CC BY
129
УДК 66.02
Д. И. Поникарова, А. А. Салин, Н. С. Гришин
СПОСОБЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ АППАРАТОВ ДЛЯ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ЭКСТРАКЦИИ
Ключевые слова: центробежная экстракция, оптимизация аппаратов.
В данной статье приведен обзор центробежных экстракторов различных конфигураций, отмечены их достоинства и недостатки. Отмечено, что, несмотря на разнообразие видов экстракторов в научной литературе представлено мало обобщенных исследований по оптимизации. Предложены способы повышения эффективности и производительности существующих конструкций.
Keywords: centrifugal extraction, devices optimization.
This article provides an overview of the centrifugal extractors of different configurations , their advantages and disadvantages . It is noted that, despite the variety of extractors kinds in the scientific literature presents few generalized studies on the optimization. The methods of improving the efficiency and performance of existing structures are proposed.
Введение
Развитие методов разделения и очистки веществ мотивировано потребностями нефтяной, химической и фармацевтической промышленности. Одним из перспективных методов разделения смесей является экстракция.
В настоящее время разработано множество конструкций экстракторов, применяемых в различных отраслях промышленности, что объясняется разнообразием видов используемого сырья и различными технологическими требованиями, предъявляемыми к процессу экстракции. Выбор оптимальной конструкции аппарата для определенных процессов химической, нефтехимической промышленности должен основываться на сравнении технико-экономических показателей экстракторов с его производительности, степени разделения, а также различного рода затрат на его изготовление, эксплуатацию и обслуживание.
Краткая классификация экстракторов
Экстракционные аппараты, используемые в химической отрасли промышленности можно условно разделить на несколько групп: дифференциально-контактные, ступенчатые и конструкции, занимающие промежуточное положение. К первой группе относятся, как правило, колонные аппараты, которые выделяются постоянным контактом фаз и плавным изменением концентрации извлекаемого компонента по высоте аппарата. Компактность, вследствие вертикального расположения, позволяет использовать их в условиях ограничения производственных площадей, но в результате продольного перемешивания, обусловленного осевыми конвективными потоками, турбулентными пульсациями и застойными зонами, возможно снижение средней движущей силы.
Многоступенчатые экстракторы обычно представляют собой вертикальные колонны, разделённые различными контактными устройствами на секции или так называемые теоретические ступени, на каждой из которых происходит многократное перемешивание исходного раствора и экстрагента и их расслаивание. Эффективность этих аппаратов оценивается КПД отдельных ступеней или высотой аппарата, эквивалент-
ной одной ступени равновесия — теоретической тарелке.
По типу проведения процесса экстракторы можно разделить на аппараты периодического и непрерывного действия. В экстракторах периодического действия процесс обычно осуществляется в неподвижном слое, в котором с течением времени изменяются скорость фильтрации экстрагента, пористость и перепад давления, создающий движущую силу. Нередко, для повышения скорости фильтрации экстракта увеличивают перепад давления в аппарате, что, в свою очередь, приводит к сжатию слоя материала в аппарате и ухудшению фильтрации. Чрезмерное увеличение перепада давления может привести к прекращению фильтрации экстракта в слое. Такое же явление наблюдается и в аппаратах непрерывного действия вертикального типа без использования специальных транспортирующих устройств.
К устройствам, занимающим промежуточное положение между ступенчатыми аппаратами и аппаратами дифференциально - контактного типа относят центробежные экстракторы, в которых перемешивание с последующим разделением фаз, происходит под действием центробежных сил. Как правило, ротор экстрактора представляет собой набор перфорированных цилиндров, спиральных лент и т.д. Через контактные устройства, увеличивающие поверхность контакта фаз, к периферии от центра перемещается более тяжелая фаза, а более легкая фаза - в обратном направлении, таким образом, экстрагент и исходный раствор перемещаются навстречу друг другу. Диспергирование фаз (и редиспергирование при условии рециркуляции) -при прохождении через контактные устройства.
Центробежные экстракторы
Среди аппаратов для проведения центробежной экстракции выделяют дискретно-ступенчатые (или камерные) и дифференциально-контактные. Дискретно-ступенчатые состоят из отдельных рабочих объемов, в каждом из которых фазы, движущиеся противотоком, сначала перемешиваются, затем разделяются. В данном случае массообменный
процесс протекает в условиях близких к постоянному контакту перемещающихся навстречу один другому потоков фаз; направление движения определяется каналами, образованными внутренними устройствами ротора.
