Екстрагування в системі тверде тіло - рідина

Размещено на http://www.allbest.ru/

33

Екстрагування в системі тверде тіло - рідина

1. Загальні відомості

речовина екстрагування твердий рідина концентрація

Екстрагуванням в системі тверде тіло-рідина в широкому значенні називають процеси вилучення одного або декількох компонентів з твердих тіл за допомогою вибіркових розчинників (екстрагентів). Екстрагування водними розчинами називають вилуговуванням. Екстрагування із твердих речовин або квазітвердих матеріалів (наприклад, із тканин рослинної сировини) застосовується здебільшого в хімічній, харчовій, лісохімічній і фармацевтичній промисловостях. Екстрагування є першою стадією хімічної переробки мінеральної сировини, з якої таким чином вилучають цінні компоненти. Процес часто супроводжується процесами фільтрування, випаровування, кристалізації і сушіння. Гетерогенні системи, утворені розчинником і твердим пористим матеріалом, називають пульпами.

Як робочі розчинники під час вилуговуванні використовують воду або водні розчини кислот і лугів. У харчовій та фармацевтичній технологіях застосовують також різні олії, етанол різних концентрацій, хлороформ, хлористий метилен та ін.

Загалом процес екстрагування в системі тверде тіло - рідина складається з таких послідовних стадій:

1. Проникнення розчинника в пори частинок твердої сировини (висушеної або свіжої).

2. Розчинення цільового компонента.

3. Перенесення речовини, що екстрагується з внутрішніх структур частинок твердої сировини до поверхні розділу фаз з утворенням дифузійного пограничного шару (плівки).

4. Перенесення речовини, що екстрагується через пограничний дифузійний шар (плівку).

5. Перенесення речовини, що екстрагується від зовнішньої поверхні дифузійного пограничного шару в об'єм екстрагента, що омиває сировину.

Отже, перша і друга стадії пов'язані з розчиненням твердих речовин, перехід яких у розчин дає змогу прискорити подальше перенесення компонентів, що екстрагуються.

Іноді в процесах екстрагування (вилуговування) на другій стадії може відбуватися хімічна реакція екстрагента з компонентом, що вилучається. Тоді в наступних (третя - п'ята) стадіях буде відбуватися перенесення продуктів реакції. Перенесення усіх речовин на цих трьох стадіях буде здійснюватися внаслідок дифузії.

Якщо речовина, що вилуговується, утримується в порах твердого тіла в розчиненому вигляді, то вона безпосередньо переходить у розчинник в результаті дифузії.

На перенесення речовини під час вилуговування впливає, крім форми, розміру і хімічного складу частинок твердого тіла його внутрішня будова, а саме розміри, розташування і вид пор (наскрізні або закриті з одного кінця). Від структури пористого твердого тіла залежить його дифузійна провідність, що може здійснювати значний, а іноді і визначальний вплив на швидкість вилуговування.

Під розчиненням ми розуміємо перехід речовини в розчин з поверхні твердих частинок. При цьому передбачається, що розчинні частинки відділені від інертних, а останні не мають істотного впливу ні на кінетику розчинення, ні на кінцеві результати процесу. Під час звичайного фізичного розчинення вихідну тверду речовину можна отримати кристалізацією з розчину. Хімічне розчинення являє собою гетерогенну хімічну реакцію, продукти якої розчиняються в рідкому об'ємі. Повернення до вихідної твердої речовини кристалізацією за цих умов є неможливим.

В результаті хімічного розчинення можуть утворюватися тверді або газоподібні продукти реакції, що сильно ускладнюють кінетику розчинення. Виділення твердих і газоподібних продуктів може призвести до утворення пористої плівки або осідання бульбашок газу на поверхні твердого матеріалу Екранізація поверхні розчинення твердими продуктами реакції суттєво сповільнює процес, а виділення газоподібної фази до визначених меж прискорює розчинення; за цими межами проявляється екрануюча дія газової фази.

Процеси розчинення зазвичай мають значну швидкість перебігу. Цьому сприяє безпосередній контакт рідини з поверхнею частинок, які розчиняються. Екстрагування твердої речовини кінетично не є рівноцінним його розчиненню. В умовах розчинення речовина безпосередньо контактує з рідиною, що рухається, завдяки чому опір масоперенесенню є невеликим. В умовах екстрагування твердої речовини область, що містить цільовий компонент, спочатку займає весь об'єм частинок, а в процесі екстрагування систематично скорочується. Компонент, що вилучають, тільки в перший момент екстрагування знаходиться в контакті з рухомою рідиною, а згодом втрачає контакт із нею. Перенесення речовини до границь пористого тіла відбувається молекулярною дифузією в нерухомій рідині, що заповнює пористий об'єм. З цієї причини екстрагування - менш інтенсивним процесом порівняно з розчиненням.

На перший погляд, простим засобом інтенсифікації всіх перелічених процесів є зменшення розмірів частинок, що надходять на розчинення та екстрагування. Але такий метод призводить до негативних наслідків в існуючих операціях подрібнення (перед екстрагуванням) і відділення розчину від твердої фази (після екстрагування). Дійсно, зі зменшенням розміру частинок зростають витрати енергії на роботу дробарок або млинів, а також виникають труднощі під час реалізації фільтрування або відстоювання.

