Устройство и принцип действия экстракторов

Известно множество конструкций экстракторов для систем жидкость-жидкость, обусловленное различием характера и режима осуществляемых технологических процессов. Эффективность работы аппаратов при прочих равных условиях зависит от совершенства контактирования жидкой исходной смеси и экстрагента, а также от четкости разделения полученной гетерогенной смеси на экстракт и рафинат. Большая поверхность контакта достигается диспергированием одной из жидких фаз (экстрагента или исходной смеси), а четкость разделения (расслоение) – обособленными гравитационными отстойниками, совмещением специальных расслаивающих устройств со смесительными в одном корпусе, созданием поля центробежных сил. К экстракторам предъявляют также ряд других требований: высокая удельная производительность, простота и надежность конструкции, малая металлоемкость, низкий расход энергии.

Всеобъемлющая классификация экстракционных аппаратов затруднительна, однако их можно классифицировать по отдельным характерным признакам.

По принципу организации процесса все экстракторы делят на аппараты периодического и непрерывного действия. Первые применяют главным образом, в лабораторной практике или в малотоннажном производстве.

В

Рис. 3. Одноступенчатые смесительно-отстойные экстракторы: а – аппарат с обособленными смесительной и отстойной камерами; б – экстрактор с совмещенными камерами; 1 – смесительная камера; 2 – отстойная камера; 3 – исходная смесь; 4 – экстрагент; 5 – экстракт; 6 – рафинат; 7 – центробежный насос; 8 – турбинная мешалка

аспекте рассматриваемой проблемы напрашивается классификация по способу контакта взаимодействующих потоков (фаз). При этом аппараты можно разделить на две относительно обширные группы. К первой группе относятся секционированные (ступенчатые) аппараты, характеризующиеся многократным или ступенчатым (скачкообразным) межфазным контактом. Ко второй – принадлежат аппараты с непрерывным контактом взаимодействующих потоков на всем пути их движения (дифференциально-контактные аппараты).

Простейшим одноступенчатым смесительно-отстойным экстрактором является аппарат с мешалкой (рис. 3, а). После перемешивания загруженных количеств исходной смеси и экстрагента мешалку останавливают, предоставляя смеси жидкостей возможность расслаиваться.

Полученные экстракт и рафинат выгружаются и процесс повторяется. Одноступенчатые экстракторы могут работать также непрерывно, если сочетать смесительную камеру с отстойной камерой непрерывного действия (рис. 3, а, б). Обе камеры могут быть либо обособлены и соединены трубопроводом (рис. 3, а), либо более компактно расположены в одном корпусе (рис. 3, б). Смесительная камера может быть заменена центробежным насосом (показано пунктиром на рис. 3, а).

Экстракция путем однократного контакта

С

Рис. 4. Схема однократ- ного контакта: А – жидкость, в которой растворено экстрагируемое вещество; С – растворитель (экстрагент); Е – экстракт; В – экстрагируемое вещество; R – рафинат; F – исходная смесь

хема процесса экстракции путем однократного контакта приведена на рис. 4. Если жидкости взаимно нерастворимы, интегрирование уравнения материального баланса

G dy = -L dx, (11)

проводится в пределах

, (12)

откуда

, (13)

или

, (14)

где – начальное содержание экстрагируемого компонентаВ в А; –конечное содержание экстрагируемого компонентаВ в А; – конечное содержание компонента в экстрагенте;L – количество чистой жидкости А; G – количество чистой жидкости С (экстрагент). Знак «–» в соотношении (14) указывает на то, что концентрация распределяемого компонента в данной фазе падает.

К

Рис. 5. Экстракция при однократном контакте: а – положение рабочей линии; б – расчет по треугольной диаграмме

ак следует из уравнения (11), в координатахy-x рабочая линия есть прямая с отрицательным тангенсом наклона (рис. 5, а). Если линия равновесия – прямая с тангенсом угла наклона , т. е. справедлив линейный закон распределения, то совместное решение двух уравнений (равновесия и рабочей линии) приводит к соотношению

, (15)

или

. (16)

Уравнение (16) позволяет непосредственно вычислить состав жидкости после экстрагирования (состав рафината).

Статические параметры однократного контакта наиболее полно можно проанализировать на тройной диаграмме как для частично смешивающихся, так и для несмешивающихся жидкостей. На рис. 5, б представлена графическая интерпретация процесса при условии, если растворителем служит компонент С, а исходная смесь (точка F) содержит компонент В, растворенный в А; компоненты А и С при малых концентрациях взаимнорастворимы. Точка М представляет собой состав, образующийся в результате смешения исходной смеси F с экстрагентом С (СМ:MF), дающий экстракт (точка Е) и рафинат R (МR:ЕМ). Линия FС- рабочая линия процесса, линия RE – равновесная линия. Количество экстрагента определяется соответствующим положением точки М на прямой FС, не выходящей за пределы пограничной кривой, где двухфазная система становится однофазной.

В результате однократного контакта образуются два слоя: экстрактный слой (на ветви пограничной кривой, расположенной на стороне растворителя С) и рафинатный слой, содержащий меньшее количество компонента В, чем исходная смесь F, и расположенной на левой ветви пограничной кривой. Если рафинат удалить из аппарата и вновь обработать его свежим растворителем, то при этом содержание компонента В в рафинате будет еще меньше. Таким образом, будет осуществляться принцип многократного контактирования, позволяющий практически полностью выделить продукт В.

Количество экстрактного и рафинатного слоев может быть определено или по треугольной диаграмме по соотношению соответствующих отрезков, или из материального баланса экстрагируемого компонента.

При рассмотрении материального баланса в соответствии с рис. 16, б имеет место следующее равенство

. (17)

Если через иобозначить содержание экстрагируемого компонентаВ в исходной смеси и в точке М, то по балансу

, (18)

откуда

, (19)

и количество расходуемого экстрагента определится из соотношения

. (20)

Если через обозначить содержание экстрагируемого компонента в экстракте и через – в рафинате, то можно записать

, (21)

откуда с учетом уравнения (20) количество экстракта составит

(22)

и количество рафината

. (23)