Центробежные экстракторы отличаются значительной производительностью (расход потоков может составлять несколько сотен м3/ч) и высокой эффективностью (малым количеством теоретических ступеней), а также малой продолжительностью контакта фаз, в результате чего в аппарате массообмен-ные процессы протекают весьма интенсивно. Перечисленные достоинства позволяют применять данные аппараты при производстве неустойчивых соединений, при работе с радиоактивными растворами и стойкими эмульсиями, и при разделении систем, компоненты которых обладают близкими значениями плотности.
Центробежные экстракторы целесообразно использовать для систем требующих малого времени контакта фаз или обладающих малой разностью удельных весов. Если сравнивать производительность колонных противоточных экстракционных аппаратов с центробежными экстракторами, то в первом случае интенсивность лимитируется главным образом скоростью осаждения или подъема капель дисперсной фазы, а во втором - ограничивается скоростью движения капель в направлении радиуса. Поникаров И.И. и Бочкачев В.Г. в своем исследовании [1] приводят сравнительный анализ скорости осаждения капель в жидкости в гравитационном поле, рассчитанной приближенно по уравнению Стокса и скорости движения капель в жидкости в поле центробежных сил. Из анализа полученных результатов и сравнения этих скоростей следует, что скорость капель, движущихся под действием центробежных сил, будет больше, чем их скорость в гравитационном поле. Таким образом, центробежное поле обладает рядом важных преимуществ по сравнению с гравитационным, что представляет собой широкие возможности для интенсификации процесса экстракции в аппарате. Более детальная разработка этого преимущества позволит разработать центробежные экстракторы, которые могут быть успешно использованы и для других систем экстракции, протекающих без химических реакций, и быть конкурентоспособными по сравнению с аппаратами гравитационного типа.
В настоящее время существует большое количество разнообразных конструкций центробежной аппаратуры, большинство из которых нашли широкое применение в различных технологических процессах в химической, пищевой и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности. Однако разнообразие типов и видов существующих контактных устройств центробежных экстракторов несколько осложняет их правильный выбор и рациональное применение. Ввиду этого требуется проведение работы не только по категорированию и классификации устройств, но так же по обобщению способов оптимизации структуры радиальных потоков внутри ротора, для правильного решения задачи повышения эффективности аппаратов и оптимизации конструктивных и технологических параметров.
Довольно часто исследователи [2] добиваются повышения эффективности центробежных экстракторов путем изменения конструкции используемых насадок, установки в них дополнительных внутренних устройств, интенсифицирующих процесс массообмена. Однако подобные модификации, как правило, усложняют устройство аппарата и основываются на «конструктивных соображениях» проектировщика без учета влияния гидродинамических параметров; они не обладают универсальностью применения, а подходят лишь для решения частной задачи оптимизации аппарата определенной конструкции. При решении задачи повышения эффективности необходимо принимать во внимание, что по радиусу аппарата изменяется угловая скорость и увеличивается свободное сечение насадки, что приводит к снижению удерживающей способности и влияет на коэффициент массопередачи. Для снижения влияния указанных эффектов в аппаратах следует организовать рециркуляцию, противоточное движение и многократное диспергирование фаз.
Наиболее эффективной считается непрерывная экстракция, осуществляемая в многоступенчатых экстракторах при противотоке исходного раствора и экстрагента. В этом случае заданная степень экстракции достигается при наименьшем расходе экстрагента. В случае необходимости рециркуляции экстрагента при вращающемся роторе или увеличении времени контакта фаз в центробежных экстракторах предусматривается узел ввода и вывода фаз реализованный в виде отсосных трубок или дисков (рис. 1). К недостаткам можно отнести продольное перемешивание, которое ещё недостаточно изучено. В настоящее время рассматриваются методы изучения этого явления и дается оценка для различных конструкций экстракторов.
Широкие научные исследования по разработке и совершенствованию различных конструкций центробежных экстракторов были проведены на кафедре КНИТУ им. С.М. Кирова под руководством профессора И. И. Поникарова. В одной из таких работ [3] предложено упрощение центробежного экстрактора Шкоропада Д.Е. и Лысковцо-ва И.В. [4, с.94, рис.37] путем изготовления ротора в виде отдельных секций (рис. 1).
Рис. 1 - Принципиальная схема каскадного экстрактора
Аппарат, представленный на рисунке 1, состоит из не вращающегося корпуса 1; секционированного ротора 2 с насадками 3; устройства ввода и вывода жидкостей, выполненного в виде трубок: для подачи легкой 4 и тяжелой фазы 5 и отборных трубок, соответственно, 6 и 7; переливных кольцевых камер 8; коаксиальных валов 9 и подшипникового узла 10; круговой щели для подачи легкой фазы на периферию 11.
