Ректификация многокомпонентных смесей

В тех случаях, когда компонентных смесей пр

^а >. л*в*с

Рис. 159. Схемы установок

непрерывной; ректификации компонентной смеси

необходимо провести разделение много-и значительных производительностях уста­новок, применяют непрерывно дей­ствующие установки для многоком­понентной ректификации. Схемы не­прерывно действующих установок для разделения трехкомпонентной смеси представлены на рис. 159.

ДЛЯ трех-

Разделение смеси, состоящей из трех компонентов А + В + С, не об­разующих азеотропов, может осу­ществляться одним из следующих вариантов. Первый вариант (рис. 159, а) заключается в том, что ис­ходная смесь, пройдя подогреватель, прступа'ет в первую колонну, в кото­рой наименее летучий компонент С отбирается в виде кубового остатка. Смесь двух других компонентов А + В; пройдя дефлегматор, посту­пает во вторую колонну, где произ­водится разделение.компонентов А п.В. Компонент А, как более лету­чий, отбирается в виде дистиллата, а компонент В отводится в виде ку­бового остатка.

176

По второму варианту (рис. 159, б) исходная смесь А-\-В-\-С также через нагреватель подается в первую колонну, но в дистил-лат отводится только легколетучий компонент А. Кубовый остаток, состоящий из компонентов В + С, поступает во вторую колонну, в которой компонент В получается в виде дистиллата, а компонент С — в виде кубовогог остатка.

Выбор того или иного варианта зависит от соотношения упру­гости паров разделяемых компонентов. Если число компонентов в смеси равно' п, то число колонн, необходимых для разделения, составит п—1. Схемы разделения многокомпонентных смесей ши­роко применяются при нефтепереработке.

Кроме основных рассмотренных случаев перегонки и ректифи­кации для разделения азеотропных смесей, разделения нестойких органических смесей, ректификации сжиженных газовых смесей применит специальные виды перегонки и ректификации — азеот-ропную молекулярную и низкотемпературную:

Вопросы для повторения. 1. Какие смеси разделяются на отдельные компо­ненты с помощью перегонки и ректификации? 2. Как подсчитывают состав сме­сей в мольных долях? 3. Что такое азеотропная точка? 4. Для каких смесей н с какой целью применяют перегонку с водяным паром? 5. Чем отличается пере­гонка с дефлегмацией паров от простой перегонки? 6. В чем заключается прин­цип разделения смесей ректификацией? В чем его отличие от,простой'перегонки? 7. Что такое флегмовое число? 8. Какое влияние оказывает флегмовое число на состав дистиллата и расход греющего пара? 9. Что называется укрепляющей н исчерпывающей частями ректификационной колонны? 10. Из каких элементов складывается тепловой баланс ректификационной колонны? 11. Какими основны­ми величинами характеризуются насадочные тела, применяемые в ректификаци­онных и абсорбционных колоннах? 12. Как осуществляется- разделение много­компонентных смесей методом ректификации?

ГЛАВА16. ЭКСТРАГИРОВАНИЕ

Процессом. экстракции называется извлечение одного или не­скольких компонентов из растворов или твёрдых тел с помощью избирательных растворителей, называемых экстрагентами. В экс-трагенте хорошо растворяются только извлекаемые компоненты и значительно хуже или практически вовсе не растворяются осталь­ные компоненты исходной смеси. В химической технологии в ка­честве экстрагентов применяют воду и различные органические растворители — ч^тыреххлористый углерод, дихлорэтан, керосин и др.

Процесс экстракции проводится,как в системах жидкость — жидкость (в растворах), так и в системах твердое тело — жидкость, которые в'промышленности встречаются реже. Механизм процес­са экстракции из твердых тел и применяемая для этой цели аппа­ратура отличаются от экстракции в системе жидкость — жидкость, и потому эти два процесса рассматриваются раздельно.

