Семакина О.К. Машины и аппараты химических производств. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

Уменьшение свободного объема насадки:

bГS

, (2.11)

где Г=L/F – плотность орошения колонны, м

/(м

.с);

L – количество стекающей по колонне жидкости, м

/с;

F – площадь сечения колонны, м

;

3,0

7,23

– постоянный коэффициент;

жн

, (2.12)

где

– массовая скорость жидкости, кг/(м

.с).

2.3. Экстракционные аппараты для систем

жидкость-жидкость

Жидкостную экстракцию, т.е. процесс разделения жидких компонентов

с помощью жидкого растворителя (экстрагента), широко применяют в про-

цессах переработки нефти, для разделения ароматических углеводородов и

редкоземельных элементов и др. Процесс экстракции осуществляется в аппа-

ратах, называемых экстракторами.

Экстракторы подразделяются на гравитационные, в которых взаимное

движение фаз осуществляется за счет сил гравитации и центробежные, где

взаимодействие и сепарация фаз обусловлены полем центробежных сил.

2.3.1. Колонные (гравитационные) экстракторы

Колонные экстракторы для системы жидкость–жидкость разделяют на

аппараты без подвода энергии и с подводом энергии. К первым относятся:

распылительные, насадочные, ситчатые экстракторы; ко вторым – смеси-

тельно-отстойные, роторные, пульсационные, вибрационные и др.

Распылительные экстракционные аппараты представляют собой по-

лые колонны, в которых одна из фаз движется сплошным потоком, а другая –

в виде капель. Эти аппараты просты по конструкции, но малоэффективны.

Насадочные колонны по конструкции аналогичны насадочным колон-

нам для процессов ректификации и абсорбции. В качестве насадки в них ис-

пользуют преимущественно кольца Рашига.

Ситчатая экстракционная колонна (рис. 2.19) имеет вертикальный ци-

линдрический корпус 1 и перфорированные (ситчатые) тарелки 2, снабжен-

ные переливными устройствами 3. Колонна работает следующим образом.

Тяжелая фаза ТФ через штуцер 4 подается непрерывно в колонну, сплошным

потоком опускается по колонне и удаляется через штуцер 7. Легкая фаза ЛФ

непрерывно поступает через штуцер 6 в колонну под нижнюю тарелку 2.

Пройдя через отверстия тарелки, эта фаза диспергируется и в виде капель

поднимается на следующую тарелку. В верхней части дисперсная фаза коа-

лесцирует в сплошной слой, образуя уровень раздела фаз а и удаляется через

штуцер 5. В процессе образования капель и их движения осуществляется

процесс массообмена.

Из аппаратов, работающих с подводом энергии, выделим, прежде все-

го, роторные экстракторы.

Одной из первых конструкций роторных экстракторов является колон-

на Шайбеля (рис. 2.20), состоящая из чередующихся смесительных 1 и от-

стойных 2 секций. Для перемешивания в смесительных секциях размещены

закрепленные на валу мешалки 3. Отстойные секции заполнены насадкой

(плетеной сеткой с крупными ячейками).

Рис. 2.20. Экстракционная

колонна Шайбеля

Рис. 2.19. Ситчатая экстракци-

онная

колонна

В конструкции, показанной на рис. 2.21, а, смесительная секция I изо-

лирована от отстойной секции II горизонтальными статорными кольцами 1.

В более поздних конструкциях колонн Шайбеля (рис. 2.21, б) перемешивание

фаз осуществляется турбинными мешалками 1 в зоне между неподвижными

кольцевыми перегородками 2 и слоем проволочной сетки 3.

Роторно-дисковый экстрактор (рис. 2.22) представляет собой колонну,

по оси которой установлен ротор в виде вертикального вала 1 с круглыми го-

ризонтальными дисками 2. Диски вращаются в полости секции, образован-

ной закрепленными на корпусе статорными кольцами 3. Ротор приводится во

вращение от электропривода 4. ЛФ вводится в аппарат снизу, а тяжелая

фракция – сверху.

Под действием вращающихся дисков фазы в секциях совершают слож-

ное циркуляционное движение, при котором совмещены радиальное и осевое

движение жидкости. Дисперсная и сплошная фазы движутся противотоком.

Капли дробятся дисками, отбрасываются на периферию колонны, сталкива-

ются со стенками колонны и между собой одновременно с дроблением ка-

пель происходит и их коалесценция.

