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 2011 УДК 66.061(075.8) ББК 34.7 П 368 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.).

Рег. № 13/11 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 Расчет высоты реакционной зоны……………………………. 7.4 Определение числа единиц переноса………………………… 7.5 Определение высоты единицы переноса…………………….. 7.6 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……………………………………….... Литература…………………………………………………………….. Приложение А (справочное) Физико-химические характеристики систем………………………………………………… Приложение Б (справочное) Характеристики эффективности работы пульсационных колонн с насадкой КРиМЗ Приложение В (обязательное) Задания на расчет экстракторов…….. Приложение Г (рекомендуемое) Контрольный пример расчета экстрактора……………………………………….......

Введение 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 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;

эскиз аппарата;

описание конструкции экстрактора и работы технологической схемы;

материальный расчет, таблицу материального баланса, диаграмму «у-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, определяить 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]:

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

К число компонентов;

n число внешних факторов, влияющих на равновесие в данной системе.

Для массообменных процессов внешними факторами, влияющими на равновесие системы, являются температура и давление, то есть n = 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 (t = const, p = const) устанавливается строго однозначная зависимость между концентрациями извлекаемого компонента в исходной смеси и в экстракте, определяемая законом распределения или изотермой экстракции:

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

m коэффициент распределения;

x 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 UO2 ( NO3 )2 HNO3 H 2O (C4 H 9 )3 PO4 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;

а) система водный раствор UO2 ( NO3 )2 HNO3 H 2O 30 % ТБФ в керосине;

регенерируемость;

плотность экстрагента, экстракта, растворителя исходной смеси и исходного раствора;

межфазовое натяжение;

вязкость экстрагента, экстракта, растворителя исходной смеси и исходного раствора;

химическую стойкость экстрагента к кислотам и окислителям, химическую инертность;

радиационную стойкость;

летучесть;

воспламеняемость, горючесть;

Чем выше селективность, тем более четко разделяются компоненты исходной смеси и экстрагента, рафината и экстракта, чем меньше их вязкость, тем быстрее происходит движение фаз и их расслаивание. Чем меньше летучесть экстрагента, тем больше его химическая и радиационная стойкость, химическая инертность, чем меньше растворимость в растворителе исходной смеси, тем меньше его потери.

При жидкостной экстракции экстрагент и растворитель исходной смеси должны быть взаимно нерастворимы или ограниченно растворимы друг в друге. Регенерация экстрагента из рафината и экстракта может производиться дистилляцией, выпариванием, высаливанием, кристаллизацией и другими методами.

Свойства некоторых экстрагентов приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Свойства экстрагентов 1 Нейтральные 2 Органические кислоты 3. Алкиламины Все существующие экстрагенты значительно отличаются друг от друга по своей способности экстрагировать металлы, в частности, уран, то есть образовывать незаряженные координационные соединения между солью и растворителем, растворимые в избытке растворителя (или разбавителя). Это различие относится как к коэффициенту распределения, так и к емкости (т.е.

максимальной растворимости) экстрагируемого соединения в данном экстрагенте. Очень важно обеспечить высокие коэффициенты распределения при низких концентрациях урана, так как это существенно на последних ступенях экстракции для получения сбросного рафината (этот случай характеризуется крутой линией изотермы экстракции).

Среди экстрагентов, используемых для переработки ядерного топлива на стадиях аффинажа из азотнокислых растворов, переработки ОЯГ, при переработке отходов, при переработке оружейного урана, наиболее приемлемым является трибутилфосфат (ТБФ) : (C4 H 9 )3 PO4. В настоящее время он практически вытеснил все другие ранее применявшиеся экстрагенты. Его используют в промышленных масштабах на всех радиохимических заводах.

По сравнению с другими экстрагентами ТБФ обладает определенными преимуществами. Он весьма устойчив к действию азотной кислоты и радиации, характеризуется высокой емкостью по отношению к извлекаемым металлам. Так один литр ТБФ способен стехиометрически присоединить 440 г урана. Коэффициент распределения урана, плутония и нептуния при экстракции ТБФ очень высок даже при небольшой концентрации нитрат-ионов в водной фазе.

Растворы ТБФ в разбавителе обладают удовлетворительными физическими свойствами (вязкостью, плотностью, поверхностным натяжением), способствующими быстрому отстаиванию и разделению водной и органической фаз. ТБФ имеет сравнительно низкую растворимость в водной фазе. Вода также слабо растворяется в ТБФ. Низкое давление паров и высокая температура вспышки являются ценными качествами ТБФ. Он относительно дешев и доступен, способен смешиваться с органическими разбавителями, которые сами не растворяют уран и плутоний, но изменяют физические свойства органической фазы (плотность, вязкость, горючесть и др.).

Вместе с тем, ТБФ имеет ряд недостатков. Несмотря на высокую селективность и высокий коэффициент распределения ценных элементов (урана, плутония, нептуния и др.) ТБФ в некоторой степени экстрагирует и ряд радиоактивных продуктов деления (рутений, цирконий, ниобий, цезий и др.).

ТБФ разлагается под действием азотной кислоты, температуры и особенно радиации. Продукты его разложения дибутилфосфат (ДБФ) и монобутилфосфат (МБФ), работающие по принципу катионного обмена, легко экстрагируют часть продуктов деления, которые при этом извлекаются с высоким коэффициентом распределения при экстракции, что ухудшает очистку ценных элементов. При высокой кислотности возможно образование третьей фазы, так называемых «медуз», в особенности при экстракции плутония (IV).

Образование третьей фазы при экстракции обогащенного урана или плутония ухудшает условия контроля ядерной безопасности. К недостаткам ТБФ относятся также его значительная вязкость (3,32 Пас) и плотность, близкая к плотности воды, что затрудняет разделение фаз при экстракции; чтобы органическая фаза обладала приемлемыми физическими свойствами, ТБФ обычно смешивают с подходящим разбавителем: керосином или другими углеводородными фракциями.

