массооб колонн

В вакуумной ректификации используют объемные насадки из гофрированных листов, размещенных горизонтально. В слое насадки небольшой высоты соседние листы укладывают гофрами перпендикулярно один другому, как в случае гофрированной сетчатой насадки. Разновидность насадочных аппаратов – тарельчато-насадочные аппараты, в которых размещены с зазором чередующиеся слои насадок и тарелки. При использовании в таких аппаратах, например, провальных тарелок и насадок из гофрированных лент обеспечиваются равномерное распределение жидкости и высокая эффективность тепло- и массообмена в широком диапазоне нагрузок по газу и жидкости при незначительном брызгоуносе. Насадочные аппараты обладают высокой разделительной способностью смесей на компоненты и отличной производительностью, а также сравнительно низким гидравлическим сопротивлением, просты в изготовлении, надежны в работе. Недостатки: трудность отвода теплоты, выделяющейся при контакте взаимодействующих потоков, и плохая смачиваемость насадки при малых плотностях орошения. Насадочные аппараты широко применяют во многих отраслях промышленности.

4.ЭКСТРАКЦИОННЫЕ АППАРАТЫ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Процессом экстракции называют избирательное извлечение отдельных компонентов из смеси жидких или твердых веществ с помощью растворителей. Смесь растворителя (экстрагента) с извлеченным компонентом называют экстрактом; смесь, образовавшуюся после процесса экстракции, – рафинатом. Если реализуется взаимодействие между жидкой и твердой фазами, то имеет место экстрагирование твердых тел, если взаимодействуют только жидкие фазы, то имеет место экстрагирование жидкостей.

Процесс экстракции включает 3 последовательные стадии: смешение исходной смеси веществ с экстрагентом; механическое разделение (расслаивание) двух образующихся фаз; удаление экстрагента из обеих фаз и его регенерацию с целью повторного использования. После механического разделения получают раствор извлекаемого вещества в экстрагенте (экстракт) и остаток исходного раствора (рафинат) или твёрдого вещества. Выделение экстрагированного вещества из экстракта и одновременно регенерация экстрагента производится дистилляцией, выпариванием, кристаллизацией, высаливанием и т. п. Достоинствами экстракции являются низкие рабочие температуры, рентабельность извлечения веществ из разбавленных растворов, возможность разделения смесей, состоящих из близкокипящих компонентов, и азеотропных смесей, возможность сочетания с другими технологическими процессами (ректификацией, кристаллизацией), простота аппаратуры и доступность её автоматизации. Недостатком

31

экстракции в ряде случаев является трудность полного удаления экстрагента из экстрагируемых веществ. Экстракция подчиняется законам диффузии и равновесного распределения. При экстракции из жидкостей после смешения исходного раствора с экстрагентом и расслоения образовавшейся смеси концентрация у экстрагируемого вещества (В) в фазе экстракта больше его концентрации х в фазе рафината. При взаимной нерастворимости экстрагента (С) и растворителя (Л) исходного раствора зависимость у от х для равновесной системы (для которой у обозначается как ур) изображается в диаграмме у – х (рис. 4.1, а). Если раствор разбавлен, а вещество В в экстракте находится в неассоциированном и недиссоциированном состояниях, то отношение (коэффициент распределения) – величина постоянная, не зависящая от концентрации, и линия равновесия в диаграмме у – х является прямой; в противном случае Kp – функция концентрации, и линия равновесия криволинейна. Kp всегда зависит от температуры, практически не зависит от давления; определяется он экспериментальным путём.

Рис. 4.1. Диаграммы равновесия и схема однократной экстракции:

а– диаграмма равновесия для систем, в которых экстрагент

ирастворитель исходного раствора взаимно нерастворимы;

б– схема однократной экстракции при встречном движении

исходного раствора и экстрагента; в – диаграмма равновесия для систем, в которых экстрагент и растворитель исходного раствора частично растворимы

Вследствие кратковременности и несовершенства акта смешения экстрагента и исходного раствора действительная (рабочая) концентрация у всегда меньше равновесной ур. Степень приближения у к ур характеризует эффективность экстракции, а разность yp – y является его движущей силой. В результате однократной экстракции возможна сравнительно небольшая степень извлечения вещества В из исходного раствора, поэтому

