Автор работы: Пользователь скрыл имя, 31 Марта 2014 в 15:37, реферат
Две контактирующие жидкие фазы и распределяемый между ними целевой компонент образуют экстракционную систему. Извлекающая фаза включает только экстрагент (или смесь экстрагентов) либо является раствором одного или нескольких экстрагентов в разбавителе, служащем для улучшения физических (вязкость, плотность) и экстракционных свойств экстрагентов.
Гравитационные экстракторы. В них движение взаимодействующих жидкостей происходит под действием разности плотностей фаз; поверхность их контакта образуется за счет собственных энергии потоков. К этим аппаратам относятся распылительные, насадочные и ситчатые экстракторы.
Распылительные экстракторы (рис. 3) – полые колонны, снабженные соплами, инжекторами и др. распылителями для диспергирования взаимодействующих фаз. Такие аппараты отличаются простотой и высокой производительностью, но сравнительно невысокой эффективностью. Несколько более эффективны, но менее производительны насадочные экстракторы, не отличающиеся по устройству от других подобных массообменных аппаратов. Ситчатые экстракторы представляют собой колонны с перфорированными тарелками, снабженными переливными устройствами. Одна из взаимодействующих жидкостей, проходя через отверстия тарелок, диспергируется; благодаря этому создается большая поверхность контакта с встречной жидкостью, протекающей по переливным устройствам в виде сплошной фазы. Ситчатые экстракторы уступают по производительности только распылительным экстракторам, надежны в работе (вследствие простоты конструкции и отсутствия движущихся частей), однако имеют низкую эффективность.
По сравнению с другими колонными аппаратами все гравитационные экстракторы малоэффективны (ВЭТС может достигать 3 м) из-за относительно небольшой площади удельной поверхности контакта фаз, обусловленной крупными размерами капель (до нескольких мм). Подвод энергии позволяет раздробить капли (до десятых долей мм), в результате чего требуемую высоту колонны можно уменьшить на порядок.
Рис. 3. Распылительный экстрактор: 1,2 - распылители.
Экстракторы с внешним подводом энергии подразделяются на пульсационные, вибрационные, с механическим перемешиванием. К аппаратам последнего типа относятся экстракторы роторно-дисковые и с чередующимися смесителями и отстойными насадочными секциями (колонны Шайбеля). В роторно-дисковых аппаратах (рис. 4) вращающиеся диски перемешивают и диспергируют контактирующие жидкости, после чего они расслаиваются. В колоннах Шайбеля (рис. 5) лопастные или турбинные мешалки размещены на общем вертикальном валу попеременно со слоями неподвижной насадки. Перемешанные жидкости, пройдя через слой насадки, расслаиваются.
Рис. 4. Роторно дисковый экстрактор: 1 - ротор (вал с дисками); 2 - кольцевые перегородки статора.
Рис. 5. Экстрактор с чередующимися смесительными и отстойными секциями (колонна Шайбеля): 1 -вал; 2 - мешалка; 3 - насадка.
Ступенчатые экстракторы
К ним относятся различные типы смесителей-отстойников. Секция такого аппарата по эффективности приближается к одной теоретической ступени. Требуемого числа ступеней достигают соединением секций в каскад. Зачастую несколько секций, разделенных перегородками, объединяют в одном корпусе (ящичные экстракторы; рис. 6). Каждая секция (ступень) имеет смесительную и отстойную камеры. Перемешивание фаз может быть пульсационным или механическим (чаще всего применяют турбинные мешалки, одновременно транспортирующие жидкости из ступени в ступень).
Рис. 6. Ящичный экстрактор: 1,3 - смесительная и отстойная камеры; 2 - перегородка; 4 - граница раздела фаз; 5 -рециркуляц. труба; 6 - всасывающий коллектор; 7 - турбинная мешалка.
Достоинства смесителей-отстойников: возможность варьирования нагрузок в широких пределах; возможность быстрого достижения требуемой производительности после остановки процесса; возможность формирования каскадов из большого числа ступеней; простота эксплуатации. Недостатки: большие объемы перерабатываемых в аппаратах растворов и опасность возникновения пожаров; медленное установление равновесия; большое число механических и пневматических устройств; повышенная чувствительность к твердым загрязнениям, что снижает надежность работы; высокая металлоемкость. Смесители-отстойники имеют преимущества перед колонными экстракторами в процессах с малым или очень большим числом ступеней, а также в процессах с большими потоками (до 1000 м3/ч).
Экстракторы промежуточных конструкций
Среди аппаратов, занимающих промежуточное положение между дифференциально-контактными и ступенчатыми, наиболее распространены центробежные экстракторы, в которых разделение, а иногда и перемешивание фаз происходят в поле действия центробежных сил. Рабочий орган (ротор) этих аппаратов состоит из набора перфорированных с обоих концов цилиндров, спиральных лент и др. Исходный раствор и экстрагент движутся навстречу один другому, причем более тяжелая фаза - от центра к периферии, а более легкая - в обратном направлении. Контакт жидкостей происходит на пути их движения, а диспергирование - при прохождении через перфорирированные части цилиндров.