Рис. 2.21. Экстракционные

колонны с ме-

шалками

Рис. 2.22. Роторно-

дисковый

экстрактор

В пульсационных экстракторах интенсификацию массообмена между

контактирующими фазами обеспечивают сообщением им колебательного

движения определенной амплитуды и частоты. Независимо от типа насадки

экстракционную колонну в этом случае снабжают генератором пульсаций

Рис. 2.23. Экстракционная уста-

новка

с пневматической системой

пульсации

Рис. 2.24. Вибрационный

экстрактор

(пневматическим, механическим и др.). Так, в установке с пневматической

пульсацией (рис. 2.23) воздух или инертный газ от компрессора 2 через ре-

сивер 5 и распределительный механизм 3 поступает в пульсационную камеру

1 экстрактора 4. При прямом импульсе уровень жидкости в пульсационной

камере снижается, вследствие чего жидкость в колонне поднимается. При

обратном импульсе камера соединяется с атмосферой, и жидкость в колонне

опускается. В аппаратах этого типа не требуется устанавливать переливные

устройства на тарелках, т.к. при подъеме столба жидкости в колонне через

отверстия тарелки проходит легкая фаза ЛФ, а при опускании - ТФ.

В пульсационных экстракторах используют обычно ситчатые тарелки,

а также тарелки типа КРИМЗ. Последняя более эффективна и представляет

собой плоский диск, на котором отштампованы прямоугольные отверстия с

отбортовкой в виде наклонных направляющих лопаток. Отверстия размеще-

ны по концентрическим окружностям, причем лопатки соседних тарелок на-

клонены в противоположные стороны.

В вибрационных экстракторах эффективный массообмен обеспечива-

ется возвратно-поступательным движением пакета перфорированных таре-

лок, через которые жидкость проталкивается в виде распадающихся на капли

струй. В отличие от пульсаций столба жидкости, вибрация тарелок происхо-

дит с меньшей амплитудой и большой частотой.

На рис. 2.24 показан вибрационный экстрактор. ТФ и ЛФ движутся

противотоком. В верхней части колонны 1 размещен электропривод 4 с экс-

центриком 5. При вращении вала эксцентрик передает возвратно-

поступательное движение штоку 2, с которым жестко соединены перфориро-

ванные тарелки 3.

2.3.2. Центробежные экстракторы

Являются перспективным оборудованием для проведения процессов

жидкостной экстракции. Поскольку ускорение генерируемого в них центро-

бежного поля превышает ускорение свободного падения в 10

–10

раз, в этих

экстракторах достигается большая скорость взаимодействия жидкостей, вы-

сокая эффективность массообмена и четкая сепарация выходных потоков.

В связи с этим такие аппараты компактны, в них невелики объемы жид-

костей, минимальна пожаро- и взрывоопасность, невелико время контакти-

рования. Они используются при обработке нестойких, легко эмульгируемых

жидкостей, а также для смесей компонентов с мало отличающимися плотно-

стями.

Центробежные экстракторы можно разделить на две основные группы:

– камерные или дискретно-ступенчатые, состоящие из отдельных

ступеней (камер), в каждой из которых происходят последовательно смеше-

ние и разделение противоточно движущихся фаз;

– дифференциально-контактные, в которых процесс протекает при

непрерывном контактировании противоточно движущихся фаз.

Примером безнапорного экстрактора дифференциально-контактного

типа может служить центробежный экстрактор (рис. 2.25), разработанный

для селективной очистки смазочных масел. Аппарат состоит из цилиндриче-

ского ротора 2, заключенного в кожух 1 и опирающегося на подшипники 4.

Вал 3 ротора приводится от электродвигателя через клиноременную переда-

чу 5. На обоих концах вала расположены устройства 6 подвода жидкости.

Внутри ротора с переменным шагом размещены контактные цилиндры 11.

Ротор закрыт кожухом 12.

Тяжелая ТФ и легкая ЛФ фазы жидкости самотеком через устройства 6

поступают в полый вал, откуда под действием центробежных сил перемеща-

ются: ЛФ – по радиальным каналам в диске 9 к периферии ротора, а ТФ – к

первому от оси аппарата контактному цилиндру. ЛФ сплошным потоком пе-

ремещается из периферийной зоны к центру аппарата, попадает в приемный

карман 13 и заборным диском 14 удаляется из аппарата. ТФ, диспергируясь

при истечении из отверстий вала 3, перемещается к стенкам контактного ци-

линдра. На периферии ротора дисперсная фаза сепарируется на тарелках 10,

коалесцирует, образует сплошной слой и отводится по каналам в диске 9 в

приемный карман

(образованный крышкой 8) для ТФ, откуда удаляется

заборным диском 7.

