Эксплуатация колонного оборудования.

4.1. Классификация массообменных процессов, их определения.

К массообменным процессам относят процессы, в которых происходит перенос вещества (или веществ) из одной фазы в другую в направлении установления равновесия.

Перемещение вещества внутри фазы, а также через границу раздела фаз осуществляется путем диффузии (молекулярной и конвективной), поэтому эти процессы также называют диффузионными. Таким образом, скорость массообменных процессов определяется законами диффузии, а направление – законом равновесного распределения.

По этому признаку следует различать такие системы: жидкость – газ, жидкость – пар, жидкость – жидкость, твердое тело –газ (пар) и твердое тело – жидкость.

Основными и важнейшими из массообменных процессов являются абсорбция, ректификация, экстракция, кристаллизация, адсорбция, сушка, ионнообменные процессы и мембранное разделение.

Абсорбция - процесс разделения газовой или парогазовой смеси методом избирательного растворения ее компонентов в жидкости.

Адсорбция - процесс разделения газовой или парогазовой смеси или жидкого раствора методом избирательного поглощения твердым веществом. К этим процессам, называемым сорбционными, относится и десорбция, т.е. удаление поглощенных веществ из поглотителя.

Перегонка и ректификация - процессы разделения жидких смесей, основанные на различии в летучестях ее компонентов.

Экстракция - процесс разделения жидких смесей, основанный на различной растворимости компонентов жидкости в растворителе, который практически не смешивается с раствором или смешивается частично.

Сушка - процесс удаления влаги из твердых пористых материалов, основанный на переходе ее в паровую или парогазовую фазу.

Ионный обмен - избирательное извлечение ионов из растворов электролитов твердыми поглотителями.

Кристаллизация - процесс разделения раствора на растворитель и растворенное вещество за счет выделения растворенного вещества из его пересыщенного раствора или расплава.

Растворение - процесс перехода из твердой фазы в жидкую. Извлечение на основе избирательной растворимости какого-либо вещества (или веществ) из твердого пористого материала называют экстракцией из твердого материала, или выщелачиванием.

Мембранные процессы - избирательное извлечение компонентов смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки - мембраны.

Классификация колонн.

Колонные аппараты можно классифицировать в зависимости от технологического назначения, способа осуществления контакта между газом (паром) и жидкостью, состояния межфазной поверхности.

По технологическому назначению аппараты подразделяются на колонны атмосферно-вакуумных установок, термического и каталитического крекингов, вторичной перегонки нефтепродуктов, для ректификации газов, для моноэтаноламиновой очистки газов и пр.

По способу осуществления контакта между паром (газом) и жидкостью все аппараты можно подразделить на аппараты с непрерывной подачей обеих фаз, пульсационной и цикличной подачей. Цикличная подача состоит в том, что газ и жидкость подаются в аппарат попеременно.

По состоянию межфазной поверхности. В соответствии с этим колонные аппараты классифицируются на группы: 1) аппараты с фиксированной поверхностью фазового контакта; 2) аппараты с поверхностью контакта, образуемой в процессе движения потоков; 3) аппараты с внешним подводом энергии.

Наиболее типичные широко применяемые в промышленности аппараты распределяются по группам, указанным в таблице 1.

Таблица 1: Классификация колонных аппаратов по состоянию межфазной поверхности

Колонны с фиксированной поверхностью фазового контакта	Колонны с поверхностью контакта, образуемой в процессе движения потоков	Колонны с внешним подводом энергии
1. Поверхностные аппараты	1. Распылительные колонны	1. Колонны с механическими мешелками
2. Пленочные колонны	2. Инжекторные (струйные) колонны	2. Центробежные колонны
	3. Насадочные колонны	3. Пульсационные колонны
	4. Тарельчатые колонны

Кристаллизатор, экстрактор.

Кристаллизаторы.

Применяемые в промышленности кристаллизаторы можно разделить на три группы: изогидрические, вакуумные и выпарные. Выбор той или иной конструкции зависит от многих факторов: общей технологической схемы производства, физико-химических свойств раствора, производительности и т.п.

