Тимонин А.С. - Инж-эко справочник т 2 (1044949), страница 113
Текст из файла (страница 113)
2.60. Центробежный экстрактор: 1 — вал; 2 — ротор; 3 — неподвижный корпус; 4 — псрфорированныс цилиндры; 5 — боковые стенки цилиндров; б — сальники моугольные отверстия. В последнем случае отверстия тарелок снабжены направляющими лопатками. Они создают наклонные каналы, проходя через которые, рабочие среды приобретают горизонтальную составляющую скорости движения.
Возникающее при этом поперечное перемешивание снижает отрицательный эффект поперечной неравномерности, предотвращая уменьшение эффективности массообмена с ростом диаметра аппарата. Подобные тарелки применяются и в пульсационных экстракторах. В отличие от ранее рассмотренных аппаратов эффективность массообмена в тарельчатых пульсационных экстракторах и в колоннах с вибрирующими тарелками с увеличением диаметра от 0,2 — 0,3 м до 1,5 — 2 и снижается незначительно.
Центробежные экстракторы (ЦЭ) представляют собой особую группу аппаратов, включающую в себя ряд существенно различающихся конструкций: вертикальные и горизонтальные, напорные и безнапорные, многоступенчатые экстракторы и др. Подробно они описаны в специальной литературе. В этих экстракторах дробление дисперсной фазы, противоточное движение и сепарация фаз происходят под действием цснтробежных сил, возникающих при быстром вращении ротора.
Простейший ЦЭ (рис. 2.60) представляет собой укрепленный на валу 1 ротор 2, размещенный в неподвижном корпусе 3 и состоящий из пакета перфорированных концентрически расположенных цилиндров 4, зажатых боковыми стенками 5. Подача и вывод фаз производятся через имеющиеся в валу 1 каналы. Герметичность достигается с помощью сальников 6. Тяжелая Часов ~'П. Основное ооорудование для очистки сточных вод фаза подается в центральную часть ротора, а легкая — в периферийную. Под действием центробежной силы жидкости движутся противогоком, диспергируясь при прохождении через отверстия цилиндров, контактируя и разделяясь в кольцевых каналах между ними, Тяжелая фаза отводится с периферии ротора, а легкая — вблизи его оси. Обе фазы удаляются через раздельные отводные каналы вала, Достоинства ЦЭ вЂ” компактность и сочетание высоких производительности и интенсивности массо- обмена; они особенно эффективны для жидкостных систем с небольшой разностью плотностей фаз.
ЦЭ отличаются малым временем пребывания фаз в аппарате, что обусловливает успешное их применение при обработке нестойких веществ, в частности в производстве антибиотиков. В то же время эти аппараты непригодны, когда требуется длительное время контакта фаз (например, при экстракции, лимитируемой недостаточно быстрой химической реакцией). В противоточной колонне поверхностью, перпендикулярной движению потоков фаз, является ее поперечное сечение; в ЦЗ вЂ” это поверхность цилиндра. Расстояние, проходимое фазами, в колонне определяется ее высотой, а в ЦЭ— его радиусом. Поэтому производительность ЦЭ увеличивается с ростом ширины ротора, а достигаемая степень извлечения (разделения)— с ростом его диаметра. Если в процессе экстракции требуется большое число теоретических ступеней разделения или большая поверхность межфазного кон- такта, применяют противоточный каскад центробежных экстракторов.
К недостаткам ЦЭ следует отнести сравнительно высокие капитальные и эксплуатационные затраты. 2.4.3. Расчет зкстоакииоииой установки (ио Ю.ХХ Дытиерскому и ГА. Ягодину) Основные условные обозначения: а — удельная поверхность контакта фаз; с — концентрация распределяемого компонента, кг/мз; Ы вЂ” размер капель; Ю вЂ” диаметр аппарата, коэффициент диффузии; Š— коэффициент продольного перемешивания; Н, — общая высота единицы перейоса; Н вЂ” высота рабочей зоны колонны; К вЂ” коэффициент массопередачи; и — число отверстий в распределителе дисперсной фазы, частота вращения; и, — общее число единиц переноса; à — объемный расход; и — фиктивная скорость; м~, — скорость свободного осаждения капель; р — коэффициент массоотдачи; ц — вязкость; р — плотность; Ьр — разность плотностей фаз; о — межфазное натяжение; Ф вЂ” удерживающая способность.