32

прибегают к многократному повторению актов смешения и последующего расслаивания взаимодействующих фаз при их встречном движении (рис. 4.1, б). Если в исходном растворе концентрация вещества В уменьшается от x1 до x2, то его концентрация в фазе экстракта возрастает от 0 до y1. Из уравнения материального баланса экстракции:

где D и W – соответственно расходы чистого экстрагента и чистого растворителя) можно определить расход экстрагента. Уравнение (1) описывает прямую (см. рис. 4.1, а), проходящую через точки с координатами (x1,0) и (x1, y1). В приведённых выражениях x1 и y1 – концентрации относительно чистого растворителя А и чистого экстрагента С. Очевидно, что при прочих равных условиях расход экстрагента растет по мере уменьшения концентрации (x2) вещества В в рафинате и уменьшения его концентрации y1 в экстракте. Кинетикаэкстракцииописываетсяобщимуравнениеммассообмена:

M = KcFt,

где М – количество экстрагированного вещества; К – коэффициент массопередачи; с – средняя разность концентраций экстрагируемого вещества в обеих фазах; F – величина межфазной поверхности; t – время.

Величина с однозначно определяется заданными концентрациями х, у и ур, поэтому для достижения больших значений М стремятся увеличить К путём турбулизации потоков взаимодействующих фаз и F — путём диспергирования одной из фаз (экстрагента или исходного раствора) на мелкие капельки. Точное значение К пока не может быть рассчитано теоретическим путём, поэтому эффективность процесса экстракции выражают, как и при ректификации или абсорбции, числом ступеней равновесия (идеальных тарелок). Графическое определение числа ступеней равновесия показано на рис. 4.1, а. В случае частичной растворимости растворителя А и экстрагента С равновесие системы изображается в плоскости равностороннего треугольника (рис. 4.1, в). Каждой точке внутри треугольника соответствует тройная смесь, в которой концентрации компонентов А, В, С измеряются длинами перпендикуляров, опущенных на противолежащие стороны. Под кривой EG (бинодальной кривой) расположена область гетерогенных смесей, а над кривой – гомогенных растворов. Процессы экстракции, поскольку в них чередуются акты смешения и расслаивания фаз, протекают только в гетерогенной области. Смешав исходный раствор с некоторым количеством экстрагента, получим тройную гетерогенную смесь Р, которая расслаивается на экстракт Q и рафинат R с концентрацией экстрагируемого вещества В. Если теперь смешать рафинат со свежей порцией экстрагента, то получим новую гетерогенную смесь P1, которая расслоится на экстракт Q1 и рафинат R1 с более низкой концентрацией Q1. Положение

33

прямых QR и Q1R1 называется конодами, определяется для каждой системы экспериментальным путём. Продолжая акты смешения и расслаивания, можно добиваться дальнейшего понижения концентрации компонента В в рафинате, т. е. повышения степени экстракции. Совершенно очевидно, что число построенных конод (их может быть сколько угодно) равно числу ступеней равновесия. В приведённом примере периодической экстракции после каждого акта смешения и расслаивания падает концентрация В как в рафинате, так и в экстракте. Для повышения концентрации вещества В в экстракте и большего его исчерпывания из рафината во многих случаях прибегают к экстракции с так называемой обратной флегмой. Сущность этого процесса сводится к частичному отделению экстрагента от экстракта и исходного растворителя от рафината и обратному возвращению долей этих фракций в аппарат навстречу уходящим потокам.

Для экстракционного разделения двух компонентов (B1 и B2), особенно с близкой растворимостью в исходном растворителе, часто используют два экстрагента с различной селективностью. Исходный раствор поступает в среднюю часть экстрактора, один из экстрагентов – в верхнюю часть, другой – в нижнюю. В результате компонент B1 переходит в фазу одного экстрагента, компонент B2 – в фазу другого (рис. 4.2). Наиболее эффективна непрерывная экстракция, осуществляемая в многоступенчатых аппаратах (экстракторах) при противотоке исходного раствора и экстрагента. В этом случае заданная степень экстракции достигается при наименьшем расходе экстрагента.

