7.3.7 Расчет экстракторов
Целью расчета экстракторов является определение необходимого количества экстрагента, количества и концентрации экстракта и рафината.
Порядок расчета экстракционных аппаратов такой же, как и других массообменных аппаратов:
1) определение условий равновесия;
2) составление материального баланса;
3) определение движущей силы;
4) расчет коэффициентов массопередачи: КХ, КУ;
5) определение диаметра и высоты аппарата.
Расчет может проводиться как аналитически, так и графически (треугольная диаграмма).
7.3.8 Способы повышения интенсивности процесса
Рассмотрим основное уравнение массопередачи (формула (7.12)):
.
Массоперенос в процессе жидкостной экстракции существенно ускоряется вследствие обновления поверхности контакта фаз при дроблении или коалесценции капель, что происходит практически во всех экстракционных аппаратах. Значительное влияние на массообмен оказывают поверхностные явления на границе раздела фаз. Вследствие градиента межфазного поверхностного натяжения возникает движение близко расположенных к границе раздела фаз слоев жидкости в направлении возрастания поверхностного натяжения, приводящее к развитию межфазной турбулентности. Последнее приводит к ускорению массопереноса. Поверхностно-активные вещества (примеси) создают дополнительное сопротивление массопереносу на границе раздела фаз.
Вопросы для самоконтроля
1. Раскройте принцип процесса абсорбции. Для решения каких задач применяют этот процесс?
2. Как составляется материальный баланс абсорбции? Раскройте понятие рабочей и равновесной линий данного процесса.
3. Составьте тепловой баланс абсорбции.
4. Что называют минимальным и оптимальным расходом абсорбента?
5. Дайте классификацию абсорбционных аппаратов.
6. Раскройте принцип действия насадочных колонн.
7. Каков порядок расчета абсорберов?
8. Приведите примеры схем установок с однократным и многократным использованием абсорбента.
9. Раскройте принцип ректификации. Изобразите схему ректификационной колонны и укажите на ней потоки жидкости и пара.
10. Сформулируйте законы Рауля и Дальтона.
11. Изобразите схему установки непрерывной ректификации бинарной смеси.
12. Составьте материальный баланс ректификационной колонны для разделения бинарной смеси.
13. Напишите уравнения рабочих линий для верхней и нижней частей ректификационной колонны.
14. Составьте тепловой баланс ректификационной колонны.
15. Как определяется оптимальное флегмовое число?
16. Раскройте сущность процесса жидкостной экстракции. Покажите схемы проведения процесса, области применения.
17. Поясните треугольные диаграммы и построение равновесных кривых.
18. Раскройте основы кинетики процесса экстракции, покажите лимитирующие стадии процесса.
19. Опишите принципиальные схемы экстракции.
20. Раскройте принцип расчета экстракторов.
21. Раскройте принципы интенсификации жидкостной экстракции.
Модуль 8. Массообменные процессы с участием твердой фазы
К группе массообменных процессов с участием твердой фазы относятся сушка, адсорбция, кристаллизация и ионный обмен.
Сушка – процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения. Этот процесс представляет собой переход влаги из твердого влажного материала в газовую или паровую фазу. Применяют в технике для предварительного обезвоживания перерабатываемых веществ или обезвоживания готового продукта.
Адсорбция – избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкости веществ твердым поглотителем, способным поглощать одно или несколько веществ из смеси. Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой, паровой или жидкой фазы в твердую. Применяют для извлечения того или иного вещества (или веществ) достаточно низкой концентрации из их смеси.
Кристаллизация – процесс выделения твердого растворенного вещества из его раствора (кристаллизация из раствора) или процесс выделения твердой фазы при затвердевании веществ, находящихся в расплавленном состоянии (кристаллизация из расплава).
Ионный обмен – избирательное извлечение ионов из растворов электролитов. Этот процесс представляет собой переход извлекаемого вещества из жидкой фазы в твердую. Применяют для извлечения веществ из растворов, в которых эти вещества находятся при низких концентрациях.
Растворение и экстрагирование (выщелачивание) – извлечение на основе избирательной растворимости какого-либо вещества из твердого пористого материала. Применяют для извлечения ценных или токсичных компонентов из твердых материалов.
Особенностью всех перечисленных процессов является нестационарность процесса и многообразие элементарных механизмов массопередачи в твердом теле. При данном типе массообмена перенос массы во внешней фазе (жидкость, газ, пар) осуществляется конвективной и молекулярной диффузией, а в твердой фазе механизм переноса обусловлен многообразием твердых пористых материалов. Элементарные виды переноса в твердом пористом материале: молекулярная и конвективная диффузии.
Молекулярная диффузия вещества в матрице твердого тела – обмен местами атомов с вакантными узлами кристаллической решетки либо обмен местами двух соседних атомов. Молекулярная диффузия может быть свободной и кнудсеновской. Свободная диффузия молекул в капиллярах возникает в достаточно широких порах, радиус которых больше длины свободного пробега молекул. Стесненная, или кнудсеновская, диффузия возникает в случае, когда движение молекул определяется столкновениями со стенками пор.
Наряду со свободной и стесненной диффузией в объеме пор существует и диффузионный поток по их поверхности – термодиффузия, поскольку молекулы и в адсорбированном состоянии находятся в тепловом движении. Термодиффузия описывается законом Фика:
,
(8.1)
где D – коэффициент эффективной диффузии, коэффициент массопроводности (справочная величина), м2/с.
Конвективная диффузия вещества в каналах возникает под действием разности температур и давлений по длине поры. Конвективный перенос возникает, когда длина свободного пробега молекул значительно меньше радиуса поры.