Изогидрические кристаллизаторы применяются при проведении процесса кристаллизации солей, растворимость которых значительно уменьшается с понижением температуры. Раствор в таких кристаллизаторах охлаждается при постоянном количестве растворителя до температуры ниже температуры насыщения. В результате охлаждения раствор становится пересыщенным, что приводит к возникновению кристаллизации.

Изогидрические кристаллизаторы периодического действия применяют главным образом в малотоннажных производствах. Конструкция такого кристаллизатора приведена на рис.8.

Рис.8. Изогидрический кристаллизатор периодического действия: 1 – корпус; 2 – мешалка; 3 – охлаждающая рубашка; 4 – разгрузочное устройство; 5 – подвод охлаждающей воды

Кристаллизатор представляет собой цилиндрический аппарат с охлаждающей рубашкой. Горячий насыщенный раствор заливается в аппарат 1 с непрерывно работающей мешалкой 2. После заполнения кристаллизатора в рубашку 3 подается охлаждающая вода. Образовавшаяся суспензия кристаллов сливается через разгрузочное устройство и направляется на фильтр или центрифугу для отделения кристаллов от маточного раствора.

Изогидрический барабанный погружной кристаллизатор (рис.9) имеет корпус 1 с корытообразным днищем, в котором помещен барабан 2 с двойными стенками, между которыми протекает охлаждающая вода. Барабан, полностью погруженный в раствор, вращается на пустотелых цапфах, через которые подается и отводится охлаждающая вода. Горячий раствор непрерывно вводится в аппарат через штуцер 3, а маточный раствор с кристаллами отводится через штуцер 4. Зоны ввода и вывода раствора разделены перегородкой 5. В нижней части аппарата расположена лопастная мешалка 6, при работе которой предотвращается выпадение кристаллов на дно аппарата.

Рис.9. Изогидрический барабанный погружной кристаллизатор непрерывного действия: 1 – корпус; 2 – барабан; 3 – штуцер для ввода раствора; 4 – штуцер для вывода суспензии кристаллов; 5 – перегородка; 6 – лопастная мешалка; I – раствор; II – cуспензия; III – охлаждающая вода

Изогидрический кристаллизатор с псевдоожиженным слоем кристаллов изображен на рис.10. В кристаллизаторах этого типа возможно регулирование размеров получаемых кристаллов. Кристаллизатор состоит из корпуса 1, циркуляционного насоса 2, теплообменника 3 и отстойника для мелких кристаллов 4. Горячий раствор поступает через штуцер 5 во всасывающую циркуляционную трубу 6 и смешивается с циркулирующим по замкнутому контуру маточным раствором. Протекая через холодильник 3, раствор охлаждается и становится пересыщенным. Пересыщенный раствор по трубе 7 поступает в нижнюю часть корпуса кристаллизатора и поднимается вверх, поддерживая растущие кристаллы во взвешенном состоянии. По мере движения раствора через псевдоожиженный слой кристаллов его пересыщение снижается. Готовый кристаллический продукт выводится из нижней части аппарата через штуцер 8.

Рис.10. Изогидрический кристаллизатор с псевдоожиженным слоем кристаллов: 1 – корпус; 2 – насос; 3 – теплообменник; 4 – отстойник; 5 – штуцер для ввода раствора; 6 – циркуляционная труба; 7 – центральная труба; 8 – штуцер для вывода суспензии кристаллов; I – раствор; II – cуспензия; III – маточный раствор

Вакуумные кристаллизаторы представляют собой аппараты, в которых раствор охлаждается вследствие адиабатического испарения части растворителя. На испарение расходуется тепло от раствора, который при этом охлаждается до температуры, соответствующей его температуре кипения при данном остаточном давлении.

Выпарные кристаллизаторы применяют для кристаллизации солей, растворимость которых мало меняется с изменением температуры. При этом процесс осуществляется путем удаления части растворителя при выпаривании раствора. Конструкции выпарных кристаллизаторов аналогичны конструкциям выпарных аппаратов. Вакуум-выпарной кристаллизатор с псевдоожиженным слоем кристаллов приведен на рис.11. Тепло, необходимое для испарения растворителя, подводится к раствору через греющую камеру 12.