Рис. 4.2. Схема установки непрерывного действия

для экстракции двумя растворителями: 1 – колонна; II – установка для регенерации экстрагента SB2; III – установка для регенерации

экстрагента SB1; IV – дополнительные смесители (в случае работы

с флегмой); 1,2,3, ..., n-1, n – номера ступеней: L – исходный раствор; N – сырой экстракт; Rn – сырой рафинат; B1, B2 – экстрагируемые компоненты

34

Многоступенчатые экстракторы (см. рис. 4.3, а, б, в) обычно представляют собой вертикальные колонны, разделённые поперечными перфорированными тарелками, вращающимися дисками, мешалками и т. п. на ступени (секции). В каждой ступени происходит перемешивание взаимодействующих фаз и их расслаивание. Таким образом, исходный раствор и экстрагент многократно перемешиваются и расслаиваются. Эффективность этих аппаратов оценивается КПД отдельных ступеней или высотой аппарата, эквивалентной одной ступени равновесия – теоретической тарелке. Значит, распространение получили экстракторы ситчатые и с механическим перемешиванием.

В ситчатых (рис. 4.3, а) ступени разграничены перфорированными горизонтальными тарелками и сообщаются между собой переливными трубками. Одна из контактирующих жидкостей, проходя через отверстия тарелок, диспергируется, чем создаётся большая поверхность контакта с встречной жидкостью, протекающей по переливным трубкам в виде сплошной фазы.

Рис. 4.3. Схемы экстракционных колонн: а – колонна с ситчатыми тарелками;

б– роторно-дисковый экстрактор; в – колонна с чередующимися смесительными

иотстойными насадочными секциями; г – распылительная колонна;

д– насадочная колонна; 1 – колонна; 2, 6 – распылители; 3 – ситчатая тарелка; 4 – переливные трубки; 5, 12 – насадки; 7, 10 – валы; 8 – плоский ротор;

9 – кольцевые перегородки; 11 – мешалки

Экстракторы с механическим перемешиванием делятся на роторнодисковые (рис. 4.3, б) и с чередующимися смесительными и отстойными насадочными секциями (рис. 4.3, в). В роторно-дисковых экстракторах вращающиеся диски перемешивают и диспергируют жидкости, после чего они расслаиваются. В экстракторах со смесительными и насадочными сек-

35

циями лопастные или турбинные мешалки размещены на общем вертикальном валу попеременно со слоями неподвижной насадки (кольца Рашига, спирали, пакеты сеток и пр.). Перемешанные жидкости, пройдя через слои насадки, расслаиваются. Применяются также экстракторы с непрерывным контактом взаимодействующих фаз (распылительные, насадочные), не разделённые на отдельные ступени, их эффективность при достаточной высоте измеряется несколькими ступенями. Распылительные экстракторы (рис. 4.3, г) снабжены соплами, инжекторами и т. п. для диспергирования взаимодействующих жидкостей. Такие аппараты отличаются простотой и высокой производительностью, но сравнительно невысокой эффективностью. Несколько более эффективны, но менее производительны насадочные экстракторы(рис. 4.3, д), наполненныекольцами Рашига, кольцами Паля и др.

Часто используются ящичные экстракторы, которые разделены вертикальными перегородками на ступени, каждая из которых состоит из смесительной и отстойной камер (рис. 4.4). Расположенные в смесительной камере турбинные мешалки перемешивают жидкости и одновременно транспортируют их из ступени в ступень. Такие экстракторы могут работать при любом соотношении исходного раствора и экстрагента, сохраняя при этом рабочие концентрации жидкостей при прекращении процесса.

Рис. 4.4. Ящичный экстрактор: 1 – камера смешения; 2 – жалюзийная перегородка; 3 – отстойная камера; 4 – граница раздела фаз; 5, 6 – регулирующие трубки;

7 – рециркуляционная трубка; 8 – всасывающий коллектор; 9 – турбинная мешалка

Для экстракции неустойчивых соединений (например, антибиотиков) используются центробежные экстракторы, ротор которых состоит из набора цилиндров, перфорированных с обоих концов, или спиральных лент. Исходный раствор и экстрагент движутся навстречу друг другу, причём более тяжёлая жидкость – от центра к периферии, а более лёгкая – в обратном направлении. Контакт жидкостей происходит на пути их движения,

36

а диспергирование – при прохождении через перфорированные части цилиндров. Экстракция из твёрдых веществ изображается диаграммой фазового равновесия, показанной на рис. 4.1, а. В этом случае в зависимости от конструкции используемого аппарата экстрагент проходит либо через слой неподвижной твёрдой фазы, либо перемешивается с нею, либо движется в противотоке к твёрдой фазе, перемещаемой различными транспортными устройствами. Применяется, например, непрерывный противоточный экстрактор (рис. 4.5), где твёрдая фаза перемещается перфорированными шнеками вдоль U-образного цилиндрического корпуса навстречу экстрагенту.