2. Розчинення

речовина екстрагування рідина концентрація

4Рівновага в системі тверде тіло - рідина настає тоді, коли хімічний потенціал розчиненої речовини дорівнює величині його хімічного потенціалу у вихідному твердому матеріалі. При цьому гранична концентрація розчину, що досягається, відповідає насиченню останнього і називається розчинністю. Дані про розчинність різних речовин у залежності від температури приводяться в довідниках.

Рушійною силою процесів розчинення рідиною з твердих матеріалів є різниця між концентрацією речовини, що розчиняється, біля поверхні твердого тіла С_гр і його середньою концентрацією С₁ в основній масі розчину. Зазвичай поблизу поверхні твердого тіла рівновага встановлюється дуже швидко. Тому концентрацію на границі твердої фази можна прийняти такою, що дорівнює концентрації насиченого розчину С_нас і рушійну силу виразити різницею

С_нас - C₁.

Концентрація насичення - найважливіший фізико-хімічний і технологічний параметр, з визначення якого починається аналіз і розрахунок будь-якого процесу розчинення. Ця величина вказує на ємність розчинника, його здатність сприймати речовину, що розчиняється. Крім того, вона є чинником, що сильно впливає на швидкість розчинення.

Розглянемо кінетику розчинення. У 1896 р. А.Н. Щукарєв сформулював основний закон кінетики розчинення: густина потоку речовини з поверхні розчинення є пропорційною до концентраційного недонасичення розчину

, (2.1)

де M - маса речовини, що розчиняється за час ф; F - поверхня розчинення; в - коефіцієнт масовіддачі; C_s - концентрація насичення; C₁ - концентрація розчину.

Під час розчинення частинок, зважених у потоці рідини, орієнтація поверхонь цих часток довільно змінюється, при цьому частинки, зменшуючись у розмірі, не змінюють своєї форми. Математичним вираженням цієї закономірності є співвідношення

(2.2)

де l - поточний розмір частинки; N - кількість частинок; с_т - густина речовини частинок;

x_v, x_F - коефіцієнти пропорційності, що залежать від форми частинок.

Підставимо в (2.1) і одержимо

, (2.3)

де .

З рівняння (2.3) видно, що швидкість зменшення розміру під час розчинення твердих частинок є пропорційною що до рушійної сили (С_s - C₁).

За сталих рушійної сили і коефіцієнта масовіддачі рівняння (2.3) інтегрується безпосередньо

, (2.4)

де l_o - розмір частинок до розчинення. Час повного розчинення визначають з (2.4) за l = 0 як

. (2.5)

Під час періодичних або безперервних процесів розчинення концентрація розчину C₁ безупинно змінюється відповідно до балансових співвідношень. Так, для періодичного розчинення в замкнутому апараті

, (2.6)

де M_o - початкова маса речовини, що розчиняється; W - об'єм розчинника; C_п - початкова концентрація розчину.

Для безперервного прямоточного процесу рівняння (2.6) зберігає свою силу, тільки величини M_o, M, W являють собою масові й об'ємні витрати, що мають розмірність і . Для протитечійного процесу

(2.7)

де C_к - кінцева концентрація розчину (на виході з апарата).

Спільне розв'язування рівняння (2.3) і рівнянь (2.6), (2.7) дає остаточний результат, справедливий для розчинення монодисперсних частинок.

Для періодичного розчинення в замкнутому апараті і за прямотоку

,

, (2.8)

.

Для протитечії

, (2.9)

На рис. 2.1 зображено графіки функцій Ф₁ і Ф₂ . З рівнянь (2.8) і (2.9) легко встановити час Т повного розчинення, для чого необхідно прийняти ц = 0.

Рис. 2.1. Функції Ф₁ і Ф₂

Для періодичного розчинення і прямотоку:

,

;

для протитоку:

,

.

Розрахунок часу повного розчинення за отриманими формулами показує, що час протитечійного розчинення є тим меншим від часу прямотечійного розчинення, чим ближчим є параметр б до одиниці. за б = 0,9 це співвідношення дорівнює 0,10.

За рівнянням (2.1), балансовими рівняннями (2.6) і (2.7) можна отримати математичний опис масообміну під час розчинення полідисперсної суміші твердих часток.

В усі рівняння кінетики розчинення входить коефіцієнт масовіддачі в, для визначення якого використовують рівняння в узагальнених змінних:

;

,

де D - коефіцієнт дифузії; - швидкість обтікання частинки, що розчиняється, рідиною; - густина насиченого розчину; - густина розчину в основній масі рідини; g - прискорення земного тяжіння; - густина речовини твердих частинок; - кінематична в'язкість.

За природної конвекції

при

при

Під час прямого обтікання частинки рідинним потоком з швидкістю

; ;

при

В умовах зваженого стану

Для умов інтенсивного перемішування в апаратах з мішалкою

де - витрата енергії на перемішування на 1 кг суспензії.

