Процессы и аппараты экстракционной очистки воды

Экстракция — это избирательное извлечение компонента из жидкости с помощью жидкого растворителя. Экстракция предполагает взаимную нерастворимость фаз. Очищаемую фазу называют рафинадом. Фазу, которая обогащается веществом загрязнителя, называют экстрагентом - до контакта, и экстрактом - после контакта. Одним из условий процесса экстракции является достаточная разность плотностей фаз.

Метод экстракционной очистки экономически целесообразен при значительной концентрации органических примесей или при высокой стоимости извлекаемого вещества. Для большинства продуктов применение экстракции рационально при концентрации их 2 г/л и более.

Установки жидкостной экстракции применяют для очистки сточных вод, содержащих фенолы, масла, органические кислоты, ионы металлов и др. Экстракция наиболее широко применяется для очистки сточных вод предприятий по термической обработке твердых топлив (углей, сланцев, торфа), содержащих значительное количество фенолов.

В качестве экстрагентов используют органические растворители (бензол, тетрахлорид-метан, бутилацетат и др.).

Требования к экстрагенту:

-минимальная взаимная растворимость с рафинадом;

-высокая селективность (избирательность);

-высокий коэффициент распределения и большая емкость;

-достаточная разность плотностей между экстрагентом и воды;

-доступность, дешевизна, легкость регенерации;

-не токсичность, взрывобезопасность, минимальные коррозионные действия.

Экстракционный метод очистки производственных сточных вод основан на распределении загрязняющего вещества в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей соответственно его растворимости в них. Метод экстракции позволяет разделять такие жидкие смеси, которые другими методами разделить невозможно.

Исходная смесь образует одну фазу, экстрагент - другую. Одна из этих фаз является сплошной, другая дисперсной, распределенной в первой в виде капель. Жидкостная экстракция состоит из ряда технологических операций:

- контактирования очищаемой жидкости с растворителем;

- перенос компонента из одной фазы в другую;

- разделения фаз;

- регенерация растворителя.

Отношение взаимно уравновешивающихся концентраций в двух несмешивающихся

растворителях при достижении равновесия является постоянным и называется коэффициентом распределения

к_р = С_э/С_ст ≈ const, (11.5.1)

где С_э, С_ст — концентрация экстрагируемого вещества соответственно в экстрагенте и сточной воде при установившемся равновесии, кг/м³.

Коэффициент распределения к_р зависит от температуры процесса, а также от наличия различных примесей в сточных водах и экстрагенте. После достижения равновесия концентрация экстрагируемого вещества в экстрагенте значительно выше, чем в сточной воде. Сконцентрированное в экстрагенте вещество отделяется от растворителя и может быть утилизировано. Экстрагент после этого вновь используется в технологическом процессе очистки.

Методы экстрагирования органических веществ по схемам контакта экстрагента и сточной воды можно разделить на перекрестноточные, ступенчато-противоточные и непрерывно-противоточные. Прямоток в процессах экстракции не применяется.

Простейшим типом экстрактора является распылительная колонна с непрерывным контактом фаз (рис. 11.5.1). В полую вертикальную цилиндрическую колонну, сверху заполняется сточная вода, снизу с помощью диспергатора распределяется (в виде капель) экстрагент. Противоточное движение фаз обеспечивается силой тяжести, т.е. различием плотности фаз. Образовавшиеся капли проходят рабочую зону, извлекают загрязняющее вещество и собираются в верхнем отстойнике.

Вывод экстрагента (легкой фазы ЛФ) из верхней отстойной зоне не вызывает затруднений, избыток жидкости сливается через патрубок. Вывод очищенной воды (тяжелой фазы ТФ) требует специальной регулировки, в противном случае с нижней части вылиться вес жидкость. Наиболее простым устройством является флорентийский сосуд, принцип работы, которой основано на уравновешивании столбов жидкостей (сообщающие сосуды), выводимых потоками ЛФ и ТФ.

Схема непрерывно-действующей экстракционной установки приведена на рис. 11.5.2. Тяжелая жидкость L из хранилища 1 насосом 2 нагнетается в верхнюю часть экстрактора 5.

