Жидкостный экстрактор колонного типа

Полезная модель относится к области аппаратного оснащения процессов разнообразных химических технологий, основанных на взаимодействии в противотоке несмешивающихся жидкостей разной плотности (тяжелой и легкой фазы), конкретнее к жидкостным экстракторам колонного типа, обеспечивающим непрерывный процесс извлечения, в т.ч. избирательного, веществ из растворов, преимущественно в нефтеперерабатывающем производстве, в частности при получении ароматических углеводородов из стабильного катализата растворителями (ди- (три)- этиленгликоль, сульфолан). Также может быть эффективно использована и в других отраслях промышленности, например, в химической, гидрометаллургической, фармацевтической, пищевой.
Известно, что технологическая эффективность процессов экстракции в системах жидкость-жидкость достигается за счет:
максимально возможного развития поверхности контакта фаз путем диспергирования одной из фаз;
обеспечения упорядоченного движения фаз;
такого разделения фаз, при котором унос одной фазы другой был бы минимален.
В соответствии с этими требованиями конструктивные построения известной из уровня техники аппаратуры аналогичного назначения направлены в основном на повышение эффективности диспергирования и коалесценции дисперсной фазы, увеличение времени пребывания капель дисперсной фазы в аппарате и достижение качественного разделения фаз, способствующих повышению эффективности массообмена и качества конечного продукта, однако использование в подавляющем большинстве таких аппаратов специальных механизмов для введения дополнительной энергии в жидкости: пневмопульсационных, вибрационных и различного рода мешалок является их общим недостатком, так как это помимо конструктивного усложнения и увеличения габаритов приводит, во-первых, к повышенному энергетическому расходу и вероятному снижению технической устойчивости работы оборудования, а, во-вторых, может спровоцировать нежелательный скоростной и/или хаотичный режим перемешивания и, соответственно, вероятность продольного перемешивания фаз, снижающего качество экстракции. К тому же применение экстракторов, имеющих пневмопульсационные механизмы, ограничено, поскольку использование сжатого воздуха недопустимо при работе с пожаровзрывоопасными средами.
Из описания к патенту RU 2325210, публ. 2008 г., известен аппарат колонного типа для взаимодействия несмешивающихся жидкостей разной плотности (тяжелой и легкой фазы) в виде экстракционной колонны, состоящей из центральной насадочной части и двух отстойных камер с увеличенными диаметрами, в которой контактирование жидкостей происходит в многоступенчатой насадочной части при диспергировании одной из фаз, а сепарация фаз под воздействием гравитационных сил осуществляется один раз в верхней (легкая фаза) и нижней (тяжелая фаза) отстойных камерах. К недостаткам такого устройства следует отнести завышенные параметры колонны, в частности габарита по высоте, из-за заложенного в технологию процесса принципа многоступенчатого контактирования жидкостей при использовании однотипного контактного устройства – насадки; и наличия пневматического пульсатора для улучшения интенсивности массообмена. К тому же спонтанное (неорганизованное) разделение фаз, охарактеризованное авторами решения как «органическая фаза по мере своего движения по насадочной части и верхней отстойной камере освобождается от дисперсной фазы» не гарантирует получения на выходе достаточно качественного продукта экстракции.
Эти недостатки частично устранены в известных жидкостных экстракторах колонного типа, содержащих корпус с патрубками ввода и вывода тяжелой и легкой фаз, и неоднократно чередующиеся по высоте корпуса массообменные камеры диспергирования и смешения фаз с камерами разделения контактирующих фаз (например, SU 741907, публ.1980 г. или RU 2202395, публ. 2003 г.). При этом в первом из них, с пульсационной камерой, несколько насадочных массообменных камер смешения чередуются по высоте имеющего верхнюю и нижнюю отстойные камеры корпуса с камерами разделения фаз, выполненными в виде дополнительных отстойных камер, снабженных сплошными перегородками с гидрозатворами; а во втором вертикальные камеры диспергирования и смешения, снабженные механическими мешалками, чередуются с расположенными горизонтально в шахматном порядке относительно оси экстрактора разделительными камерами с перегородками и уменьшающимся к периферии объемом, что может привести к ухудшению гидродинамической обстановке в экстракторе, нестабильной скорости потоков, повышению перепада давления в экстракторе. Интенсивность массообмена при противоточном контактировании фаз в этих аналогах, в отличие от предыдущего, обеспечивается за счет неоднократного чередования стадий смешения и промежуточного разделения фаз. Однако принятое в них многосекционное исполнение колонны с разными параметрами и разной ориентацией секций в пространстве усложняет их конструктивное построение и габариты.