Экстракция в системе жидкость — жидкость

Жидкостная экстракция представляет собой процесс с участием двух взаимонерастворимых (или ограниченно растворимых) жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество

177

(или несколько веществ). Этот процесс является одним из массо-обменных процессов, протекающих по за-конам диффузии и рас­пределения вещества между фазами. В основе взаимодействия ле­жит уравнение массопередачи (13.3), согласно которому количест­во передаваемого вещества из фазы в фазу пропорционально ве­личине фазового контакта, движущей силе и коэффициенту массо­передачи. Таким образом, очевидно, что процесс экстракции должен.

Экстракт

Исход

'генерированной экстрагент

Рис. 160. Схема процесса жидкостной экстракции: / — экстракционный аппарат, 2 — ректифи­кационная установка для экстракта, 3 — ректификационная установка для рафината

проводиться в условиях, .обеспе­чивающих быстрое взаимопро­никновение двух реагирующих жидкостей. Такие условия созда­ют путем увеличения поверхно­сти контакта между жидкостями при большой разнице концентра­ций экстрагируемого вещества в них, что создает необходимую движущую силу. По окончании процесса экстракции необходимо разделить фазы и, если требует­ся, получить извлеченный компо­нент в чистом виде.

Экстрагент, в котором после проведения процесса повысилась концентрация извлекаемого ве­щества, называется экстрактом. Растворитель, из .которого более-или менее полно удалено растворенное вещество, носит название рафината. Полученные жидкие фазы,— экстракт и рафинат—■ обычно разделяют отстаиванием, после чего Из экстракта выделяют растворенное вещество ректификацией, выпариванием или други­ми методами. Основное достоинство процесса экстракции по срав­нению с другими методами разделения жидких смесей — возмож­ность проведения его при низкой (комнатной) температуре. При этом.отпадает необходимость в затратах теплоты на испарение ра­створа. Кроме того, подбирая высокоизбирательный экстрагент с извлечением экстрагента, растворенного в рафинате, оказывается возможным достичь более полного разделения исходной смеси.

Жидкостную экстракцию, особенно при осуществлении процес­са в большом промышленном масштабе, стремятся провести по неп­рерывному методу. На рис. 160 представлена принципиальная схе­ма процесса очистки. Установка состоит из колонного экстракто­ра /, ректификационной колонны 2 для извлечения растворенного компонента из экстракта и ректификационной колонны 3 для ра­фината. Исходный раствор поступает в верхнюю часть колонны 1, а в нижнюю ее часть вводится экстрагент. В колонне происходит массобменный процесс извлечения, в результате которого экстра­гент насыщается растворенным веществом и выводится из верхней части колонны, поступая далее в ректификационную колонну 2. Рафинат, выходящий из нижней части колонны /, подвергается

173

очистке в колонне 3. Регенерированный экстрагент из колонны 2 возвращается в процесс на колонну V .

Экстракция служит эффективным методом разделения неорга­нических веществ в тех случаях, когда неприемлемы другие спосо­бы разделения. Процессы жидкостной экстракции в настоящее вре­мя широко применяются при переработке ядерного топлива, для разделения редких и рассеянных элементов, очистки сточных вод, выделения в чистом виде'различн'ых продуктов органического и нефтехимического синтеза. Экстракцию применяют также для по­лучения высокочистых благородных металлов.

Предельные концентрации компонента в экстракте и рафина-те определяют из условий фазового равновесия. Данные, о-равно­весии необходимы для правильного выбора экстрагента, организа­ции технологической схемы извлечения, выбора конструкции и раз­меров основного экстрактора и всей остальной аппаратуры. Коли­чественно равновесие выражается как отношение" равновесных концентраций распределяемого вещества в'фазах, называемое ко­эффициентом распределения.

В зависимости от свойств экстрагируемых веществ экстракцию проводят различными методами. При экстракции неорганических веществ из водных растворов -обычно применяют один экстрагент. Экстракцию органических веществ проводят с одним или двумя экстрагентами. В последнем случае процесс носит название фрак­ционной экстракции.