Рис. 4.5. Непрерывный противоточный экстрактор:

1 – корпус; 2 – перфорированные шнеки; 3 – ввод твердой фазы; 4 – отвод твердой фазы;

5 – ввод экстрагента;

6 – отвод экстрагента;

7 – процеживатель

Экстракт отводится через процеживатель – цилиндрический лист с вертикальными прорезями.

Экстракция широко применяется в химической, нефтеперерабатывающей, металлургической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. Экстрагентами при этом служат спирты, кетоны, простые и сложные эфиры, амины, эфиры фосфорной кислоты, хелатообразующие соединения и др. Экстрагенты используют в смесях с разбавителями – жидкостями, которые служат для улучшения физических (вязкость, плотность) или экстракционных свойств экстрагентов. Разбавителями могут быть керосин, бензол, хлороформ и т. п.

Достоинством экстракции при работе с короткоживущими радиоактивными изотопами является также экспрессность. В таких процессах экстрагенты должны обладать радиационной устойчивостью. Для обеспечения безопасности человека при экстракции радиоактивных веществ применяют дистанционное управление. Во многих случаях использование экстракции в аналитической химии и радиохимии сочетают с другими методами (хроматографией, соосаждением, дистилляцией и т. д.).

37

5. АППАРАТЫ ДЛЯ ПРОЦЕССОВ АДСОРБЦИИ

Процесс адсорбции заключается в избирательном поглощении компонентов из парогазовых (или жидких) сред, поверхностью твердого поглотителя – адсорбента. Сорбционные процессы, как правило, обратимы. Поглощаемое из раствора вещество называется адсорбтивом. После того как извлеченный компонент перешел в адсорбированное состояние, его называют адсорбатом.

Применение адсорбционных методов экономически выгодно в случае небольших концентраций поглощаемого вещества в растворе. Процессы адсорбции широко используются в промышленности для глубокой осушки природных газов, воздуха, газовых смесей в каталитических процессах, для очистки вентиляционных выбросов. При адсорбции из отходящих газов удаляют сероводород, хлор, сероуглерод, извлекают бензин из углеводородных газов. Из жидких сред выделяют растворители, очищают масла и парафин. Адсорбция позволяет почти полностью извлечь из смеси целевые компоненты.

Механизм сорбции обусловлен силами притяжения между молекулами адсорбента и адсорбтива. Силы притяжения имеют физическую или химическую природу. Соответственно, они обуславливают либо физическую адсорбцию, либо химическую (хемосорбцию). Взаимосвязь между молекулами раствора и поверхностью адсорбента определяется слабыми дисперсными, индукционными и ориентационными силами при физической сорбции. С повышением температуры количество адсорбированного вещества, как правило, уменьшается, а рост давления приводит к возрастанию величины сорбции. При хемосорбции между молекулами раствора и поверхностными молекулами поглотителя происходит химическая реакция, возникающие при этом силы сцепления значительно больше, чем при физической адсорбции, происходит потеря индивидуальности адсорбтива и адсорбента. Физическая адсорбция в отличие от химической является обратимым процессом. Обратимость физической адсорбции позволяет последовательно проводить процессы адсорбции и десорбции. При десорбции из адсорбента извлекаемый поглощенный компонент и очищенный адсорбент можно использовать вновь.

Применяемые в промышленности адсорбенты должны обладать следующими основными характеристиками: большая динамическая емкость (время защитного действия), развитая удельная поверхность, селективность (избирательная способность к поглощению), низкая стоимость, термическая и механическая прочность, способность к регенерации.