ТБФ представляет собой сложный эфир фосфорной кислоты и бутанола и может гидролизоваться как в кислой, так и в щелочной среде. В кислых водных растворах происходит разрыв углерод-кислородных связей ТБФ с постепенным отщеплением молекул бутанола и образованием соответственно ДБФ, МБФ и, в конечном счете, фосфорной кислоты. Соотношение образующихся ДБФ и МБФ примерно равно 10:1. Реакция гидролиза протекает как в водной, так и в органической фазах. Скорость гидролиза ТБФ до ДБФ с повышением температуры от 25 °С до 40°С возрастает в 5 раз и в 25 раз увеличивается при повышении температуры до 75°С. Особенно сильное разрушение ТБФ с образованием ДБФ и МБФ происходит при его облучении. Скорость образования продуктов разложения представляет собой функцию состава среды и поглощенной суммарной дозы излучения. Химическое и радиолитическое разложение раствора ТБФ в разбавителе при экстракционной переработке облученного ядерного горючего приведено в таблице 2 [6].

Таблица 2 Химическое и радиолитическое разложение раствора ТБФ в разбавителе в первом цикле экстракции (30 % ТБФ в равновесии с 2М HNO3 ) выгорания Доза излучения, Гр Разложение ТБФ, % концентрация МВтсут/т Условия:

-излучение полностью поглощается раствором;

-излучение поглощается на 50 %;

-излучение в расчет не принимается;

выход ДБФ примерно равен единице и постоянен для всех доз излучения;

химическое разложение вызвано 3-часовым контактированием органической фазы с водным раствором при 50 °С;

радиолитическое разложение 45-минутной выдержкой в экстракционной пульсирующей колонне.

Для придания необходимых технологических свойств органической фазе ТБФ обычно разбавляют каким-либо инертным разбавителем. Основным требованием при выборе разбавителя является его инертность по отношению к извлекаемому элементу и применяемым реагентам. Остальные требования не отличаются от требований, предъявляемых к экстрагентам. В таблицах 3, 4 приведены физико-химические свойства некоторых разбавителей, применяющихся в процессе переработки облученного топлива.

Доля разбавителя в смесях с экстрагентом зависит от характеристики перерабатываемого сырья, но всегда степень разбавления должна обеспечить приемлемые вязкость, плотность и поверхностное натяжение органической фазы. Обычно на промышленных предприятиях применяют две степени разбавления. При переработке соединений урана с высоким содержанием 235U (примерно 90 %) и алюминия используют от 5 % до 10 % растворов ТБФ в разбавителе, а при переработке металлического урана и оксидного топлива от 20 % до 30 %.

Таблица 3 Состав различных разбавителей ТБФ Разбавитель Разбавитель Таблица 4 – Скорость расслаивания фаз после смешивания разбавителей с водными растворами Разбавитель 4.3 Классификация экстракционных процессов Экстракционные процессы чаще всего классифицируют по механизму экстракции. Различают следующие механизмы экстракции [7].

Экстракция ковалентных соединений. Физическое распределение или экстракция ковалентных соединений объединяет экстракционные процессы, происходящие без изменения химической формы вещества. К этому классу относится, например, экстракция HgCl2, AgCl, GeCl4 гексаном и некоторые другие.

Экстракция ионных ассоциатов. Процесс экстракции в этом случае сопровождается образованием сольватов, при этом в качестве экстрагентов применяют нейтральные органические соединения (простые и сложные эфиры, спирты, кетоны, альдегиды, нейтральные фосфорорганические соединения и другие соединения). К этому классу относятся, например, широко применяемые процессы экстракции уранилнитрата UO2 ( NO3 )2 диэтиловым эфиром (C2 H 5 )2 O или трибутилфосфатом (C4 H 9 )3 PO4 [8]:

Нейтральные экстрагенты работают по принципу комплексообразования.

Структура полученного комплекса UO2 ( NO3 )2 2(С4 H 3 )3 PO4 имеет вид:

Катионообменная экстракция. Процесс экстракции в этом случае сопровождается обменом неорганических катионов между исходной смесью и экстрагентом. В качестве экстрагента применяют органические кислоты или их соли, а в процессе экстракции происходит или замещение водорода органической кислоты на гидратированный катион металла водной фазы, или обмен катионами металлов взаимодействующих водной и органической фаз. К этому классу относятся, например, процессы экстракции уранил-иона UO2 + моноалкилфосфатом RH 2 PO4, додецилфосфорной кислотой (ДДФК) C12 H 25 PO4 H 2, диалкилфосфатом (RO )2 HPO4 и ди-2-этилгексилфосфорной кислотой (Д 2 ЭГФК) [CH 2CH (C2 H 5 )(CH 2 )4 O ] 2 PO2 H [8]:

UO2 + водн + 2[(RO )2 HPO2 ] орг = [UO2 [(RO )2 PO2 ]2 ] орг + 2 H + водн, UO2 + водн + 4[2(RO )2 HPO2 ] орг = [UO2 H 2 [(RO )2 PO2 ]4 ] орг + 2 H + водн.

Структура последнего полученного комплекса имеет следующий вид:

Экстрагенты этого класса органические кислоты работают по принципу катионообменника:

додецилфосфорная кислота (ДДФК):

моноалкилфосфат:

Анионообменная экстракция. Процесс экстракции в этом случае сопровождается обменом неорганическими анионами между исходной смесью и экстрагентом. В качестве экстрагента применяют соли органических оснований, а в процессе экстракции происходит обмен неорганическими анионами, находящимися в водной и органической фазах, за счет протекания межфазных химических реакций. К этому классу относится, например, процесс экстракции сульфатных и карбонатных анионных комплексов уранила [UO2 (SO4 )2 ] 2, [UO2 (SO4 )3 ] 4, [UO2 (CO3 )3 ] 4 солями амина (алкиламмония) (NR3 H )2 SO4, получаемых по реакции три-Н-октиламина с серной кислотой [8]:

Структурная формула последнего координационного соединения выглядит следующим образом:

Экстрагенты этого класса соли алкиламина работают по принципу анионообменника.

