БЛОК ЭКСТРАКЦИИ"ЖИДКОСТЬ-ЖИДКОСТЬ", УСТРОЙСТВО МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ ЭКСТРАКЦИИ " ЖИДКОСТЬ-ЖИДКОСТЬ", В КОТОРОМ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ЭТОТ БЛОК, И СИСТЕМА МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ НЕПРЕРЫВНОЙ ЭКСТРАКЦИИ ДЛЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
EXTRACTION UNIT "LIQUID-LIQUID", MULTI-STAGE EXTRACTION DEVICE "LIQUID-LIQUID" WHICH USES THIS UNIT, AND SYSTEM OF MULTI-STAGE CONTINUOUS EXTRACTION FOR RARE-EARTH ELEMENTS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к блоку экстракции "жидкость-жидкость", выполненному с возможностью приведения в контакт водной фазы и органической фазы, их разделения и извлечения требуемого экстракта из разделенных таким образом водной фазы и/или органической фазы, в частности к блоку экстракции "жидкость-жидкость", подходящему для экстракции и отделения редкоземельных элементов, в особенности иттрия и легких редкоземельных элементов (La, Ce, Pr, Nd, Sm и Eu), к устройству многоступенчатой экстракции "жидкость-жидкость" и системе многоступенчатой непрерывной экстракции, в которых используется этот блок.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время в моторах, датчиках и других компонентах, установленных в приводах жестких дисков, кондиционерах, гибридных автомобилях и т.п., широко используются редкоземельные магниты, типичным примером которых являются магниты из Nd.
Типичные редкоземельные элементы, используемые в редкоземельных магнитах, включают церий (Ce), празеодим (Pr), неодим (Nd), самарий (Sm), тербий (Tb) и диспрозий (Dy). Для отделения этих редкоземельных элементов используют известные способ на основе ионообменной смолы (или экстракции "твердая фаза - жидкость") и способ экстракции при помощи растворителя (или экстракции "жидкость-жидкость"). Способ экстракции при помощи растворителя часто используется при промышленном отделении и очищении редкоземельных элементов, так как он делает возможной эффективную обработку в больших масштабах благодаря наличию непрерывных этапов. При использовании способа экстракции при помощи растворителя водную фазу, состоящую из водного раствора, содержащего отделяемые элементы-металлы, приводят в контакт с органической фазой, состоящей из экстрагента, предназначенного для экстракции интересующего элемента-металла, и органического растворителя, предназначенного для разбавления экстрагента. В результате интересующий элемент-металл экстрагируют с использованием экстрагента в органическую фазу для отделения.
Устройство экстракции, известное в данной области техники, которое применяется для экстракции редкоземельных элементов с использованием способа экстракции при помощи растворителя (или экстракции "жидкость-жидкость"), включает систему многоступенчатой непрерывной экстракции, содержащую множество смесителей-отстойников, как показано на Фиг.5 (см. Патентные документы 1, 2 и 3). На Фиг.5 изображены секция А экстракции, предназначенная для экстракции выбранного редкоземельного элемента из водной фазы в органическую фазу, секция В очистки, предназначенная для очистки органической фазы, и секция С обратной экстракции, предназначенная для обратной экстракции редкоземельного элемента, который уже экстрагирован в органическую фазу, в водную фазу для извлечения. Стрелками 1–9 указаны линии подачи и потоки водной фазы, органической фазы и реагентов в смесители-отстойники и из них.
Водная фаза, содержащая редкоземельный элемент, из линии 1, органическая фаза, содержащая экстрагент, из линии 2 и водный раствор щелочи из линии 3 подаются в смеситель-отстойник секции А экстракции, где на нескольких ступенях повторяют этапы смешивания водной и органической фаз, выдерживания и разделения их снова, в результате чего интересующий редкоземельный элемент экстрагируется из водной фазы в органическую фазу, которую подают в секцию В очистки. Водную фазу выгружают через линию 5, и из этой водной фазы извлекают редкоземельный элемент, который остался в водной фазе без его экстрагирования в органическую фазу. Водный раствор щелочи подают из линии 3 для регулирования равновесной концентрации кислоты.
В секции В очистки водный раствор кислоты подается из линии 4 в качестве водной фазы в смеситель-отстойник, где на нескольких ступенях повторяют этапы смешивания водного раствора 4 кислоты (водной фазы) и органической фазы, содержащей редкоземельный элемент, экстрагированный в нее в секции А экстракции, выдерживания и разделения их снова. Органическую фазу 2 очищают или промывают, в результате чего только редкоземельный элемент, который содержится в органической фазе 2 и, по существу, должен был остаться в водной фазе в секции А экстракции, выборочно экстрагируется в водный раствор 4 кислоты (водную фазу), после чего органическая фаза 2 направляется в секцию С обратной экстракции. С другой стороны, водный раствор кислоты (водная фаза), содержащий только выборочно экстрагированный в нее редкоземельный элемент, который, по существу, должен был остаться в водной фазе в секции А экстракции, выгружается через линию 9 и подается обратно в секцию А экстракции. При этом содержание кислоты в водном растворе 4 кислоты регулируют до получения такой концентрации, чтобы можно было выборочно экстрагировать только редкоземельный элемент, который растворен в незначительном количестве в органической фазе 2 и должен был остаться в водной фазе.