При проведении экстракции одним экстрагентом применяют од­
но- и многоступенчатую экстракцию. Метод одноступенчатой экст­
ракции заключается в том, что исходный раствор и экстрагент пе­
ремешивают в смесителе и затем в отстойнике, разделяют на два
слоя — экстрагент и рафинат.' В результате однократного взаимо­
действия экстрагента и исходного раствора при достаточном вре­
мени контакта получают составы экстракта и рафината, близкие к
равновесным. Степень извлечения вещества относительно низка,
так как даже при увеличении количества вводимого экстрагента
извлечение компонента из раствора не может быть полным, при­
чем концентрация в рафинате уменьшается при неоправданном уве­
личении расхода экстракта.             "

Многоступенчатая экстракция в промышленности применяется наиболее часто. Установка для многоступенчатой экстракции сос­тоит из нескольких последовательно соединенных аппаратов — сту­пеней, в которых исходный раствор и экстрагент поступают с про­тивоположных концов и движутся противотоком друг к другу. При такой организации процесса исходный, наиболее концентрирован­ный раствор соприкасается с экстрактом, относительно насыщен­ным извлекаемым веществом. Обедненный раство'р (рафинат), на­ходящийся в последнем аппарате, соприкасается' с чистым раство­рителем,-вследствие чего извлечение имеющегося компонента про­исходит достаточно полно. Таким образом, во всех аппаратах уста­новки поддерживается большая движущая сила и осуществляется

179

«аиболее полное извлечение экстрагируемого компонента из исход-лого раствора.

При одинаковой чистоте конечного рафината в процессе про-
тивоточной экстракции значительно уменьшается расход экстраген-
та, увеличивается выход рафината, но в этом случае необходима
установка из нескольких аппаратов. Кроме рассмотренных двух
-основных елучаев в промышленности применяют и более сложные
•схемы организации процесса.       ,•

§ 60. Аппаратура для жидкостной экстракции •

Смесительно-отстойные экстракторы (рис. 161) относятся к числу наиболее старых экстракционных аппаратов. На рисунке представлены только две ступени такой установки, хотя их может

ч. -------------------- —                                           '

Рнс. 161. Схема смеснтелыю-отстойного экстрактора:

А — подача -экстрагента «легкая фаза>, Б — подача экстрагируемого
раствора «тяжелая фаза>, В — вывод готового продукта, Г — выход
экстракта; / — смесители с мешалками, 2 — отстойники                  ^

быть значительно больше. Каждая ступень состоит из смесителя с мешалкой 1 и отстойника 2. Легкая фаза — экстрагент А — пода­ется^ смеситель / первой ступени, куда поступает также тяжелая фаза из отстойника второй ступени, в которой производится экст­рагирование. После смешения фазы расслаиваются в отстойнике 2 первой ступени, из которого рафинат выводится в качестве конеч­ного продукта В, а легкая фаза — экстракт ^-направляется & сме­ситель / второй ступени. Здесь она смешивается со свежей тяжелой фазой Б и отделяется от нее в отстойнике 2 второй ступени. Из этого отстойника сверху удаляется легкая фаза Г — рафинат, а тя­желая фаза, как упоминалось выше, поступает в первую ступень.

Кроме смесителей с мешалками применяют перемешивание на­сосами, инжекторами и др. Разделение фаз проводится в аппара­тах различных конструкций — гравитационных, центробежных. В смесительно-отстойных экстракторах достигается интенсивное вза­имодействие между фазами, обеспечивающее приближение к рав­новесному состоянию. Однако эти установки довольно громоздки и занимают большие производственные площади. ~

Полочные колонные экстракторы относятся к числу непрерыв­но действующих аппаратов, работающих без подвода внешней

180

энергии. На рис. 162, а изображен колонный экстрактор с полками в виде колец, расположенных у стенок аппарата, и дисков в его. центральной части. На рис. 162, б полки в колонне изготовлены в виде сегментов и центральных частей со срезанными сегментами. Чередование полок таких конструкций в колоннах обеспечивает

aj

жидкость ТГ

к Легкая 7 жидкость

^

^: жидкость

5)