Экстракция внутрикомплексных солей. Процесс экстракции в этом случае сопровождается образованием циклических комплексных соединений ионов металлов с органическими реагентами за счет химической и координационной связей. К этому классу относится, например, экстракция меди из растворов после выщелачивания специальными реагентами:

Структурная формула последнего координационного соединения выглядит следующим образом:

5 Схемы колонных экстракторов 5.1 Насадочные колонные экстракторы На рисунке 7 показаны схемы экстракторов, чаще всего применяемых в промышленной практике: гравитационные насадочные колонные экстракторы (см. рисунок 7, а); пульсационные колонные экстракторы с насадкой в виде колец Рашига (см. рисунок 7, б); с пакетной насадкой КРиМЗ (см. рисунок 7, в); пульсационный колонный экстрактор со стабилизацией потоков фаз (см. рисунок 7, г) [5,9-11].

а) гравитационный насадочный колонный экстрактор;

б) пульсационный насадочный колонный экстрактор;

в) пульсационный колонный экстрактор с пакетной насадкой КРиМЗ;

г) пульсационный колонный экстрактор со стабилизацией потоков фаз Наличие пульсаций в колонных экстракторах увеличивает межфазное трение, дисперсность и турбулизацию потоков фаз. Основное возрастание эффективности процесса в пульсационных экстракторах связано с увеличением поверхности контакта фаз вследствие уменьшения среднего диаметра капель.

Для создания пульсаций в экстракционных колоннах применяли поршневые, мембранные, сильфонные пульсаторы, пульсаторы с разделительной диафрагмой, с замкнутым газовым буфером. Однако вследствие определенных недостатков они не вышли за рамки лабораторного и полупромышленного применения. Наиболее надежна безмембранная пневматическая система пульсации с золотниково-распределительным механизмом, представленная на рисунке 8, широко применяющаяся в промышленности в настоящее время [5,11].

1 – экстрактор колонный пульсационный; 2 – пульпопровод;

3 – распределитель экстрагента - «колокол»; 4 – пульсационная камера;

5 – пульсатор - золотниково-распределительный механизм Рисунок 8 Схема пневматической системы пульсации с золотниково-распределительным механизмом 5.2 Гравитационные насадочные экстракторы Насадочные колонные экстракторы выпускаются диаметром до 5 м и более и высотой до 40 м. По конструкции они аналогичны насадочным абсорбционным и ректификационным колоннам, но снабжены верхней и нижней отстойными камерами (см. рисунок 7,а). В качестве насадки применяют в основном кольца Рашига, реже седловидную насадку Берля, металлические сетки. Насадка укладывается на опорные (колосниковые) решетки слоями высотой от двух до десяти диаметров колонны. Насадка уменьшает продольное перемешивание, улучшает распределение дисперсной фазы, увеличивает ее задержку в колонне, интенсифицирует процесс массопередачи. При выборе насадки необходимо учитывать размер и материал насадки. Для устранения пристенного эффекта, заключающегося в каналообразовании у стенок колонны вследствие неравномерности укладки насадки, следует выбирать диаметр насадки в 8–10 раз меньше диаметра колонны. Материал насадки должен смачиваться преимущественно сплошной фазой, иначе капли дисперсной фазы будут сливаться, образуя пленочное течение фазы и уменьшая поверхность контакта фаз. Характеристики насадок приведены в таблице 5.

Таблица 5 Характеристики насадок Кольца керамические при беспорядочной засыпке Кольца керамические при правильной укладке Кольца стальные В экстракционной насадочной колонне происходит противоточное движение сплошной, заполняющей все сечение колонны, и дисперсной, распределенной в виде капель по всему объему колонны, фаз. Движение потоков обусловлено разностью плотностей фаз. Максимальные значения скорости потока ограничиваются «затоплением» колонны, когда одна фаза увлекает за собой другую. Насадочная колонна может работать в четырех гидродинамических режимах: ламинарном, промежуточном, турбулентном и режиме эмульгирования. Режим эмульгирования отличается наибольшей эффективностью. Скорость потоков при работе на этом режиме составляет 80–90 % от скорости затопления колонны, а высота, эквивалентная теоретической ступени изменения концентрации, равна 1 – 6 м.

5.3 Пульсационные насадочные экстракторы Для увеличения турбулизации потоков и степени дисперсности фаз в насадочном колонном экстракторе нижняя отстойная камера снабжена специальным распределителем гидрозатвором, соединенным с пульсационной камерой (см. рисунок 7,б).

Насадочные пульсационные экстракторы работают при меньших скоростях потоков, составляющих примерно 60 % от скоростей затопления гравитационных насадочных экстракторов, но эффективность их работы в несколько раз выше. Так высота, эквивалентная теоретической ступени изменения концентрации, для пульсационных насадочных колонн при оптимальной интенсивности пульсации составляет от 0,25 м до 0,40 м, что в 5 –10 раз меньше, чем для гравитационных насадочных колонн.

Насадка в виде колец и седел, загруженная в экстрактор навалом, под действием пульсаций может ориентироваться в осевом направлении, что приводит к каналообразованию, поэтому засыпку насадки производят послойно, чередуя ее слои с незаполненными насадкой зонами.

5.4 Пульсационные экстракторы с пакетной насадкой КРиМЗ В 1961 г. в СССР была разработана пакетная насадка КРиМЗ [10]. Насадка КРиМЗ состоит из тарелок диаметром на 5–10 мм меньшим диаметра рабочей зоны колонны с прямоугольными отверстиями с отбортовкой, выполненной в виде наклонных направляющих лопаток, отогнутых по обе стороны поверхности тарелки. Длина отверстия вдвое больше его ширины; так для колонн диаметром 600 мм размеры отверстий 2040 мм, для 900 мм 4080 мм. Угол наклона лопаток составляет от 20° до 45°, живое сечение 20 – 60 % от площади тарелки, эквивалентный диаметр отверстий d э D.

