Тарельчатые (барботажные колонны).

Тарельчатая колонна – вертикальный цилиндрический стальной аппарат, секционированный по высоте поперечными контактными массообменными устройствами, т. е. тарелками.

Жидкость самотеком стекает в колонне под действием силы гравитации, последовательно проходя через все тарелки. Восходящий пар (газ) последовательно барботирует через слои жидкости на тарелках. Тарелки отделены друг от друга межтарельчатым пространством. Оно необходимо для отделения от пара уносимых им брызг и капель жидкости. При попадании этих капель на выше лежащую тарелку будет наблюдаться обратное (продольное) перемешивание, снижающее массообменную эффективность процесса.

Тарелки с переточными каналами могут работать в 3–х гидродинамических режимах:

1) пузырьковый

2) пенный

3) струйный

При небольшом расходе пара (газа) он проходит через слой жидкости на тарелке в виде пузырьков. В этом режиме – небольшая межфазная поверхность, значит, и низкая массообменная эффективность.

При увеличении расхода пара наблюдается пенный режим. В этом режиме – максимальная массообменная эффективность.

При дальнейшем увеличении расхода пара паровые пузырьки сливаются в паровые струи, эти струи вырываются на поверхность барботажного слоя, увлекая с собой множество крупных капель. Межфазная поверхность резко падает. Таким образом, с увеличением расхода пара КПД тарелки с переточными каналами проходит через максимум.

“ + ” тарельчатых колонн:

· высокая четкость разделения смеси

· широкий интервал нагрузок по пару и жидкости

· большая производительность (диаметр до 9 м и более)

“ - ” тарельчатых колонн:

· сложность

· дороговизна

· повышенное сопротивление

“ + ” насадочных колонн:

· простота

· дешевизна

· небольшое гидравлическое сопротивление

“ - ” насадочных колонн:

· недостаточная массообменная эффективность (продольное смешение и пристеночный эффект)

· ограниченные интервалы нагрузок по жидкости и газу

· ограниченная производительность колонны ( диаметр меньше 3 м)

· неэффективная работа при низкой плотности орошения

Конструкции тарелок.

Требования к тарелкам: высокая массообменная эффективность, низкое гидравлическое сопротивление, удобство монтажа и демонтажа, удобство ремонта, простота конструкции, низкая стоимость, прочность.

Тарелки классифицируют по нескольким признакам:

1) по наличию переточных устройств

а) с переточными каналами (абсолютное большинство тарелок)

б) без переточных каналов (только провальные тарелки)

2) по взаимному напрвлению потоков фаз на полотне тарелки

а) перекрестные

б) прямоточные

в) противоточные

3) по числу потоков на полотне тарелки: одно-, двух-, четырех-, шестипоточные

4) по способу перелива на полотне тарелки

а) с диаметральным переливом

б) с радиальным переливом

Было предложено большое количество конструкций тарелок: колпачковые, ситчатые, клапанные, провальные, пластинчатые (струйные) и т.д. Далеко не все конструкции получили применение в промышленности.

Рассмотрим колонну с колпачковыми тарелками.

Переточный канал образован вертикальной перегородкой и сегментным отверстием в полотне тарелки. Вертикальная перегородка погружена в слой жидкости для создания гидрозатвора. Колпачки размещают на полотне тарелки в шахматном порядке, т.е. по периметрам правильных шестиугольников. Жидкость с вышележащей тарелки на нижележащую проходит через переточный канал (протекает самотеком). На схеме – тарелка с диаметральным переливом. Если тарелка с радиальным переливом, то на данной тарелке центральная переточная трубка, а на соседних тарелках периферийные переточные трубки. На схеме – однопоточная тарелка. Пар проходит в колпачок через газовый патрубок. Затем выходит через прорези в виде пузырьков, далее барботирует через слой жидкости и поднимается на вышележащую тарелку. На колпачковой тарелке – перекрестный ток фаз. Высота слоя жидкости на тарелке определяется шириной сливного порога.

“ + ” колпачковых тарелок:

ü неплохая массообменная эффективность

ü значительный интервал нагрузок по пару и жидкости, в котором тарелка работает гидродинамически устойчиво

“ - ” колпачковых тарелок:

ü сложность

ü дороговизна

ü высокая металлоемкость

ü повышенное гидравлическое сопротивление

ü ограниченная максимальная нагрузка по пару

ü возможность забивки и трудность очистки колпачков

Рассм. клапанную тарелку.

1 – клапан (круглая или прямоугольная металлическая пластина)

2 – верхний ограничитель

Используют клапаны и с нижними ограничителями. При увеличении расхода пара клапан поднимается до верхнего ограничителя. При этом растет живое сечение тарелки, т.е. повышается ее пропускная способность. Клапанная тарелка обладает свойством саморегулирования. За счет изменения живого сечения тарелки скорость пара при изменении его расхода остается постоянной, что обеспечивает устойчивость гидродинамического режима клапанной тарелки.

Еще большая устойчивость гидродинамического режима характерна для балластных клапанных тарелок.

1 – клапан

2 – верхний ограничитель

3 – балласт

При увеличении расхода пара в начале поднимается клапан, а затем клапан вместе с балластом.

“ + ” клапанных тарелок:

ü высокая массообменная эффективность

ü устойчивость гидродинамического режима в широком диапазоне нагрузок по пару

“ - ” колпачковых тарелок: большое гидравлическое сопротивление.

Рассм. прямоточно – вихревую тарелку.

