
Дифференциально-контактные экстракторы бывают без механических перемешивающих устройств (распылительные, с тарелками-перегородками, насадочные) и механические (многоступенчатые смесительные, пульсационные, центробежные). Ступенчатые экстракторы бывают без механических перемешивающих устройств (тарельчатые) и смесительно-отстойные (горизонтальные, вертикальные, вертикальные центробежные).
Экстракторы могут быть прямоточные или противоточные. Промышленные экстракторы являются в основном аппаратами непрерывного действия.
Наиболее простой экстрактор для жидкости - резервуар с мешалкой. Исходная смесь и экстрагент смешиваются в смесителе, а расслоение жидкости происходит в отстойнике. Эти аппараты называются смесительно-отстойными. В них достигается интенсивное взаимодействие между фазами, обеспечивающее приближение к равновесному состоянию. Но смесительно-отстойные экстракторы громоздки, занимают большие производственные площади, работают периодически.
К непрерывно действующим аппаратам относятся полочные колонные экстракторы. Они работают без подвода внешней энергии. Чередование полок в виде колец у стенок аппарата и дисков в его центральной части или же ситчатых полок в колоннах обеспечивает зигзагообразное прохождение легкой фракции снизу вверх и тяжелой сверху вниз при хорошем их смешении.
Наиболее распространенным аппаратом является роторно-дисковый экстрактор. По оси аппарата имеется вал с дисками или мешалками, помещенными между кольцевыми полками. Движущиеся противотоком жидкие фазы смешиваются в каждой секции и в некоторой степени разделяются при обтекании неподвижных кольцевых перегородок, ограничивающих секции. Эффективность указанных экстракторов зависит от числа оборотов ротора, соотношения размеров дисков, расстояния между ними, соотношения расходов фаз. Разновидностью аппаратов этого типа являются экстракторы с турбинными мешалками вместо плоских дисков.
Достоинство роторно-дисковых аппаратов заключается в высокой производительности и интенсивности массопередачи.
Пульсационный экстрактор представляет собой колонну с ситчатыми тарелками без патрубков для перетока сплошной фазы. При помощи специального устройства (пульсатора) жидкости сообщаются пульсацией - колебаниями небольшой амплитуды (10-25 мм) и определенной частоты. При этом происходит тонкое диспергирование одной из фаз, что обусловливает интенсивную массопередачу. Для надежного отделения механизма пульсатора от рабочей среды при обработке химически агрессивных и радиоактивных веществ применяют мембрану или пневматическое устройство.
При малой разности плотностей фаз достаточное увеличение скорости капель дисперсной фазы, интенсивное смешивание и разделение фаз достигаются под действием центробежных сил путем увеличения эффективной разности плотностей фаз. Наиболее распространен центробежный экстрактор. Контактируемые жидкие фазы подают с помощью насосов через вал по обособленным каналам. Тяжелая жидкость поступает в барабан по его оси, легкая жидкость подводится к периферии барабана. В барабане жидкости движутся противотоком, смешиваются и разделяются под действием центробежных сил. Эти аппараты высокоэффективны.
При использовании пулъсационных экстракторов с ситчатыми тарелками дисперсная фаза многократно раздробляется при прохождении сквозь отверстия ситчатых тарелок (размер отверстий от 2 до 9 мм). Струйки дисперсной фазы распадаются при этом на мелкие капли, которые образуют слои над тарелками при диспергировании тяжелой жидкости или под тарелками при диспергирова-нии легкой жидкости. Диспергирование происходит, когда гидростатическое давление слоя жидкости становится достаточным для ее прохождения сквозь отверстия.
Недостатком работы пульсационных экстракторов является неоднородность получаемой смеси в отдельных точках аппарата, а следовательно, и неодинаковая эффективность отдельных участков экстрактора.
Дифференциально-контактные и ступенчатые экстракторы без перемешивающих устройств (распылительные, тарельчатые, ситчатые, колонные) отличаются сравнительно низкой интенсивностью массопередачи. Это объясняется тем, что в системах "жидкость - жидкость" разность плотностей фаз значительно ниже, чем в системах "газ - жидкость" или "пар - жидкость". Поэтому собственная энергия потоков, используемая для контактирования фаз, в экстракционных аппаратах без перемешивающих устройств недостаточна для преодоления сил поверхностного натяжения и интенсивного диспергирования одной жидкости в другой. Но, несмотря на низкую интенсивность массопередачи, эти аппараты получили распространение в промышленности из-за простоты, пригодности для химически агрессивных сред.
Более широко применяются экстракторы с принудительным перемешиванием. В них за счет подвода энергии из внешнего источника к жидкости достигается значительное увеличение поверхности контакта фаз и интенсификация массообмена.
Общий недостаток экстракторов с мешалками - затруднение в эксплуатации при обработке агрессивных или радиоактивных веществ. Этого недостатка лишены пульсационные экстракторы, но в них имеются трудности с вибрацией значительных масс жидкости.
Центробежные экстракторы - компактные высокоэффективные аппараты. Вещества пребывают в них небольшой промежуток времени. Пригодны для систем с малой разностью плотностей фаз, легко эмульгирующихся (антибиотики). Однако высоки расходы их эксплуатации.

5.4.1. Классификация оборудования

Аппараты, в которых осуществляется диффузия сахара из свекловичной стружки при помощи экстрагирующей жидкости, называют диффузионными. Процесс извлечения сахара из свекловичной стружки осуществляют в колонных вертикальных аппаратах типа КДА с выносным ошпаривателем, в наклонных двухшнековых типа ДДС и ПДС.

Процесс экстракции растительных масел ведут либо способом погружения экстрагируемого материала в противоточно движущийся растворитель (вертикальные шнековые экстракторы типа НД-1250), либо способом ступенчатого орошения растворителем противоточно перемещающегося обрабатываемого материала (ленточные экстракторы типа МЭЗ и роторные карусельные экстракторы).
Классификация диффузионных и экстракционных аппаратов представлена на рис. 19.1.
Диффузионные и экстракционные аппараты, применяемые в свеклосахарном и маслоэкстракционном производствах, могут быть периодическими и непрерывно-действующими. Диффузионные и экстракционные аппараты непрерывного действия подразделяются: на вертикальные одноколонные или двухколонные без транспортирующего органа; со шнековым, цепным или лопастным транспортирующим органом; на наклонные одно- и двухшнековые с ленточным и лопастным перфорированным шнеком; на горизонтальные со скребково-цепным, ленточным или шнековым транспортирующим органом, а также на ротационные одно- и двухзаходные.
Установки для экстракции настоек и морсов бывают с интенсивным движением водно-спиртового раствора через слой сырья, а также с испарением под вакуумом высококонцентрированного слоя жидкой фазы в пограничном слое сырья.
Аппараты для экстракции бульонов и желатина могут быть периодического и непрерывного действия. К ним относятся экстракторы для желатина, аппараты для обезжиривания костей и диффузоры для обесклеивания костного шрота.

4.10. Классификация оборудования