38.6. Устройство аппаратов для растворения и экстракции
Кроме рассмотренных выше в лекции по перемешиванию аппаратов с мешалками, а также представленных на рис. 38.7 – 38.10 достаточно широкое распространение получили следующие конструкции.
Колонный аппарат с кипящим слоем, приведенный на рис. 38.11, предназначен для растворения в кипящем слое и включает в себя: колонну 1 с коническим расширением 2, снижающим унос мелких частиц с отходящим раствором, и перегородкой 3, предотвращающей унос загружаемого сырья; штуцер 4 для загрузки твердой фазы; штуцер 5 для отвода насыщенного раствора; съемную коническую перфорированную решетку 6 для равномерного распределения растворителя по сечению колонны 1; штуцер 7 для подачи растворителя; промывочную зону 8 для промывки нерастворимых частиц; выпускной штуцер 9; штуцер 10 для подачи промывного растворителя.
Рисунок 38.11 – Колонный аппарат с кипящим слоем и зоной промывки нерастворимых частиц: 1 – колонна; 2 – расширение; 3 – перегородка; 4 – штуцер для загрузки твердого материала; 5 – штуцер для отвода раствора; 6 – распределительная решетка; 7 – штуцер для ввода растворителя; 8 – зона промывки нерастворимого остатка; 9 – штуцер для удаления остатка.
Рисунок 38.12 – Шнековый растворитель:1 – горизонтальное корыто (желоб); 2 – вал; 3 – спиральные лопасти; 4 – крестовина; 5 – штуцер для ввода твердого материала; 6 – штуцер для ввода свежего растворителя; 7 – лопасти-скребки; 8 – сопло; 9 – козырьки; 10 – элеватор; 11 – ковши; 12 – штуцер для слива жидкости.
Одним из распространенных аппаратов является шнековый растворитель (рис. 38.12). Он представляет собой горизонтальное корыто (желоб) 1, в котором вращается горизонтальный вал 2 с укрепленными на нем спиральными лопастями 3 и крестовинами 4. Подлежащий растворению или выщелачиванию материал непрерывно поступает через штуцер 5, а растворитель –через штуцер 6 и движутся прямотоком друг к другу, причем твердый материал перемещается вдоль корыта с помощью спиральных лопастей. На лопастях укреплены дополнительные лопасти-скребки 7, которые приподнимают и сбрасывают твердые частицы, осуществляя перемешивание материала на различных участках корыта в вертикальной плоскости. Для ускорения процесса жидкость в корыте может нагреваться острым паром, поступающим через сопло 8, или глухим паром – через рубашку.
При движении вдоль аппарата раствор многократно направляется книзу посредством козырьков 9, это улучшает контакт между жидкой и твердой фазами. Концентрированный раствор удаляется с противоположного конца аппарата через сливной штуцер в верхней части корыта (на рисунке не показан), а отработанный остаток твердого материала отводится с помощью наклонного элеватора 10. Ковши 11 элеватора имеют ситчатые стенки для отделения жидкости, сливающейся через штуцер 12.
Шнековые аппараты могут работать как по принципу прямотока, так и противотока фаз. При этом чем интенсивнее перемешивание фаз в поперечном сечении аппарата, тем полнее могут быть использованы преимущества противотока.
Иногда шнековые аппараты работают комбинированным способом. Процесс проводится в двух последовательно соединенных аппаратах, из которых в один поступает исходный твердый материал,а в другой – свежий растворитель. При этом в первом (по ходу твердой фазы) аппарате среды движутся прямотоком, а во втором – противотоком. Аппараты такого типа надежны в работе и обеспечивают высокие производительности. Вместе с тем они металлоемки, громоздки и требуют сравнительно больших расходов электроэнергии. Удельная производительность шнековых аппаратов (на единицу объема или массы аппарата) невелика. Контакт между фазами ухудшается вследствие «проскока» некоторой части жидкости, обусловленного заметным разделением фаз, так как значительная часть твердого материала перемещается в виде плотного слоя вдоль нижней части корыта.
На рис. 38.13 представлен трехколонный экстрактор со шнековым транспортным устройством.
Исходный материал поступает в загрузочную колонну 1 и шнеком 4 перемещается вниз к горизонтальной колонне 2, соответствующим шнеком направляется в экстракционную колонну 3 и шнеком 5 поднимается по месту выгрузки. Свежий экстрагент подается в верхнюю часть колонны 3 и противотоком к твердой фазе перетекает в колонну 1, откуда отводится через разделительное сито, предотвращающее унос сырья с жидкостью.
Аппараты такого типа занимают небольшую производственную площадь, достаточно просты в изготовлении и эксплуатации, однако имеют и ряд недостатков. Вертикальное расположение валов шнеков 4 и 5 приводит к возникновению больших осевых нагрузок, усложнению условий работы подшипников и вероятности продольной деформации валов.