Аналогично из хранилища 3 насосом 4 подается легкая жидкость G в нижнюю часть экстрактора. После противоточного взаимодействия в экстракторе тяжелая жидкость L собирается в емкость 6, а легкая G - в емкость 7.

При многоступенчатой перекрестноточной схеме сточная вода на каждой ступени конктактирует со свежим экстрагентом, что требует значительных его расходов. Для очистки сточных вод наиболее часто применяют противоточные многоступенчатые установки. Практическое применение получили методы ступенчатопротивоточной и непрерывно-противоточной экстракции. В этих установках практически полностью используется емкость экстрагента.

При ступенчато-противоточной экстракции каждая ступень включает перемешивающее устройство для смешения фаз и отстойник для их гравитационного разделения. Вода и экстрагент движутся навстречу друг другу, экстракт последующей ступени смешивается в смесителе с водной фазой предыдущей ступени. Смеситель должен обеспечить максимальную степень диспергирования экстракта в воде, исключающую, однако, возможность образования стойких эмульсий, которые препятствуют разделению фаз. Конечная концентрация экстрагируемого вещества в воде может быть определена по формуле

где С_к и С_н — соответственно конечная и начальная концентрация экстрагируемого вещества в воде, кг/м³; п — число экстракции; b— удельный расход экстрагента для одной экстракции, м³ /м³, равный:

b = W/(nQ), (11.5.3)

где W — общий объем экстрагента, затрачиваемого на экстракцию, м³; Q — количество сточных вод, подвергающихся экстракции, м³.

Ступенчато-противоточная экстракция может быть непрерывной или периодической (при малых расходах сточных вод). При непрерывно-противоточной экстракции вода и экстрагент движутся навстречу друг другу в одном аппарате, обеспечивающем диспергирование экстрагента в воде; при этом примеси сточной воды непрерывно переходят в экстрагент.

Если плотность обрабатываемой сточной воды больше плотности экстрагента ρ_ст > ρ_э, то вода вводится в экстракционную колонну сверху, а экстрагент снизу. При ρ_э > ρ_ст экстрагент вводится в верхнюю часть колонны, а обрабатываемая сточная вода в нижнюю.

Для определения концентрации экстрагируемого вещества в обработанной сточной воде при непрерывной экстракции можно воспользоваться формулой (11.5.2) при n=1. Требуемый удельный расход экстрагента при заданных начальной и конечной концентрациях экстрагируемого вещества в сточной воде определяется по формуле:

Процесс экстракции в промышленности сочетается с процессом регенерации растворителя с целью его повторного использования и выделения из экстрагента целевых продуктов. Чаще всего разделение экстракта на компоненты осуществляется методом перегонки. Выбор метода разделения экстракта зависит от физико-химических свойств содержащихся в нем веществ. Технологическая схема очистки производственных сточных вод экстракционным методом зависит от количества и состава сточных вод, свойств экстрагента, способов его регенерации и обычно включает следующие четыре установки:

1) подготовки воды перед экстракцией — отстойники, флотаторы, фильтры, нейтрализаторы, охладительные устройства;

2) экстракции — колонны для улавливания паров экстрагента, собственно экстракционная колонна и резервуары (сборники экстрагента);

3) регенерации экстрагента из сточной воды;

4) регенерации экстрагента из экстракта — теплообменник, подогреватель, ректификационная колонна, охлаждающие устройства, сепараторы, сборники регенерированного экстракта и экстрагируемых веществ.

Различают горизонтальные, вертикальные и центробежные смесительно-отстойные экстракторы. Каждая ступень имеет смесительную и отстойную камеры. Смеситель представляет собой вертикальный цилиндр, имеющий сферическое днище и гладкую внутреннюю поверхность или отражательные перегородки на стенках. Более компактны смесительно-отстойные экстракторы ящичного типа. Одна из конструкций ступени ящичного экстрактора показана на рис. 11.5.3.

Рис. 11.5.3. Ступень ящичного экстрактора: 1 - смесительная камера; 2 -статорная перегородка; 3 - вал с диском; 4 - гидрозатвор; 5 - отвод тяжелой фазы; 6 - отстойная камера; 7 - перегородка между смесительной и отстойной камерой; 8 - предкамера; 9 - смесительно-транспортирующее устройство; 10 - подвод тяжелой фазы; 11 - подвод легкой фазы.