Отверстия размещены по тарелке по концентрическим окружностям, лопатки соседних тарелок направлены в противоположные стороны (по часовой стрелке и против). Тарелки укрепляются в рабочей зоне колонны на стержнях на расстоянии 50 – 250 мм (см. рисунок 7,в). Характеристики насадки КРиМЗ приведены в таблице 6.

Таблица 6 Характеристики насадки КРиМЗ насадки, мм отверстий, мм лопаток, град. сечение, % В колоннах с пакетной насадкой КРиМЗ поток поступает в канал с направляющими лопатками и движется под углом к горизонтали. На каждой последующей тарелке поток меняет направление движения. При малой интенсивности пульсации фазы совершают зигзагообразные движения, а при оптимальной интенсивности вращательные, в результате чего создается развитая поверхность контакта фаз, повышается равномерность распределения дисперсной фазы, снижается продольное перемешивание, интенсифицируется процесс массопередачи.

По сравнению с пульсационной насадочной колонной с кольцами Рашига в колонне с пакетной насадкой КРиМЗ оптимальный размер капель дисперсной фазы от 0,8 мм до 1,2 мм получается при меньшей интенсивности пульсаций:

950 – 1200 мм/мин против 1300 – 1600 мм/мин, а нагрузка захлебывания возрастает до 36 – 48 м3/(м2ч) против 8 – 26 м3/(м2ч), то есть в 1,5 – 4,0 раза.

5.5 Пульсационный экстрактор со стабилизацией потоков фаз Наиболее эффективным из разработанных экстракторов является экстрактор колонный пульсационный со стабилизацией потоков фаз и щадящим режимом работы (см. рисунок 7, г). В нём для исключения продольного и хаотического перемешивания фаз применены перегородки равномерного распределения фаз – стабилизаторы и диспергаторы упорядоченного дробления жидкостей в капли оптимального размера Экстрактор с использованием природных свойств жидкостей при распределении фаз содержит цилиндрический вертикальный корпус, в котором с чередованием по высоте установлены распределители фаз и диспергаторы фаз в виде пакета сеток. Распределители фаз выполнены в виде дисков, снабжённых короткими конусными трубами с круглым сечением размещённых плотно по сечению вдоль колонны конусностью вверх для лёгкой фазы и конусностью вниз для тяжёлой фазы, обеспечивающих при возвратно поступательном колебании столба жидкости в колонне периодическое раздельное движение фаз противотоком.

Конусные трубы возникающее продольное и хаотическое перемешивание переводят в упорядоченное кратковременное возвратно поступательное движение с образованием мини потоков фаз с равномерным их распределением по площади поперечного сечения с малыми скоростями движения.

Каждый импульс движения в этом экстракторе сопровождается образованием порции дисперсии, которая перед очередным импульсом должна перейти в сплошное состояние на стабилизаторе соотношения потоков фаз, что качественно улучшает противоточное движение фаз в сечении колонн.

Наиболее эффективно массообмен протекает в диспергаторах, которые выполнены из пакетов проволочных сеток с условным диаметром отверстий 2 – 4 мм.

Разнородные капли в процессе колебательных движений многократно сталкиваются друг с другом, из них однородные капли сливаются в сплошное состояние и многократно дробятся повторно, разнородные – во время контакта передают вещества из одной фазы в другую. Таким образом, многократно образующаяся развитая контактная поверхность в диспергаторах интенсифицирует передачу веществ и доводит её до равновесного состояния на малой высоте каждой ступени экстрактора (ВЭТС = 02 – 0,25 м).

Управляемая система равномерного распределения энергии в поперечном сечении колонн с жидкостями, движущихся противотоком, при сохранении концентрационной движущей силы процесса и при ограничении скорости и размера траекторий капель, снижает энергетические затраты, не менее, чем на 50 процентов. Это оптимизирует процесс передачи веществ из фазы в фазу до равновесия на высоте ступени 0,2 – 0,3 метра и уменьшает высоту колонны до 1,4 – 2,2 м, и доводит содержание извлекаемых веществ в водно-хвостовых растворах до содержаний, направляемых с водными растворами на утилизацию.

золотниково-распределительным механизмом Схема пульсации с золотниково-распределительным механизмом (ЗРМ) (см. рисунок 8) обеспечивает надежное генерирование колебаний жидкости в колонне 1 за счет периодического изменения давления воздуха в пульсационной камере 4, соединенной пульсопроводом 2 с ЗРМ. 5 ЗРМ за каждый цикл пульсации соединяет пульсационную камеру то с линией сжатого воздуха или инертного газа, то с выхлопной магистралью. Воздух от компрессора через ресивер и ЗРМ по пульсопроводу подается при прямом импульсе в пульсокамеру экстрактора и выдавливает жидкость из пульсокамеры через распределитель-гидрозатвор 3 в экстрактор, приводя ее в поступательное движение по колонне. При обратном импульсе пульсокамера через ЗРМ соединяется с атмосферой и жидкость в колонне под действием силы тяжести совершает возвратное движение, выдавливая воздух из пульсокамеры. Частота пульсаций определяется скоростью вращения ротора ЗРМ, а амплитуда давлением воздуха перед ним. Основными частями ЗРМ пневматического пульсатора являются вращающийся ротор диск с окнами и неподвижное распределительное кольцо с двумя отверстиями для подачи сжатого воздуха и выхлопа газа. При совмещении окна ротора с отверстием происходит подача сжатого воздуха в пульсокамеру. Система пульсации обеспечивает частоту пульсации от 30 до 250 циклов в минуту, а амплитуду от 6 до 25 мм.

6 Материальный расчет Целью материального расчета является определение массовых расходов потоков фаз и их составов.

Материальный баланс процесса экстракции соответствует общему для массообменных процессов уравнению:

G массовый расход экстрагента, кг/с;

где ye, y s содержание распределяемого компонента в экстракте и экстрагенте соответственно, кг/кг экстрагента;

L массовый расход растворителя исходной смеси, кг/с;

x f, xr содержание распределяемого компонента в исходном растворе и рафинате, кг/кг растворителя исходной смеси.