Для создания благоприятных условий отбора фаз из секций и улучшения сепарации, предложено варьировать скорость вращения секций и их размеры. У секций предусматриваются индивидуальные приводы, количество оборотов которых определяется из условия оптимизации отдельных процессов: экстракцию проводят при 1500-2000 об/мин, сепарацию - при 3000-5000 об/мин и т.д.
Данное конструктивное решение (каскадный экстрактор) позволяет расширить диапазон обрабатываемых жидких смесей и осуществлять более эффективный режим движения жидкостей в секциях, в результате чего достигается повышение производительности и эффективности аппарата [3].
Для повышения эффективности работы аппарата профиль секций был выбран исходя из условия неизменной удерживающей способности по направлению радиуса:
= (1)
где фКв, фяв, фкг и фт+1 - удерживающая способность на внутреннем, наружном, /'-том радиусах соответственно.
Анализ используемых в промышленности аппаратов [5] показал ограниченную применимость наиболее распространенных конструкций центробежных экстракторов при обработке и извлечении микропримесей из твердых и растительных материалов. Данное обстоятельство послужило основой для разработки Гришиным Н.С. и Горшуновой А.Н. экстрактора-центрифуги [6], представленной на рис. 2. Перед авторами стояла задача повышения эффективности экстракции из проб растительного происхождения при помощи виброперемешивания, в частности, совершенствования конструкции аппарата для работы с пробами почвы [7].
Недостатками прототипа являются большая затрата времени при получении готовой продукции за счет того, что имеет место необходимость подбора и очистки мембран после использования, дополнительные затраты времени на разборку аппарата для установки экстракта в ротор.
Аппарат, представленный на рисунке 2 содержит неподвижный корпус 1 с крышкой 2; ротор 3 с крышкой 4; экстракционную емкость 5 с буртиком 6 и втулкой 7; конический стакан 8 и сборник экстракта 9, установленные соосно ротору 3. Между экстракционной емкостью 5 и коническим стаканом 8 образуется зазор для слива экстракта. На наружной поверхности втулки 7 выполнены пазы 10 для слива экстракта в сборник экстракта 9. Крышка ротора 4 изготовлена в виде кольцевой камеры, в которой размещена отсосная трубка 11, соединенная со штуцером 12, подвижно закрепленным в крышке корпуса. Ротор 3 снабжен приводом 13.
Рис. 2 - Принципиальная схема экстрактора-центрифуги
Техническое решение поставленной перед авторами задачи заключается в том, что центробежный экстрактор помимо мешалки с виброприводом был дополнительно снабжен коническим стаканом, установленным с зазором между сборником экстракта и экстракционной емкостью, которая выполнена с втулкой с пазами для слива экстракта. В свою очередь крышка ротора была изготовлена в виде кольцевой камеры, снабженной отсосной трубкой, соединенной со штуцером, подвижно закрепленным на крышке корпуса. Экстракционная емкость выполнена с буртиком, кольцевые каналы которого образуют лабиринтное устройство с крышкой ротора, что дополнительно позволяет снизить потери экстракта при отборе отсосной трубкой [6].
В результате проведенных авторами Гришиным Н.С. и Закиевым И.Д. в работе [8] расчетов было выявлено, что значительную долю потребляемой мощности в центробежных экстракторах с иммобильным корпусом составляют потери энергии на преодоление сил трения в междисковом пространстве. Так же было установлено, что целесообразно снижать коэффициент трения как на стенке самого ротора (или дисков) так и на стенках корпуса, поскольку уменьшение трения на одной из стенок не придает значительного эффекта.
Для снижения потерь на трение в работе [9] авторами Политовым А.Ю., Добротворским В.В., Балакиным И.М. было предложено использование магнитного привода в экстракторе ЭЦК-140, что позволило обеспечить герметичность, а также быструю и безопасную замену ротора экстрактора при ремонте. Применением в приводе магнитной муфты отличается еще один аппарат - разработанный для ФГУП «ПО «Маяк» в рамках ОКР герметичный четырехступенчатый центробежный экстрактор [9].
Стоит заметить, что интенсификация процесса экстрагирования может быть достигнута методами
дискретно-импульсного ввода энергии. Физическая сущность этих методов заключается в том, что подводимая энергия диссипируется в основном вблизи поверхности твердых частиц, а непродуктивные расходы энергии вне этих зон минимальны. Таким образом, механические колебания обеспечивают непрерывное обтекание твердых частиц жидкостью с переменным направлением и величиной скорости. Для создания колебаний используются экстракторы с вибрирующими корпусами и специальные вибрирующие устройства, установленные в самом аппарате. Последние применяются преимущественно в экстракторах колонного или емкостного типов. Экспериментально доказано [10], что наложение поля колебания различной частоты и амплитуды существенно ускоряет мас-сообмен и повышает производительность и эффективность аппарата.
