книги из ГПНТБ / Холланд Ф. Химические реакторы и смесители для жидкофазных процессов

который не требует промежуточного насоса [6]. Дисперсионная среда течет в отстойник по центральной трубе. Две другие трубы позволяют осуществлять рециркуляцию тяжелой или легкой фазы. Установка чрезвычайно гибка. На рис. IX-2, б и IX-2, в показано смесительно-отстойное оборудование, применяемое при экстракции соединений урана [7]. Отстойник на рис. IX-2, в — круглый деревянный сосуд, внутри которого расположен

Рис. IX-3. Гравитационный отстойник:

1 — щелевидная перегородка: 2 — устройство для разрыва сифона, предупреждающее полное опорожнение отстойника; А — легкая фаза; Б — тяжелая фаза; В — межфазная по­ верхность.

обычный аппарат с мешалкой из нержавеющей стали. Оборудова­ ние, показанное на рис. IX-2, в используют, когда в тяжелой фазе находится небольшое количество твердого вещества. В не­ которых смесительно-отстойных системах в аппаратах с мешал­ ками устанавливают перегородки, чтобы использовать нагнета­ ющее действие мешалки.

Наиболее простым видом отстойного аппарата является аппа­ рат с центральным вводом диспергируемой среды и выводом лег­ кой и тяжелой фаз соответственно сверху и у дна, как показано

Хотя на рис. IX-3 межфазная поверхность показана на уровне, одинаковом с вводом сырья, ее автоматически регулируют так, чтобы обеспечить справедливость уравнения (IX,4). На входе дисперсионной среды часто располагают щелевидную перего­ родку, чтобы уровень межфазной поверхности не искажался потоком входящей жидкости. Можно использовать гибкие соеди­

буется малое время пребывания, применяют другие типы отстой­ ников, такие как циклоны и центрифуги.

После отстойников иногда устанавливают коагуляторы, чтобы удалить из рафината увлеченные капли дисперсной фазы. Коагу­

162

ляторы обычно представляют собой сосуды, заполненные пори­ стыми или волокнистыми твердыми частицами, такими как кокс или стеклянная вата. В этих сосудах небольшие капельки соеди­ няются в большие, осаждающиеся с большей скоростью. Приме­ няют также и электростатические коагуляторы [8]. В них верти­ кально располагают два плоских параллельных электрода, при­ чем один электрод изолируют от аппарата, а второй заземляют через аппарат.

Непрерывная экстракция

При непрерывной экстракции две жидкие фазы текут противо­ током друг к другу, непрерывно контактируя. В таких системах экстрактор представляет собой колонну, в которой легкая жидкость поступает снизу и течет вверх, а тяжелая жидкость

подается сверху и течет вниз. Дисперсионной средой может быть как легкая, так и тяжелая жидкость.

На рис. IX-4—IX-6 показаны типичные цилиндрические ко­

небольшие отстойные камеры, средняя секция — зона противоточной экстракции. Она разделена на ряд отсеков небольшого объема горизонтальными кольцеобразными перегородками. В цен­ тре каждого отсека на валу расположены гладкие круглые диски. Межфазная поверхность может изменяться в любом отсеке, в за­ висимости от особенностей жидкостной системы. Обычно исполь­ зуют колонны диаметром до 3 м.

На рис. IX-5 показан вертикальный секционированный экс­ трактор [10]. Он состоит из цилиндрической колонны, разделен­ ной горизонтальными кольцеобразными перегородками на ряд секций, соединенных между собой четырьмя вертикальными при­ стенными отражательными перегородками, и из центрального вала с четырьмя турбинными мешалками с прямыми ровными лопатками. Этот экстрактор имеет только две отстойные секции: у верха и у дна колонны.

На рис. IX-6 показан экстрактор, состоящий из чередующихся смесительных и отстойных секций [11]. На центральном валу между каждой парой отстойных секций установлены турбинные мешалки. Отстойные секции заполнены насадкой из плетеной проволочной сетки с крупными ячейками. Высоту насадки можно варьировать.

Основной недостаток колонн по сравнению с экстракторами механического перемешивания стандартной конструкции заклю­ чается в их тенденции к захлебыванию. Противоточиые колонны характеризуют максимально возможной относительной скоро­ стью двух фаз. Она зависит от физических свойств жидкостей, размеров системы п расхода энергии, подводимой к мешалке. При превышении максимальной относительной скорости выход­ ные потоки загрязнятся противоположной фазой (захлебывание),

иэкстрактор больше не сможет работать удовлетворительно. Для жидкостных систем с высоким поверхностным патяжепне.м

на границе раздела фаз колонны с механическим перемешиванием более эффективны, чем колонны без механического перемешива­ ния. Для каждой жидкостной системы существует оптимальная скорость мешалки, при которой колоипа работает наиболее эффективно. '

ДВИЖУЩАЯ СИЛА ПРОЦЕССА ЭКСТРАКЦИИ

■Величину движущей силы процесса измеряют отклонением системы от равновесных условий. Уравнения равновесия для жидкостных экстракционных систем были впервые выведены на основе соотношений, описывающих разделение жидкостей методом ректификации.

Разделение смеси двух компонентов А и В при ректификации обусловлено тем, что обычно при равновесии жидкой и паровой

164

Разделение смеси компонентов А и В методом жидкостной экстракции аналогично ректификации, с той разницей, что к смеси добавляют жидкость С, с помощью которой происходит образо­ вание и разделение двух новых жидких фаз, в которых отлича­ ются отношения А к В.