Рисунок 38.13 – Трехколонный экстрактор со шнековым транспортным органом: 1 – загрузочная колонна; 2 – горизонтальная колонна; 3 – экстракционная колонна; 4 – шнек загрузочной колонны; 5 – шнек экстракционной колонны; 6 – разделительное сито.
По этим причинам такие аппараты используются обычно при переработке твердой фазы с небольшой плотностью, что характерно для пищевой, фармацевтической и некоторых отраслей химической промышленности. Интенсивность массообмена в этих аппаратах невысока из-за большой неравномерности и малой скорости обтекания жидкостью элементов твердой фазы, вызванной их слипанием и частичным спрессовыванием.
На рис. 38.14 представлен двухколонный экстрактор с цепным транспортным устройством.
Аппарат состоит из двух вертикальных колонн 2 прямоугольного сечения, соединенных округлым участком 1. Активная часть аппарата собрана из элементов (царг), снабженных паровыми «рубашками». Внутри экстрактора на двух роликовых цепях 3 перемещаются ситчатые рамки-поддоны 4, на которых располагается экстрагируемое сырье. Цепи приводятся в движение приводным барабаном 5, в зоне которого происходит ссыпание истощенного материала с рамок-поддонов. Взаимное расположение мест ввода и вывода сырья и экстрагента создают их противоточное движение вдоль аппарата. Ситчатые рамки призваны устранить спрессόвывание сырья и обеспечить протекание жидкости через слой материала. В загрузочной колонне процесс протекает именно так и условия для массообмена вполне благоприятны. В округлой части аппарата материал силами тяжести сдвигается к наружной стенке, равномерность обтекания существенно ухудшается и этот эффект сохраняется в экстракционной колонне. В результате массообменные характеристики и шнекового, и цепного экстракторов значительно снижаются по длине активной зоны и оказываются весьма близкими по своим значениям.
Рисунок
38.14 – Двухколонный экстрактор с цепным
транспортным органом:
1
– круглый участок; 2
– вертикальная колонна; 3
– роликовая цепь; 4
– рамки; 5
– приводной барабан.
Цилиндрический корпус аппарата, снабженный бандажами, вращается на опорных роликах 5 и тем самым заставляет пересыпаться твердый материал с обновлением экстрагента у его поверхности. Для интенсификации этого процесса корпус барабана разделен на две равные части перфорированной перегородкой 2. Объем экстракционной системы составляет (25 30) % внутреннего объема аппарата, поэтому жидкость сливается из поднятого перегородкой материала, освобождая его поверхность для последующего контакта фаз.
С помощью системы винтовых перегородок 1, укрепленных на внутренней поверхности барабана, и наклонных перегородок 3 создается общее осевое противоточное движение фаз вдоль аппарата, хотя в объеме каждой секции при полном обороте барабана имеет место прямоток. Система транспортировки фаз проста, эффективна и надежна. Основным недостатком аппарата является его громоздкость, малый коэффициент использования рабочего объема и низкие значения массообменных характеристик.
Рисунок 38.15 – Ротационный аппарат барабанного типа: а – общий вид; б – элементы аппарата; 1 – винтовые поверхности; 2 – решетки; 3 – направляющие плоскости; 4 – сплошные перегородки; 5 – опорные ролики.
В заключение рассмотрим пример оросительного экстрактора. В семействе этих аппаратов можно выделить шнековые, ковшовые и ленточные.
Представленный на рис. 38.16 шнековый экстрактор включает в себя корытообразный перфорированный корпус 1, в котором вращается прерывистый шнек 2. Корпус аппарата состоит из нескольких (N) секций, каждая из которых имеет свою крышку 3, свою систему орошения 4 и свой сборник экстракта 5.
Рисунок 38.16 – Оросительный экстрактор с шнековым транспортным органом:
1 – корпус; 2 – шнек; 3 – крышка; 4 – система орошения; 5 – сборник экстрата; 6 –циркуляционный насос; 7 – теплообменник.
Твердая фаза непрерывно перемещается шнеком вдоль корпуса от места ввода сырья к месту его выгрузки. Свежий экстрагент вводится в последнюю (N-ю) по ходу сырья секцию, проходит через слой материала и перфорацию в корпусе и собирается в соответствующий сборник. Собранный экстракт циркуляционным насосом 6 направляется на непрерывное орошение предыдущей (N–1) секции и т.д. Таким образом, в целом по аппарату твердая и жидкая фазы движутся в режиме противотока, а в каждой отдельно взятой секции – в режиме перекрестного тока, что снижает среднюю движущую силу процесса. Сборники экстракта снабжены змеевиковыми теплообменниками 7 для создания определенного температурного режима.
Аппараты оросительного типа обычно используются в крупнотоннажных производствах при переработке неорганических материалов с большой плотностью. Все они отличаются сложностью конструкции, громоздкостью, металлоемкостью, низким коэффициентом использования рабочего объема и низкими значениями массообменных характеристик. Однако их использование в таких отраслях как переработка полиметаллических руд и в ряде аналогичных производств экономически целесообразно.