Диссертация (Экстракционно-хроматографическое разделение жидких смесей в противоточно-циклическом режиме контакта фаз), страница 2

Для этого в работе9использованамодифицированнаямодельравновесныхступеней,учитывающая влияние продольного перемешивания и массообмена напроцессразделения.Рассмотренодварежимаподачиваппаратразделяемой смеси: 1) кратковременный (импульсный) ввод смеси и 2)длительный ввод смеси, когда подлежащая разделению смесь компонентоввводится с одной из фаз в течении определенного времени, непревышающего продолжительность стадии движения этой фазы вначальном цикле процесса.В третьей главе работы проведен анализ математической моделиэкстракционно-хроматографического разделения смеси компонентов впротивоточно-циклическом режиме при периодической подаче смеси втечении определенного времени (ts) с потоком одной из фаз в каждомцикле процесса.Данный процесс можно реализовать в двух вариантах:1) Продолжительность полупериодов движения фаз сохраняетсяпостоянной во всех циклах процесса:const;t jx  x = = const; jy = y = const; jx = t x =t jy t y= = const.

При таких условиях проведения процесса черезнекоторое количество циклов достигается квазистационарное состояние:распределение концентраций, устанавливающееся в аппарате (каскадеступеней) в конце каждого полупериода, а также профили выходныхконцентраций в фазах становятся постоянными. Этот режим процесса,отличается высокой производительностью. В таком режиме можноразделять и многокомпонентные смеси.2) Продолжительность полупериодов движения фаз меняется(регулируется) от цикла к циклу. Процесс является нестационарным, и втаком режиме можно не только разделять смеси, но и проводитьконцентрирование целевых компонентов.В работе рассматривается первый стационарный вариант процесса.Процесс начинается с подачи раствора смеси в фазе растворителя «х».10Используя зависимости, приведенные в работе, проведено численноеисследование процесса.В главе 4 приведены результаты теоретического анализа иэкспериментальногоисследованияпроцессаразделениясмесейкомпонентов в противоточно-циклическом режиме с подачей питания всреднююзонумногоступенчатойустановки.Даноматематическоеописание процесса для двух режимов подачи в аппарат разделяемой смеси:1) импульсный ввод смеси; 2) длительный ввод смеси, когда смеськомпонентов вводится с одной из фаз в течении определенного времени,не превышающего продолжительность стадии движения этой фазы вначальном цикле процесса.111.

Литературный обзор1.1. Разделение веществ методами противоточной жидкостнойэкстракцииПроцессы разделения широко распространены в химической исвязанной с ней отраслях промышленности. Они различаются агрегатнымсостоянием,характероммассообмена,наличиемсмежныхилипараллельных процессов.

Так, процесс жидкостной экстракции, по целомуряду параметров, подобен процессам ректификации. Главным отличиемпроцесса экстракции от ректификации является то, что разделениекомпонентов смеси происходит не за счет разницы в температурахкипения, а за счет их различного распределения между двумя жидкимифазами. Это позволяет разделять термолабильные вещества, такие какфармацевтические препараты. Кроме того, при проведении экстракцииможно подобрать высокоселективный растворитель, который позволитдостичь лучшего разделения по сравнению с другими массообменнымипроцессами.Экстракциявыгоднееректификацииприразделениивысококипящих и близкокипящих смесей, и при должном подборерастворителейразделяетдажеазеотропы.Весьмаперспективноприменение экстракции при разделении фармацевтических и пищевыхпродуктов, редкоземельных элементов, ряда редких и цветных металлов.Широкое применение экстракция впервые получила в нефтехимиидля выделения ароматических веществ, а в середине 20 - го векаэкстракция развивалась бурными темпами благодаря использованию вядерной технологии.Все процессы экстракции обязательно включают две операции:перемешивание и разделение фаз.

На стадии смешения исходного растворас экстрагентом происходит образование гетерогенной двухфазной смеси:одна из фаз распределена в другой в форме капель. На стадии разделениясмеси, путем отстаивания, производят сепарацию и отвод фаз рафината и12экстракта. Затем следует стадия выделения целевых компонентов изэкстракта, а также процесс выделения экстрагента из рафината. Чаще всегодля выделения целевых компонентов применяют ректификацию илиотгонку с водяным паром; также соответствующие компоненты выделяютпутем реэкстракции.Для выделения, очистки и разделения веществ применяют различныесхемыжидкостнойэкстракции.Впромышленностинаибольшеераспространение получила многоступенчатая противоточная экстракция.При такой схеме проведения процесса значительно сокращается расходэкстрагента и повышается селективность и степень извлечения целевогопродукта.Подбор экстрагента является одним из определяющих факторовуспехапроцессаэкстракции.Оптимальнымявляетсяэкстрагент,обеспечивающий минимум капитальных затрат как на стадии экстракции,так и на стадии регенерации экстрагента.

