В.П. Пищулин, Л.Ф. Зарипова

РАСЧЕТ НАСАДОЧНЫХ

КОЛОННЫХ ЭКСТРАКТОРОВ

Учебное пособие

Северск 2011

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Северский технологический институт - филиал НИЯУ МИФИ (СТИ НИЯУ МИФИ) В.П. Пищулин, Л.Ф. Зарипова

РАСЧЕТ НАСАДОЧНЫХ

КОЛОННЫХ ЭКСТРАКТОРОВ

Учебное пособие Северск УДК 66.061(075.8) ББК 34. П Пищулин В.П.

П 368 Расчет насадочных колонных экстракторов: учебное пособие/ Пищулин В.П., Зарипова Л.Ф. - Северск: СТИ НИЯУ МИФИ, 2011.- 48 с.

В учебном пособии приводится методика расчета гравитационных насадочных и пульсационных насадочных экстракторов.

Пособие будет полезным студентам, обучающимся по направлениям «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», 655200 «Химическая технология материалов современной энергетики», а также по специальностям 240601 «Химическая технология материалов современной энергетики» и 240801 «Машины и аппараты химических производств» дневной и заочной форм обучения при выполнении курсовых и дипломных работ и проектов.

Одобрено на заседании методического семинара кафедры МАХП (протокол № 5 от « 22 » февраля 2011 г.).

Per. № 13/П от 03.03.2011 г.

Рецензенты канд. техн. наук, доцент кафедры ОХТ ХТФ ТПУ В.М. Миронов ведущий инженер-конструктор ОГК СХК А.Н. Володин © Северский государственный технологический институт Содержание Введение 1 Цель расчета 2 Состав расчета 3 Порядок расчета 4 Основы экстракции 4.1 Равновесие в процессах экстракции 4.2 Требования к экстрагентам 4.3 Классификация экстракционных процессов 5 Схемы колонных экстракторов 5.1 Насадочные колонные экстракторы 5.2 Гравитационные насадочные экстракторы 5.3 Пульсационные насадочные экстракторы 5.4 Пульсационные экстракторы с пакетной насадкой КРиМЗ 5.5 Пульсационный экстрактор со стабилизацией потоков фаз 5.6 Безмембранная пневматическая система пульсации с золотниково-распределительным механизмом 6 Материальный расчет 7 Конструктивный расчет 7.1 Расчет диаметра реакционной зоны 7.2 Определение предельной скорости захлебывания 7.3 Р а с ч е т высоты р е а к ц и о н н о й з о н ы 7.4Определение числа единиц переноса 7.5Определение высоты единицы переноса 7. Определение числа теоретических ступеней изменения концентрации 7.7 Определение высоты, эквивалентной теоретической ступени 7.8 Расчет диаметра верхней отстойной зоны 7.9 Расчет высоты верхней отстойной зоны 7.10 Расчет размеров нижней отстойной зоны 8 Расчет экстрактора на ЭВМ Приложение А (справочное) Физико-химические характеристики Приложение Б (справочное) Характеристики эффективности Приложение В (обязательное) Задания на расчет экстракторов Приложение Г (рекомендуемое) Контрольный пример расчета В последнее время процессы экстракции играют все большую роль в процессах извлечения, разделения и очистки веществ в химической, радиохимической, нефтехимической, химико-фармацевтической, гидрометаллургической и других отраслях промышленности [5-8,10].

В технологии органических веществ процесс экстракции начал применяться с 1883 года, когда был запатентован метод концентрирования уксусной кислоты экстракцией ее этилацетатом. Широко процессы экстракции используются при переработке каменноугольной смолы, для отделения ароматических углеводородов от алифатических, при очистке масел, дизельного топлива, в производстве антибиотиков и других лекарственных препаратов.

