Оборудование нефтеперерабатывающих предприятий и основы проектирования

В ряде случаев процесс  экстракции усложняется, в частности вследствие химической реакции, протекающей в объеме или на поверхности раздела фаз. При определенных условиях для лучшего разделения исходного раствора применяют специфические способы экстракции. Гак, например, исходный раствор, представляющий собой смесь органических веществ, оказывается целесообразным обрабатывать двумя взаимно нерастворимыми экстр агентами, между которыми распределяются извлекаемые компоненты. Для облегчения перехода экстрагируемых компонентов, например солей металлов, в органическую фазу иногда применяют высаливание, осуществляемое путем добавки соли с одноименными ионами в исходный водный раствор, а также регулируют кислотность или рН раствора, концентрацию экстрагента в инертном разбавителе, служащим для уменьшения его вязкости, и т. д.

Основным достоинством процесса экстракции по сравнению с  другими процессами разделения жидких смесей (ректификацией, выпариванием и  др.) является низкая рабочая температура процесса который проводится наиболее часто при нормальной (комнатной) температуре. При этом отпадает необходимость в затратах тепла на испарение раствора. Кроме того, при экстракции обычно возможно из многочисленных растворителей подбирать высокоизбирательный экстрагент, отличающийся по химическим свойствам от компонентов исходной смеси и часто позволяющий достичь более полного разделения, чем это осуществимо с помощью других массообменных процессов. Вместе с тем применение дополнительного компонента — экстрагента и необходимость его регенерации приводит к некоторому усложнению аппаратурного оформления и удорожанию процесса экстракции.

При извлечении летучих  веществ экстракция может успешно  конкурировать с ректификацией в тех случаях, когда разделение ректификацией либо затруднено, а иногда и практически невозможно (разделение смесей, состоящих из близкокипящих компонентов и азеотропных смесей), либо сопряжено с чрезмерно высокими затратами (извлечение вредных примесей или ценных веществ из сильно разбавленных растворов). Так, например, извлечение уксусной кислоты из ее малоконцентрированных водных растворов экстракцией этилацетатом (или смесью этилацетата и бензола) является значительно более экономичным, чем выделение ректификацией, так как, несмотря на довольно большую разность температур кипения воды и кислоты, относительная летучесть их невелика. Кроме того, необходимость испарения очень больших количеств воды весьма удорожает ректификацию.

Экстракция незаменима для разделения смесей веществ, чувствительных к повышенным температурам, например антибиотиков, которые могут разлагаться при разделении их ректификацией или выпариванием. Применение экстракции часто позволяет эффективно заменять такие процессы, как разделение высококипящих веществ с использованием глубокого вакуума, например молекулярной дистилляцией, или разделение смесей методом фракционированной кристаллизации.

Экстракция может служить  также экономичным и эффективным  методом разделения сложных смесей на классы соединений одинакового химического состава, температуры, кипения которых перекрывают друг друга (разделение ароматических и предельных углеводородов, кипящих в том же интервале температур).

Весьма перспективно применение экстракции для разделения смесей неорганических веществ, когда  другие способы разделения неприменимы. Процессы жидкостной экстракции в настоящее время успешно используются для переработки ядерного горючего, получения циркония и гафния и многих других редких металлов. С помощью экстракции можно получать высокочистые цветные и благородные металлы.

В ряде случаев значительный эффект достигается при сочетании экстракции с другими процессами разделения. Примерами подобных комбинированных процессов являются: разделение близкокипящих и азеотропных смесей с помощью экстрактивной ректификации, предварительное концентрирование разбавленных растворов посредством экстракции перед выпариванием и ректификацией, которые проводятся при этом с меньшим расходом тепла.

 

Методы экстракции

При экстракции неорганических веществ обычно извлекают одно или  несколько веществ из водной фазы одним экстрагентом.

При разделении экстракцией  смесей органических веществ в зависимости от числа применяемых экстрагентов различают:

1) экстракцию одним  экстрагентом в системах, состоящих  минимум из трех компонентов  (двух разделяемых компонентов  исходного раствора и экстрагента);

2) экстракцию двумя  экстрагентами (фракционная экстракция) в системах, состоящих минимум из четырех компонентов (двух компонентов исходного раствора, распределяющихся между двумя несмешивающимися экстрагентами).

Экстракция одним экстрагентом наиболее распространена. Рассмотрим разные варианты этого процесса на примере ступенчатой экстракции, различные способы осуществления которой приведены ниже.

Одноступенчатая (однократная) экстракция. Этот простейший метод  заключается в том, что исходный раствор F и экстрагент S перемешиваются в смесителе, после чего разделяются на два слоя: экстракт Е и рафинат R. Разделение обычно происходит в сепараторе-отстойнике 2. При таком однократном взаимодействии экстрагента и исходного раствора при достаточном времени контакта могут быть получены близкие к равновесным составы экстракта и рафината.