Основными требованиями к немуявляются:- Минимальная взаимная растворимость (в идеале – полнаянерастворимость) с водной фазой (исходным раствором). Часто влабораторной практике предварительно производят смешивание фаз додостижения полного взаимного насыщения.- Высокая селективность.- Высокий коэффициент распределения и большая емкость.Эти показатели влияют на работу как стадии смешивания, так истадии разделения. [1]Основным термодинамическим параметром в процессах жидкостнойэкстракции является коэффициент распределения =равновесныеконцентрацииизвлекаемогосоответственно, рафината и экстракта., где x и y –компонентавфазе131.1.1.

Многоступенчатые процессы противоточной жидкостнойэкстракцииСуществуют различные методы экстракции, такие как однократная,порционная и противоточная. Последний из методов является самымраспространённым и широко применяется в промышленности, в частности,в нефтехимии, производствах основного органического синтезаигидрометаллургии. Процесс реализуется в колонных аппаратах или вкаскадахсмесителейотстойников.Схемамногоступенчатойпротивоточной экстракции показана на рис. 1.1. Смесительно-отстойныеэкстракторы применяются для процессов, требующих большое количествотеоретическихступеней.Характернойособенностьюсмесительно-отстойных аппаратов является тонкое дробление дисперсной фазы,благодарякоторомуидостигаетсяраспределениеконцентрацийпереходящего компонента в ступенях близкое к равновесному.Рис.

1.1. Схема многоступенчатой противоточной экстракцииВ каскаде смесительно-отстойных экстракторов создаются условиядостаточно близкие к идеальным(когда каждый аппарат можнорассматривать как равновесную ступень), и выходные концентрации врафинате и экстракте определяются зависимостями [1]:Xxf N  f N 1,xf1  f N 1(1.1)Yy Fx (1  X ) ,x f Fy(1.2)14где:f Fx– фактор экстракции;K D FyFx и Fy – расход потоков фаз рафината и экстракта, соответственно;N = число ступеней в каскаде аппаратов;xf – концентрация в потоке питания (в исходном растворе);X yx,и Y – безразмерные концентрации в фазах;xfxfОтметим, что формула (1.1) справедлива для условий, когдаизотермаэкстракцииописываетсяпрямолинейнойзависимостьюK D  x  const .y1.1.2.

Циклические процессы противоточной жидкостнойэкстракцииВ 60-70-е годы прошлого века был предложен циклический режимпроведения процессов противоточного массообмена [2-13]. Сущностьданного метода можно описать как поочередную подачу контактирующихфаз (в таких процессах как, например экстракция, ректификация,абсорбция и прочих) через контролируемые промежутки времени. Этоприводилокпродольноеупорядочиванию движенияперемешивание,атакжеих по колонне,повышалоснижаядвижущуюсилумассообмена за счет увеличения разности концентраций. Увеличениепроизводительности происходило за счет того, что единовременноподавалась только одна фаза, и ее сопротивление меньше чем придвижение в противотоке [2].Первоеуспешноеприменениециклическогометодабылоиспользовано для работы ситчатой экстракционной колонны, с помощьюклапанов установленных на входе и на выходе с регулируемым временныминтервалом.

Было показано, что применение циклического метода15приводит к значительному увеличению эффективности разделения иувеличению производительности при тех же параметрах аппарата.В работе [3] было теоретически предсказано, что применениециклическогорежимаприводитк2-хкратномуувеличениюэффективности по сравнению с обычным режимом проведения процессапротивоточной экстракции:f 2 N  f 2( N 1)X  x xf1  f ( N 1)(1.3)Однако стоит отметить, что в данной работе не было учтено осевоеперемешивание и вывод о том, что при переходе к циклическому режимуэффективность колонны, оцениваемая числом теоретических ступеней,должна удвоиться, применим только для аппарата Крейга [14, 15], вкотором отдельные порции фаз после контактирования полностьюпереходят в следующую ступень, не смешиваясь с предыдущей порцией.Анализ процесса циклической противоточной экстракции с учетомосевого перемешивания в каскаде равновесных ступеней проведен в работе[16].

На рис. 1.2представлена схема модели такого циклическогопроцесса, каждый цикл которого состоит из двух полупериодов:полупериод движения фазы рафината и полупериод движения фазыэкстракта.xн, Fx012kk+1nxn, Fxkk+1nFyay0, Fy012k-1бРис. 1.2. Схема модели циклического процесса противоточнойэкстракции в каскаде равновесных ступеней16Математическая модель процесса представлена следующей системойуравнений [16]:Стадия движения потока фазы рафината (рис. 2а):vx dx0 vy dy0 (vx  mvy ) dx0 Fx x f  Fx x0 ,N d N dNd(1.3)vx dxk v y dyk (vx  mvy ) dxk Fx xk 1  Fx xk , k = 1, 2, .