Лекция 38 (часть 2) Способы экстрагирования и растворения

38.5. Способы экстрагирования и растворения

В химической технологии применяются следующие основные способы экстрагирования и растворения: 1) периодический процесс в неподвижном или взвешенном слое; 2) непрерывный прямоточный и противоточный процессы.

Периодический процесс в неподвижном слое заключается в фильтровании жидкости (растворителя) сквозь слой пористого кускового материала. Растворение обычно проводится периодически при уменьшении во времени высоты слоя, в отличие от экстрагирования (выщелачивания), при котором высота слоя постоянна. Процесс в неподвижном слое с циркуляцией экстрагента называют перколяцией, а без циркуляции – настаиванием. Примеры аппаратов для реализации таких процессов приведены на рис. 38.7 и 38.8.

Рисунок 38.7 – Экстрактор-диффузор с неподвижным слоем сырья: 1 – распределительная решетка входного коллектора; 2 – корпус; 3–5 – решетки; 6 – нижняя крышка; 7 – ось крышки.
	Рисунок 38.8 – Перколятор с мешалкой: 1 – привод мешалки; 2 – крышка; 3 – корпус; 4 – мешалка; 5 – ложное днище.

В случае непрерывного пополнения твердого материала, компенсирующего его убыль, можно осуществлять процесс растворения в неподвижном слое непрерывным способом.

Экстрагирование, проводимое фильтрационно-проточным способом, является более медленным процессом, чем экстрагирование при перемешивании реагентов. Однако этот способ отличается простотой аппаратурного оформления, так как не требует применения фильтров или других аппаратов, необходимых для разделения пульпы и промывки осадка. Процессы экстрагирования и фильтрования в данном случае протекают одновременно, причем получаемые в результате фильтрования сквозь слой растворы представляют собой чистую жидкость. Этим способом можно достичь высоких объемных производительностей при меньших удельных расходах растворителя на единицу массы твердого материала и получать концентрированные растворы.

Существенным недостатком указанного способа экстрагирования является высокое гидравлическое сопротивление слоя. Экстрагирование в неподвижном слое требует однородного по крупности и грубо измельченного твердого материала.

Выбор того или иного способа реализации процесса следует производить для каждого конкретного случая на основе технико-экономического анализа.

Периодический процесс во взвешенном слое проводят в аппаратах с механическим, пневматическим или пульсационным перемешиванием (рис. 38.9, 38.10).

Рисунок 38.9 – Экстрактор с пневматическим перемешиванием: 1 – труба подачи воздуха; 2 – циркуляционная труба; 3 – корпус.

Рисунок 38.10 – Экстрактор с пульсационным перемешиванием: 1 – корпус; 2 – пульсационное устройство; 3 – пульсационная камера; 4 – прерыватель-пульсатор; 5 – электродвигатель; 6 – ресивер.

При достаточно интенсивном перемешивании твердые частицы быстро движутся с изменяющейся по направлению и величине скоростью, то отставая от потока омывающей их жидкости, то опережая его. В этих условиях возникает переменная во времени скорость обтекания, обусловленная инерцией твердых частиц. При таком инерционном режиме создаются благоприятные условия для ускорения процессов растворения и экстрагирования, несмотря на то что движущая сила процесса снижается по мере приближения системы к состоянию равновесия.

При слабом перемешивании твердые частицы находятся в жидкости во взвешенном состоянии, т. е. в течение довольно длительного времени движутся поочередно в восходящем и нисходящем потоках жидкости. При этом вся их поверхность омывается жидкостью, но скорость обтекания в данном случае определяется силой тяжести частиц и уступает по величине соответствующим скоростям при инерционном режиме.

Пневматическое перемешивание позволяет в случае необходимости использовать перемешивающий агент (воздух) в качестве окислителя.

Непрерывный прямоточный процесс. В принципе, экстрагирование и растворение можно проводить непрерывно в аппарате с мешалкой путем непрерывного подвода в аппарат твердой и жидкой фаз и отвода их из него. Однако осуществление непрерывного процесса таким способом неизбежно приведет к падению его интенсивности из-за того, что поступающий в обработку твердый материал будет взаимодействовать с раствором, концентрация которого в аппарате вследствие интенсивного перемешивания близка к концентрации насыщения. Это вызовет значительное снижение движущей силы процесса и, соответственно, скорости экстракции по сравнению со средней скоростью (за одну операцию) в периодическом процессе, где аналогичные условия создаются только на конечной его стадии. Кроме того, в одиночном аппарате возможен проскок некоторой части твердых частиц, в результате чего время пребывания может оказаться недостаточным для достижения высокой степени извлечения экстрагируемого вещества.

В связи с этим экстрагирование и растворение проводят в каскаде последовательно соединенных аппаратов с мешалками, через которые пульпа движется самотеком (рис. 38.7). При работе по такой прямоточной схеме движущая сила процесса постепенно снижается от ступени к ступени, но не в такой степени, как в одном аппарате с мешалкой, где со свежим растворителем смешивается конечный концентрированный раствор. При числе ступеней, обычно не превышающем 3÷6, в таких установках достигается достаточно высокая степень извлечения.

Рисунок 38.7 – Схема непрерывного процесса в аппаратах с мешалками.

Непрерывный противоточный процесс. Более эффективным является проведение непрерывных процессов по принципу противотока. При движении твердых частиц навстречу потоку жидкости в батарее аппаратов на конце установки, где вводится свежий растворитель, последний взаимодействует с проэкстрагированным в значительной степени материалом, и на другом ее конце исходный твердый материал обрабатывается концентрированным раствором. При этом достигается более равномерная работа аппаратов: на том конце установки, где вводят растворитель, удается повысить степень извлечения из глубины пор твердого материала, а на противоположном конце – эффективно использовать концентрированный раствор для экстракции с поверхности кусков (зерен) твердого материала. В итоге повышается концентрация раствора, уменьшается расход растворителя и увеличивается производительность аппаратуры.

Рисунок 38.8 – Схема противоточного экстрагирования с использованием барабанных вакуум-фильтров:

1, 3 – фильтры; 2 – репульпатор; 4 – выщелачиватель.

В противоточных аппаратах мелкие частицы увлекаются жидкостью в направлении, противоположном движению твердой фазы. В связи с этим два прямоточных аппарата могут быть соединены так, чтобы установка в целом работала по принципу противотока.

В процессах экстракции конечный раствор должен быть отделен от твердого нерастворимого остатка (шлама), который для этой цели подвергают промывке. Промывку проводят на фильтрах, центрифугах и отстойниках. В непрерывных процессах экстракции обычно применяют противоточные схемы промывки, например на непрерывнодействующих барабанных вакуум-фильтрах.