Аппаратура, принципы выбора типа экстракционного оборудования

Для проведения процесса экстракции предложено множество конструкций аппаратов, однако только некоторые из них нашли широкое применения в промышленности в целом, и в технологии редкоземельных элементов в частности [1—4].

Аппаратура экстракции может иметь разное конструктивное исполнение. Широко известны и распространены аппараты типа смеситель — отстойник и колонного типа. Экстракторы этих двух типов требуют несколько отличных схем расчета, которые охватывают многие возможные практические варианты. Существует и в промышленной практике используется экстракционная аппаратура и других типов конструкций, в частности центробежные экстракторы и др. Однако в принципе методы их расчета не отличаются от методов расчета, используемых для экстракторов типа смеситель — отстойник и экстракционных колонн [2].

По характеру изменения состава жидких фаз экстракционные аппараты подразделяют на две большие группы: экстракторы дифференциально-контактного типа с непрерывным изменением состава фаз и экстракторы ступенчатого типа с дискретным контактом фаз, в котором на каждой ступени происходит смешение, а затем разделение фаз.

Дифференциально-контактные экстракторы

В непрерывном дифференциально-контактном оборудовании противоток достигается благодаря различию в плотности водной и органической фаз. Эти аппараты, как правило, несложны по конструкции. Простейшим из них является распылительная колонна, в которой одна из фаз (дисперсная) распределяется в другой фазе (сплошной) в виде мелких капель, рис. 6.19. Этот экстрактор малоэффективен из- за захвата и уноса сплошной фазы дисперсной фазой [2—4].

Рис. 6.19. Полый колонный распылительный экстрактор:

1 — колонна; 2 — распылитель; 3 — трубы для ввода тяжелой фазы; 4 — гидрозатвор; 5 — вентили

Эффективность экстракционной колонны характеризуется высотой эквивалентной теоретической ступени (ВЭТС). ВЭТС соответствует такому отрезку колонны, в котором выходящая органическая фаза равновесна с водной фазой, входящей с противоположного конца участка. Чтобы уменьшить ВЭТС колонны, применяют насадку, которая уменьшает рециркуляцию сплошной фазы и способствует коалесценции и редиспергированию дисперсной фазы. Для этой же цели используют ситчатые тарелки. Наиболее эффективными оказались так называемые тарелки КРИМЗ, которые создают вращательное движение жидкости, приводящее к уменьшению продольного перемешивания.

В тарельчатых колонках органическая фаза (легкая) подается снизу через диспергатор, а водная фаза (тяжелая) подается сверху. При движении вверх органическая фаза многократно дробится и коалесцирует, для этого в колонне устанавливаются тарелки различного типа и насадочные устройства для интенсификации массообменного процесса, фазы в колонне могут перемешиваться воздухом или другим инертным газом. Органическая фаза вверху колонны попадает в отстойную зону и из нее самотеком выводится из колонны, водная фаза выводится из нижней зоны колонны, лежащей ниже подачи экстрагента эрлифтом или через гидрозатвор. Такая колонна имеет обычно большую ВЭТС в пределах 2,5—3 м и, соответственно, небольшое количество ступеней массопередачи [2].

Для уменьшения ВЭТС вследствие лучшего диспергирования используют механическое вращательное или возвратно-поступательное перемешивание. Вращательное перемешивание осуществляется с помощью ряда мешалок, укрепленных на вертикальном вращающемся валу. К таким аппаратам относятся роторно-дисковые или роторно-кольцевые экстракторы, рис. 6.20.

По оси роторно-дисковой колонны вращается ротор-вал, на котором насажены плоские диски, перемешивающие жидкость. Колонна делится на секции кольцевыми дисками, укрепленными на стенках аппарата на середине высоты каждой секции; эти диски уменьшают продольное перемешивание. Роторно-дисковые экстракторы отличаются значительной производительностью и интенсивной массопередачей. Их диаметр может достигать 3 м и более, производительность до 200 м³/ч.

В роторно-кольцевом экстракторе внутри колонны вращается с большой скоростью центральный цилиндрический пустотелый ротор. В кольцевом зазоре возникают вихри, раздробляющие дисперсную фазу на очень мелкие капли. Для осуществления возвратно-поступательного перемешивания используют пульсацию. Она позволяет уменьшить ВЭТС в 2—3 раза. Пульсатор сообщает жидкости колебания небольшой амплитуды и определенной частоты. Созданы также конструкции аппаратов, представляющие собой

комбинацию ротационной и пульсационной колонн, что позволяет добиться повышения эффективности. Каганом и его коллегами проведено обширное исследование экстракторов с механическим перемешиванием фаз [5]. Сопоставление различных типов экстракторов, сделанное этими авторами, показало, что роторно-дисковые экстракторы весьма эффективны для многотоннажных производств.

Рис. 6.20. Роторно-дисковый колонный экстрактор:

• 1 — корпус; 2 — кольцевые перегородки; 3 — ротор; 4 — привод;
• 5,6 — отстойные зоны; 7 — распределитель легкой фазы [2]

Пульсационные экстракционные колонны с насадкой КРИМЗ являются наиболее эффективным оборудованием без механического перемешивания. Перемешивание в пульсационных колоннах осуществляется с помощью пневмоимпульса, который передается на столб жидкости в колонне через устройство, называемое пульс- фонарем. Частота пульсаций в колонне от 60 до 90 мин^-1, амплитуда колебаний столба жидкости 10—25 мм. Высота ВЭТС в колонне с насадкой КРИМЗ равняется примерно расстоянию между тарелками 250—300 мм. Пульсационные экстракторы нашли широкое применение в атомной технике — процессах экстракции металлов из радиоактивных растворов.

Как правило, колонные экстракционные аппараты эффективно применяются в процессах с небольшим количеством ступеней. Тем не менее, они нуждаются в значительном запасе и трудно масштабируются для обработки высоких скоростей потока и высоких фазовых соотношений. Менее эффективно разделять эти фазы с небольшой разностью плотности.

Но на таких колоннах можно проводить экстракцию хорошо экстрагируемых веществ, имеющих большой коэффициент распределения. Колонны — это высокопроизводительное оборудование, занимающее относительно незначительную площадь.