3. Екстрагування розчиненої речовини

Тверде пористе тіло містить у своєму об'ємі розчин цільового компонента. Під час взаємодії з екстрагентом цільовий компонент дифундує крізь пористу структуру твердого тіла в основну масу рідини. Діаметр пор, що складають пористий об'єм, є настільки малим, що рідина в порах є практично нерухомою. Тобто механізмом перенесення розчиненої речовини є молекулярна дифузія. Пористі структури твердих частинок мають велику розмаїтість. Серед них варто виділити клас ізотропних структур, що мають ті самі властивості, що дифузійна провідність в об'ємі частинки, яка є однаковою в усіх напрямках. Анізотропні пористі тіла можуть мати регулярну структуру. Прикладами таких тіл є рослинні об'єкти, що мають систему капілярів, у напрямку яких спостерігається найбільша дифузійна провідність. Пористі, анізотропні тіла з нерегулярною структурою характеризуються залежністю дифузійної провідності від координат. Усередині тіла розміщені вмістища розчину, статистично розподілені по розмірах. Молекулярне перенесення речовини завершується за досягнення цільовим компонентом зовнішніх границь пористого тіла, після чого реалізується конвективне перенесення речовини в навколишнє рідке середовище.

Розглянемо ізотропне пористе тіло сферичної форми, у пористому об'ємі якого утримується розчин цільового компонента з початковою концентрацією С_о. Під час екстрагування концентрація набуде значення С, різного в кожній точці об'єму частинки та у різний час екстрагування. Концентраційну обстановку усередині пористого об'єму можна описати диференціальним рівнянням дифузії в сферичних координатах.

(2.10)

де r - поточний радіус (R радіус пористого тіла); D - коефіцієнт дифузії; ф - час.

До цього рівняння необхідно додати крайові умови

за ; (2.11)

, (2.12)

де в - коефіцієнт масовіддачі; (С_п - концентрація на поверхні за ; D_м - коефіцієнт масопровідності (загалом не дорівнює коефіцієнтові дифузії D).

Рівняння (2.11) визначає умову симетричності концентраційного профілю. Рівняння (2.12) є математичним описом процесу масовіддачі від поверхні сферичного тіла в основну масу рідини. Скільки речовини в одиницю часу підводиться до міжфазової границі молекулярною дифузією, стільки саме відводиться масовіддачею.

Увівши наступні безрозмірні параметри

,

перетворимо рівняння (2.12) до виду:

(2.13)

З отриманого рівняння стає зрозумілим фізичний зміст дифузійного числа Біо Bi. За , тобто концентрація на поверхні дорівнює концентрації в основній масі рідини. Такий режим екстрагування називають внутрішньо дифузійним. В умовах внутрішньо дифузійного режиму процес екстрагування відбувається найінтенсивніше, тому що увесь зовнішньо дифузійний опір знятий. За

,

такий режим називають зовнішньо дифузійним, він характеризується рівномірним розподіленням концентрації в пористому об'ємі частинок у кожен момент часу екстрагування. Збільшенням коефіцієнта масовіддачі (цього можна досягти збільшуючи швидкість обтікання частинок рідиною) можна перевести процес екстрагування у внутрішньо дифузійний режим, забезпечуючи максимально можливу інтенсифікацію процесу. Для розв'язання системи (2.10), (2.11), (2.12) необхідно приєднати до неї рівняння матеріального балансу, що встановлює залежність між концентраціями С і С₁, яке замикає систему. Для прямотоку

, (2.14)

де V - об'єм розчиновмісних пор усіх часток, що надходять в одиницю часу в апарат; W - об'єм рідкого екстрагента, що надходить в одиницю часу в апарат; C_o - початкова концентрація екстрагента; - усереднена концентрація в пористому об'ємі частинок до певного моменту часу

. (2.15)

Для протитоку

, (2.16)

де C_к - кінцева концентрація на виході з апарата.

Розглянута система має такий аналітичний розв'язок:

, (2.17)

в якому

;

ф - час перебування твердих частинок в апараті , де - швидкість руху твердої фази.

Рівняння (2.17) є справедливим для прямотоку і для противотоку. Тільки для прямотоку ; для протитоку ; - корені характеристичного рівняння

.

Збіжність рядів, якими представляються функції (2.17) є такою, що вже за можна обмежитися першим членом ряду.

Отже, за допомогою кінетичного рівняння (2.17) можна простежити за зменшенням концентрації у порах твердого тіла по довжині прямоточного або протиточного апарата за незмінних параметрів і . Можна визначити довжину апарата, що забезпечує зниження визначеної концентрації до заданої величини.

4. Екстрагування твердої речовини

Тверді пористі частинки містять цільовий компонент у твердому вигляді. Можливими є різні варіанти розподілення цільового компонента по об'єму частинки. У багатьох випадках реалізується рівномірне розподілення речовини, що вилучається, по об'єму пористого тіла. У процесі екстрагування область, що містить в собі речовина, що вилучається, систематично зменшується в об'ємі (рис. 2.2). Область, звільнена від твердого речовини, яка вилучається, містить його в розчиненому вигляді. З часом об'єм цієї області зростає. На рис. 2.2 показано розподіл концентрації в процесі екстрагування твердої речовини. У правій частині рис. 2.2 зображено розподілення концентрації під час простого фізичного розчинення речовини в екстрагенті. У лівій частині - розподілення концентрацій реагенту і продуктів реакції ( і ) під час хімічного розчинення.

