2.1.1 Гравитационные экстракционные колонны
В гравитационных экстракционных колоннах движение жидкости происходит под действием разности плотностей фаз – гравитационной силы, поверхность контакта фаз образуется из-за собственной энергии потоков.
В промышленности используют следующие гравитационные экстракционные колонны (ГЭК):
- распылительные (рис.1),
- насадочные (рис.2),
- тарельчатые (или ситчатые) (рис.3).
Преимущества:
- простотой конструкции,
- низкой стоимостью изготовления и относительно высокой производительностью, которая по обеим фазам в названных колоннах достигает 100,80 и 50 м3/(м2·ч)
- скорость движения сплошной фазы в гравитационных колоннах не превышает 1,0 – 1,5 см/с.
Недостатки:
- сильное продольное перемешивание;
- большой захват и унос дисперсной фазы сплошной фазой;
- низкая эффективность – ВЭТС составляет 5 – 6 м и выше.
2.1.1.1 Гравитационные распылительные колонны (рк)
- простейшие экстракторы (легкая фаза – органическая фаза; тяжелая – вода);
- дифференциальные экстракторы (изменение состава фаз непрерывное);
- гравитационные силы – для диспергирования.
Конструкция РК:
Полый цилиндрический аппарат (1) с устройством для диспергирования одной из фаз (органической (4) – рис.1, или водной). Сплошная фаза обычно перемещается противотоком к дисперсной. Капли дисперсной фазы, пройдя через столб сплошной фазы сливаются вверху или внизу.
|
Рис.1. Гравитационная распылительная колонна: 1 – корпус; 2 и 4 – распределительные устройства для водной и органической фаз; 3 – уровень раздела фаз; 5 – слой водной фазы; 6 – слой органической фазы. |
Принцип действия РК:
Органическая (ОФ) и водная (ВФ) фазы движутся навстречу друг другу за счет разности плотностей. В верхней части колонны дисперсная фаза (органическая) коалесцирует (мелкие капли объединяются в крупные, а затем в сплошную органическую фазу). В нижней части колонны собирается тяжелая водная фаза, выгружаемая через гидрозатвор.
При высоких скоростях подачи фаз, может идти обратное перемешивание и даже «захлебывание», когда выходные потоки загрязняются противоположной фазой. «Захлебывание» наступает при равенстве скоростей движения сплошной и дисперсной фаз.
Склонность аппаратов к «захлебыванию» является их недостатком. Для уменьшения явления обратного перемешивания полые распылительные колонны снабжают различными насадками или перфорированными тарелками. При этом также возрастает скорость массопередачи и уменьшается высота эквивалентной теоретической ступени (ВЭТС), т.е. высота, на которой устанавливается концентрационное равновесие между контактирующими фазами.
Преимуществом РК перед другими экстракторами является то, что на процесс не влияют твердые взвеси.
Колонны РК высотой 6 м и диаметром 0,5 м используют для разделения циркония и гафния.
2.1.1.2 Насадочные колонны (нк)
- дифференциальные экстракторы; изменение состава фаз непрерывное.
- гравитационные силы – для диспергирования одной из фаз и их расслоения.
Насадочная колонна изображена на рис. 2.
|
Рис.2. Насадочная колонна: 1 – корпус; 2 – уровень (граница) раздела фаз; 3 и 5 – (сопла)распределительные устройства для водной и органической фаз; 4 – объем колонны, заполненной насадкой; 6 – слой водной фазы; 7 – опорная решетка; 8 - слой органической фазы. |
Конструкция:
Цилиндрический аппарат (1), реакционная зона которого (4) заполняется насыпной насадкой, чаще всего – керамическими кольцами диаметром менее 1/8 диаметра колонны (кольцами Рашига).
Кольца Рашига (насадку) укладывают на опорные решетки (7) слоями высотой от двух до десяти метров. Лучшими решетками являются решетки с большим свободным сечением – колосникового типа. Их применение в промышленных процессах позволяет достичь высокой степени извлечения соответствующей нескольким теоретическим ступеням разделения. Высота одной насадочной колонны обычно равна 3 – 4 ВЭТС.
Важное требование к материалу насадки – хорошая его смачиваемость сплошной фазой (водной) и плохая – дисперсной. В противном случае может происходить коалесценсия капель органической фазы внутри насадки, за счет чего возникает пленочное течение диспергируемой фазы, приводящее к уменьшению поверхности контакта фаз.
Для диспергирования фаз используют сопла (3,5) – распределительные устройства дисперсной фазы), которые должны входить вглубь насадки на 25 – 50 мм.
В колонне на выходе дисперсной фазы необходимо иметь некоторый объем, не заполненный насадкой, в котором происходит коалесценсия капель дисперсной фазы и образуется слой, а также поддерживается граница раздела фаз (2).
Принцип действия НК:
Принцип действия НК аналогичен РК. Важно отметить особенности в работе.
Заполнение реакционной зоны колонны насадкой увеличивает локальные скорости движения, уменьшает продольную циркуляцию и обратное перемешивание фаз, улучшает распределение дисперсной фазы и увеличивает ее задержку в колонне. Это приводит к повышению массопередачи и эффективности насадочной колонны по сравнению с распылительной колонной. Одновременно насадка, уменьшая свободное сечение колонны, снижает ее удельную производительность по сравнению с распылительной колонной.