Более компактное конструктивное построение имеет известный из описания к патенту RU 2438750 (публ. 2012 г.) экстрактор противоточных потоков фаз разной плотности, содержащий, как и предыдущие аналоги, корпус колонного типа с патрубками подачи и выдачи тяжелой и легкой фаз, размещенные внутри корпуса в чередующемся порядке секции диспергирования и смешения фаз и секции разделения фаз, выполненные с разными типами контактных устройств – диспергаторов в виде проволочных сит и разделителей в виде концентрически установленных относительно оси аппарата тонких кольцевых перегородок, образующих кольцевые каналы раздельного движения фаз: легкой – вверх, тяжелой вниз. Эффективный массообмен в нем обеспечивается в режиме равномерного распределения фаз, формирования умеренных скоростей потоков в экстракционной зоне и исключения вероятности хаотического перемешивания фаз, однако наличие закрепленного в крышке корпуса возвратно-поступательного механизма с электрическим приводом, служащего для передачи диспергаторам вибрации установленной частоты и амплитуды, усложняет и удорожает его конструкцию.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели определен несколько упрощенный жидкостный экстрактор (RU 159318U, публ. 2016 г.), в котором процесс экстракции проводится в стационарном режиме, без использования дополнительных механизмов для интенсификации массообмена.
Экстрактор – прототип содержит трубопроводы для подачи исходной смеси и экстрагента и отвода рафината и экстракта и представляет собой комбинацию из двух разнесенных в пространстве размещенных последовательно друг за другом экстракционных секций, одна из которых с насадочным контактным устройством размещена в трубопроводе подачи исходной смеси, куда одновременно подается и часть экстрагента, и предназначена для обеспечения предварительного массообмена легкой и тяжелой фаз путем их диспергирования и смешения. Из насадочной секции потоки поступают по трубопроводу во вторую секцию для финишного массообмена и разделения фаз, размещенную в отдельном корпусе, куда противотоком подается основная часть экстрагента. Прототип имеет сниженную эффективность и не пригоден для реализации в аппаратах промышленной производительности, т.к. принятое в нем размещение секции предварительного массообмена внутри подающего исходную смесь трубопровода, предшествующее (до входа в эту секцию) смешение исходной смеси с экстрагентом и выполнение контактного устройства финишной секции в виде хаотичной насадки ограничивают технологические возможности экстрактора из-за сниженной интенсивности предварительного массообмена, усложнения схемы подачи жидкостей, сниженного качества экстракции, что, в совокупности с пространственной компоновочной схемой, к тому же значительно снижает его рентабельность.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на разработку компактного, экономически рентабельного и эффективного экстрактора для систем жидкость – жидкость.
Технический результат, получаемый при реализации поставленной задачи, заключается в повышении интенсивности и качества массообмена.
Заявленный технический результат достигается тем, что в жидкостном экстракторе, содержащем корпус, снабженный штуцерами для подключения к трубопроводам подачи исходной смеси и экстрагента и отвода рафината и экстракта, а также две размещенные последовательно друг за другом экстракционные секции: одну, имеющую насадочное контактное устройство, предназначенную для обеспечения предварительного массообмена легкой и тяжелой фаз путем их диспергирования и смешения, и другую, предназначенную для финишного массообмена и разделения фаз, в отличие от прототипа, секция финишного массообмена выполнена с контактным устройством в виде комплекта ситчатых тарелок перекрестноточного типа, размещенных в корпусе секции ступенчато на расстоянии 0,15-0,6 м друг от друга с возможностью формирования горизонтальных каналов для потоков тяжелой фазы, контактное устройство секции предварительного массообмена представляет собой структурированную слоевую насадку, при этом обе секции размещены в общем двухступенчатом корпусе колонного типа с разновеликими диаметрами ступеней, причем секция предварительного массообмена размещена в нижней ступени корпуса, имеющей диаметр меньше, чем диаметр верхней ступени, в которой размещена финишная секция.
В частном случае реализации полезной модели отверстия в каждой ситчатой тарелке имеют диаметр 3-6 мм и размещены с межосевым шагом в диапазоне 12-20 мм.
На представленных чертежах: на фиг.1 дан общий вид предлагаемого жидкостного экстрактора, схема; на фиг.2 – ситчатая тарелка, вид в плане.
Корпус 1 колонного типа в предлагаемом экстракторе для систем жидкость – жидкость выполнен двухступенчатым, содержит штуцеры 2, 3, 4 для подключения к трубопроводам (не показаны) подачи рабочих жидкостей тяжелой фазы (ТФ) – экстрагента и легкой фазы (ЛФ) – исходного сырья, а также две размещенные в его нижней и верхней ступенях экстракционные секции, соответственно, 5 и 6. Экстракционная секция 5, предназначенная для обеспечения предварительного массообмена фаз жидкостей путем их диспергирования и смешения, размещена в нижней ступени корпуса 1, имеющей диаметр меньший, чем диаметр верхней ступени, в которой размещена секция 6 для финишного массообмена и разделения фаз. Нижний объем секции 5 и верхний объем секции 6 используются в качестве отстойных зон 7 и 8, соответственно, со штуцерами 9 для отвода экстракта и 10 для отвода рафината. Контактное устройство секции 5 выполнено в виде многослойной структурированной насадки 11, установленной с минимально допустимым зазором относительно внутренней стенки секции. Диаметр насадки 11 определяется в зависимости от производительности экстрактора, высота – от требований к качеству продуктов экстракции и выбирается из диапазона 3-4 диаметра внутренней поверхности корпуса секции 5.