Рис.11. Вакуум-выпарной кристаллизатор с псевдоожиженным слоем кристаллов: 1 – корпус; 2, 5, 9 – циркуляционные трубы; 3 – сепаратор; 4 – штуцер для вывода пара; 6 – отстойник; 7 – насос; 8 – штуцер для ввода раствора; 10 – сосуд для сбора маточного раствора; 11 – штуцер для вывода суспензии кристаллов; 12 – греющая камера; I – раствор; II – маточный раствор; III – cуспензия; IV – соковый пар; V – пар; VI – конденсат

Экстрактор.

Экстракцией в широком смысле называются процессы разделения, основанные на извлечении одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). При взаимодействии с экстрагентом в нем хорошо растворяются только извлекаемые компоненты.

Процессы жидкостной экстракции – разделения жидких растворов специально подобранными растворителями проводятся как в тарельчатых и насадочных колоннах, так и в аппаратах специфических конструкций с устройствами для перемешивания двух жидкостей.

Колонные экстракторы подразделяют на распылительные (полые), насадочные, тарельчатые, пульсационные и роторно-дисковые.

Распылительные (полые) экстракторы представляют собой пустотелые колонны, заполненные одной из взаимодействующих жидкостей. На рис.12 представлен экстрактор 1, заполненный тяжелой жидкостью L. Более легкая жидкость G распыляется в нее с помощью диспергирующего устройства 2, установленного в нижней части аппарата. Если в качестве сплошной фазы используется легкая жидкость, тяжелая жидкость распыливается в нее сверху.

Рис.12 Схема колонного распылительного (полого) экстрактора: 1– экстрактор, 2 – диспергирующее устройство.

На некотором уровне капли дисперсной фазы сливаются и образуют слой, отделенный от сплошной фазы поверхностью раздела. Над ней установлен патрубок для отвода экстракта. Из нижней части колонны постоянно отводится сплошная фаза в качестве рафината.

Распылительные колонны обладают высокой производительностью, но малоэффективны, что объясняется укрупнением капель дисперсной фазы и обратным перемешиванием вследствие возникновения местных циркуляционных токов, нарушающих противоток фаз.

Насадочные экстракторы представляют собой распылительные экстракторы, заполненные насадочными телами, что способствует многократному дроблению и слиянию капель дисперсной фазы, а также сводит к минимуму обратное перемешивание.

По конструкции и простоте устройства насадочные экстракторы близки к распылительным, но производительность их несколько ниже, так как некоторая часть сечения колонны занята насадкой. Эффективность разделения в этих аппаратах также невысокая.

Колонные экстракторы с тарелками (перегородками) применяют для уменьшения явления обратного перемешивания, а также организации благоприятных гидродинамических режимов проведения процессов экстракции.

В качестве перегородок могут использоваться чередующиеся друг с другом плоские диски (тарелки) и кольца. Контакт между фазами осуществляется при обтекании перегородок дисперсной фазой в виде тонкой пленки (при коалесценции капель) и при движении капель дисперсной фазы в пространстве между перегородками.

В промышленности часто применяются колонные экстракторы с ситчатыми тарелками (рис.13). В этом случае экстрактор 1 заполняется сплошной средой, которая перетекает из одного межтарельчатого пространства в другое через переливные патрубки 2.

Рис.13 Схема колонного экстрактора с ситчатыми тарелками: 1– экстрактор, 2 – переливной патрубок, 3 – тарелка.

Противотоком ей вводится дисперсная фаза, которая, накапливаясь в виде подпорного слоя под каждой тарелкой 3, диспергируется через отверстия тарелок в сплошную среду. Капли под действием подъемной силы движутся в среде и сливаются вновь в подпорном слое следующей тарелки.

В результате многократного диспергирования и слияния капель дисперсной фазы в противоточном слое сплошной среды осуществляется ступенчатая противоточная экстракция. С последней тарелки капли дисперсной фазы поступают в разделительную камеру или в специальный отстойник, откуда и выводятся из аппарата.