В технологии неорганических веществ процесс экстракции применяют для извлечения меди из растворов выщелачивания, при разделении кобальта и никеля, для получения металлов высокой степени чистоты: ванадия, бериллия, урана, тория, плутония и других металлов, для разделения близких по своим свойствам элементов в технологии редких металлов: рубидия и цезия, циркония и гафния, ниобия и тантала, молибдена и вольфрама, редкоземельных элементов.

Становление атомной промышленности привело к интенсивному развитию экстракционной технологии. С использованием экстракционных процессов удалось решить проблемы комплексной переработки урановых руд, аффинажа урана, переработки облученного ядерного горючего и отходов химико-металлургического производства.

Экстракционные методы применяют также для опреснения воды, переработки сбросных вод, для концентрирования веществ в системах, образующих азеотропные смеси.

Экстракция успешно используется в аналитической химии, препаративной химии, как метод физико-химических исследований.

В общем случае экстракцией называют процессы извлечения какоголибо вещества из жидкой или твердой фазы в другую жидкую фазу - фазу растворителя-экстрагента, избирательно растворяющего извлекаемые компоненты. В более узком смысле слова экстракция - это жидкостная экстракция - массообменный процесс на поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей.

При контакте исходного водного раствора извлекаемого компонента с избирательным органическим растворителем-экстрагентом извлекаемый компонент переходит из исходного раствора в фазу экстрагента. После расслаивания фаз образуются два раствора: органический раствор извлеченных из исходной смеси компонентов в экстрагенте, называемый экстрактом, и водный раствор, обедненный извлекаемыми компонентами и содержащий некоторое количество экстрагента - рафинат, как показано на рисунке 1.

Процесс экстракции выгодно отличается от других методов извлечения и разделения такими достоинствами, как высокая эффективность и избирательность; низкие рабочие температуры; рентабельность извлечения ценных компонентов и вредных примесей из разбавленных растворов; возможность разделения смесей, состоящих из близкокипящих компонентов и азеотропных смесей; возможность выгодного сочетания с ректификацией, химическим осаждением; относительная простота аппаратурного оформления; возможность полной автоматизации ведения процесса.

В зависимости от способа осуществления контакта между исходным водным раствором и экстрагентом различают следующие разновидности процесса экстракции:

- однократная экстракция, по которой исходный раствор однократно обрабатывается всем количеством экстрагента с последующим разделением на экстракт и рафинат (см. рисунок 1);

- одноступенчатая экстракция перекрестным потоком с одним растворителем непрерывного действия, как показано на рисунке 2;

- многоступенчатая экстракция перекрестным током, по которой исходный раствор и рафинатные растворы обрабатываются на каждой ступени соответствующей порцией свежего экстрагента, как показано на рисунке 3;

- противоточная экстракция, по которой обеспечивается многократное противоточное контактирование рафинатных и экстрактных растворов смежных ступеней. Противоточное экстрагирование обеспечивает полное разделение при высоком выходе рафината и значительно меньшем расходе экстрагента. Оно осуществляется либо в нескольких аппаратах типа «смеситель-отстойник», как показано на рисунке 4, либо в колонном аппарате, представленном на рисунке 5.

Рисунок 2 - Схема одноступенчатой экстракции

I СТУПЕНЬ U ШПЕНЬ Ш СГУПЬНЬ

Рисунок 3 - Схема многоступенчатой экстракции перекрестным током Рисунок 4 - Схема противоточной экстракции Рисунок 5 - Схема противоточной экстракции в колонном аппарате Колонные экстракторы отличаются высокой производительностью, занимают сравнительно малую площадь, обеспечивают непрерывность процесса. Существует значительное количество разновидностей колонных аппаратов: гравитационные; распылительные, насадочные, тарельчатые; экстракторы с вводом энергии в контактирующие жидкости: роторные, роторнодисковые, смесительные, смесительно-отстойные, пульсационные, вибрационные, колонны со стабилизацией потоков фаз.

