Конструкции экстракторов. 
Процессы и аппараты химической технологии

Конструкции аппаратов для проведения процессов растворения и экстрагирования зависят от характера обрабатываемой твердой фазы, т. е. от размеров частиц, их формы и требований к степени экстрагирования твердого вещества или выходной концентрации растворителя.

Распространены простые аппараты периодического действия, в которых экстрагирование производится из неподвижного слоя дисперсного материала. Жидкий экстрагент входит в аппарат (рис. 32.5) сверху через распределительную решетку 1 и фильтруется через слой дисперсного материала, располагаемый на решетках 3,4,5. Выгрузка отработанной твердой фазы производится поворотом вокруг оси 7 нижней крышки 6 с ре;

тетками 4 и 5.

Для непрерывной технологической линии аппараты периодического действия соединяют в батареи. Экстрагент перемещается через все аппараты в противоили прямоточном режиме по отношению к обрабатываемому материалу.

В аппаратах с пневматическим перемешиванием (рис. 32.6) суспензия подается в нижнюю часть циркуляционной трубы 2 сжатым воздухом, поднимающиеся пузырьки которого перемешивают растворитель и частицы. Такие аппараты используются для растворения и могут работать как в периодическом, так и в непрерывном режимах.

В секционированном аппарате (рис. 32.7) осуществляется многосту;

Рис. 32.5. Экстракционный аппарат с неподвижным слоем материала: 1 — распределительная решетка; 2 — корпус; 3 — 5 — решетки; 6 — нижняя крышка; 7 — ось крышки; / - экстрагент; // - раствор; III — твердая фаза.

Рис. 32.6. Экстрактор с пневматическим перемешиванием: 1 — труба подачи воздуха; 2 — циркуляционная труба; 3 — корпус; I — воздух; II — суспензия.

Рис. 32.7. Секционированный экстрактор с механическим перемешиванием в секциях: 1 — корпус аппарата; 2 — мешалка; I — экстрагент; II- твердый материал; /// - суспензия.

Рис. 32.8. Шнековый экстрактор: 1 — входное разделительное сито; 2 — шнеки; 3 — корпус; / - твердый материал; II — экстрагент; III — экстракт; IV — отработанный твердый материал пенчатое экстрагирование (растворение), при этом суспензия в каждой секции перемешивается механическими мешалками. Переток суспензий из одной секции в другую производится попеременно в нижней и верхней частях аппарата.

В шнековых аппаратах потоки дисперсной фазы I и экстрагента II движутся противотоком. Конструкции шнеков 2 и компановка аппаратов могут быть различными. На рис. 32.8 изображена схема трехшнекового экстрактора, две колонны которого расположены вертикально, а одна — горизонтально.

На рис. 32.9 представлена схема ленточного экстрактора непрерывного действия, где дисперсный материал поступает на ленточный транспортер 5. Экстрагент II подается в левый распылитель 1, проходит поперек слоя дисперсного материала / и попадает в приемную емкость 7. Насосы 6 подают экстрагент, содержащий некоторое количество растворенного компонента, на следующий участок слоя и т. д. Таким образом, происходят перекрестный ток фаз на отдельных участках слоя и противоточное движение в целом. По мере необходимости можно организовать любые варианты относительного движения потоков.

Аналогично работают ковшовые экстракторы, в которых вместо перфорированной ленты используются контейнеры (ковши), с ситчатыми днищами для прохода экстрагента. Такой же принцип действия вращающихся карусельных экстракторов, где плотный слой дисперсного материала размещается на вращающемся роторе, разделенном на секторы с ситчатым дном. Время экстрагирования регулируется скоростью вращения ротора.

На рис. 32.10 представлена схема смесительно-отстойной системы аппаратов, состоящей из трех модулей, каждый из которых включает в себя аппарат с мешалкой 1, отстойник 2 со шнековым 3 или иным транспортирующим устройством, сборник 4 и насос 5. Твердая фаза транспортируется в направлении, противоположном движению раствора, обеспечивая ступенчатый противоток.