В колонных экстракторах дисперсной фазой может быть как легкая (рис.13), так и тяжелая жидкости. В последнем случае переливные патрубки направлены вверх, подпорные слои накапливаются над тарелками, а разделительная камера находится под последней тарелкой в нижней части аппарата.

Колонные экстракторы с механическим перемешиванием фаз применяют при малой разности плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды и значительном межфазовом поверхностном натяжении, затрудняющем дробление из-за естественного течения жидкости. Высокая степень диспергирования в этом случае достигается путем введения в двухфазный поток механической энергии с помощью мешалок различных конструкций.

Одним из распространенных аппаратов такого типа является роторно-дисковый экстрактор (рис.14).

По оси колонны вращается ротор-вал 1, на который насажены плоские диски 2, перемешивающие двухфазный поток. Колонна делится на секции кольцевыми перегородками 3, укрепленными на стенках корпуса 4. Диски ротора вращаются в середине каждой секции. Движущиеся противотоком фазы L и G смешиваются дисками 2 и затем частично расслаиваются около неподвижных кольцевых перегородок.

Если в экстракторе сплошной фазой является тяжелая жидкость L, то для окончательного расслоения легкой дисперсной фазы G и сплошной L служит верхняя часть б аппарата, отделенная от рабочей зоны перфорированной перегородкой 5.

Рис.14. Схема колонного экстрактора с механическим перемешиванием (роторно-дисковый экстрактор): 1–ротор вал; 2–диск; 3–перегородка; 4–корпус; 5–перфорированная перегородка; 6–верхняя часть аппарата.

Рис.15. Схема колонного экстрактора с механическим перемешиванием (смесительно-отстойный с мешалками): 1–смесительная секция; 2–отстойная зона; 3–лопастная мешалка.

Разновидностью аппаратов этого же типа является колонный экстрактор (рис.15), в котором вместо плоских дисков установлены на валу лопастные 3 или открытые турбинные мешалки.

Для улучшения расслаивания фаз между смесительными секциями 1 расположены отстойные зоны 2, заполняемые сеткой, насадочными телами или блоками концентрических цилиндров.

Достоинством колонных экстракторов с механическим перемешиванием фаз является сочетание значительной производительности с высокой интенсивностью процесса массопередачи, что 1 позволяет уменьшать их высоту по сравнению с распылительными и насадочными колоннами. В то же время они потребляют значительное количество энергии.

В пульсационных экстракторах ввод дополнительной энергии в двухфазный поток осуществляется путем придания возвратно-поступательного движения (пульсации) жидкостям в рабочей зоне аппарата. Пульсация жидкостей увеличивает турбулизацию потоков и степень дисперсности фаз, повышая тем самым эффективность массопередачи в насадочных экстракторах или экстракторах с ситчатыми тарелками.

Для придания возвратно-поступательного движения жидкостным потокам используют бесклапанный поршневой, плунжерный или мембранный насос, или специальные пневматические устройства.

Режим работы пульсационного экстрактора зависит от интенсивности пульсации, характеризуемой произведением амплитуды (расстояния между крайними положениями уровня жидкости в экстракторе за один цикл) на частоту пульсации (число циклов в единицу времени). При малой интенсивности пульсации попеременно диспергируются легкая жидкость в слой тяжелой жидкости над тарелкой (первый период цикла) и тяжелая жидкость в слой легкой жидкости под тарелкой (второй период цикла). При увеличении интенсивности пульсации рабочая зона равномерно заполнена мелкими каплями, движущимися противотоком в сплошной фазе.

При дальнейшем увеличении интенсивности пульсации наступает захлебывание экстрактора вследствие образования стойкой эмульсии.

В центробежных экстракторах в качестве дополнительной механической энергии, обеспечивающей эффективное диспергирование, повышение относительной скорости движения фаз, а также интенсивного разделения, используется центробежная сила.

Центробежные экстракторы являются интенсивно работающими аппаратами. Значительные скорости движения жидкости обусловливают их высокую производительность и компактность.

Недостатками центробежных экстракторов по сравнению с другими типами аппаратов является их высокая стоимость и значительные затраты на эксплуатацию и ремонт из-за сложности конструкции.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 Следующая ⇒