Индексы. х — фаза экстрагируемого раствора; у — фаза экстрагента; с — сплошная фаза; д — дисперсная фаза; 577 Глава 2. Оборудование длл физико-химических методов очистки н — начальный параметр (на входе в аппарат); к — конечный параметр (на выходе из аппарата). Экстракционные аппараты работают в условиях диспергирования одной из фаз. В экстракционных колоннах капли дисперсной фазы движутся под действием сил тяжести вверх или вниз, в зависимости от того, какая из фаз — дисперсная или сплошная — имеет меньшую плотность.
Для расчета экстракторов необходимо знать скорость осаждения капель. Зависимость скоростей свободного осаждения капель от их размера обычно имеет вид, показанный на рис. 2.61. Размер капель аг принято характеризовать диаметром сферы равновеликого с каплей объема. Как видно из рисунка, зависимость скорости свободного осаждения от размера капель имеет вид кривой с максимумом. Капли размером д > Ы называют «осциллирующими».
Форма их в процессе осаждения периодически претерпевает изменения. Скорость осаждения осциллирующих капель мало зависит от их размера. Рис. 2.61. Зависимость скорости свободного осаждения капель от их размера 578 Скорость свободного осаждения мелких капель можно рассчитать по уравнению Адамара: ~РБа (И, +И.) в' = ° (2.12) бц,(Зц, + Зц.) где м~, — скорость свободного осаждения; Ьр — разность плотностей фаз; ц, и и, — вязкости соответственно сплошной и дисперсной фаз. Уравнение (2.12) применимо при значении критерия Рейнольдса (Ке = ифр,/р,) для капель меньше единицы.
Для расчета скоростей свободного осаждения крупных капель можно использовать следующую эмпирическую зависимость: 9 = (0,75 У)'" при 2 с Т< 70; 9 = (22У)«л' при Т > 70, (2.13) где 1',1 = 0,75 + йе/Р'". Т = 4дррРР'"~Зо; Р = Р. ФМ~1~,) *' о — межфазное натяжение. Значение параметра Т = 70 соответствует критическому размеру капель. Капли более крупного размера являются «осциллирующими» При другом методе расчета принимается допущение о том, что капля ведет себя как твердая частица.
Тогда скорости осаждения капель следует рассчитывать по уравнениям для скоростей осаждения твердых частиц. Скорости стесненного осаждения капель в,. в экстракторах рассчитывают с помощью скоростей свободного осаждения, вводя поправочные коэффициенты. Чаще всего используют зависимость следующего вида. и',» = н. (1 - Ф), (2.14) Часть ГП, Основное оборудование дяя очиспнси сточных вод где Ф вЂ” объемная доля дисперсной фазы в рабочей зоне экстрактора (удерживающая способность).
Расчет предельных скоростей фаз в экстракторах обычно проводят на основе следующего уравнения: м,У(1-Ф)+ м,/Ф = и = и~„,р(1-Ф), (2.15) где ж, и ю — фиктивные скорости соответственно сплошной и дисперсной Фаз; в., — относительная скорость между фазами; ю„„— так называемая характеристическая скорость капель— предельное значение вертикальной составляющей скорости капель в экстракторе относительно сплошной фазы при расходах фаз, стремящихся к нулю. Если рассматривать уравнение (2.15) как зависимость (м, + в,) от Ф, она имеет максимум, прйчсм положение максимума обусловливает предельное значение суммарной фиктивной скорости фаз, при которой начинается захлебывание.