На рис. 32.11 изображен противоточный непрерывнодействующий двухколонный аппарат. Он заключон в прямоугольного сечения корпус 1, внутри которого движутся роликовые цепи 3. К последним прикреплены прямоугольные рамки 2, обтянутые сеткой, на которой располагается твердый материал I. В некоторых конструкциях рамки заменены перфорированными ковшами. Сравнивая противоточные аппараты (рис. 32.10 и 32.11), заметим, что в аппарате (рис. 32.10) благодаря интенсивному перемешиванию скорость растворения (экстрагирования), выше, чем в аппарате рис. 32.11.

К числу непрерывнодействующих противоточных аппаратов относится карусельный экстрактор (рис. 32.12), вращающийся ротор 1 которого разбит на секции 3 радиальными перегородками 2. Каждая секция заполняется исходным дисперсным материалом /, совершает полный оборот за время, расчитанное для заданной степени экстрагирования, и автоматиче;

ски разгружается. Скорость вращения ротора (время экстрагирования) можно регулировать в широких пределах. Экстрагент II подают в каждую секцию, где он фильтруется сквозь слой материала, стекает в промежуточную емкость и вновь поступает на орошение противотоком в другую секцию.

К перспективным относится аппарат слоевого типа (рис. 32.13). В цилиндрическую колонну 1 через нижний штуцер непрерывно поступает жидкость //, которая фильтруется сквозь слой движущегося сверху вниз материала /.

Рис. 32.9. Ленточный экстрактор: 1 — распылители; 2 — бункер; 3 — корпус; 4 — шестерня; 5 — ленточный транспортер; 6 — насосы; 7 — приемные емкости; / - твердый материал; 11 — экстрагент; 111- экстракт; IV- отработанный твердый материал.

Рис. 32.10. Смесительно-отстойная противоточная экстракционная система аппаратов: 1 — аппараты с мешалкой; 2 — отстойники; 3 — шнеки; 4 — сборники; 5 — насосы; 1 — твердый материал; II — экстрагент; III — экстракт.

Рис. 32.12. Карусельный экстрактор: 1 — ротор; 2 — перегородки; 3 — секции; / - твердый материал; II — экстрагент; 111 — экстрагент на орошение; IV-экстракт.

Рис. 32.11. Противоточный аппарат для экстрагирования: 1 — корпус; 2 — рамки; 3 — роликовая цепь; 4 — ведущий барабан; 1 — твердый материал; //-экстрагент; 111 — экстракт Раствор И высокой концентрации, поступающий в расширенную часть колонны 2, которая играет роль сепаратора 2, через боковой штуцер покидает аппарат для дальнейшей переработки. Исходный твердый дисперсный материал / подают непрерывно через загрузочную трубу сверху и выводят снизу.

Аппарат может работать как в режиме плотного движущегося слоя, так и в режиме псевдоожиженного слоя. Отличительной особенностью его является высокая объемная производительность, а также простота устройства.

Рис. 32.13. Аппарат слоевого типа: 1 — колонна; 2 — сепаратор; 3 — кольцевой желоб; 4 — распределительная решетка; / - твердый материал; 11 — экстрагент.

Кристаллизация — процесс образования твердой фазы из раствора, расплава или из паровой и газовой (десублимация) фаз вещества. В химической и смежных отраслях промышленности широкое распространение имеет процесс кристаллизации из растворов. Так, ископаемые минеральные соли часто представляют собой смеси различных соединений. Их растворяют и затем при помощи обратного процесса — кристаллизации, выделяют нужное вещество за счет различной растворимости исходных компонентов при тех или иных технологических параметрах процесса. Кристаллизацию используют также для разделения смесей, глубокой очистки вещества от примесей, выращивания монокристаллов особо чистых веществ и т. п.