Таким образом, количество экстрагируемого вещества фиксировано  законом равновесного распределения, и степень его извлечения является относительно низкой. Степень извлечения можно повысить путем увеличения количества используемого экстр агента, но с увеличением объемного соотношения потоков экстрагента и исходного раствора снижается концентрация экстракта, что удорожает извлечение конечного продукта. По этим причинам одноступенчатую экстракцию применяют в промышленной практике лишь в тех случаях, когда коэффициент распределения очень высок. Процесс может проводиться как периодически, так и непрерывным

 

способом — при  непрерывном возврате экстрагента в смеситель (после его   регенерации).

 

Устройство  экстракционных аппаратов

В зависимости от вида контакта между жидкими фазами экстракторы, как и другие массообменные аппараты, бывают: 1) ступенчатые, где изменение  состава фаз происходит скачкообразно, от ступени к ступени, из, которых состоит аппарат; 2) дифференциально-контактные, в которых изменение состава фаз приближается к непрерывному. 

Обычно в экстракторах для создания возможно большей поверхности  контакта фаз и, соответственно, для  увеличения скорости массопередачи одна из жидкостей (дисперсная фаза) распределяется в другой жидкости (сплошная фаз а) в виде капель. В зависимости от источника энергии, используемой для диспергирования одной фазы в другой и перемешивания фаз, экстракторы каждой из указанных выше групп могут быть подразделены на аппараты, в которых диспергирование осуществляется за счет собственной энергии потоков (без введения дополнительной' энергии извне), и аппараты с введением внешней энергии во взаимодействующие жидкости. Эта энергия подводится посредством механических мешалок, сообщения колебаний определенной амплитуды и частоты (пульсаций или вибраций), путем проведения экстракций в поле центробежных сил и другими способами.

В экстракторах после  каждого процесса перемешивания следует разделение (сепарация) фаз. В зависимости от рода сил, под действием которых осуществляется сепарация, различают экстракторы с разделением фаз в поле сил тяжести — под действием разности удельных весов фаз (гравитационные экстракторы) и экстракторы с разделением фаз в поле центробежных сил (центробежные экстракторы).

Вместе с тем по принципу организации процесса все  экстракторы могут быть разделены  на периодически действующие и непрерывно действующие.

В настоящее время  аппараты периодического действия применяются главным образом в лабораторной практике и сравнительно редко — в промышленных установках малой производительности.

Приведенная классификация  не отражает всех конструктивных особенностей аппаратов одного и того же типа; важнейшие из этих особенностей будут отмечены ниже при рассмотрении экстракторов различных типов.

 

Ступенчатые экстракторы

Смесительно-отстойные  экстракторы. Экстракторы этого  типа относятся к числу старейших экстракционных аппаратов. Каждая ступень смесительно-отстойного экстрактора состоит из смесителя, где жидкости перемешиваются до состояния, возможно более близкого к равновесному, и отстойника, где происходит отделение экстракта от рафината. В пределах ступени фазы движутся прямотоком друг к другу, но установка в целом, состоящая из любого числа последовательно соединенных ступеней, работает при противоточном движении фаз. Ступени аппарата располагаются в одной горизонтальной плоскости или устанавливаются в виде каскада.

Принцип работы смесительно-отстойного экстрактора виден из рис.76, на котором для простоты изображены только две ступени аппарата. Легкая фаза а подается в смеситель первой ступени, куда параллельным током поступает тяжелая фаза из отстойника 2 следующей (второй) ступени. После смешения фазы расслаиваются в отстойнике первой ступени, из которого тяжелая фаза отводится в качестве конечного продукта в, а легкая фаза направляется во вторую ступень. Здесь она смешивается со свежей тяжелой фазой б и отделяется от нее в отстойнике 2 второй ступени. Из этого отстойника сверху удаляется легкая фаза (конечный продукт г), а снизу отводится тяжелая фаза, поступающая на смешение в первую ступень.

 

Рис. 76.  Схема смесительно-отстойного  экстрактора:

1— смеситель;   2 — отстойник;   а — легкая   фаза;   б — тяжелая   фаза;   в — конечный   продукт (тяжелая   фаза);   г — конечный   продукт   (легкая   фаза).

Перемещение и смешение жидкостей может производиться  не только с помощью механических мешалок (как показано на рис. 76), но и посредством насосов, инжекторов и другими способами. Точно также разделение фаз можно осуществлять не только в гравитационных отстойниках (рис. 76), но и в сепараторах центробежного типа, например в гидроциклонах или центрифугах. Поэтому число вариантов конструкций смесительно-отстойных экстракторов велико.