Перейдемо до математичного опису масообміну під час екстрагування твердої речовини, що фізично розчиняється в екстрагенті. Концентраційне поле в області описується диференціальним рівнянням дифузії

(2.18)

з крайовими умовами

. (2.19)

Якщо припустити, що вся речовина, що вилучається, зосереджена в сфері з радіусом r_o, а густина його розподілення , то зміна масовмісту відбувається внаслідок дифузії речовини крізь поверхню сфери з радіусом R в основну масу рідини.

(2.20)

Це рівняння визначає границі області , яка включає в собі речовину в твердому стані в кожний момент часу ф. Є можливість спростити систему, що розглядається (2.18), (2.19), (2.20).



Рис. 2.2. Розподілення концентрацій під час вилучення твердої речовини. Фізичне розчинення (права частина малюнка), хімічне розчинення (ліва частина малюнка). С_R - концентрація реагенту; C_p - концентрація продуктів реакції; індекси: s - на поверхні розчинення; n - на поверхні тіла; o - в основній масі рідини

Для цього варто звернути увагу на те, що екстрагування твердої речовини - повільний процес, і тому в кожний момент часу в області "встигає" встановитись стаціонарне розподілення концентрацій, яке відповідає рівнянню:

Розв'язання цього рівняння в граничних умовах (2.19) має вигляд:

. (2.21)

Після підстановки (2.21) в (2.20) і розв'язання отриманого при цьому диференційного рівняння одержимо:

, (2.22)

.

Час Т повного екстрагування твердої речовини визначають з (2.22) за так:

На завершення вкажемо на можливість розв'язання більш загальної задачі прямотечійного і протитечійного екстрагування. Для цього замість припущення необхідно використовувати рівняння матеріального балансу.

5. Способи екстрагування та розчинення

Основними способами, що застосовуються в хімічній технології, є:

1) замкнутий періодичний процес;

2) прямотечійний і протитечійний процеси;

3) процес у нерухомому шарі (фільтраційно-проточний або перколяційний).

Замкнутий періодичний процес здійснюється в апараті з механічним або пневматичним перемішуванням. Пневматичне перемішування дає змогу в разі потреби використовувати агент, що перемішує, (повітря) як окислювач. За досить інтенсивного перемішування тверді частинки швидко рухаються із змінною за напрямком і величиною швидкістю, то відстаючи від потоку, то випереджаючи його. У цих умовах виникає змінна в часі швидкість обтікання, зумовлена інерцією твердих частинок. За такого інерційного режиму створюються сприятливі умови для прискорення процесів розчинення й екстрагування, незважаючи на те, що рушійна сила процесу знижується в міру наближення до стану рівноваги.

Під час слабкого перемішування тверді частки знаходяться в рідині у зваженому стані, тобто протягом досить тривалого часу рухаються по черзі у висхідному і спадному потоках рідини. При цьому вся їхня поверхня омивається рідиною, але швидкість обтікання в цьому випадку виникає внаслідок сили ваги частинок і уступає по величині відповідним швидкостям під час інерційного режиму.

Прямотечійний і протитечійний процеси, здійснені в апаратах безперервної дії, широко поширені. Загалом, екстрагування і розчинення можна здійснювати безперервно в апараті з мішалкою одночасним підведенням в апарат твердої і рідкої фаз і відведенням їх із нього. Однак здійснення безперервного процесу таким способом неминуче приведе до падіння інтенсивності внаслідок того, що твердий матеріал, який надходить в обробку, буде взаємодіяти з розчином, концентрація якого в апараті через інтенсивне перемішування є наближеною до концентрації насичення. Це спричиняє значне зниження рушійної сили і відповідно - швидкості екстракції порівняно із середньою швидкістю (за одну операцію) у періодичному процесі, де подібні умови створюються тільки на кінцевій стадії процесу. Крім того, в одиночному апараті є можливим "проскакування" деякої частини твердих частинок, у результаті чого час перебування може виявитися недостатнім для досягнення високого ступеня вилучення екстрагованої речовини.

У зв'язку з цим екстрагування і розчинення здійснюють у каскаді послідовно з'єднаних апаратів з мішалками, через які пульпа рухається самопливом (рис. 2.3). під час роботи такої прямоточної схеми рушійна сила процесу поступово знижується від апарату до апарату. За кількості ступіней, що зазвичай не перевищує 3-6, у таких установках досягається досить високий ступінь вилучення.

Рис. 2.3. Схема безперервного процесу вилуговування в каскаді апаратів з мішалкою

Ефективнішим є здійснення безперервних процесів за принципом протитоку. Під час руху твердих частинок назустріч потокові рідини в батареї апаратів на кінці установки, де вводиться свіжий розчинник, останній взаємодіє з проекстрагованим значною мірою матеріалом, а на іншому кінці вихідний твердий матеріал обробляється концентрованим розчином. При цьому досягається більш рівномірна робота апаратів: на кінці установки, що відповідає введенню розчинника, вдається підвищити ступінь вилучення з глибини пор твердого матеріалу, а на протилежному кінці - ефективно використовувати концентрований розчин для екстракції з поверхні кусків (зерен) твердого матеріалу. У підсумку підвищується концентрація розчину, зменшується витрата розчинника і збільшується продуктивність апаратури.

