2.1.3 Экстракторы пульсационного действия
Интенсифицировать процесс экстракции, кроме способа механического перемешивания, можно, сообщая жидкости пульсации или осуществляя вибрации. Пульсации и вибрации используют чаще в дифференциально – контактных, чем в ступенчатых экстракторах.
Пульсационные колонные экстракторы – наиболее распространенные в настоящее время и перспективные дифференциально – контактные экстракторы (рис.1) как в технологии переработки облученного ядерного топлива, так и в технологии редких и радиоактивных элементов.
Их применяют на стадии экстракционного аффинажа (для проведения процессов жидкостной экстракции, экстракционной перечистки) или при разделении урана, плутония и продуктов деления, именно здесь используется большое число теоретических ступеней. Также пульсационные колонны с насадкой КРИМЗ применяют для проведения процессов ионообменной сорбции, процессов отмывки промежуточных продуктов от примесей и др. гидрометаллургических процессов.
В пульсационных колоннах перемешивание фаз осуществляется в результате подвода к жидкостям дополнительной энергии от пульсаторов. Возвратно-поступательное движение жидкостного столба сплошной фазы обеспечивает равномерное распределение подводимой энергии по сечению и высоте колонны независимо от ее размеров и турбулентное возмущение потока при смене направления его движения, достаточное для дробления дисперсной фазы.
Пульсационные и вибрационные экстракционные колонны имеют высоконадежные и универсальные системы пневматической пульсации и насадки КРИМЗ, обеспечивающей уникальные параметры распределения потоков жидкостей в крупногабаритных аппаратах.
Пневматическая система пульсации – из трех частей: пульсатор – для генерирования колебательного возвратно – поступательного движения жидкости в колонне; пульсопровод и пульсационная камера, являющаяся частью колонны.
Пульсатором может служить поршневой насос или компрессор; пульсации передаются через жидкость либо через воздух, воздействующие на сильфон или гибкую диафрагму или воздушную пробку, предохраняющую пульсатор от контакта с агрессивными средами.
Конструкция пульсационной экстракционной колонны с тарельчатой («пакетной») насадкой КРИМЗ. (рис.1).
Пульсационная колонна имеет, как и другие колонны, реакционную (4) и отстойные (2 и 6) зоны.
Реакционная зона снабжена перфорированными тарелками (5) с Н-образными просечками, разогнутыми в разные стороны, называемыми – тарельчатой или «пакетной», а также просечной насадкой КРИМЗ. (рис. 5 справа вверху).
Тарельчатая или «пакетная» насадка КРИМЗ – позволяет эффективно распределять реагенты по сечению аппарата, т.к. обладает большим свободным сечением и размером отверстий, позволяющих работать с запыленными жидкостями.
Основа насадки КРИМЗ – тарелка, представляет собой плоский диск, имеющий множество прямоугольных (Н-образных) отверстий обычно с отношением длин сторон 1:2. Размер отверстий в зависимости от диаметра тарелки изменяется от 3,5×7,0 до 125×250 мм. Тарелки КРИМЗ устанавливают параллельно, их свободное сечение достигает 50 – 60 %.
|
Рис. 5. Пульсационная колонна с насадкой КРИМЗ – противоточная со сплошной водной фазой: 1 – пульсационная камера; 2,6 – верхняя и нижняя отстойные зоны; 3 – распределительное устройство водной фазы; 4 – реакционная зона; 5 – перфорированная (распределительная) тарелка; 7 – распределительное устройство органической фазы. |
Насадка КРИМЗ относится к фасонным насадкам. Каждое отверстие снабжено двумя направляющими лопатками, расположенными с верхней и нижней сторон диска параллельно друг другу и наклонно к плоскости диска. Угол наклона лопаток составляет 10 – 45 градусов. Направляющие лопатки с отверстиями внешне похожи на «просечки» – поэтому эти насадки называют «просечными». Отверстия расположены по концентрическим окружностям (рис. 5 справа внизу).
Особенности эксплуатации пульсационных колонн:
При пульсационном импульсе, направленном вверх, органическая фаза проталкивается через щели и поднимается к верхней тарелке. При обратном импульсе водная фаза перемещается через щели сверху вниз. Пульсация обеспечивает противоток фаз вдоль колонны, диспергирование фаз, причем при уменьшении размера капель существенно сокращается разброс в размере капель.
Размер капель дисперсной фазы, продольное перемешивание фаз и, следовательно, эффективность пульсационных экстракторов зависит от интенсивности пульсации.
Интенсивность пульсаций J - основная характеристика пульсационных колебаний, представляет усредненную скорость колебательного движения в аппарате:
J = ƒ·а,
где ƒ – частота колебаний,
а – амплитуда колебаний.
Увеличение частоты пульсации приводит к снижению среднего диаметра капель и продольного перемешивания обеих фаз, т.е. повышается эффективность работы пульсационной колонны. Интенсификация массообмена при пульсации увеличивает производительность насадочных и тарельчатых колонн примерно в 3 раза.
Как правило, частота пульсаций 40-100 колебаний в минуту с амплитудой 10-30 мм. При оптимальном решении ВЭТС = 0,8 – 1,5 м, удельная производительность достигает 40 м3/(м2ч) при диаметре колонны 1,5 м, высоте 5 м. Пульсационные колонны можно использовать в тех случаях, когда органическая или водная фаза содержат твердые взвеси.
Достоинства пульсационных колонн:
1) высокая эффективность в сочетании с удельной производительностью до 80 м3/(м2ч);
2) возможность обработки растворов с умеренным количеством твердой фазы;
3) надежность в работе, длительный срок эксплуатации между ремонтом;
4) возможность полной герметизации аппарата;
5) возможность дистанционного управления, простота автоматизации и др.
Недостатки пульсационных колонн:
1) большой расход энергии;
2) значительные динамические нагрузки на фундамент;
3) трудность обработки легко эмульгируемых систем.
В вибрационных экстракторных колоннах вибрации подвергается пакет перфорированных тарелок, закрепленных на подвижном штоке, за счет возвратно-поступательного движения (иногда и вращательного) штока.