Отсюда расход экстрагента Зависимость между составами экстракта и рафината в процессе противоточной экстракции на «у-х» диаграмме, как показано на рисунке 9, выражается рабочей линией АВ, уравнение которой выглядит следующим образом:

Прямая ВС соответствует рабочей линии процесса при минимальном расходе экстрагента.

Кривая 0С является кривой равновесия.

Рисунок 9 «у-х» диаграмма процесса экстракции Эти уравнения и «у-х» диаграмма применимы в том случае, когда взаимной растворимостью растворителя исходной смеси и экстрагента можно пренебречь.

В случае частичной взаимной растворимости растворителя исходной смеси L и экстрагента G их массовые расходы будут изменяться по высоте аппарата, отношение L G также будет переменной величиной, а рабочая линия на «у-х» диаграмме не будет прямой.

В этом случае материальный расчет проводят по треугольной диаграмме, которая приведена на рисунке 10, вершины треугольника соответствуют чистым веществам: L растворителю исходной смеси; М распределяемому компоненту; G экстрагенту; стороны LM, MG, GL двухкомпонентным смесям, а точки внутри треугольника трехкомпонентным системам (например, точка N характеризует следующий состав смеси: xL xM xG. На треугольную диаграмму наносят хорды равновесия конноды: R 1 E 1, R 2 E 2, R 3 E 3, RR4 E 4, характеризующие равновесные составы рафината R i и экстракта E i поR сле их расслаивания, а также кривую равновесия бинодальную кривую, внутри которой заключена область смесей, расслаивающихся на две фазы; за пределами бинодальной кривой существует область нерасслаивающихся (гомогенных) растворов, как показано на рисунке 11.

L растворитель исходной смеси; G экстрагент;

Уравнение материального баланса по потокам запишется в виде:

где F, S, R, E массовые расходы фаз исходной смеси, экстрагента, рафината и экстракта соответственно, кг/с, или где N тройная смесь, образующаяся при смешении исходной смеси F и экстрагента S, которая затем расслаивается на конечные потоки:

рафинат R и экстракт Е, как показано на рисунке 12.

Уравнение материального баланса по распределяемому компоненту запишется в виде:

RRR1 R 2 R 3 R 4 KE 4 E 3 E 2 E 1 E бинодальная кривая (кривая равновесия);

R 1 E 1, R 2 E 2, RR3 E 3, R 4 E 4 конноды (хорды равновесия); К – критическая точка Пользуясь правилом рычага, по треугольной диаграмме можно найти все потоки и их состав по уравнениям:

При противоточном многоступенчатом процессе экстракции максимально возможная концентрация конечного экстракта не зависит от конечного состава рафината. Она определяется положением точки Е, при котором рабочая линия FE сольется с ближайшей коннодой RE, как показано на рисунке 13. В этом случае расход экстрагента будет минимальным. При заданном составе рафината минимальный расход экстрагента равен При минимальном расходе экстрагента требуется бесконечно большое число ступеней контакта. Фактический рабочий расход экстрагента обычно равен Рисунок 13 Определение минимального расхода экстрагента Определение рабочего расхода экстрагента можно провести графическим методом построения зависимости числа теоретических ступеней изменения концентраций от расхода экстрагента, как показано на рисунке 14, с последующим построением касательной, проведенной под углом 45° к кривой Рисунок 14 Определение рабочего расхода экстрагента Точка касания А соответствует рабочему расходу экстрагента S 1.

7 Конструктивный расчет 7.1 Расчет диаметра реакционной зоны Целью конструктивного расчета является определение основных размеров колонных экстракторов: диаметра и высоты реакционной зоны колонного аппарата, диаметра и высоты отстойных зон.

Диаметр реакционной зоны определяется по уравнению расхода:

где V производительность экстрактора по сплошной фазе, м3/с;

F площадь поперечного сечения реакционной зоны, м2;

w рабочая скорость движения сплошной фазы, м/с.

где d диаметр реакционной зоны, м.

Производительность экстрактора по сплошной фазе определяется из материального расчета.

Рабочая скорость движения сплошной фазы обычно равна 0,6–0,8 от скорости, соответствующей захлебыванию колонны Для пульсационных экстракторов со стабилизацией потоков фаз рабочая скорость движения по дисперсной фазе определяется из скорости расслаивания фаз w p, равной hэ высота слоя капель на границе раздела фаз, принимаемая равной где d к – диаметр капли 1–2 мм, а диаметр реакционной зоны – из уравнения расхода по формуле где Vд производительность по дисперсной фазе, м3/с.

7.2 Определение предельной скорости захлебывания Для насадочных колонн предельную скорость захлебывания по сплошной фазе можно рассчитать по уравнению [2]:

где д, с плотность дисперсной и сплошной фаз, кг/м3;

объемные скорости дисперсной и сплошной фаз, м3/(м2с);

Более точным для жидкостей вязкостью менее 610-3 Пас является уравнение Делла и Пратта [5]:

где коэффициент С зависит от размера колец Рашига, данные представлены в таблице 7, а также уравнение В.В. Кафарова [5]:

где с д, с в, д в поверхностное межфазное натяжение на границе сплошной и дисперсной фаз, сплошной фазы и воздуха, дисперсной фазы и воздуха соответственно, Н/м;

Таблица 7 Зависимость коэффициента С от диаметра колец Рашига Кроме того, для расчета предельной скорости применимо уравнение, полученное A.M. Розеном и В.А. Васильевым для наименее благоприятного случая адсорбции поверхностно-активных веществ на поверхности насадки [5]:

Это уравнение обеспечивает некоторый запас (15-20%) действительной скорости.

Для пульсационных колонных экстракторов с насадкой из колец Рашига предельная скорость захлебывания снижается в зависимости от интенсивности пульсаций и может быть определена по формуле [5]:

где wс n, wc предельная скорость в насадочной колонне с пульсацией и с коэффициент, характеризующий свойства жидкостей, J эф эффективная интенсивность пульсаций, Для пульсационных колонных экстракторов с пакетной насадкой КРиМЗ предельную суммарную нагрузку колонны, соответствующую точке захлебывания wзахл, следует рассчитывать в зависимости от характеристической скорости капель w0 и объемного соотношения фаз п [11]:

w0 характеристическая скорость капель, м/с, где d к диаметр капель, принимается равным (1–2)10-3 м при оптимальной интенсивности пульсаций J = 600-1200 мм/мин или Vд, Vc объемный расход дисперсной и сплошной фаз, м3/с.