Равновесные соотношения, определяющие процесс жидкостной экстракции, обычно выражают в виде треугольных диаграмм типа показанной на рис. IX-7. Допустим, что А — компонент смеси, который желательно выделить. Предположим, что А пол­

Вследствие указанного свойства треугольной диаграммы точка М на рис. IX-7 определяет состав тройной смеси. Длина перпендикуляра, опущенного из М на сторону ВС, представляет собой долю компонента А в общей смеси. Аналогично длины' пер­ пендикуляров, опущенных из точки М на стороны АС и АВ,

фазового равновесия, характеризуемый тем, что компоненты раствора В и С ограниченно растворяются друг в друге. Кривая GBPEH называется кривой растворимости. Все смеси компонентов,

165

соответствующие точкам, расположенным выше этой кривой, представляют собой гомогенные однофазные жидкие растворы. Смеси, отвечающие точкам ниже кривой, представляют собой двухфазные растворы. Например, смесь состава соответству­ ющего точке М, представляет собой двухфазный раствор, при­ чем составы каждой фазы характеризуются точками R и Е. Ли­ нию RE соответствующую равновесным растворам одного и того же состава, называют хордой равновесия. По мере увеличения концентрации компонента А взаимная растворимость R и С возрастает, и в точке Р обе ветви кривой растворимости сходятся.

равновесия типа II, характеризующая систему с двумя парами ограниченно растворимых жидкостей. Линия GS отвечает составу фазы, находящейся в равновесии с другой фазой, состав которой представлен линией НТ. Области ARGS и НТС — области одно­ фазных растворов. Диаграммы равновесия, представленные на рис. IX-8, а и б, соответствует определенной температуре.

Легкость разделения смеси может быть оценена построением кривых распределения, представляющих зависимости концент­ рации компонента в одной фазе х от концентрации его в другой

дробно рассмотрен Трейбалом [12].

Как показано на рис. IX-8, а, для получения смеси соответ­ ствующей точке М, раствор компонентов А и В, который необ­ ходимо разделить (точка F), смешивают с экстрагентом С. Эта тройная смесь после установления равновесия и последующего отстаивания жидкостей разделится на две фазы с .составами, представленными точками R и Е. Далее этот процесс проиллю­ стрируем материальным балансом на рис, IX-10.

166

Рис. IX-11. Кривая равновесного t распределения (7) и рабочая ли­ ния (2) для одноступенчатой эк­

стракции.

Поскольку В и С взаимно нерастворимы, то B r = Вр, и все количество В остается в рафинате.

Аналогично СЕ = С и все количество С остается в экстракте. Материальный баланс для компонента А имеет вид:

А р = A r - \ - А е ( I X , 5)

Перепишем его g учетом концентраций:

B F X F — B F X + С У ( I X , 6)

Преобразуем уравнение (IX,6) к виду:

- C Y = B F ( X - X F ) ( I X , 7)

или

Y Ц Х — Х р ) = — В р / С ( I X , 8)

Уравнение (IX,8) называют уравнением рабочей линии.

На рис. IX-11 дана зависимость У от X и показаны кривая равновесного распределения и рабочая линия.

Многоступенчатая противоточная экстракция

На рис. IX-12 показаны различные ступени экстракции, в которых равновесие предполагается достигнутым. Вновь при­ мем, что компоненты раствора В и С взаимно нерастворимы.

•167

Материальный баланс компонента А для первой ступени, «-ой ступени п всего процесса экстракции запишем соответственно уравнениями:

Рнс. IX-12. Схема протнвоточиой лшогоступенчатой экстракции.

Преобразуем уравнение (IX ,И ) так, чтобы получить уравне­

где I — точка, показанная на рис. IX-14. Точка М на этом ри­ сунке не показана; ее значение обсуждалось при рассмотрении рис. IX-8, а. Материальный баланс для всей системы кроме первой ступени запишем в виде уравнения

168

или

Материальный баланс для всей системы кроме первых двух ступеней выразится уравнением

и т. д.

А

Рис. IX-14. Иллюстрация метода Понтона — Саварнта для жидкостной экстракции.

А

Рис. IX-15. Влияние состава смеси на число ступеней экстракции.

Очевидно, зная хорду равновесия R 1E 1 число ступеней можно' графически определить из рис. IX-14 обычным методом.

Интересно заметить, что точка М на рис. IX-15 лежит не

169

проведенная из точки / , соединится с хордой равновесия, то для достижения эффекта разделения потребуется бесконечное число ступеней. Точка I соответствует минимальному отношению экстра­ гента С к сырью. Однако на практике используемое отношение зависит от других факторов. Отношение количеств двух жидких компонентов влияет па площадь межфазной поверхности.

Непрерывная протпвоточная экстракция

Рассмотрим элемент высоты dH колонны, в которой две не­ смешиваемые жидкие фазы находятся в противотоке. Для этого случая материальный баланс имеет впд:

ВР

Для элементарного слоя высотой dH уравнение (1Х*2) запи­ шем в виде:

где X* — соотношение компонентов в рафинате, находящихся

вравновесии с фазой, где это соотношение равно Y (рис. IX-13);

Кх — общий коэффициент массопередачи; dS — поверхность массопередачи в элементарном слое, равная aFdH (где а — площадь межфазной поверхности в единице объема колонны, F — площадь поперечного сечения колонны).

Объединим уравнения (IX ,19), (IX,20) и dS = aFdH. После интегрирования получим:

Следовательно, высоту колонны, определяемую изменением зна­ чения X от Х в до Х,„ находят по уравнению:

Аналогичное уравнение можно записать для единицы переноса на основе движущей силы (У* — Y). Число единиц переноса

170