Легкая в)
i жидкость Легкая              Тяжелая

JL              "жидкость ^4^_ _ (Скидкость

щ

} \£Тяже/тя жидкость

жидкость легкая _ живность"

Рис. 162. Полочные колонные экстракционные аппараты: а — с кольцевыми полками, б —с сегментными полками, в —с ситчатыми полками

 

■ аппараты с ме-

а — общий вид, б -

Рис. 163. Роторно-дисковый экстрактор:

■ аппарат с дисками, в, г -шалками

•зигзагообразное прохождение легкой фазы снизу вверх и тяжелой сверху вниз при хорошем их смешении. Применяются также ко­лонны с ситчатыми полками (рис. 162, в).

* Роторно-дисковые колонные экстракторы (рис. 163) представ­ляют собой колонну, внутри которой расположены кольцевые пол­ки. Но оси аппарата размещен вал с насаженными на него дисками или мешалками, помещенными между кольцевыми полками, как показано на рисунке. Тяжелая фаза подается сверху, легкая — снизу. Каждая из них выводится с противоположных концов аппа­рата. Вращающиеся диски или мешалки производят многократное дробление капель, вследствие чего аппараты с механическим пере­мешиванием работают эффективнее полочных.

181

Стремление использовать дополнительную механическую энер­гию для увеличения поверхности контакта фаз при обеспечении последующего быстрого слияния отдельных капель и разделения жидкостей привело к использованию для этой цели пульсирующе­го тока жидкости.

Легк ая жидкость

.Тяжелая жидкость

Пульсациоиный экстрактор (рис. 164) состоит из колонны / и пульсатора 2, представляющего собой поршневой насос прос­того действия, подающий легкую фазу пульсирующим током. Используются также конструкции пульсационных экстракторов, в которых внутренние устройства колонн — тарелки, диски и др. — подвергаются механическому встряхиванию, что также способствует дроблению жидкостей на капли. Одна­ко этот способ менее целесообразен, так как вибрация больших инерцион­ных масс конструктивных элементов требует больших энергозатрат. ■_

Легк ая жидкость

Тяжелая жидкость

Рис. 164. Пульсациоиный экстрактор: / — колонна, 2— пульсатор (порш невой насос)

Кроме поршневых насосов для соз­дания пульсирующего тока жидкости используют и другие устройства. Не­достатком работы пульсационных экс­тр агентов являются неоднородность получаемой смеси в отдельных точках аппарата, а следовательно, и. неодина­ковая эффективность отдельных уча­стков аппарата. Кроме рассмотренных конструкций применяются центробежные и другие экстракторы.

Экстракция из твердых тел

Экстракция в системе твердое тело — жидкость представляет собой процесс извлечения одного или нескольких компонентов из. твердого пористого тела. Извлекаемый компбнент может быть распределен в пористом теле в виде отдельных включений или в виде раствора. При любом состоянии извлекаемого вещества само твердое пористое тело остается неизменным и играет роль только, инертного носителя.

В некоторых случаях в химической технологии проводятся про­цессы растворения твердых тел в жидкостях, когда отсутствует твердый пористый носитель и в раствор переходит вся твердая фа­за. Процессы экстракции в системе твердое тело — жидкость осу­ществляются как по периодической, так и по непрерывной схеме. Экстракцию проводят в единичных аппаратах или в каскаде экст­ракторов, работающих по противоточной схеме. Для интенсифи­кации процесса обработанное в'ещество перемешивается механиче­скими мешалками или другими методами. Процессы экстракции в

182

системах твердое тело — жидкость применяют при производстве сахара, извлечении масел из семян и в ряде других случаев.