7.3 Расчет высоты реакционной зоны Высота реакционной зоны определяется либо через числа единиц переноса по формуле:

где Н высота реакционной зоны, м;

n число единиц переноса;

h высота единицы переноса, м, либо через число теоретических тарелок по формуле:

nm число теоретических тарелок или число теоретических ступеней где ВЭТС высота, эквивалентная теоретической ступени изменения концентрации.

7.4 Определение числа единиц переноса Число единиц переноса можно рассчитать по формуле:

где yср средняя движущая сила процесса экстракции, определяемая по yв движущая сила процесса вверху экстрактора, yн движущая сила процесса внизу экстрактора, Если 0,5 2, то средняя движущая сила переноса рассчитывается по формуле:

Кроме того, число единиц переноса можно определить графическим методом, используя «у-х» диаграмму, показанную на рисунке 15. С этой целью между линией равновесия 0С и рабочей линией процесса АВ проводят вспомогательную линию, делющую отрезки ординат между рабочей линией и линией равновесия пополам. Затем, начиная из точки А, строят ступени таким образом, чтобы для каждой ступени ab = bc. Каждая полученная ступень представляет собой единицу переноса, поскольку на ней, согласно построению, изменение рабочей концентрации равно средней движущей силе. Число единиц переноса для неполной ступени определяется отношением, то есть отношением изменения рабочей концентрации на этой ступени к ее средней движущей силе.

Для определения числа единиц переноса методом графического интегf ( y ), показанный на рисунке 16,из которорирования строят график го по площади фигуры, ограниченной кривой ye и осью абцисс у, находят число единиц переноса.

Рисунок 15 – Определение числа единиц переноса по «y-x» диаграмме 7.5 Определение высоты единицы переноса Для насадочных экстракционных колонн высоту единицы переноса можно рассчитать по формуле:

d экв эквивалентный диаметр насадки, м, А, В коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя, приведены в таблице 8;

V A, VB мольные объемы растворенного вещества и растворителя, определяемые как сумма атомных объемов элементов, приведены в таблице 9, см3/моль;

М A, М B молекулярные массы растворенного вещества и растворителя.

Таблица 8 Значения коэффициентов А и В для некоторых веществ Таблица 9 Атомные объемы элементов Примечание – Структурные постоянные, прибавляемые к сумме атомных объемов при нахождении полных объемов: бензольное кольцо – 15,0;

Для насадочных пульсационных экстракционных колонн высоту единицы переноса в зависимости от интенсивности пульсации рассчитывают по формуле [5]:

где h высота единицы переноса насадочной колонны без пульсации, м.

7.6 Определение числа теоретических ступеней изменения концентраций Число теоретических ступеней изменения концентраций определяется графическим путем по «у-х» диаграмме, показанной на рисунке 17, как число ступеней между рабочей линией АВ и кривой равновесия 0С.

Рисунок 17 Определение числа теоретических ступеней изменения концентраций при противоточной экстракции на «у-х» диаграмме При расчете процесса противоточной экстракции с помощью треугольной диаграммы, показанный на рисунке 18, на диаграмму наносят точки F, E, R, S, соответствующие составу исходной смеси, экстракта, рафината и экстрагента соответственно, затем соединяют прямыми точки F и E, R и S до их пересечения в точке Р, называемой полюсом экстрагирования.

Из точки Е по хорде равновесия определяют состав рафината RR1, находящегося в равновесии с экстрактом Е, точку R 1 соединяют прямой сR полюсом экстрагирования и на ее пересечении с кривой равновесия получают состав экстракта второй ступени Е 2, по которому по хорде равновесия определяют равновесный состав рафината RR2 и т.д. Число хорд равновесия E i R i, вмещающихся при построении на треугольной диаграмме до достижения заданного состава рафината R, и есть число теоретических ступеней изменения концентрации п m (Е 1 RR1, Е 2 R 2, Е 3 R 3 ).

Рисунок 18 Определение числа теоретических ступеней изменения концентраций при противоточной экстракции по треугольной диаграмме 7.7 Определение высоты, эквивалентной теоретической ступени Для насадочных колонных экстракторов расчет высоты, эквивалентной одной ступени изменения концентрации, в режиме эмульгирования можно проводить по формуле, предложенной В.В. Кафаровым и Ю.И.

Дытнерским [3]:

где относительно свободное сечение или свободный объем насадки, а удельная поверхность насадки, м2/м3;

w скорость движения экстрагента, м/с.

Для насадочных пульсационных экстракторов высоту, эквивалентную теоретической ступени, можно рассчитать по высоте, эквивалентной теоретической ступени без пульсации, с учетом эффективной интенсивности пульсации:

Для пульсационных колонных экстракторов с пакетной насадкой КРиМЗ высота, эквивалентная теоретической ступени, рассчитывается по формуле [10]:

где wд скорость дисперсной фазы, м/с;

время пребывания капли дисперсной фазы на ступени, с;

задержка дисперсной фазы, определяемая по формуле:

Физико-химические характеристики систем для расчета задержки дисперсной фазы приведены в приложении А.

Оптимальное значение задержки дисперсной фазы, отвечающее интенсивной массопередаче, составляет при диаметре капель от 0,8 мм до 1,2 мм составляет 0,20 – 0,25.

Величину ВЭТС желательно выбирать из опубликованных экспериментальных данных для аналогичных систем в приложении Б, поскольку данные по массопередаче в колонных экстракторах не обобщены.

При экстракции урана из азотнокислых растворов, содержащих 30 – 35 г/л урана, 20 – 25 %-ным раствором ТБФ в керосине в пульсационных колоннах диаметром до 600 мм, при нагрузках от 20 м3/(м2ч) до 40 м3/(м2ч), частоте пульсации 40 – 200 мин-1, интенсивности пульсации 1000 – 1500 мм/мин получены значения ВЭТС в пределах от 0,3 м до 0,8 м.