Рис. 2.25. Безнапорный центробежный экстрактор

2.4. Механический расчет тарелок

Механический расчет тарелок в зависимости от их конструкции вклю-

чает:

– расчет диска и опорного каркаса на прочность и жесткость;

– проверку контактных устройств на жесткость;

– расчет на прочность колосников для тарелок под насадку.

Диск тарелки бескаркасного типа можно рассматривать как тонкую

круглую пластину, опертую по контуру и нагруженную равномерной нагруз-

кой от собственного веса и веса жидкости. В этом случае толщину диска оп-

ределяют по формуле:

DS 56,0

, (2.13)

где

– расчетная толщина пластины, м;

– диаметр пластины, м;

– равномерная нагрузка или давление, Па;

– допускаемое напряжение, МПа.

Прогиб в центре тарелки:

08,4

, (2.14)

где – прогиб в центре пластины, м;

– радиус пластины, м;

- цилиндрическая жесткость, Н

м;

)1(12

)(

, (2.15)

где

– модуль продольной упругости, материала пластины, МПа;

– коэффициент Пуассона (для стали =0,3).

Величина прогиба диска тарелки не должна превышать 1/2000 ее диа-

метра.

Каркас тарелки рассчитывают на нагрузку от веса тарелки

, веса

жидкости или насадки

, которые находятся на тарелке, и собственного ве-

са балок каркаса (рис. 2.26). Нагрузка на каркас определяется по формуле

нт

QQQ

. (2.16)

Удельная нагрузка на единицу площади тарелки:

. (2.17)

Рис. 2.26. Схема каркаса тарелки Рис. 2.27. Схема нагружения балки

Нагрузки на площади

,…,

, ограниченные по контуру опорными

балками и кольцом:

pFQ

и т. д.

Удельную нагрузку, приходящуюся на единицу длины балок, рассчиты-

вают из условия равномерного распределения нагрузок (

,QQ

и т.д.) по их

опорным периметрам, т.е.

cabcab

eafecfac

и т. д.

Суммарные удельные, равномерно распределенные нагрузки на от-

дельные участки балки

с учетом нагрузки от собственного веса балки

можно подсчитать по формулам:

б41

qqqq

б52

qqqq

б63

qqqq

Кроме равномерно распределенной нагрузки, на центральную балку

действуют сосредоточенные силы в местах крепления боковых балок в точ-

ках

(рис. 2.27)

сdqqqacqqqG

c б54б21

;

fqqqqefqqqG

f б65б32

где

- удельная, равномерно распределенная нагрузка от собственного

веса боковых балок.

Каркас тарелки должен придавать ей необходимую жесткость. При не-

достаточной жесткости балок каркаса гидравлические затворы прорезей кон-

тактных устройств в центре тарелки будут больше, чем у периферии. Это

приведет к нарушению равномерности барботажа. В связи с этим максималь-

ный прогиб балок каркаса должен быть не более 1/2000 ее пролета и не более

3 мм. При расчете балок следует подбирать необходимый профиль с учетом

прибавки на коррозию.

2.5. Расчет опорной обечайки

Расчет опорной обечайки (рис. 2.28) цилиндрических аппаратов вклю-

чает:

– выбор размеров площади опорной поверхности фундаментного коль-

ца и проверку фундамента на напряжение сжатия, возникающие на опорной

поверхности;

– определение толщины фундаментного кольца и других элементов

опоры;

– расчет аппарата на устойчивость против опрокидывания (выбор числа

и размеров фундаментных болтов);

– расчет сварного шва 2, соединяющего опорную часть 3 с аппаратом;

– проверку устойчивости цилиндрической формы стенки опорной час-

ти аппарата.

Максимальное напряжение на опорной поверхности фундаментного

кольца при максимальном весе

max

и при рабочем весе

аппарата и со-

ответствующих изгибающих моментах

от действия ветровых и весовых

сил:

max

; (2.18)

max

, (2.19)

где

DDF

– опорная площадь фундаментного кольца, м

;

где

– внутренний диаметр опорного фундаментного кольца, м;

– наружный диаметр, м.

100

32 D

– момент сопротивления изгибу опорной площади

фундаментного кольца, м

;

Для цилиндрических аппаратов внутренний и наружный диаметры

фундаментного кольца обычно принимают равным, соответственно:

)65,01(

oн1

kDD

;

)35,11(

oн2

kDD

где

– коэффициент, определяемый графически и зависящий от

диаметра аппарата;

– наружный диаметр аппарата, м.

Рис. 2.28. Схема к расчету напряжений на опорной

поверхности аппарата при весе аппарата:

а – минимальном; б – максимальном.