Насадочные колонные экстракторы

ЗАДАНИЕ

Студенту________________________________________________________________

_______

1 Вид проекта ____________________________________________________________

_______

2 Тема _________________________________________________________________

_______

_______

(утверждено приказом от___________ №____)

3 Срок сдачи студентом проекта _______________________________________________

_______

4 Исходные данные к проекту _________________________________________________

_______

_______

_______

5 Содержание пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов) ___________

_______

_______

_______

_______

_______

_______

_______

6 Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей) __________

_______

_______

_______

_______

_______

7 Консультанты ___________________________________________________________

_______

8 Дата выдачи задания _____________________________________________________

_______

9 Срок представления ________________________________________________________

_______

_______

_______

_______

_______

Руководитель ________________ ________________

(подпись, дата) (ФИО)

Задание принял к исполнению _______________

(подпись студента, дата)

Содержание

Введение

1 Литературный обзор………………………………………………………………………………………………………………………………………….……..

1.1 Требования к экстрагентам……………………………………………………………………………………………………….…..……………

1.2 Насадочные колонные экстракторы…………………………………………………………………………………………….……………

1.3 Гравитационные насадочные экстракторы……………………………………………………………………………..……………

1.4 Пульсационные насадочные экстракторы……………………………………………………………………………….…..…………

1.5 Пульсационные экстракторы с пакетной насадкой КРИМЗ……………………………………………….…………

1.6 Безмембранная пневматическая система пульсации с золотниково -

распределительным механизмом………………………………………………………………………………………………………..………

2 Данные для расчета…………………………………………………………………………………………………………………………………………..……

3 Материальный расчёт……………………………………………………………………………………………………………………….……………………

4 Конструктивный расчёт…………………………………………………………………………………………………………………………………………

5 Прочностной расчёт…………………………………………………………………………………………………………………………………………………

5.1 Выбор материала………………………………………………………………………………………………………………………………..………………

5.2 Расчёт цилиндрических частей корпуса……………………………………………………………………………..…………..……

5.3 Расчёт крышек………………………………………………………………………………………………………………….…………………………………

5.4 Расчёт конических переходов…………………………………………………………………………………………………..…………………

5.5 Пробное давление………………………………………………………………………………………………………………………..….…………………

5.6 Подбор фланцев…………………………………………………………………………………………………………………………………..………………

5.7 Подбор штуцеров……………………………………………………………………………………………………………………………….……….………

5.8 Проверка необходимости укрепления отверстия под пульсационное колено…………..…………

5.9 Подбор опор……………………………………………………………………………………………………………………………………….……..……….…

5.10 Строповые устройства…………………………………………………………………………………………………………………..………………

Заключение……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….………

Литература……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….…………..…

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.

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 какого - либо 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.

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;

многократная экстракция перекрестным током, по которой ис­ходный раствор и рафинатные растворы обрабатываются на каждой ступени соответствующей порцией экстрагента;

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», либо в колонных аппаратах.

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, роторно-дисковые, смесительные, смесительно-отстойные, пульсационные, вибрационные.

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 пульсационного насадочного колонного экстрактора с пакетной насадкой КРИМЗ посвящена данная работа.

Литературный обзор

Требования к экстрагентам

При выборе экстрагента необходимо учитывать следующие критерии:

-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;

-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;

-токсичность;

-воспламеняемость, горючесть;

-доступность;

-стоимость.

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.

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, переработки ОЯТ, при переработке отходов, при переработке оружейного урана, наиболее приемлемым является трибутилфосфат (ТБФ) . 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 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.

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.

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 2 U (примерно 90%) и алюминия используют 5...10%-ные растворы ТБФ в разбавителе, а при переработке металлического урана и оксидного топлива - 20...30%-ные.

Насадочные колонные экстракторы

В промышленной практике часто применяют, пульсационные колон­ные экстракторы с пакет­ной насадкой КРИМЗ.

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, широко применяющаяся в промышленности в настоящее время (ри­сунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Схема пневматической системы пульсации с золотниково-распределительным механизмом