Увеличение концентрации урана в исходном растворе до 200 – 300 г/л, применение в качестве экстрагента 100 % -ного ТБФ в процессах экстракции редкоземельных металлов повышают значение ВЭТС от 1 м до 2 м и более.

7.8 Расчет диаметра верхней отстойной зоны Диаметр верхней отстойной зоны колонных экстракторов определяется из уравнения расхода по скорости коалесценции капель на границе раздела фаз по формуле:

где Vд производительность по дисперсной фазе, м3/с;

w p скорость коалесценции на границе фаз (скорость расслаивания), м/с, определяемая из соотношения:

hэ высота слоя капель на границе раздела фаз, принимаемая равной 100–500 мм;

d к.о – диаметр минимальных капель, удерживаемых в отстойнике, 7.9 Расчет высоты верхней отстойной зоны Высота верхней отстойной зоны складывается из высот расширителя, заполненного сплошной фазой hc, слоя капель на границе раздела фаз hэ, слоя отстоявшейся органической фазы ho и воздушника hв :

Рекомендуется принимать:

hc = 200 – 500 мм; hв = 100 – 200 мм;

hэ = 100 – 500 мм;

hо = 500 – 1000 мм;

7.10 Расчет размеров нижней отстойной зоны Геометрические размеры нижней отстойной зоны рассчитывают из условия обеспечения пребывания в ней сплошной фазы в течение 10–15 мин, но для удобства изготовления ее размеры принимаются такими же, как и для верхней отстойной зоны.

При проектировании необходимо обеспечить площадь кольцевого пространства между распределителем дисперсной фазы и корпусом нижней отстойной зоны не менее 0,8–0,9 площади сечения колонны.

Высота распределителя составляет обычно 1,3–1,5 от диаметра пульсационного колена или 0,60–0,65 диаметра колонны.

Диаметр пульсационной камеры и пульсационного колена можно принять от 0,3 до 1,0 диаметра колонны или рассчитать по формуле:

где F площадь сечения пульсационной камеры, м2;

V суммарная нагрузка на пульсационную камеру, м3/ч;

H создаваемый напор при пульсации, м;

суммарное сопротивление пульсационному потоку в камере, время подачи импульса от соотношения времени входа и времени выхода сжатого воздуха в пульсаторе, = (1 5 1 6) с.

8 Расчет экстрактора на ЭВМ Программа предназначена для расчета насадочного пульсационного экстрактора. Расчет позволяет определить диаметр реакционной зоны колонны и высоту насадки эквивалентной теоретической ступени (ВЭТС).

Программа расчета расположена на сервере ИВЦ СГТИ по адресу:

M:\dosapp\UPPROG\MAХP\PAXT\RNPA\Lab_11.

Программу с именем Lab_rnpa.exe скопировать на диск D и запустить на выполнение, дальнейшую работу выполнять в режиме диалога.

Задания на расчет экстрактора приведены в приложении В.

Исходные данные для расчета и контрольный пример приведены в приложении Г.

Результаты расчета находятся в файле lab_rnpa.txt.

1 Пищулин В.П. Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии : руководство для студентов / В. П. Пищулин.– Северск : СТИ ТПУ, 1997.– 72 с.

2 Плановский А.Н. Процессы и аппараты химической технологии/ А.Н. Плановский, В.М. Рамм, С.З. Каган.- М.: Химия, 1968.- 848 с.

3 Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии : учебник для вузов / А. Г. Касаткин.— 13-е изд., стереотип. — М. :

Альянс, 2006.— 752 с.

4 Экстракция нейтральными органическими соединениями: справочник по экстракции; под ред. A.M. Розена. – В 3-х т Т.1. Николотова З.И., Карташева Н.А..- М.: Атомиздат, 1976.- 600 с.

5 Основы жидкостной экстракции/ Ягодин Г.А., Каган С.З., Тарасов В.В. и др.; Под ред. Г.А. Ягодина.- М.: Химия, 1981.- 400 с.

6 Громов Б.В. Химическая технология облученного ядерного топлива/ Б.В. Громов, В.И Савельева, В.Б.Шевченко.- М.: Энергоатомиздат, 1983.- 352 с.

7 Берестовой A.M. Жидкостные экстракторы/ А.М. Берестовой, И.Н. Белоглазов. - Л.: Химия, 1982.-208 с.

8 Громов Б.В. Введение в химическую технологию урана/ Б.В. Громов.- М.: Атомиздат, 1978.-336 с.

9 Судариков Б.Н. Процессы и аппараты урановых производств/ Б.Н.

Судариков, Э.Г. Раков.- М.: Машиностроение, 1968.- 381 с.

10 Разработка и применение пульсационной аппаратуры. Труды Второго всесоюзного семинара по пульсационной технике; под ред. С.М.

Карпачевой.- М.: Атомиздат, 1974.- 256 с.

11 Карпачева С.М. Основы теории и расчета пульсационных колонных реакторов/ С.М. Карпачева, Е.И. Захаров.- М.: Атомиздат, 1980.- 256 с.

12 Тураев Н.С. Химия и технология урана / Н. С. Тураев, И. И. Жерин ; Федеральное агентство по образованию; Томский политехнический университет; под ред. А. М. Чекмарева.— М. : Руда и металлы, 2006.— 396, [2] с.