Пар проходит в праямоточно – контактный массообменный элемент через закручиватель потока. Вращающийся поток пара подхватывает жидкость, стекающую через сливную трубку, и в вихревом потоке поднмается в верхнюю часть прямоточно – контактного массообменного элемента. Центробежной силой жидкость отбрасывается к периферии. Из аппарирующего устройства жидкость возвращается в слой жидкости на тарелке. Сепарирующее устройство освобождает пар от уносимых им брызг и капель жидкости, затем он поступает на вышележащую тарелку.

“ + ” прямоточно – вихревых тарелок:

ü высокая массообменная эффективность (объясняется взаимодействием потоков в вихревом режиме)

ü большая пропускная способность (объясняется прямотоком в прямоточно – контактных элементах, хотя в целом по колонне – противоток)

“ - ” прямоточно – вихревых тарелок:

ü сложность

ü дороговизна

ü высокая металлоемкость

ü значительное гидравлическое сопротивление

Самые простые по конструкции провальные тарелки (решетчатые, трубчатые, дырчатые). Провальные тарелки не имеют переточных устройств, поэтому жидкость и пар проходят через одни и те же отверстия поочередно. Поэтому для этих тарелок характерна неустойчивость гидродинамического режима.

“ + ” провальных тарелок:

ü простота

ü дешевизна

ü небольшое гидравлическое сопротивление

“ - ” провальных тарелок:

ü низкая массообменная эффективность

ü неравномерный барботаж

ü узкий интервал нагрузок по пару и жидкости (при больших нагрузках по пару – унос жидкости на вышележащую тарелку, а при малых нагрузках – провал жидкости через отверстия тарелки).

В ситчатых тарелках имеется большое число отверстий диаметром 3 – 8 мм. Ситчатые тарелки имеют переточные каналы.

“ + ” ситчатых тарелок:

ü простота

ü дешевизна

ü небольшое гидравлическое сопротивление

“ - ” ситчатых тарелок:

ü низкая массообменная эффективность

ü неравномерный барботаж

Экстракция.

Экстракция – извлечение отдельных компонентов из жидких или твердых растворов с помощью избирательного растворителя, т.е. экстрагента.

Избирательность (селективность) – хорошая растворимость в экстрагенте одних компонентов исходной смеси и слабая растворимость остальных ее компонентов.

В процессе экстракции участвуют минимум 3 компонента: 2 разделяемых компонента + экстрагент. В этом процессе образуются 2 фазы:

1) экстрактная, обогащенная извлекаемыми (экстрагируемыми) компонентами

2) рафинатная, обогащенная очищаемыми (рафинируемыми) компонентами.

Экстракцию проводят в несколько стадий. В начале смешивают исходную смесь с экстрагентом при интенсивном перемешивании. Затем отделяют образовавшуюся в процессе экстракции экстрактно – рафинатную фазу одну от другой (н-р, в гравитационном осаждении или в центробежном поле). Далее от этих фаз обычно ректификацией отгоняют экстрагент. Конечные продукты, т.е. экстракт и рафинат не содержат экстрагента.

Рассм. схему экстракционной установки.

А+В – исходная смесь

S – экстрагент

А – очищаемый компонент

В – извлекаемый компонент

ЭФ и РФ – экстрактная и рафинатная фазы

Э и Р – экстракт и рафинат

1 – экстракционная колонна

2 и 3 – ректификационные колонны

4 и 5 – зоны гравитационного осаждения

Взаимодействие между исходной смесью и экстрагентом происходит в колонне 1 при противотоке фаз. Расслоение системы – в зонах гравитационного осаждения 4 и 5. Исходная смесь А+В стекает в нижнюю часть аппарата самотеком, т.е. под действием сил гравитации на встречу восходящему потоку экстрагента. Далее в колоннах 2 и 3 от экстрактной и рафинатной фаз отгоняется экстрагент, возвращающийся на смешение со свежей порцией экстрагента. Кубовые остатки колонн 2 и 3 – экстракт и рафинат, практически не содержащие экстрагента.

Избирательность экстрагента в первом приближении можно оценить коэффициентом распределения:

– отношение массовых концентраций извлекаемого компонента в равновесных сосуществующих (взаимодействующих в данный момент времени) экстрактной и рафинатной фазах.

Более точно характеризует избирательность экстрагента коэффициент разделения (селективности):

Если , то экстракция данным экстрагентом данной смеси невозможна (нет расслоения системы). Чем больше превышает 1, тем легче провести экстракцию данным экстрагентом.

Экстракцию обычно проводят при атмосферном давлении и при температурах, близких к комнатным. Давление на процесс экстракции не влияет (капельные жидкости практически не сжимаемы). С увеличением температуры повышается растворимость компонентов исходной смеси в экстрагенте, и процесс ускоряется, но при этом падает избирательность экстрагента. Можно провести аналогию между процессами экстракции и ректификации. Экстрактной фазе соответствует паровая фаза в ректификации. Коэффициенту разделения соответствует коэффициент относительной летучести в процессе ректификации.

В качестве экстрагентов применяют диметилсульфооксид (ДМСО), ацетонитрил, этиловый эфир, нитроэтан и т.д.

Экстракцию широко применяют в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, ядерной, пищевой и др. отраслях промышленности.

Примеры экстракции – извлечение уксусной кислоты из ее водного раствора с помощью этилового эфира, очистка парафинов от ароматики и смол, разделение редкоземельных элементов (цирконий + гафний).