Получение большого количества кристаллов в промышленном масштабе называют массовой кристаллизацией. В результате проведения массовой кристаллизации получают сыпучий продукт — кристаллы различного размера.

Для каждого вещества геометрическая форма кристаллов специфична. Всего известно 32 вида симметрии кристаллов, которые сгруппированы в 7 кристаллографических форм (сингоний): кубическую, тригональную, тетрагональную, гексагональную, ромбическую, моноклинную, триклинную.

Основными технологическими параметрами получающегося в процессе кристаллизации продукта являются размер кристаллов и чистота вещества, которые в значительной степени зависят от продолжительности и условий проведения промышленного процесса.

Кристаллизация может происходить только в том случае, если исходный жидкий раствор находится в состоянии пересыщения или переохлаждения. Пересыщенные растворы имеют концентрацию растворенного вещества выше его растворимости. При таких условиях растворы термодинамически неустойчивы, а избыточное количество растворенного вещества выделяется в виде твердой фазы (кристаллов). После прекращения выделения кристаллов раствор становится насыщенным. Такой раствор называют маточным раствором или маточником. Для его отделения от твердой фазы используют отстаивание, фильтрование, центрифугирование и другие методы.

Переохлажденные растворы — это тоже пересыщенные растворы, но полученные в результате понижения температуры раствора (переохлаждения) ниже температуры насыщения. Способ состояния пересыщения путем понижения температуры раствора используется для систем растворяемое вещество — растворитель, у которых растворимость с увеличением температуры увеличивается.

В промышленности используются два основных метода кристаллизации: изотермический — пересыщение раствора достигается удалением части растворителя при постоянной температуре (методом выпаривания, см. гл. 19) и изогидрический — пересыщение достигается снижением температуры кристаллизуемого раствора.

Изотермическая кристаллизация используется для растворов с незначительным увеличением (или уменьшением) растворимости при повышении температуры до температуры кипения, при которой из раствора интенсивно испаряется часть растворителя. Изогидрическая кристаллизация, наоборот, применяется при кристаллизации растворов с быстро уменьшающейся растворимостью, при сравнительно небольшом понижении температуры. Такие растворы легко переводятся в состояние пересыщения с помощью только понижения температуры, без удаления части растворителя.

В промышленности также используется комбинация этих методов — кристаллизация под вакуумом, при которой одновременно происходит отгонка растворителя и понижение температуры.

Кроме рассмотренных основных методов кристаллизации, в промышленности применяют высаливание, при котором в раствор вводят добавки (соли, кислоты и др.), снижающие растворимость кристаллизующегося вещества.

Рассмотренные выше примеры кристаллизации включают лишь физические процессы образования кристаллической фазы. Кристаллизацию с химической реакцией, называют аддуктивной. При этом в раствор добавляют реагент, образующий с выделяемым веществом комплексное соединение — аддукт. Полученное комплексное кристаллическое соединение отделяют от раствора (например, фильтрованием) и затем подвергают термическому разложению, при котором целевой продукт отделяется от комплексообразователя.

Наибольшее распространение получил процесс кристаллизации из растворов и расплавов. Кристаллизация из растворов применяется, в основном, для очистки и разделения неорганических веществ. При этом процесс протекает при более низких температурах, чем при кристаллизации расплавов тех же веществ. Кристаллизация из растворов является процессом, обратным растворению. Поэтому тепловой эффект кристаллизации равен тепловому эффекту растворения по величине и противоположен по знаку. Это означает, что вещества, растворяющиеся с поглощением теплоты, кристаллизуются с выделением теплоты и, наоборот. Иногда эти эффекты из-за побочных явлений (образования кристаллогидратов и др.) не равны.

Кристаллизацию можно проводить в периодическом или непрерывном режимах. Периодическую кристаллизацию используют в малотоннажном производстве. В крупнотоннажных производствах применяют непрерывную кристаллизацию.