У протитечійних апаратах дрібні частинки захоплюються рідиною у напрямку, протилежному до руху твердої фази. У зв'язку з цим два прямоточних апарати можуть бути з'єднані так, щоб установка в цілому працювала за принципом протитечійного руху.

Під час екстракції кінцевий розчин має бути відділений від твердого нерозчинного залишку (шламу), який з цією метою піддають промиванню. Промивання здійснюють на фільтрах, центрифугах і відстійниках. У безперервних процесах екстракції зазвичай застосовують протитечійні схеми промивання, наприклад, на безперервно діючих барабанних вакуум-фільтрах.

Процес у нерухомому шарі. Суть процесу полягає у фільтруванні розчинника крізь шар пористого кускового матеріалу. Розчинення відбувається періодично за зменшення в часі висоти шару, на відміну від вилуговування, за якого висота шару э постійною. У промисловості вилуговування (екстрагування) у нерухомому шарі зазвичай здійснюють напівбезперервним процесом у батареї послідовно з'єднаних (за ходом розчину) апаратів (рис.2.4 б), у кожному з яких через визначені проміжки часу здійснюють вивантаження відпрацьованого і завантаження свіжого твердого матеріалу.

Вилуговування фільтраційно-проточним способом відбувається повільніше, ніж за перемішування. Однак він є простішим в апаратурному оформленні. У разі фільтраційно-проточного способу одночасно відбуваються процеси вилуговування і фільтрування. Одержувані при цьому екстракти є чистими рідинами.

Істотний недолік зазначеного способу вилуговування - високий гідравлічний опір шару. Вилуговування в нерухомому шарі вимагає однорідного за розмірами і грубо здрібненого твердого матеріалу.

Вибір способу вилуговування здійснюють на підставі техніко-економічного розрахунку.

6. Конструкції екстракторів

Апарати для розчинення і вилуговування поділяють на періодично і безперервно діючі. Залежно від взаємного напрямку руху фаз розрізняють апарати прямоточні і протитечійні, а також апарати, що працюють за принципом змішаного руху.

За способом створення режиму обтікання твердих часток рідиною розрізняють апарати:

1) з нерухомим шаром твердого матеріалу;

2) з механічним перемішуванням;

3) зі зваженим або киплячим шаром.

Апарати періодичної дії, внаслідок низької продуктивності, застосовуються здебільшого в малотонажних виробництвах і є апаратами без пристроїв для перемішування, або апаратами з мішалкою, оснащеними обігрівом. У промисловій практиці з великими об'ємами виробництва більш поширені безперервно діючі апарати.

Апарати з нерухомим шаром твердого матеріалу. Для екстрагування застосовують екстрактори (перколятори, дифузори). Конструкція такого перколятора наведена на рис. 2.4. Екстрактор (рис. 2.4 а) складається з циліндричного корпуса 1, з паровою оболонкою 2, призначеною для підігрівання вмісту екстрактора. У нижній частині апарата встановлюють решітку 3, що кріпиться між фланцями нижнього відкидного днища 4, оснащеного противагою 5. На фіктивне днище (решітку) завантажують матеріал, що підлягає екстрагуванню. Свіжий екстрагент надходить через штуцер 6, а готовий екстракт видаляється через штуцер 7.

Рис. 2.4. Схема вилуговування (екстрагування) у батареї екстракторів-дифузорів: а - екстрактор-дифузор; б - батарея екстракторів; 1 - корпус; 2 - парова сорочка; 3 - фіктивне днище (решітка); 4 - відкидне днище; 5 - противага; 6 - штуцер подачі екстрагента; 7 - штуцер зливу готового екстракту; 8 - насос; 9 - болти; 10 - крани.

Дифузори з'єднуються послідовно в батарею. При цьому розчинник прокачується одним насосом 8 знизу нагору послідовно через всі апарати батареї, у яких на цей момент відбувається вилуговування. Загальна кількість дифузорів у батареї залежить від швидкості процесу (вона визначається властивостями матеріалу, що екстрагується) і може досягати 10-15 і більше. Дифузор, у якому вже досягнуто задану ступінь вилучення, відключається на розвантаження відпрацьованого матеріалу і завантажування свіжим матеріалом. У цей час в інших апаратах (крім одного з апаратів, що знаходиться в резерві) здійснюється вилуговування. Періодичне розвантажування матеріалу відбувається через нижню частину циліндричного корпуса. Для цього звільняють болти 9, повертають відкидне днище 4 із решіткою 3 і відпрацьована сировина під дією власної ваги висипається в прийомну тару або направляється на транспортер для подальшого видалення.

Батарея дифузорів працює за принципом противотоку, тобто свіжий екстрагент взаємодіє з вже значною мірою відпрацьованим матеріалом, а найбільш концентрований розчин - зі свіжим твердим матеріалом.

Під час руху екстрагента крізь шар матеріалу вдається одержати розчин високої концентрації. Для прискорення процесу настоювання доцільно використовувати циркуляцію екстрагента в кожному апараті за допомогою насоса протягом визначеного часу.