Колонные экстракторы с вводом энергии в контактирующие жидкости характеризуются наибольшей эффективностью или наименьшей высотой эквивалентной теоретической ступени изменения концентрации, составляющей обычно 0,25-0,50 м против 1-10 м для гравитационных колонн.

Пульсационные колонные аппараты выгодно отличаются от других колонных экстракторов с вводом энергии в контактирующие жидкости отсутствием движущихся частей в рабочей зоне, отсутствием внутренних подшипников, герметичностью, простотой монтажа и ремонта, поэтому они в последнее время находят в промышленности все большее применение.

Расчету гравитационных насадочных и пульсационных насадочных колонных экстракторов посвящена данная работа.

1 Цель расчета Целью расчета является закрепление теоретических выводов и расчетно-практических рекомендаций по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» и их приложение к конкретному расчету колонных экстракторов.

2 Состав расчета Состав и объем расчета определяется заданием. Расчет состоит из пояснительной записки с эскизами, оформленной в соответствии с нормами ЕСКД и принятыми требованиями [1].

Пояснительная записка содержит следующую документацию и разделы:

- титульный лист;

- содержание;

- введение;

- эскиз аппарата;

- описание конструкции экстрактора и работы технологической схемы;

- материальный расчет, таблицу материального баланса, диаграмму «v-х»;

- конструктивный расчет;

- заключение;

- список литературы.

3 Порядок расчета Перед началом расчета необходимо изучить теоретическую часть процессов экстракции, конструктивные особенности экстракторов, собрать физико-химические характеристики заданной системы, выбрать конструкцию экстрактора.

Расчет экстрактора следует начинать с определения материальных потоков, их состава с составлением таблицы материального баланса экстрактора и построением «у-х» диаграммы.

Для расчета необходимо задаться диаметром капель, определять необходимую для этого интенсивность пульсации в случае расчета пульсационных экстракторов, после чего рассчитать предельную скорость захлебывания, рабочую скорость движения фаз, характеристическую скорость капель, найти число единиц переноса или высоту, эквивалентную теоретической ступени, вычислить основные размеры колонного экстрактора, выполнить эскиз аппарата.

4 Основы экстракции 4.1 Равновесие в процессах экстракции Экстракционные процессы протекают в гетерогенной системе из двух несмешивающихся жидкостей, равновесие в которой подчиняется правилу фаз Гиббса [2,3]:

где С - число степеней свободы, то есть минимальное число независимых факторов, значения которых можно произвольно изменять без нарушения равновесия данной системы;

К - число компонентов;

п - число внешних факторов, влияющих на равновесие в данной системе.

Для массообменных процессов внешними факторами, влияющими на равновесие системы, являются температура и давление, то есть п = 2, и правило фаз Гиббса запишется в виде:

Для экстракционных процессов, в общем случае, число компонентов К = 3, число фаз Ф = 2, а число степеней свободы С = 3 - 2 + 2 = 3, следовательно, при постоянных температуре и давлении (/ = const, р = const) устанавливается строго однозначная зависимость между концентрациями извлекаемого компонента в исходной смеси и в экстракте, определяемая законом распределения или изотермой экстракции:

где у* - равновесная концентрация извлекаемого компонента в экстрагенте (в органической фазе);

m - коэффициент распределения;

х - концентрация извлекаемого компонента в растворителе исходной Коэффициент распределения зависит от природы исходной смеси и экстрагента, состава смеси и температуры.

Примеры изотерм экстракции в технологии урана ядерного горючего в системах ИОГ{ТЮЪ\ - HNO-. - Н20 - (С4Н9)}РОА приведены на рисунке 6 [4].

4.2 Требования к экстрагентам При выборе экстрагента необходимо учитывать следующие критерии [2,3,5]:

- состав исходного водного раствора и механизм экстракции;

- селективность экстрагента по отношению к извлекаемому компоненту и примесям;

- коэффициент распределения;

- емкость экстрагента;

- взаимную растворимость растворителя исходной смеси и экстрагента;