ТРЕХФАЗНЫЙ НАСАДОЧНЫЙ ЭКСТРАКТОР

Трехфазный насадочный экстрактор
Полезная модель относится к аппаратам для проведения массообменных процессов, более конкретно, к экстракторам с количеством фаз, превышающем две, и может использоваться в химической, гидрометаллургической, атомной, микробиологической, фармацевтической промышленности для выделения, разделения, концентрирования или очистки веществ методом жидкостной экстракции.
э
Из предыдущего уровня техники известен ряд принципиальных конструкций трех- и многофазовых экстракторов. Так, например, известен экстрактор (см. Теоретические основы химической технологии, 1984, т.18, №.6, стр.736-738), состоящий из камер, снабженных патрубками ввода и отвода первой и второй дисперсных фаз, при этом линии ввода в камеры экстрактора первой и второй дисперсных фаз снабжены диспергирующими приспособлениями на входе в камеру экстрактора. Данная конструкция экстрактора не обеспечивает достаточной эффективности процесса экстракции и ограничивает возможности проведения многостадийных процессов. Известен многофазовый экстрактор (RU 2177357 С2, 27.12.2001), конструкция которого направлена на повышение эффективности экстракции и позволяет осуществлять непрерывную многокомпонентную экстракцию. Экстрактор состоит из камер, предпочтительно выполненных в едином корпусе и отделенных друг от друга перегородкой, снабженных диспергирующими приспособлениями, патрубками для подачи и отвода первой и второй дисперсных фаз и содержит, по меньшей мере, две камеры, верхние и нижние части которых сообщены с помощью соединительных каналов, при этом камеры выполнены с отделительными зонами, размещенными у выпускных отверстий соединительных каналов. За счет разности плотности образующихся в камерах экстракции и реэкстракции эмульсий осуществляется циркуляция непрерывной фазы в рамках одной ступени экстрактора. Недостатком описанной конструкции многофазового экстрактора является низкие значения площади межфазной поверхности, обусловленные тем, что диспергирование дисперсной фазы происходит только в точке ее ввода в соответствующую камеру экстрактора при прохождении диспергирующего устройства. При дальнейшем движении в среде непрерывной фазы капель дисперсной фазы, образованных входным диспергирующим устройством, происходит более или менее выраженная их коалесценция, что приводит к уменьшению поверхности межфазного обмена и снижению эффективности процесса массопереноса. Предлагаемая конструкция полезной модели направлена на решение задачи повышения эффективности экстракции в трехфазном экстракторе. Задача повышения эффективности решается путем введения в конструкцию экстрактора, а именно в смесительные камеры экстрактора, устройств для увеличения межфазной поверхности контакта. Конструктивно устройства представляют собой одну или большее число секций с диаметром или эквивалентным диаметром, меньшим или равным диаметру или эквивалентному диаметру соответствующей камеры экстрактора, заполненные высокоэффективной массообменной насадкой. В качестве высокоэффективной насадки предпочтительно применяют насадку, удовлетворяющую условию - , где D - диаметр или эквивалентный диаметр камеры экстрактора, d - эквивалентный диаметр элемента насадки. Такие параметры насадки позволяют существенно повысить эффективность диспергирования. Секции, заполненные насадкой, выполняют таким образом, чтобы поперечное сечение секции было подобно поперечному сечению соответствующей камеры экстрактора, при этом коэффициент подобия сечений меньше или равен 1. Снизу секции устанавливают ограничительную перегородку, представляющую собой произвольным образом перфорированную пластину (тарелку), при этом геометрические параметры перегородки совпадают с геометрическими параметрами секции. Сверху секции ограничительные перегородки не устанавливают.
Устройство работает следующим образом: дисперсная фаза, поступающая по патрубку ввода через входное диспергирующее устройство, представляющее собой распределитель с отверстиями, попадает в секцию, заполненную высокоэффективной насадкой, где при движении через слой насадки происходит дополнительное диспергирование дисперсной фазы, приводящее к развитию межфазной поверхности контакта. Одновременно происходит удерживание (захват) некоторого количества дисперсной фазы на насадке. Проходя одну или большее число секций, заполненных насадкой, дисперсная фаза достигает отделительной зоны камеры, где происходит коалесценция капель и вывод дисперсной фазы из аппарата через патрубок вывода. Непрерывная фаза циркулирует между камерами экстрактора за счет разности плотности эмульсий в камерах по соединительным каналам или переливам, направление циркуляции определяется разностью плотностей эмульсий в камерах экстрактора. Плотность эмульсии в камере экстрактора регулируют путем изменения размера капель и/или расхода потока дисперсной фазы.
Альтернативный способ регулирования плотности эмульсии - использование в камерах экстрактора секций, заполненных высокоэффективной насадкой с отличающимся размером элемента насадки. Плотность эмульсий в камерах экстракции и реэкстракции при одинаковой плотности дисперсных фаз определяется задержкой соответствующей дисперсной фазы (долей объема камеры, занятой этой дисперсной фазой). Применение в камерах экстракции и реэкстракции высокоэффективных насадок с отличающимся размером элемента насадки позволяет достичь разной степени дисперсности диспергированных фаз, вследствие чего задержка дисперсных фаз в камерах экстракции и реэкстракции будет отличаться даже при одинаковой плотности и одинаковых расходах дисперсных фаз. Данное техническое решение используют для организации циркуляции непрерывной фазы между камерами экстрактора при равных или близких значениях плотности и расходов первой и второй дисперсной фаз.