В небольших производствах находят применение аппараты с неподвижным слоем твердого материала (рис. 165, а). Аппарат та­кого типа состоит из цилиндрического корпуса 1, ложного днища 3, откидного днища 4, штуцера для вывода экстракта 2. Как пра­вило, аппараты такого типа соединяют в диффузионные батареи (рис. 165, б). Свежий растворитель подается насосом 6 снизу

\Концентр и-. рчбанный раствор

Растворитель

 

г-                - г     - 1— _____ ^Б
_______ I______ 1__ «___ 1_______ L_rw

о Открыто • Закрыто

 

Рис. 1'6б. Экстракция в батарее диффузоров: а — устройство аппарата, б — диффузионная батарея, / — корпус, 2 — штуцер отвода экстракта, 3 — ложное дннще, 4— откидное днище, 5 — подвод свежего ""  растворителя, $ — насос для подачи растворителя

вверх через слой материала последовательно во все аппараты ба­тареи, в которых происходит экстракция. На рис. 165, б показана батарея из пяти экстракторов,-но их может быть десять и более.

Когда в одном из аппаратов достигается заданная степень извлечения, аппарат отключают, разгружают и вновь загружают свежим материалом. Разгрузка проэкстрагированного материала производится через откидное днище 4 аппарата. Трубопроводы оборудованы запорными устройствами, позволяющими Отключать аппараты для разгрузки и загрузки. На рисунке эти устройства показаны соответственно в закрытом и открытом' состояниях. Их положение показывает, что- в данный момент экстрагент последо­вательно проходит аппараты III,II, I, V, IV.

Батарея экстракторов работает по принципу противотока, т. е, свежий экстрагент взаимодействует с уже в 'значительной степени экстрагированным материалом, а наиболее концентрированный раствор — со свежим материалом. Недостатком работы диффу­зионной батареи является неравномерность обтекания массы экс­трагируемого материала в каждом аппарате и обусловленная этим малая скорость процесса. Значительно более эффективно работают экстракторы при перемешивании твердой фазы.

Шнековый экстрактор такого типа (рис. 166) представляет со­бой горизонтальный желоб 1, в котором вращается вал 2 с укреп­ленными на нем спиральными лопастями 3. Твердый материал

183

загружается в левую часть аппарата'и постепенно мешалкой пере­мещается к правой части. Экстрагент может подаваться по отно­шению к твердой фазе противотоком или прямотоком (параллель­ным током). Проэкстрагированный твердый продукт удаляется

 

Рис. 166. Шнековый экстрактор:

/ — желоб, 2— вал, 3 — мешалка со спиральными лопастями, 4 — элеватор

наклонным элеватором 4. Аппараты такого типа обеспечивают зна­чительные производительности, но требуют больших затрат метал­ла.

Вопросы для повторения. 1. Что называется процессом экстракции? 2 Каким
основным свойством должны обладать применяемые экстрагенты? 3 Из каких
систем производится экстракция компонентов? 4. Каким преимуществам облада­
ет процесс экстракции по сравнению с другими методами^ разделения? 5 Как
проводится, многоступенчатая экстракция и в чем ее преимущество? б' Как
устроены полочные колонные экстракторы для систем жидкость — жидкость?
7. В чем заключается преимущество роторно-днсковых экстракторов? 8. Каков
принцип действия и в чем преимущество экстракторов пульсирующего типа?
■rlni ,^K_n^yCJ^P°^eHaи Р^аботае-^т диффузионная батарея для экстракции из твердых
тел? ю. какие преимущества дает аппаратура, обеспечивающая перемешивание
экстрагируемого материала?             - . "

ГЛАВА 17. АДСОРБЦИЯ

Общие сведений

Адсорбцией называется процесс поглощения одного или не­
скольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым пог­
лотителем — адсорбентом. Процесс обратим, и при изменении ус­
ловии процесса возможно выделение поглощенных веществ адсор­
бентом—десорбция.                         ,                    -            ^к

«Механизм процесса адсорбции отличается от механизма абсорб­ции, поскольку газообразный компонент поглощается не жидким а твердым поглотителем. Область применения процесса адсорбции довольно широка. Адсорбция применяется при небольших концент­рациях поглощаемого вещества, когда требуется достичь практиче-п^^{П0ЛН0Г0извлечения}этого вещества из смеси. Процессы адсорб­ции применяются в промышленности при очистке газов, осветлении

