Устройство экстракционных аппаратов

Аппараты для экстрагирования классифицируются по следующим признакам:

1) По виду источника энергии, используемой для диспергирования и перемешивания:

- с подводом внешней энергии;

- за счет собственной энергии потоков.

2) По виду сепарации фаз:

- гравитационные экстракторы;

- непрерывно действующие.

3) По организации процесса:

- периодически действующие;

- непрерывно действующие.

Рассмотреть: XIII–17 – смесительно-отстойные;

XIII–19 – распылительные колонны;

XIII–20 – полочные экстракторы;

без рис. – насадочные колонны;

XIII–21 – сетчатые колонны;

XIII–22 – роторно-дисковые экстракторы;

- с мешалками;

XIII–24 – пульсационные;

XIII–25 - центробежные.

Расчет экстракторов

Производительность экстракционных аппаратов определяют, исходя из определенной производительности, соответствующей точке захлебывания.

Производительность в точке захлебывания можно найти по максимальной задержке дисперсной фазы Х₃ и по характеристической скорости капель, равной средне скорости свободного осаждения капель в непрерывной сплошной среде w₀. Эти величины связаны с фиктивными, отнесенными к полному сечению колонны расходами дисперсной V_д и сплошной V_с фазами следующей зависимость:

,

ε – доля объема, доступного для прохода жидкости от общего V колонны.

При захлебывании Х₃→max, поэтому определив , выведем:

Т.о., определяют .

Рабочую скорость принимают w=0,6-0,8 .

Определяют число единиц переноса, высоту единиц переноса, коэффициенты массоотдачи.

Определяют высоту и диаметр аппарата.

Адсорбция

Понятия и термины

Адсорбция – процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом-адсорбентом. Поглощаемое вещество называется адсорбатом или адсорбтивом.

Адсорбция – процесс чаще всего обратимый, при адсорбции выделяют поглощенные вещества или для их дальнейшей переработки, или с целью регенерации поглотителя.

Адсорбция применяется при небольших концентрациях поглощаемого вещества в исходной смеси, когда требуетя достичь практически полного извлечения адсорбтива. (Если концентрация велика, выгоднее использовать абсорбцию).

Примером адсорбционных процессов является: очистка и осушка газов, осветление растворов, разделение газов и паров. Процессы адсорбции сопутствуют катализу.

Различают физическую и химическую адсорбцию.

Физическая адсорбция – обусловлена действием сил Ван-дер-Ваальса и не сопровождается химическим взаимодействием адсорбента с адсорбтивом.

Хемосорбция – процесс, при котором между адсорбентом и адсорбтивом протекает химическое взаимодействие.

При поглощении паров адсорбция иногда сопровождается заполнением пор адсорбента жидкостью, образующейся в результате конденсации паров. Это явление называется капиллярной конденсацией.

Характеристики адсорбентов

Адсорбенты – это твердые тела с развитой поверхностью.

Для характеристики адсорбентов используют следующие параметры:

1. Адсорбционная способность (активность) – количество адсорбтива, поглощаемое единицей массы или объема адсорбента. Ее величина зависит для конкретного вещества от Р и Т процесса концентрации вещества в инертном газе. Максимально возможная для данных условий поглотительная способность адсорбента называется равновесной (статической) активностью.

2. Плотность адсорбента – истинная ρ_и, кажущаяся ρ_к,насыпная.

3. Пористость – доля объема пор, выраженная в процентах .

4. Суммарный объем пор: .

5. Удельная поверхность – площадь поверхности в единице объема или массы сорбента.

6. Средний диаметр пор: .

По диаметру поры условно делят на 3 группы:

- макропоры >2∙10^-4 мм;

- переходные 6∙10^-6…2∙10^-4 мм;

- микропоры 2∙10^-6…6∙10^-6 мм.

По виду преобладающих пор подразделяют адсорбенты.

В промышленности широко применяют активированные угли, силикагель, цеолиты, синтетические иониты, а также их модификации.

Равновесие при адсорбции

Количество вещества, адсорбированное единицей массы или объема данного поглотителя при достижении состояния равновесия, зависит от концентрации поглощаемого вещества в паро-газовой смеси, а также от давления и температуры.

.

Адсорбция сопровождается уменьшением давления пара, поглощаемого компонента в исходной смеси и выделением тепла. Поэтому согласно принципу Ле-Шателье, адсорбционная способность увеличивается с повышением давления и понижением температуры.

Для характеристики равновесия используют изотермы и изобары адсорбции:

Изотермы адсорбции определяются опытным путем. Вид изотерм зависит от свойств адсорбента, адсорбата и температуры процесса. Наиболее распространены 5 типов изотерм.

Наиболее распространенной является S-образная изотерма.

Для описания изотерм в настоящее время используют несколько теорий адсорбции и выведенных на их основе уравнений.

1. Изотерма адсорбции Генри.

- начальный участок изотермы, при малых концентрациях в газе (I).

2. Изотерма Ленгмюра.

- заполнение монослоя, адсорбция газов (II).

3. Изотерма адсорбции БЭТ (Брунауэра, Эммета, Тейлора) – полимолекулярная адсорбция, адсорбция паров (III).

.

Для микропористых сорбентов используют теорию объемного заполнения пор Дубинина.

Для построения изотермы адсорбции пара по изотерме пара стандартного вещества используют потенциальную теорию Эйкена и Поляни.

Скорость адсорбции

Характер протекания процесса адсорбции во времени зависит от того, протекает ли процесс периодически или непрерывно.

Непрерывные процессы мало отличаются от других процессов с участием твердой фазы, периодические имеют ряд специфических особенностей.

Рассмотрим адсорбцию в неподвижном слое адсорбента.

Пусть начальная концентрация адсорбтива равна нулю, а поток можно считать движущимся с идеальным вытеснением. С₀ – начальная концентрация абсорбата. Через некоторый промежуток времени лобовой или фронтальный участок слоя адсорбента «насытился» до состояния, близкого к равновесному, и поток бы проскакивал этот участок без изменения концентрации. Зона поглощения переместилась бы в следующие участки.

Если бы скорость массопередачи была бесконечно большой, то адсорбция последующих слоев происходила бы после полного насыщения предыдущих. Этого не происходит, и распределение адсорбтива по высоте слоя происходит плавно, образуя при этом фронт адсорбции. Изменение фронта иллюстрирует график кривых распределения относительной концентрации адсорбента в газе (растворе) по длине неподвижного слоя адсорбента, рассматриваемые в промежутки времени τ₁, τ₂, τ₃ < τ_i от начала процесса.

Через некоторое время (τ₃) профиль фронта адсорбции становится практически неизменным. Период τ₃ называют периодом формирования лобового фронта адсорбции τ_ф.

При τ > τ_ф начинается период параллельного переноса стационарного фронта адсорбции с некоторой постоянной скоростью.

Когда газ выходит из слоя сорбента с содержанием адсорбата, достигнутым для определения, завершается время защитного (адсорбционного) действия слоя.

Эта модель периодической адсорбции была разработана Шиловым и называется моделью послойной фронтальной отработки слоя адсорбента.

Средняя концентрация адсорбтива во всем слое адсорбента, достигнутая к моменту проскока адсобтива, называется динамической активностью слоя сорбента. Она может быть выражена временем от начала поглощения до момента проскока.

Участок слоя сорбента , на котором происходит падение концентрации от С₀ до 0 (или концентрация «проскока»), называют работающим слоем или зоной массопередачи.

Эта модель относится к адсорбентам с вогнутой к оси абсцисс изотермой.