Форма исполнения полезной модели может быть различной и определяется геометрией и взаимным расположением камер экстрактора. На фиг.1 изображена форма реализации полезной модели при независимом расположении камер экстракции и реэкстракции цилиндрической формы с одной насадочной секцией, на фиг.2 - форма реализации полезной модели при независимом расположении камер экстракции и реэкстракции цилиндрической формы с одной насадочной секцией, при этом секции заполнены насадкой с отличающимися размерами, на фиг.3 - форма реализации полезной модели при независимом расположении камер экстракции и реэкстракции цилиндрической формы с двумя насадочными секциями, на фиг.4 - с независимым расположением камер экстракции и реэкстракции цилиндрической формы с двумя насадочными секциями и общими верхней и нижней отделительными камерами с переливами, на фиг.5 камеры экстракции и реэкстракции выполнены в одном корпусе и расположены в трубном и кольцевом пространстве экстрактора цилиндрической формы, в каждой камере находится по 2 насадочных сектора с одинаковым размером элемента насадки, на фиг.6 - камеры экстракции и реэкстракции прямоугольного сечения выполнены в одном корпусе и расположены во внешнем и внутреннем объемах экстрактора, в каждой камере находится по 2 насадочных сектора с одинаковым размером элемента насадки. При реализации полезной модели согласно фиг.3-6 размеры элемента насадки выбирают одинаковыми в секциях одной камеры, при этом в секциях другой камеры используют насадку с таким же или отличающимся размером элемента насадки. Количество насадочных секторов в камерах экстракции и реэкстракции выбирают произвольно.
Согласно всем формам исполнения трехфазный насадочный экстрактор (фиг.1) включает в себя две смесительных камеры - камеры экстракции (А) и реэкстракции (Б), установленные в камерах экстракции и реэкстракции заполненные высокоэффективной насадкой секции (1), ограниченные снизу перфорированной тарелкой (2), патрубки (3, 4) для ввода первой и второй дисперсных фаз с входными диспергирующими приспособлениями (8), патрубки для отвода первой и второй дисперсных фаз (5, 6), соединительные линии (7), обеспечивающие циркуляцию непрерывной фазы между камерами. В камере экстракции (А) осуществляется прямоточное движение первой дисперсной и непрерывной фаз, в камере реэкстракции (Б) - противоточное движение второй дисперсной и непрерывной фаз. Направление циркуляции непрерывной фазы, в зависимости от соотношения плотностей эмульсий в камерах экстракции и реэкстракции, может меняться на обратное по сравнению с изображенным на фиг.1, при этом в камере экстракции будет наблюдаться противоточное движение фаз, а в камере реэкстракции - прямоточное движение фаз. Согласно всем формам исполнения устройство работает следующим образом: камеры экстракции и реэкстракции заполняются непрерывной фазой, далее через входные патрубки (3) и (4) подают первую и вторую дисперсные фазы, диспергирование дисперсных фаз происходит во входных диспергирующих устройствах (8) и в насадочных секторах (1), коалесценция капель дисперсных фаз происходит на поверхности раздела фаз в нижней части камер. Отводят первую и вторую дисперсные фазы по патрубкам (5) и (6).
Согласно фиг.2 трехфазный насадочный экстрактор включает в себя те же структурные элементы, что и экстрактор на фиг.1, и отличается от последнего тем, что насадочные секции в камерах экстракции и реэкстракции заполены насадкой с различающимся размером элемента насадки. Такая конструкция экстрактора позволяет организовать циркуляцию непрерывной фазы в том случае, если плотность первой и второй дисперсных фаз, а также скорости их подачи близки или равны, и может быть применена во всех последующих вариантах исполнения устройства.
Согласно фиг.3 экстрактор включает в себя те же элементы, что и экстрактор на фиг.1, и отличается от последнего тем, что в камерах экстракции (А) и реэкстракции (Б) установлено более одной насадочной секции.
Согласно фиг.4 экстрактор включает в себя две смесительных камеры - камеры экстракции (А) и реэкстракции (Б), соединенные в верхней и нижней частях общими отделительными камерами (7) с переливными перегородками (9); установленные в камерах экстракции и реэкстракции заполненные высокоэффективной насадкой секции (1), ограниченные снизу перфорированной тарелкой (2), патрубки (3, 4) для ввода первой и второй дисперсных фаз с входными диспергирующими приспособлениями (8), патрубки для отвода первой и второй дисперсных фаз (5, 6). Устройство работает так же, как и аналогичное устройство согласно фиг.3, связь по непрерывной фазе между камерами экстрактора осуществляется за счет перетекания непрерывной фазы через установленную в камерах-отстойниках (7) переливную перегородку (9).
Экстракторы, выполненные согласно фиг.5 и фиг.6, представляют собой выполненные в одном корпусе разной геометрии камеры экстракции и реэкстракции с установленными в них насадочными секциями, (фиг.5 - цилиндрический корпус, камеры экстракции и реэкстракции расположены в кольцевом и трубном пространстве, фиг.6 - корпус в форме прямоугольного параллелепипеда, камеры экстракции и реэкстракции расположены во внешнем и внутреннем пространстве корпуса). Устройства работают аналогично устройствам согласно фиг.1 и фиг.3.