Промышленные адсорбенты можно охарактеризовать рядом признаков: адсорбционная (поглотительная) емкость (активность), поверхность, объем и размеры пор, избирательность. Адсорбционная емкость является

38

важнейшим показателем, она определяет эффективность очистки газов и размеры аппарата. Различают статическую (равновесную) и динамическую емкости адсорбентов. Для описания равновесного состояния системы применяют статическую емкость, которая устанавливает, какое максимальное количество вещества способен поглотить адсорбент. Динамическая емкость показывает, какое количество вещества способен адсорбировать адсорбент от начала процесса до момента, когда в выходящем из слоя сорбента газе-носителе появляются следы адсорбтива. Поглотительная способность адсорбента зависит от вида и концентрации сорбируемого вещества, от температуры и давления процесса, а также от природы самого адсорбента. Для промышленных адсорбентов первостепенное значение имеет отсутствие потери ими адсорбционной активности после проведения нескольких сотен и тысяч циклов «адсорбция–десорбция». Для увеличения поглотительной способности необходимо искусственно формировать адсорбенты с максимально возможной площадью поверхности пор. Согласно классификации академика М. М. Дубинина, поры в твердых телах могут быть подразделены на макропоры (эффективный радиус пор – r > 0,1 мкм), переходные поры (r – 0,0015...0,1 мкм) и микропоры (r < 0,0015 мкм). Удельная поверхность макропор относительно мала (составляет 0,2 - 0,5 % от общей поверхности адсорбента), поэтому макропоры поглощают незначительное количество вещества и служат для переноса адсорбируемых молекул к переходным порам или микропорам. В переходных порах образуются слои поглощенного вещества (один – мономолекулярная адсорбция, несколько – полимолекулярная адсорбция). В микропорах, размер которых соизмерим с размерами адсорбируемых молекул, происходит объемноезаполнениеадсорбатом.

В промышленности в качестве адсорбентов применяются следующие вещества, имеющие развитую поверхность и структуру пор: активные угли, силикагели, алюмогели и цеолиты.

Первостепенное значение в сорбционных технологиях имеет этап регенерации адсорбентов, который во многом определяет экономическую целесообразность использования данного процесса в промышленности. На очистку адсорбентов приходится до 60 - 70 % всех энергетических затрат адсорбционно-десорбционного цикла. Существует два основных метода проведения десорбции (регенерации адсорбентов):

1)вытеснение из адсорбента поглощенных веществ новыми компонентами, которые имеют большую склонность к сорбции;

2)испарение поглощенных компонентов путем нагрева адсорбента. Выбор метода регенерации зависит от особенностей конкретного

адсорбционного процесса. В настоящее время наиболее часто в качестве десорбирующих агентов используют острый насыщенный или перегретый водяной пар, инертные газы. После осуществления десорбции слой адсорбента, как правило, подвергают сушке и охлаждению.

39

6. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ

Мембранные процессы позволяют с помощью мембраны разделить исходную смесь на две составляющие: фильтрат (пермсат) и концентрат (ретант). Разделение происходит вследствие того, что один компонент из исходной смеси переносится через селективную мембрану в фильтрат с большей скоростью, чем другой компонент или компоненты, которые образуют в итоге концентрат.

В основу классификации мембранных процессов можно положить движущую силу. Микрофильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос, пьезодиализ осуществляются под действием перепада давления. Первапорацию (испарение через мембрану), газоразделение, диализ проводят под действием градиента концентраций. Термоосмос, мембранная дистилляция требуют градиента температур.

Условно выделяют мембранные процессы первого поколения (микрофильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос, электродиализ и диализ) и второго поколения (газоразделение, первапорация, мембранная дистилляция, разделение с помощью жидких мембран).

Мембранные процессы разделения обладают следующими преимуществами:

протекают без энергоемких фазовых переходов веществ (исключение составляет испарение через мембрану);

работают в мягких температурных режимах, что дает возможность разделять термически нестойкие продукты;

не требуют больших энергетических затрат;

могут легко сочетаться с другими процессами разделения;

мембранные установки требуют немного времени для запуска и остановки, легко автоматизируются, имеют возможность масштабирования на заданную производительность, трудозатраты на их эксплуатацию минимальны;

осуществляются без внесения каких-либо добавок, то есть являются экологически чистыми;

могут работать в непрерывном режиме.

Следует упомянуть и недостатки:

необходимость периодической очистки мембран вследствие отложения осадков на их поверхности;

короткое время эксплуатации мембран (в среднем от одного до трех лет).

Все мембранные аппараты имеют нечто общее, а именно мембрану – селективно проницаемую перегородку между двумя фазами. Согласно Комиссии по мембранной номенклатуре, мембрана – это объект, имеющий размер в одном измерении (толщину), значительно меньший, чем в других

40