Предложения по совершенствованию конструкций
Нами предлагается способ [11] интенсификации центробежной экстракции путем создания оптимальной структуры потоков взаимодействующих фаз в насадочных элементах аппаратов за счет изменения их конструкций, принимая во внимание факторы, влияющие на массообменный процесс, а также конструктивные и технологические требования.
Принцип подхода к совершенствованию аппаратов для центробежной экстракции основан на анализе применяемых в промышленности конструкций [12] и состоит в последовательной оценке основных влияющих на эффективность факторов, с учетом выбора оптимальных параметров и конструкции насадочных устройств. Сущность предлагаемого способа заключается в определении функциональной зависимости эффективности массообмена от геометрии насадоч-ных элементов и от радиуса ротора аппарата, создании оптимальной структуры радиальных потоков [13,14] внутри аппарата путем профилирования ротора по радиусу, путем секционирования насадок (по радиусу и по окружности), выполненных при необходимости с индивидуальным приводом.
Оценка работы экстрактора определяется фактором эффективности (Фэф), который зависит от рабочей нагрузки ^р), числа теоретических тарелок (ч.т.т., определяется экспериментальным путем) и объема контактной зоны ротора (Ук.з., определяется технологическими и конструктивными требованиями при проектировании), т.е. Фэф ~ Д^, ч.т.т., Ук.з).
Рабочую нагрузку Qр при одно- и двухфазном истечении жидкостей из элементов насадок можно определить по следующей унифицированной зависимости [11]:
Ор и30,2310 5^^(Л р /рсм) .Ю2'9^^,
(2)
где ю - угловая скорость насадки; R - радиус, на котором расположен насадочный элемент; 11 - высота проходного сечения элемента; Др - разность плотностей фаз; рсм - плотность смеси двух фаз в насадочной области ротора; ДR - ширина подпорного слоя жидкости при однофазном течении.
Влияющие параметры в свою очередь можно разложить на несколько частных параметров, тогда функциональная зависимость запишется в виде:
Фэф~12(Ор'Ук.З'Кф'а) 3
Ф^ЫОэ'ид'ЦС'^'ЯФд-Рс)/Рд,Г)'
где Кф - коэффициент массопередачи, а - удельная поверхность контакта фаз; ид, ис и рд, рс - соответственно плотность и скорость дисперсной и сплошной фазы (жидкости), dk - размер частиц дисперсной фазы, ф - удерживающая способность, Г - геометрический параметр насадки.
Принимая во внимание, что при проектировании экстрактора физико-химические свойства обрабатываемых жидкостей и расходы их задаются, габаритные размеры экстрактора и число оборотов определяются из технологических и конструктивных соображений, то они являются величинами постоянными, поэтому при дальнейшем анализе их не учитываем, тогда функциональную зависимость можно представить в следующем виде:
Фэф ~ ^Чд ~ К^с ~ ~ F(R)У;^~ (^)2;Г), (4)
где х, у и z - показатели степеней из соответствующих расчетных зависимостей, определяющие данные параметры.
По результатам теоретических и экспериментальных исследований [5] получены оптимальные параметры насадок:
- высота проходного отверстия (щели) - 2 мм;
- ширина (длина) элементов насадок в радиальном направлении в пределах ДЯ+(2^3^к, где ДЯ -ширина напорного слоя тяжелой фазы;
- расстояние между элементами насадок радиальном направлении - 2 мм, между секциями ДЯ+(4-7^к;
- угол наклона волнообразных и иксообразных дисков 45°;
- количество дисков, цилиндров в пределах 5^7
шт.
Таким образом, обобщая выше приведенное, получаем, что для радиальных внутрироторных потоков в центробежных экстракторах фактор эффективности зависит от радиуса расположения насадочных элементов, их количества и изменения профиля (высоты) насадочной полости ротора в направлении радиуса, т.е.:
ФЭф , (5)
где показатель степени k=x+y+z.
Высоту насадочной полости на радиусе ^ определяют по зависимости:
^ = ^0
R:
X
(6)
V i У
где ^о - высота насадочной полости на радиусе Я0, х=1.18^1.87 [11]. При этом насадочные секции имеют индивидуальный привод, скорость вращения секций зависит от интенсивности центробежного поля и определяется по формуле:
nRi " nR0
R0 R
(7)
где nR0 - скорость секции на радиусе R0.