Контактное устройство секции 6 представляет собой комплект перекрестноточных ситчатых тарелок 12, размещенных в корпусе секции ступенчато на расстоянии 0,15-0,6 м друг от друга с возможностью формирования горизонтальных каналов 13 для потоков поступающей через штуцер 2 ТФ. Крепятся тарелки на корпусе любым целесообразным образом, например, на опорных кольцах с помощью болтовых соединений (не показано). Размер отверстий в тарелках 12 и межосевой шаг их размещения назначаются исходя из условия требований по производительности экстрактора и физических свойств контактирующих жидкостей. Диаметры внутренних полостей секций и их габариты по высоте определяются в зависимости от рабочих параметров: поперечных сечений и высоты контактных устройств каждой секции, устанавливаемых для реализации назначения и служебных характеристик конкретного аппарата.
В работе экстрактора противоточное движение фаз осуществляется за счет действия естественных сил подъема и опускания одной жидкости в другой, обусловленных разностью плотностей фаз. ЛФ по штуцеру 4 и ТФ раздельно по двум штуцерам 2 и 3 в соотношении 0.4:0.6 от общего объема ТФ, обусловленного технологией, поступают в экстрактор непрерывными потоками одновременно и с помощью соответствующих распределителей (на чертеже условно не показаны) равномерно распределяются по внутреннему сечению корпуса 1.
В секцию 5 ЛФ подается снизу под нижний слой насадки 11 и за счет меньшей плотности она поднимается по насадке вверх. Противотоком ей ТФ, поступающая через штуцер 3 сверху на насадку 11, движется вниз. Потоки жидкости, проходя насадку 11, контактируют между собой, интенсивно диспергируются и перемешиваются за счет неоднократного усиления турбулентности потоков, обеспечиваемого многослойным построением насадки. Смесь потоков поднимается вверх и поступает далее в верхнюю секцию 6, а обогатившаяся распределяемым компонентом ТФ – вниз. Одновременно в секции 6 при контакте поступающих в нее противотоком навстречу друг другу – ТФ через штуцер 2 и ЛФ из секции 5 – происходит дополнительный (финишный) массообменный процесс между жидкостями. Контакт фаз в этой секции осуществляется в следующем порядке. Легкая жидкость (дисперсная фаза), проходя тарелки 12, накапливается в виде подпорного слоя под каждой тарелкой и диспергируется из этого слоя отверстиями тарелки со скоростью 0,15-0,3 м/с. ТФ горизонтальными потоками проходит сверху вниз по каналам 13 тарелок, контактируя с ЛФ, поступающей через отверстия в тарелках. Капли легкой жидкости, под действием подъемной силы движущиеся в сплошной фазе вверх, сливаются вновь в подпорном слое очередной тарелки. При выходе из секции 6 капли легкой жидкости поступают в зону отстоя рафината 8, где они сливаются в общий слой дисперсной фазы и выводятся через штуцер 10. Тяжелая фаза из секции 6, по окончанию массообмена с легкой фазой, поступает вниз в секцию 5, где после объединения с частью ТФ, поступающей через штуцер 3, и совместного участия в массообмене фаз, осуществляемом в насадке 11, поступает в нижнюю зону отстоя 7 и через штуцер 9 выводится в виде экстракта.
Таким образом, в предлагаемом экстракторе при экстракции ароматических углеводородов из стабильного катализата получение на выходе практически чистого рафината, содержащего не более сотых долей процента нежелательных компонентов, обеспечивается благодаря достижению повышенной интенсификации массообменного процесса между жидкостями в секции 5, в результате которого исходная смесь (ЛФ) освобождается от значительной доли (до 99,5%) экстрагируемых компонентов; плюс увеличенного времени эффективного контакта фаз по сечению тарелки за счет свободного стекания сплошной фазы – экстрагента (ТФ) и неоднократной финишной доочистки легкой жидкости в секции 6.
К тому же в нем, по сравнению с известными аналогами, обеспечивается:
снижение энергозатрат и конструктивное упрощение благодаря исключению энергетически емких дополнительных механизмов, используемых для интенсификации процесса;
снижение доли экстрагента в соотношении «экстрагент – исходная смесь»;
снижение металлоемкости экстрактора.