Физико-химические характеристики систем Таблица А.1 – Физико-химические характеристики систем 25%-ный ТБФ в ПУВ + 1,3 М раствор азотнокислого натрия и азотной кислоты в воде 100%-ный ТБФ + 8 М раствор азотной кислоты и редкоземельных элементов (РЗЭ) в воде 100%-ный ТБФ + 8 н раствор азотной кислоты в воде 100%-ный ТБФ + 5 н раствор нитрата алюминия и азотной кислоты в воде 100%-ный ТБФ + 2,5 н раствор нитрата алюминия и азотной кислоты в воде 100%-ный ТБФ + 300 г/л нитрата аммония в воде 11,40 1,190 1,000 1,070 6, 100%-ный ТБФ + раствор нитрата аммония, РЗЭ и азотной кислоты в воде 100%-ный ТБФ + 1,5 М раствор азотной кислоты в воде 10%-ный триалкиламин + 7,5% спиртов (С 7 -С 9 ) в ПУВ + раствор серной и азотной кислот в воде Карбоновые кислоты + раствор азотнокислого никеля и азотной кислоты в воде 18,4%-ный ТБФ в ПУВ + раствор азотнокислого алюминия и азотной кислоты в воде 20%-ный ТБФ в керосине + (0,3...0,5) М раствор азотной кислоты в воде Керосин + раствор азотной кислоты в воде 24,10 1,010 0,740 1,020 1, 10%-ный раствор ди2ЭГФК и ТБФ в ПУВ + раствор азотнокислого натрия и азотной кислоты в 13,20 1,070 0,810 1,030 2, воде Циклогексан + адипиновая кислота + вода 8,60 0,780 0,980 1,250 0, 10%-ный раствор ди2ЭГФК в ПУВ + раствор азотнокислого и сернокислого аммония (до 10,20 1,040 0,780 1,030 2, 250 г/л) и кислот в воде Окончание таблицы А. Циклогесан-75% (по массе) глицерина + вода 32,00 1,064 0,779 2,020 0, Циклогесан-63,3% (по массе) глицерина + вода 32,70 1,084 0,779 2,900 0, 25%-ный ТБФ в керосине + 5%-ный раствор Na 2 CO 3 в воде Примечания:

1 ТБФ – трибутилфосфат; ПУВ – фракция предельных углеводородов, кипящих при 170...240оС; ди2ЭГФК – ди-2-этилгексилфосфорная кислота;

2 Пересчет в СИ: 1 дн/см = 10-3 Н/м.

Характеристики эффективности работы пульсационных колонн с насадкой КриМЗ Таблица Б.1 – Характеристики эффективности работы пульсационных колонн с насадкой КриМЗ Экстракция молибдена и рения 8,5%-ным раствомм;

ром ди-2-этилгексилфосфорной кислоты в керосиd = 30о;

не и 7,8%-ным раствором триоктиламина + 14%h m = 50 мм ным раствором ТБФ в керосине 20%-ный раствор ТБФ в керосине – (30...35) г/л урана + 0,5 М раствор азотной кислоты Экстракция урана из раствора серной, азотной ки- 7,515 мм;

25%-ный раствор ТБФ в керосине – (30...35) г/л 25%-ный раствор ТБФ в керосине – (200...300) г/л 3,57...4080 мм; 100 1000-1500 35-40 0,80-1, урана + 2 М раствор азотной кислоты Реэкстракция урана (25%-ный раствор ТБФ в керо- h m = 50-200 мм;

Экстракция вольфрама 10%-ным раствором триоктиламина в керосине + октиловый спирт h m = 50 мм; F = 43,5% Таблица В.1 – Исходные данные для расчета экстракции 1 Разделяемая смесь:

уксусная кислота – вода 3 Концентрация исходной смеси по распр. компоненту, % 4 Концентрация рафината по распр.

компоненту, % 5 Концентрация экстракта по распр.

компоненту, % 6 Производительность по распр. компоненту, кг/с Таблица В.2 – Исходные данные для расчета экстракции уранилнитрата раствором ТБФ в керосине 2 Исходный раствор 2.1 Концентрация исходного раствора по урану, г/л 2.3 Динамический коэффициент вязкости раствора, с, Пас 2.4 Поверхностное натяжение, Н/м 2.6 Содержание примесей в пересчете на Fe(NO 3 ) 3, М 3.2 Динамический коэффициент вязкости раствора, д, Пас 4 Концентрация урана в экстракте, у е, 5 Концентрация урана в рафинате, г/л Окончание таблицы В. 2 Исходный раствор 2.1 Концентрация исходного раствора по урану, г/л 2.3 Динамический коэффициент вязкости раствора, с, Пас 2.4 Поверхностное натяжение, Н/м 2.5 Содержание HNO 3, М 2.6 Содержание примесей в пересчете на Fe(NO 3 ) 3, М 3.2 Динамический коэффициент вязкости раствора, д, Пас 4 Концентрация урана в экстракте, у е, 5 Концентрация урана в рафинате, г/л Примечание.

[ ]1 дина/см = 10-3 Н/м Контрольный пример расчета экстрактора

СТИ НИЯУ МИФИ, КАФЕДРА МАХП

ПРОГРАММА ПО КУРСУ

"Процессы и аппараты химических производств"

РАСЧЕТ НАСАДОЧНОЙ ПУЛЬСАЦИОННОЙ

ЭКСТРАКЦИОННОЙ КОЛОННЫ

Язык программирования "TurboPascal 5.5"

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Производительность по исходному раствору, кг/с G1= 4. Концентрация компонента в экстрагенте Концентрация компонента в экстракте, мас.доли Y2= 0. Концентрация компонента в исходном растворе, мас.доли X1= 0. Удельная поверхность насадки, кв.м/м в кубе F1= 87. Поверхностное натяжение сплошной фазы, Н/м Q1= 0. Поверхностное натяжение дисперсной фазы, Н/м Q2= 0. Постоянная "B" при определении коэффициента диффузии, B= 1. Постоянная "A1" при определении коэффициента диффузии, A1= 1. Мольная масса растворенного компонента, M3= 360. Мольный об"ем растворенного компонента U1= 340.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА

пульсаций, 1/с реакционной зоны, при пульсации, м

РАСЧЕТ НАСАДОЧНЫХ

КОЛОННЫХ ЭКСТРАКТОРОВ

Научный редактор Технический редактор Подписано к печати _Формат бумаги 60 84/32.

Гарнитура Times New Roman. Бумага писчая № 2.

Плоская печать. Усл. печ. л. 1,39. Уч.-изд. л. 2,52.