Данное решение позволило не только значительно увеличить эффективность проведения массообменных процессов, но и разработать общий подход к разработке и оптимизации экстракторов и конструкций насадочных элементов, снизить потребляемую мощность и уменьшить габариты аппаратов, а также упростить технологические расчеты.
Выводы
1. В настоящее время исследовано и разработано большое количество разнообразной аппаратуры, использующей центробежные силы для интенсификации различных массообменных процессов, начиная от простейших перемешивающих устройств до сложнейших многомодульных конструкций центробежных экстракторов
2. В существующей научной и технической литературе широко освещаются теория и практика различных смесителей, сепараторов и центрифуг, однако по центробежным экстракторам имеются разрозненные данные, как по конструкциям, так и по результатам теоретических и экспериментальных исследований и изложены они в основном в отдельных диссертационных работах и в научных статьях
3. Особое внимание в работах исследователей уделено наиболее перспективным конструкциям центробежных аппаратов, способам повышения эффективности действующих аппаратов за счет профилирования роторов, секционирования насадочных устройств и использования насадочных элементов, обеспечивающих создание оптимальной структуры потоков и повышение производительности аппарата, а так же различными способами подвода энергии.
4. Нами предлагается способ интенсификации центробежной экстракции, который заключается в определении функциональной зависимости эффективно-
2
сти массообмена от геометрии насадочных элементов и от радиуса ротора аппарата, создании оптимальной структуры радиальных потоков за счет изменения их конструкций, путем профилирования ротора по радиусу и секционирования насадок.
Литература
I. И.И. Поникаров, В.Г. Бочкарев, МХП, ч.1, 49-51 (1971)
Авт. свид. СССР 592422 (1978 г.); Авт. свид. СССР 136714 (1961 г.); Авт. свид. 946584 (1982 г.); Авт. свид. 49412 (1975 г.)
3. Пат. RU 88983
4. Д.Е. Шкоропад, И.В. Лысковцев, Центробежные жидкостные экстракторы, Машгиз, Москва 1962 г., 216 с
5. Н.С. Гришин, И.И. Поникаров, С.И. Поникаров, Д. Н. Гришин, Экстракция в поле переменных сил. Гидродинамика, массопередача, аппараты: монография: в 2 ч. Ч. 1. Издательство КНИТУ, Казань, 2012. 468 с.
6. Пат. RU 131986
7. Н.М.Кузьмин, Концентрирование следов органических соединений. Наука, Москва, 1990. С. 110-113
8. Н.С. Гришин, И.Д. Закиев, Вестник Казанского технологического университета, 17,15, (158-162), (2012).
9. А.Ю. Политов, В.В. Добротворский, И.М. Балакин, III международная научно-техническая конференция «Инновационные проекты и технология ядерной энергетики» НИКИЭТ-2014, (Москва, Россия, 7-10 октября, 2014)
10. Ю.И. Шишацкий, Е.И. Мельникова, С.Ю. Плюха, Е.В. Кузьмин, С.С. Иванов, М.А. Самойлова, журнал «Вопросы современной науки и практики» универсти-тет имени В.И, Вернадского, 2, 40, (339-351), 2012 г.
II. Пат., RU, 2295377
12. Н.С. Гришин, И.И. Поникаров, С.И. Поникаров, Д. Н. Гришин, Экстракция в поле переменных сил. Гидродинамика, массопередача, аппараты: монография: в 2 ч. Ч. 2. Издательство КНИТУ, Казань, 2016. 444 с.
13. А.А. Салин, Н.С. Гришин, Вестник Казанского технологического университета, 17,10, (167-168), (2014).
14. А.А. Салин, Н.С. Гришин, С.И. Поникаров, Вестник Казанского технологического университета, 17,4, (231-234), (2014).
© Д. И. Поникарова, магистрант каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, ponikada@gmail.com; А. А. Салин, канд. техн. наук, доц. той же кафедры, c888aa@mail.ru; Н. С. Гришин, д-р техн. наук, проф. той же кафедры.
© D. 1 Ponikarova, undergraduate student, Department of Mechanical Engineering for Chemical Industry, KNRTU, ponikada@gmail.com; A. A. Salin, Candidate of Technical Sciences, Department of Mechanical Engineering for Chemical Industry, KNRTU, c888aa@mail.ru; N. S. Grishin, Doctor of Engineering, Professor, Department of Mechanical Engineering for Chemical Industry, KNRTU.