Процесс кристаллизации в промышленных условиях включает несколько последовательных стадий: подготовку раствора (доведение до состояния пересыщения), собственно кристаллизацию, отделение кристаллов от маточника, промывку кристаллов и их сушку.

Растворимость веществ в жидких растворителях зависит от их химической природы, свойств растворителя, температуры и давления. В качестве растворителей в промышленности наиболее часто используют воду, а также ряд органических соединений — спирты, углеводороды и др [4, 6, 7].

Как правило, растворимость большинства веществ с повышением температуры увеличивается. При понижении температуры такие растворы становятся пересыщенными и переходят в состояние неустойчивого равновесия, продолжительность которого определяется степенью отклонения от равновесия, а также свойств растворенного вещества и растворителя. Переход из неравновесного состояние в равновесное сопровождается выпадением кристаллов. На величину предельного (максимального) пересыщения оказывают влияние свойства растворенного вещества и растворителя, температура раствора, скорость охлаждения, наличие примесей, механические воздействия и т. д. Поэтому обычно величину предельного пересыщения определяют экспериментально или по приближенным эмпирическим уравнениям.

Зависимость между давлением и температурой при фазовом переходе в условиях кристаллизации выражается уравнением КлапейронаКлаузиуса:

где q — теплота кристаллизации (из жидкого или газообразного состояния); V — удельный объем вещества в жидком состоянии (при переходе жидкость — твердое тело) или в газообразном состоянии (при переходе газ — твердое тело); V₂ — удельный объем вещества в твердом состоянии.

Обычно V>Vi_y так как удельный объем при переходе в твердое состояние уменьшается вследствие увеличения плотности. Очевидно dP / dT > 0, т. е. давление Р, при котором совершается фазовый переход, растет с увеличением температуры.

На рис. 32.14 представлена диаграмма Р — Т состояний системы газ — жидкость — твердое тело. Точка Л является тройной: в ней одновременно в равновесии находятся газ, жидкость и твердое тело, что соответствует правилу фаз Гиббса. Действительно, для однокомпонентной системы К = 1, Ф = 3 (точка А) число степеней свободы:

где Ф — число фаз.

Это означает, что при изменении любого параметра (температуры или давления) произойдет исчезновение одной или двух фаз (т, ж, п).

Рис. 32.14. Диаграмма состояний газ (пар) — жидкость — твердое тело (п, ж, т).

Рис. 32.15. Зависимость равновесной концентрации (1) и пересыщения (2) от температу ры: 1- III — области ненасыщенного раствора, метастабильная и лабильная соответственно.

Линия ОА — кривая сублимации. Отражает условия перехода твердой фазы Т в паровую П минуя жидкое Ж состояние или наоборот — П — Т (процесс десублимации).Выше давления Р_т тройной точки А, но ниже Лф переход из газообразного (парообразного) в твердое состояние может быть осуществлен только через жидкую фазу.

Линия АК — кривая перехода жидкости в газообразное (парообразное) состояние. Точка К характеризует критическое состояние системы. При температуре выше критической Т*р исчезает различие между газом (паром) и жидкостью.

Линия АВ — кривая перехода жидкости в твердую фазу и продолжается в бесконечность. Объясняется это тем, что в отличие от кристаллической жидкая фаза не имеет строго определенной структуры.

Анализ условий фазового равновесия в бинарных и многокомпонентных системах удобно проводить с помощью фазовых диаграмм в координатах концентрация — температура. Для чистых веществ такие зависимости приводятся в справочной литературе.

На рис. 32.15 показана зависимость концентрации, соответствующей условиям растворимости (кривая 1) и пересыщения (кривая 2) данного вещества от температуры. Можно выделить три области (/, II, III). Область I соответствует состоянию раствора до насыщения (ниже линии насыщения 1), в которой кристаллизация не происходит. Пунктирная линия 2 делит область пересыщенных растворов на две части — относительно устойчивую, или метастабильную область II и неустойчивую, или лабильную область ///, в которой происходит массовая кристаллизация.