Істотним недоліком апаратів з нерухомим шаром є нерівномірність обтікання твердих частинок рідиною й утворення застійних зон поблизу точок дотику частинок. Незважаючи на вказані недоліки, в умовах малотоннажного виробництва такі батареї екстракторів часто використовуються.

Неперервно діючі апарати з механічним перемішуванням. Одним з розповсюджених апаратів цієї групи є шнековий розчинник (рис. 2.5). Він являє собою горизонтальне корито (жолоб) 1, у якому обертається горизонтальний вал 2 з укріпленими на ньому спіральними лопатами 3 і хрестовинами 4. Підлягаючий вилуговуванню матеріал безупинно надходить через штуцер 5, а розчинник - через штуцер 6 і рухаються прямотоком, причому твердий матеріал переміщається уздовж корита спіральними лопатами. На лопатах укріплені додаткові лопати-шкребки 7, що піднімають і скидають тверді частинки, здійснюючи перемішування матеріалу на різних ділянках корита у вертикальній площині. Для прискорення процесу рідина в кориті може нагріватися гострою парою, що надходить через сопло 8, або глухою парою - через сорочку.

Під час руху уздовж апарата розчин багаторазово направляється донизу козирками 9, це поліпшує контакт між рідкою і твердою фазами. Концентрований розчин відділяється з протилежного кінця апарата через зливальний штуцер у верхній частині корита (на рисунку не показаний), а відпрацьований залишок твердого матеріалу видаляється похилим елеватором 10. Ковші 11 елеватора мають сітчасті стінки для відділення рідини, що зливається через штуцер 12.

Рис. 2.5. Шнековий розчинник: 1 - горизонтальне корито (жолоб); 2 - вал; 3 - спіральні лопати; 4 - хрестовина; 5 - штуцер для введення твердого матеріалу; 6 - штуцер для введення свіжого розчинника; 7 - лопати-шкребки; 8 - сопло; 9 - козирки; 10 - елеватор; 11 - ковші; 12 - штуцер для зливу рідини.

Шнекові апарати можуть працювати як за принципом прямотоку, так і протитоку фаз. При цьому чим інтенсивнішим є перемішування фаз у поперечному перерізі апарата, тим повніше можуть бути використані переваги протитоку.

Іноді шнекові апарати працюють комбінованим способом. Процес проводиться у двох послідовно з'єднаних апаратах, з яких в один надходить вихідний твердий матеріал, а в іншій - свіжий розчинник. При цьому в першому (за ходом твердої фазу) апараті фази рухаються прямотоком, а в другому - протитоком. Апарати такого типу є надійними в роботі і забезпечують високі продуктивності. Разом з тим, вони є металоємними, громіздкими і вимагають порівняно великих витрат електроенергії. Питома продуктивність шнекових апаратів (на одиницю об'єму або маси апарата) є невеликою. Контакт між фазами погіршується внаслідок «проскакування» деякої частини рідини, зумовленого помітним поділом фаз, тому що значна частина твердого матеріалу переміщається у вигляді щільного шару уздовж нижньої частини корита.

Трохи ефективнішим є барабанний розчинник (рис. 2.6), що являє собою горизонтальний циліндричний барабан 1, закритий з торців передньою кришкою 2 і задньою кришкою 3. Через штуцер 4 (у передній кришці) надходить подрібнений твердий матеріал, який транспортується рідиною, що рухається в тому самому напрямку, (екстрагентом). Барабан 1 встановлений на бандажах 5, що спираються на ролики 6; він приводиться в обертання зубчастою передачею 7 і черв'ячним редуктором 8 від електродвигуна 9. Тверді частинки рухаються під час обертання барабана разом з потоком рідини в осьовому напрямку. Для кращого перемішування фаз у вертикальній площині використовуються лопатки 10, укріплені на внутрішній стінці барабана. Концентрований розчин і твердий залишок видаляються через штуцер 11 у задній кришці апарата. Для зменшення втрат тепла барабан ззовні покривають тепловою ізоляцією 12.



Рис. 2.6. Барабанний розчинник: 1 - горизонтальний циліндричний барабан; 2 - передня кришка; 3 - задня кришка; 4 - штуцер для введення твердого матеріалу; 5 - бандаж; 6 - опорний ролик; 7 - зубчаста передача; 8 - черв'ячний редуктор; 9 - електродвигун; 10 - лопати; 11 - штуцер для відведення концентрованого розчину і твердого залишку; 12 - теплова ізоляція

Такі апарати можуть працювати і за принципом протитоку. Тоді переміщення твердого матеріалу здійснюють лопатками, встановленими усередині горизонтального барабана під невеликим кутом до утворюючої у напрямку руху матеріалу.

У барабанних розчинниках досягають великої питомої продуктивності і вищих коефіцієнтів масовіддачі, ніж у шнекових апаратах. Покращення масовіддачі пов'язане із систематичним відновленням поверхні контакту фаз під час пересипанні твердих часток усередині барабана.

Апарати зі зваженим або киплячим шаром. В апаратах цього типу практично вся поверхня твердих частинок протягом усього процесу активно взаємодіє з турбулентним потоком рідини, що сприяє інтенсифікації процесу екстрагування (вилуговування).