Так, для того чтобы  уменьшить площадь, занимаемую аппаратом, применяют компактные ящичные экстракторы. В ящичном экстракторе (рис. 77) все ступени расположены в общем, корпусе прямоугольного сечения. Тяжелая фаза поступает в смеситель, расположенный в правом верхнем углу корпуса, и удаляется снизу из крайнего отстойника с левой стороны корпуса. Как видно из рисунка, в аппарате легкая фаза движется противотоком к тяжелой. Тяжелая фаза (см. сечение по А—А) удаляется через гидравлический затвор из нижней части отстойника в следующий смеситель, а легкая фаза переливается через порог и отводится из верхней части отстойника.

В смесительно-отстойных  экстракторах достигается интенсивное  взаимодействие между фазами, причем эффективность каждой ступени может приближаться к одной теоретической ступени разделения. Эти аппараты хорошо приспособлены для обработки жидкостей при значительно отличающихся объемных расходах фаз, например при соотношениях расходов, 10:1 и более. Для уменьшения объемного соотношения фаз иногда используют частичную рециркуляцию фазы с меньшим объемным расходом из отстойника в смеситель каждой ступени, как показано пунктиром на рис. 77.

Важным достоинством смесителей-отстойников является возможность  их эффективного применения для процессов экстракции, требующих        большого числа ступеней. Смесительно-отстойные экстракторы занимают большую площадь, чем колонные аппараты, но зато требуют меньшей высоты производственного помещения (при горизонтальном расположении ступеней).

Недостатком смесителей-отстойников  многих конструкций является медленное  отстаивание в них жидкостей, что нежелательно при обработке дорогостоящих, взрывоопасных или легковоспламеняющихся веществ. Кроме того, наличие мешалок с приводом в каждой ступени усложняет конструкцию аппарата и приводит к повышению капитальных затрат

 

Рис. 77.  Схема ящичного  смесителыю-отстойного  экстрактора: 1 — смеситель;  2 — отстойник.

 

и эксплуатационных расходов. В связи с этим за последние  годы наметилась тенденция к применению колонных экстракторов с единым приводом для всех перемешивающих устройств, расположенных по высоте колонны (см. ниже), в том числе вертикальных ящичных экстракторов.

 

Дифференциально-контактные  экстракторы

Гравитационные  экстракторы   (без  подвода внешней   энергии)

Распылительные  колонны. Распылительный колонный экстрактор представляет собой полую колонну, внутри которой имеются лишь устройства для ввода легкой и тяжелой фаз. На рис. 78 показан распылительный экстрактор, в котором диспергируется легкая фаза, поступающая в корпус через распределитель 2. Проходя через отверстия распределителя, легкая фаза в виде капель движется снизу в верх сквозь тяжелую фазу, заполняющую смесительную зону колонны. К этой зоне сверху и снизу примыкают отстойные зоны, обычно имеющие больший по сравнению со смесительной зоной диаметр для лучшего отстаивания жидкостей.

В верхней отстойной  зоне капли сливаются и образуют слой легкой фазы, которая отводится  сверху колонны. Тяжелая жидкость поступает через трубы 3 и движется в виде сплошной фазы сверху вниз. Она удаляется из колонны через гидравлический затвор 4, с помощью которого достигается полное заполнение жидкостью корпуса колонны.

В соответствии с высотой  перелива тяжелой жидкости устанавливается положение уровня раздела фаз в колонне. Снижая высоту перелива, можно перемещать уровень раздела в любое сечение смесительной зоны, а также в нижнюю отстойную зону колонны. Обычно в промышленных экстракторах положение уровня раздела фаз автоматически регулируется вентилем 5, установленным на выходе тяжелой жидкости из колонны, который соединяется с датчиком, контролирующим положение уровня раздела.

Каждой скорости тяжелой жидкости должна соответствовать  некоторая предельно-допустимая скорость легкой жидкости, и наоборот. С увеличением скорости легкой жидкости возрастает число капель в единице объема аппарата, и их движение происходит во все более стесненных условиях. В результате увеличивается объемная доля диспергируемой фазы (ее задержка в аппарате), что уменьшает долю поперечного сечения, свободного для прохода сплошной фазы. Это, в свою очередь, вызывает возрастание локальных скоростей сплошной фазы, которая начинает уносить все большее число капель в направлении, обратном направлению движения дисперсной фазы. Возникают циркуляционные токи дисперсной фазы, т. е. обратное перемешивание (см. стр. 123), которое существенно уменьшает движущую силу и соответственно интенсивность массопередачи в распылительных экстракторах.