Пересыщенные растворы с концентрациями, соответствующими области ///, кристаллизуются почти мгновенно. В метастабильной области II пересыщенные растворы какое-то время остаются без существенных изменений, происходит только рост кристаллов уже имеющихся в растворе.

Следует отметить, что граница между областями II и III условна и зависит от ряда факторов, отмеченных выше. У растворов с резко возрастающей кривой растворимости при относительно небольшом снижении температуры насыщенного раствора от Т до Тг (рис. 32.15) состояние раствора изменяется по линии с*сг' с выделением кристаллов при достижении концентрации сг', вследствие чего концентрация раствора снижается по линии сг’сг*. Кристаллизацию подобных растворов целесообразно проводить их охлаждением, т. е. изогидрическим методом, что позволит быстро перевести состояние таких растворов от насыщения в метастабильную, а затем — лабильную области.

Если растворимость кристаллизуемого вещества очень мало зависит от температуры, то проводить процесс кристаллизации такого раствора изогидрическим методом нецелесообразно. В этом случае целесообразно кристаллизацию осуществлять путем удаления части растворителя, например, выпариванием, т. е. изотермическим методом.

В промежуточном случае, когда растворимость веществ с увеличением температуры растет слабо, можно использовать как изогидрический, гак и изотермический методы или их сочетание. Наиболее рациональный выбор метода кристаллизации таких растворов может быть сделан в результате технико-экономического расчета.

На основе диа1рамм состояния растворов можно выяснить поведение раствора при его кристаллизации и получить данные для выбора наиболее рационального способа проведения процесса кристаллизации [6]. На рис. 32.16 изображены диаграммы состояний трех бинарных систем. В каждой системе ниже линии растворимости 1−1 находится область В ненасыщенных растворов. Пунктирная линия 2−2 условно делит область пересыщенных растворов на две части А и Б. Между линиями 1−1 и 2−2 расположена относительно устойчивая (метастабильная) область Б и над линией 2−2 — неустойчивая (лабильная) область А.

Пересыщенные растворы с концентрациями, соответствующими лабильной области, быстро кристаллизуются, в метастабильной же области эти растворы некоторое время остаются без изменения.

Рис. 32.16. Диаграммы растворимости для трех бинарных растворов трехфазной системы: а — KN0₃; б — КС1; в — NaCl.

Границы метастабильной области зависят от большого числа факторов: температуры раствора, скорости его охлаждения или испарения, перемешивания и т. д. Из соединений с резко возрастающей кривой растворимости (рис. 32.16, а) при относительно большом снижении температуры насыщенного раствора от Тг до Т состояние раствора сначала отвечает метастабильной области (участок от с₀ до с_х), а затем — области пересыщенных растворов, где происходит выделение твердой фазы. При этом раствор снова становится насыщенным и его концентрация значительно уменьшается (от с₀ до с'₀).

Кристаллизацию таких растворов, близких к насыщению, целесообразно вести путем их охлаждения, осуществляя быстрый переход в благоприятную для кристаллизации метастабильную область.

Для веществ, растворимость которых медленно возрастает с ростом температуры (рис. 32.16, б), переход в область пересыщения (от с₀ до с_х) происходит лишь при значительном снижении температуры от Т2 до Т/. При этом количество выпавшей из раствора твердой фазы невелико. Из рис. 32.16, б видно, что состояние пересыщения может быть достигнуто и при постоянной температуре путем удаления части растворителя. Для таких растворов вопрос о выборе оптимального способа кристаллизации решается технико-экономическим расчетом.

Наконец, на рис. 32.16, в рассмотрен случай, когда растворимость кристаллизуемого вещества почти не меняется при изменении температуры. Для таких веществ целесообразно проводить кристаллизацию путем выпаривания.