Трубчастий розчинник (рис. 2.7) складається з великої кількості послідовно з'єднаних труб 1, через які насосом 2 прокачується рідина (розчинник) зі зваженими в ній дрібними твердими частинками.



Рис. 2.7. Трубчастий розчинник: 1 - труба; 2 - насос; 3 - парова сорочка; 4 - штуцер для введення промивної води; 5 - вхід пари; 6 - вихід конденсату

Для здійснення процесу за підвищеної температури, труби забезпечують паровими сорочками 3. У разі раптової зупинки насоса 2 через штуцер 4 надходить промивна вода для того, щоб видалити твердий матеріал із системи і запобігти його осадженню в трубах. Прискорення процесу розчинення (вилуговування) досягають тому, що тверді частки взаємодіють з розчинником, знаходячись у зваженому стані, і апарат працює в умовах, що наближаються до режиму ідеального витіснення.

Застосуванню протитоку в трубчастих розчинниках перешкоджає значне винесення дрібних твердих часток рідиною. Можна ефективно використовувати роботу апаратів за схемою східчастого противотоку: кілька апаратів, що працюють за прямоточного руху фаз, поєднують у секції, сполучення яких між собою здійснюється за принципом противотоку.

Колонний апарат із псевдозрідженим (киплячим) шаром наведений на рис. 2.8. У циліндричний корпус 1 апарату через штуцер 2 безупинно надходить екстрагент (розчинник), що, проходячи з необхідною швидкістю крізь отвори розподільної решітки 3, приводить шар дрібно роздроблених частинок у псевдозріджений стан.

За висоти киплячого шару, що дорівнює декільком метрам, вдається одержати на виході з нього розчин досить високої концентрації, що надходить у верхню розширену частину колони, переливається в кільцевий жолоб 4 і видаляється через штуцер 5. Твердий залишок безупинно виводиться через штуцер 6, розміщений трохи вище від решітки 3. Вихідний твердий матеріал надходить безпосередньо в киплячий шар зверху через завантажувальну трубу 7.

Апарати такого типу відрізняються простотою конструкції і невеликою масою. У них досягаються значна швидкість процесу і високий ступінь вилучення цільових компонентів з вихідного твердого матеріалу.

У відцентровому розчиннику з псевдозріджений шаром, наведеному на рис. 2.9, є обертовий на порожнинних цапфах 4 і 5 барабан 1 з конічними торцевими стінками 2. Робоча поверхня барабана усередині нерухомого кожуха герметично з'єднана з цапфами барабана сальниками 3. Подрібнений твердий матеріал надходить через порожнинну цапфу 4 усередину барабана, а рідина нагнітається через штуцер 6 і крізь отвори циліндричної решітки барабана надходить усередину останнього.

Рис. 2.8. Колонний розчинник із псевдозрідженим (киплячим) шаром: 1 - колона; 2 - штуцер для введення свіжого розчинника; 3 - розподільча решітка; 4 - кільцевий жолоб; 5 - штуцер для відведення концентрованого розчину; 6 - штуцер для відводу твердого залишку; 7 - завантажувальна труба для твердого матеріалу

Під час обертання барабана усередині нього створюється киплячий шар твердих частинок, у якому інтенсивно відбувається процес розчинення. Концентрований розчин безупинно видаляється з апарата цапфою 5.

Рис. 2.9. Відцентровий розчинник із псевдозрідженим (киплячим) шаром: 1 - барабан; 2 - торцева стінка; 3 - сальник; 4, 5 - порожнинні цапфи; 6 - штуцер для введення рідини (свіжого розчинника)

7. Розрахунок екстракційних апаратів

На сьогоднішній день немає достатніх експериментальних даних, що дають змогу розраховувати екстрактори для системи тверде тіло - рідина на підставі узагальнених залежностей за кінетикою процесу. Аналітичний метод розрахунку процесу є досить трудомістким. Графоаналітичний метод інтервального розрахунку вимагає наявності розрахункових номограм для точно визначеної форми частинок твердого матеріалу (циліндр, куля), що не завжди відповідає реальним умовам здійснення процесу.

Нижче наведено графічний спосіб визначення кількості теоретичних ступіней екстрагування з використанням діаграми прямокутного трикутника (рис. 2.10).

На рис. 2.10 зображено прямокутний трикутник, точка А якого відповідає 100% нерозчинного компонента - рафінату, точка S - 100% екстрагента, точка В - 100% компонента, що екстрагується. Точки на кожній зі сторін діаграми виражають склад двокомпонентних сумішей: компонентів А і В (на абсцисі), А і S (на ординаті), В і S (на гіпотенузі трикутника). Точки, що розміщені усередині трикутника, виражають сполуки трикомпонентних сумішей. Припустимо, що гранична кількість твердого компонента В, що розчиняється за певної температури в заданій кількості екстрагента, тобто насичений розчин В в S, виражається точкою С на гіпотенузі трикутника. Тоді пряма АС є геометричним місцем точок, що виражають склад насичених розчинів В в S, змішаних з нерозчинним твердим компонентом А.

Рис. 2.10. Трикутна діаграма (система тверде тіло - рідина)

Робочою областю діаграми буде її частина, розміщена вище від лінії АС, що відповідає ненасиченим розчинам В в S. Для таких розчинів є можливим перехід компонента В із твердої фази в рідку. Зазвичай під час екстрагування з твердих матеріалів одержувані екстракти не доводять до насичення.