184

растворов, извлечении летучих растворителей из смеси с воздухом или другими газами." Значение процессов адсорбции в последнее время значительно возросло в связи с необходимостью получения особо чистых веществ. Различают-чисто физическую адсорбцию, при которой молекулы адсорбируемого вещества и адсорбента не вступают.в химическую реакцию, и хемдсорбщию, когда между ад­сорбентом и поглощаемым веществом возникает химическая связь-

В качестве адсорбентов применяют твердые вещества с сильно¹ развитой удельной поверхностью, выражаемой в м², отнесенных к 1 г вещества (м²/г)..По своей природе адсорбенты относятся к ве­ществам минерального и органического происхождения.

Адсорбенты характеризуются иоглотительной, или адсорбционной', способностью, выражаемой, концентрацией поглощаемого вещест­ва в единице массы или объема. Широкое распространение в ка­честве адсорбентов находят активные угли в противогазах. Высо­копористые активные угли получают путем сухой перегонки дере­ва, косточек плодов и их последующего активирования (с целью» увеличения пористости и удельной поверхности) при температуре около 900° С с добавкой активирующих веществ' (хлористрго цин­ка, кислот и др.). Удельная-поверхность активных углей очень ве­лика и колеблется-"в пределах 600—1700 м²/г*при насыпной плот­ности около 300 кг/м³. Активные угли хорошо поглощают пары ор­ганических веществ и применяются для рекуперации летучих ор­ганических растворителей.

Силикагели представляют собой обезвоженные гели кремние­вой _кислоты, получаемые обработкой силиката натрия (раствори­мого стекла) минеральными кислотами. Удельная поверхность си-ликагелей колеблется в пределах 400—700 м²/г, насыпная плот­ность составляет 400—800 кг/м³. Силикагели применяются глав^ ным образом для осушения газов. Достоинствами силикагелей яв*-ляются негорючесть и значительно большая механическая проч<-ность, чем у активных углей.

Цеолиты представляют собой природные или синтетические ми­нералы — алюмосиликаты Na, К, Mg, Ca. В промышленной прак­тике применяют главным образом искусственно приготовленные цеолиты. Цеолиты характеризуются высокой поглотительной спо­собностью по отношению к воде и применяются поэтому для глу­бокой осушки газов перед ожижением.

Ионитами называют природные и синтетические неорганические и органические продукты — глинистые минералы, ископаемые уг­ли, плавленые цеолиты, ионообменные смолы, способные притяги­вать ионы противоположного знака из раствора. Иониты облада­ют подвижными ионами, способными обмениваться на- эквивалент­ное количество ионов того же знака из растворов электролитов.

Различают аниониты — иониты, содержащие кислые активные группы, и катиониты — иониты с основными группами. Для ионно­го обмена применяют как аниониты, так и катиониты. Иониты ис­пользуют для извлечения малых количеств веществ^ растворенных в воде, при получении чистой обессоленной воды, извлечении, ма-

7—2063

185

лых количеств драгоценных металлов и др. Ионообменные смолы обладают большой обменной емкостью и высокдй избирательной способностью к отдельным ионам, что обусловило их широкое рас­пространение.

Важной характеристикой адсорбентов является количество по­глощаемого ими вещества. Количество вещества, адсорбированного единицей массы адсорбента при достижении равновесия, зависит от концентрации этого вещества и температуры. Эта зависимость выражается линиями равновесия — изотермами адсорбции. Коли­чество адсорбированного вещества возрастает при понижении тем­пературы и повышении давления. Повышение температуры и по­нижение давления способствуют процессу десорбции — удалению поглощенного вещества из адсорбента. Средняя концентрация по­глощенного вещества, достигнутая к моменту начала его «проско­ка», называется динамической активностью.

---

Дата добавления: 2019-07-17; просмотров: 366; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!