Центробежные экстракторы подразделяют на камерные (дискретно-ступенчатые) и дифференциально-контактные. Аппараты первой группы состоят из отдельных ступеней (камер), в каждой из которых движущиеся противотоком фазы последовательно перемешиваются и разделяются (например, экстракторы "Лувеста" и "Робатель"). В аппаратах второй группы процесс протекает при близком к непрерывному контакту движущихся встречных потоков фаз; движение происходит по каналам, образованным внутренними перегородками ротора (напр., экстракторы Подбильняка).
Центробежные экстракторы отличаются высокой производительностью (потоки до сотен м3/ч) и эффективностью (3-10 теоретических ступеней), малой продолжительностью контакта фаз (несколько секунд и менее), интенсивным массообменом. Такие аппараты перспективны в производствах неустойчивых соединений (например, антибиотики), при переработке высокорадиоактивных растворов и стойких эмульсий, систем с близкими плотностями фаз.
Выбор экстракторов оптимальных конструкций для конкретных промышленных процессов должен базироваться на технико-экономическом сравнении аппаратов с учетом эффективности их работы, производительности, разделительной способности, энергетических, капитальных и эксплуатационных затрат.
В лабораторной практике применяют в основном те же, что и в промышленности, способы жидкостной экстракции, проводимой в стеклянных, металлических или полимерных экстракторах разнообразных конструкций, простейшие из которых - делительные воронки, прибор Льюиса (химический стакан с мешалками) и др.
Области применения экстракционных процессов
Экстракция органических соединений широко распространена в основном органическом синтезе, нефте-, коксо-и лесохимии и других отраслях промышленности. Примеры: разделение смесей углеводородов нефтяных фракций на группы компонентов близкого химического состава (ароматические углеводороды и легкие парафины); извлечение ароматических углеводородов (бензол, толуол, ксилолы) из продуктов каталитического риформинга; очистка смазочных масел; выделение фенолов из фракций каменноугольной смолы; извлечение бутадиена из смеси углеводородов в производстве СК; извлечение из водных растворов орг. кислот с послед, их концентрированием (уксусная, акриловая, лимонная кислоты). В химико-фармацевтической и микробиологической отраслях промышленности экстракцию используют в производстве лекарственных препаратов - алкалоидов, антибиотиков, витаминов, гормонов; в пищевой промышленности - для очистки масел и жиров и др.
Экстракция неорганических соединений. Применение жидкостная экстракция в гидрометаллургии позволяет создавать эффективные технологические схемы, обеспечивающие комплексную переработку минер, сырья и вторичных ресурсов. Экстракцию используют в технологии U и облученного ядерного горючего (извлечение и разделение U и Рu, выделение радионуклидов), редких и рассеянных (Be, Zr, Hf, Nb, Та, РЗЭ, Mo, W, Re и др.), цветных (А1, Сu, Ni, Co, Zn и др.) и благородных (Ag, Au, Pt и др.) металлов, а также высокочистых соединений Fe.
Важная область применения экстракции - очистка Н3РО4, Процесс можно проводить, экстрагируя кислоту из водной фазы, загрязненной примесями, в органический растворитель или извлекая нежелательные примеси в экстрагент.
Охрана окружающей среды. С этой целью экстракцию используют для очистки технологических растворов и сточных вод и выделения из них ценных (напр., фенолы, метиленхлорид, некоторые хладоны) и токсичных веществ.
Экстракция в аналитической химии и радиохимии. В аналитической химии жидкостная экстракция применяют с целью селективного извлечения целевых хим. элементов из смесей для количеств, анализа, а также для определения содержания примесей в исследуемых соединениях, что важно при получении особо чистых веществ. Как метод аналитической химии жидкостная экстракция отличают высокая избирательность, простота проведения, универсальность (возможность выделения практически любого элемента).
В радиохимии жидкостная экстракция используют главным образом для очистки радиоактивных веществ от примесей, извлечения из облученных мишеней радионуклидов и их разделения, выделения стабильных нуклидов из различных объектов и т. д.
Жидкостная экстракция часто сочетают с другими методами, например хроматографией, соосаждением, дистилляцией.
Экономические показатели жидкостная экстракция определяются в основном стоимостью извлекаемого вещества и экстрагента, а также затратами на его регенерацию. При технико-экономическом анализе процесса необходимо учитывать потери экстрагента, соизмеряя их со стоимостью целевого продукта. Жидкостная экстракция - один из самых низкоэнергоемких химико-технологических процессов и поэтому может успешно конкурировать с иными массообменными процессами. Другие основные достоинства жидкостной экстракции: низкие рабочие температуры; возможность весьма полного разделения азеотропных смесей и смесей близких по свойствам компонентов; эффективность извлечения ценных и токсичных компонентов из разбавленных растворов; возможность сочетания с иными процессами химической технологии (напр., ректификацией и кристаллизацией); относительная простота аппаратурного оформления и возможность полной автоматизации.
Список литературы