Суммарная фиктивная скорость при захлебывании определяется уравнением: (и, + ь,'), =(1-4Ф, +7Ф,' -4Ф')1е (2.16) в котором Ф, — удерживающая способность при захлебывании, равная Ф, =(~ГЬ'+ЗЬ -ЗЬИ4(1-Ь)), (2.17) где Ь = 1'/1' = в /в — соотношед с д е ние объемных расходов дисперсной и сплошной фаз. Применение уравнений (2.15) — (2.17) требует знания характеристической скорости. Для распылительных колонн ее можно принять равной скорости свободного осаждения капель. В экстракторах других типов она обычно меньше скорости свободного осаждения. Так, для роторно-дисковых экстракторов характеристическую скорость рассчитывают по уравнению: и„, = аю,.
(2.18) Коэффициент а равен наименьц~ей из следующих величин: (Ц+П,) где Ю, П„и П, — диаметр соответственно колонны, ротора и внутренний диаметр колец статора; Ь вЂ” высота секции. Для расчета характеристической скорости применяют эмпирические зависимости.
Например, для колонн с турбинными мешалками характеристическую скорость можно найти из уравнения: ю„,е = 1,77-10 — —, —, (2.19) ,о я Ьр ц, и'Е>„р, где и и ބ— частота вращения и диаметр мешалки. В насадочиых экстракторах капли дисперсной фазы двигаются в узких каналах внутри насадки, и стесненность осаждения обусловлена близостью стенок насадки, а ис наличием других капель. Поэтому величину и„в уравнении (2.15) можно считать независящей от удерживающей способности. В этом случае Фиктивные скорости Фаз при захлебывании должны удовлетворять следующей зависимости: (2.20) 579 Глава 2.
Оборудование длв физико-химических методов очистки Для насадочных колонн величину н можно найти по уравнениям: и =0,438 „„„при — '>50; рО.~а 1„222~~~,2~ (2.21) где е — свободный объем насадки; а„— удельная поверхность насадки; йри подстановке р, и Ьр в кг/м', а„— вм'/м',ц,— в Па с; о — в Н/м получают: и — в м/с. Для смесительно-отстойных экстракторов при достаточно интенсивнол1 перемешивании удерживающую способность можно принять равной Ф =Р((1'„+е;) Для противоточных колонн удерживающую способность определяют из уравнения (2.18), которое можно представить в виде: Ф -2Ф + 1+ — — — ' Ф- — =О 3 2 Ю, И~, М~„ И'„, И' И) или Ф' — 1+ — '- — '~Ф+ —" =О.
(2.22) Обычно экстракционные колонны работают в условиях, когда удерживающая способность равна наименьшему из положительных корней этих уравнений. Установлено, однако, что распылительные колонны могут работать при больших значениях Ф, соответствующих другим корням уравнения (2.22) (режим плотной упаковки капель). В экстракторах для диспергирования одной из фаз ее либо пропускают через тонкие отверстия, либо перемешивают с помощью мешалок или созданием пульсаций.
580 Первый способ применяют в распылительных, тарельчатых и наса- дочных колоннах, второй — в роторно-дисковых, пульсационных, вибрационных, смесительно-отстойных экстракторах. Истечение дисперсной фазы из отверстия может быть капельным (когда капли образуются непосредственно у отверстия) или струйным (когда капли образуются при распаде струи). Переход от капельного истечения к струйному происходит при некоторой критической скорости в отверстии, которую можно рассчитать по уравнению: е)2 д -О,г) — ' а (2.23) где а~„— диаметр отверстия; 2 =,/ 2оЩЬР). При капельном истечении размер образующихся капель можно определить из следующей зависимости: Р =Щ~(А)11+2,39В%е)а- -0,485 Ие, +19~Во(р,ы,„~сз)1 где Р = Ы'/бу' — безразмерный объем капель; А = Н./2у — безразмерный радиус отверстия; Же, =(р, +р,)Ы,нР22о' — критерий Вебера; н„— скорость в отверстии; функция /(Я) приведена на рис.
2.б2, Следует отметить, что в уравнении (2.24) выражение в квадратных скобках, определяющее влияние скорости истечения на размер капель, часто не очень сильно отличается от единицы. Если скорость в отверстиях неизвестна, то приближенное значение размера капель Часть ГП. Основное оборудование для очистки стояньос вод 0,8 07 531 0 04 08 12 18 Р Рис. 2.62.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