Склад і кількості сумішей, що утворяться, а також співвідношення між кількостями і складом одержуваних екстрактів і рафінатів знаходять за розглянутим раніше правилом важеля.

Протитечійне багатоступінчасте екстрагування. Визначимо кількість теоретичних ступіней у встановленому процесі (з n - ступінями) протитечійного екстрагування за трикутною діаграмою. Схему цього процесу наведено на рис. 2.11.



Рис. 2.11. Схема багатоступінчастого (1, 2, ... , n) протитечійного екстрагування (системи тверде тіло - рідина)

Вихідна суміш твердих речовин, що надходить у 1-ю ступінь установки в кількості G_F, кг/с, містить x_F вагових часток компонента В, що розподіляється. З протилежного кінця установки в n-у ступінь надходить розчинник у кількості S_o кг/с зі вмістом у₀ вагових часток компонента В. З установки виходить S_Е кг/с екстракту з концентрацією у_Е вагових часток компонента В.

Потік екстракту (рис 2.11), що переходить з однієї ступіні в іншу, називають умовно верхнім потоком, а потік рафінату - нижнім.

Рівняння матеріального балансу для всієї установки:

G_F + S₀ = G_R + S_E (2.23)

Матеріальний баланс за компонентом В запишеться

G_F x_F + S_o ? y_o = G_R ? x_R + S_E ? y_E (2.24)

Відкладемо задану величину x_F на осі абсцис, а величину y_o - на гіпотенузі трикутної діаграми (рис. 2.12) і з'єднуємо ці точки прямою. Для одержання точки x_см пряму x_F ? y₀ поділяємо у відношенні, що дорівнює S₀/G_F Точка x_см характеризує склад вихідної суміші.



Рис. 2.12. Графічний розрахунок процесу багатоступінчастого протитечійного екстрагування з твердих тіл

Знаючи необхідний склад рафінату (нижнього потоку), тобто задане або прийняте співвідношення між кількостями рідкої і твердої фаз у твердому матеріалі після екстрагування, проводимо лінію постійного складу твердої фази, що є рівнобіжною до гіпотенузи діаграми (пунктирна лінія х_А = const на рис. 2.12). Відзначаємо на ній точку x_R, що відповідає вмісту розчинного компонента В в кінцевому рафінаті, що виходить з установки.

Розрахунок виконують подібно до розрахунку багатоступінчастого протитечійного екстрагування в системі рідина - рідина.

Відповідно до рівнянь (2.23) і (2.24) точки x_R, х_см і у_E повинні лежати на одній прямій. Разом з тим точка у_E, що відповідає суміші компонентів В и S, знаходиться на гіпотенузі діаграми. Тому знаходять точку у_E як точку перетину прямої, що проходить через точки x_R і х_см з гіпотенузою. Рівняння матеріального балансу для частини установки в межах від першої до деякої m-ї ступіні включно запишеться:

G_F + S_m+1 = G_m + S_E,

звідки

G_F - S_E = G_m - S_m+l. (2.25)

Матеріальний баланс за компонентом В матиме вигляд:

G_F ? x_F - S_E ? y_E = G_m ? x_m - S_m+1 ? y_m+1 (2.26)

Позначимо різницю витрат вихідної твердої суміші і екстракту через Р:

G_F - S_E = P

Тоді

G_F ? x_F - S_E ? y_E = Р ? х_р.

Рівняння (2.25) і (2.26) можна записати, як:

P = G_F - S_E = G₁ - S₁ = G_R - S₀, (2.27)

або

Р ? х_р = G_F ? x_F - S_E ? y_E = G₁ ? x₁ - S₂ ? y₂ = ... = G_R ? x_R - S_o ? y_o. (2.28)

З цих рівнянь випливає, що положення полюса Р, або точки х_р, визначається перетином прямої, що проходить через точки x_F і у_E, і прямої, що проходить через точки x_R і y₀, тому що точка х_р повинна лежати на обох цих прямих. Знайшовши таким чином положення полюса Р, визначаємо кількість теоретичних ступіней наступними побудовами. З'єднавши точку у_E з початком координат (точка А), знаходимо на лінії х_A = const точку перетину х₁. З рівнянь (2.27) і (2.28) випливає, що

P = G₁ - S₂

Р ? х_р = G₁ ? x₁ - S₂ ? y₂.

Тому знаходимо точку y₂ на перетині прямої, що проходить через точки х₁ і х_р, з гіпотенузою діаграми.

З'єднавши точку y₂ з початком осей координат (точка А), знаходимо точку х₂, що лежить на перетині цієї лінії з лінією х_A = const. Подібні побудови виконують доти, поки не одержать склад, що дорівнює або є наближеним до заданої концентрації x кінцевого рафінату.

Кількість отриманих ліній, що з'єднують початок осей координат із точками х₁, х₂, ... x_R (або наближених до величини x_R), визначає кількість теоретичних ступіней екстрагування, необхідну для даного процесу. Як видно з рис. 2.12, для зображеного на ньому процесу екстрагування достатньо двох теоретичних ступіней.

Размещено на Allbest.ru

...