В секции С обратной экстракции водный раствор кислоты, концентрация которого отрегулирована в достаточной степени для экстракции интересующего редкоземельного элемента, подается из линии 6 в качестве водной фазы в смеситель-отстойник, где на нескольких ступенях повторяют этапы смешивания водного раствора 6 кислоты (или водной фазы) и органической фазы 2, очищенной в секции В очистки, выдерживания и разделения их снова, в результате чего интересующий редкоземельный элемент, содержащийся в органической фазе 2, обратно экстрагируется в водный раствор 6 кислоты (водную фазу), который выгружается через линию 7. Интересующий редкоземельный элемент извлекается из этого водного раствора 7 кислоты (водной фазы). С другой стороны, органическая фаза 2, из которой редкоземельный элемент удален путем обратной экстракции, выгружается из секции С обратной экстракции и подается через линию 8 обратно в секцию А экстракции для обеспечения циркуляции.
Согласно существующему уровню техники, для создания секции А экстракции, секции В очистки и секции С обратной экстракции в системе многоступенчатой непрерывной экстракции используют смеситель-отстойник. Например, обычно используется смеситель-отстойник, имеющий конструкцию, показанную на Фиг.6.
Как показано на Фиг.6, смеситель-отстойник содержит множество блоков k экстракции "жидкость-жидкость", соединенных с обеспечением связи по текучей среде, причем каждый блок имеет одну камеру f смесителя с установленной в ней крыльчаткой e и четыре камеры g–j отстойника, которые соединены последовательно. В варианте, показанном на Фиг.6, четыре блока k экстракции "жидкость-жидкость" соединены с получением четырех ступеней. При использовании такого смесителя-отстойника операцию экстракции выполняют следующим образом. Потоки водной фазы показаны сплошными стрелками, а потоки органической фазы показаны пунктирными стрелками. Водная фаза и органическая фаза поступают в камеру f смесителя, где они перемешиваются и смешиваются вращающейся крыльчаткой e, затем поступают в камеру g смесителя, где некоторое время они выстаиваются, то есть смесь остается, по существу, неподвижной и постепенно снова разделяется на водную и органическую фазы. Эти водная и органическая фазы последовательно и спокойно перемещаются из камеры g смесителя в камеру j при одновременном продолжении разделения водной и органической фаз. В последнем отстойнике j органическая и водная фазы разделяются и выгружаются, после чего они поступают в камеры f смесителей в блоках k экстракции "жидкость-жидкость" последующих ступеней. Аналогичная операция повторяется на нескольких ступенях (четыре ступени на Фиг.6). Как показано сплошными стрелками (водная фаза) и пунктирными стрелками (органическая фаза) на Фиг.6, водная фаза и органическая фаза текут в противотоке, что позволяет повысить скорость переноса экстракта между водной и органической фазами и достичь высокой степени экстракции.
Система многоступенчатой непрерывной экстракции, в которой используются такие смесители-отстойники, позволяет достичь очень высокой эффективности отделения, свыше 99%, что делает возможным отделение и извлечение редкоземельных элементов с очень высокой эффективностью. В примере, где празеодим (Pr) и неодим (Nd) отделяются и извлекаются с использованием моно-2-этилгексил 2-этилгексилфосфата (PC-88A, производимый компанией Daihachi Chemical Industry Co., Ltd.), система должна включать секцию А экстракции из 32 ступеней, секцию В очистки из 32 ступеней и секцию С обратной экстракции из 8 ступеней, что в итоге дает в сумме 72 ступени. То есть чтобы создать систему многоступенчатой непрерывной экстракции, блоки k экстракции "жидкость-жидкость", каждый из которых имеет пять камер (одну камеру f смесителя и четыре камеры g–j отстойника), соединяют с получением в итоге 72 ступеней.
Как следствие, система многоступенчатой непрерывной экстракции, предназначенная для отделения и экстракции редкоземельных элементов, становится установкой очень большого масштаба, требуя очень большой площади. Для заполнения всех камер системы необходим очень большой объем жидкости. Таким образом, уменьшение размеров системы могло бы стать существенным вкладом в снижении затрат. Желательно уменьшить размеры системы без какой-либо потери эффективности отделения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Патентный документ 1: JP-A 2011-001583
Патентный документ 2: JP-A 2011-001584
Патентный документ 3: JP-A 2011-001586
Патентный документ 4: JP-A 2008-289975
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является предложить блок экстракции "жидкость-жидкость", который может быть уменьшен в размерах без ущерба для эффективности экстракции и отделения редкоземельных элементов, устройство многоступенчатой экстракции "жидкость-жидкость", в котором используется этот блок, и систему многоступенчатой непрерывной экстракции, содержащую множество устройств многоступенчатой экстракции "жидкость-жидкость".
Авторы настоящего изобретения обнаружили и предложили следующее. Экстракцию "жидкость-жидкость" выполняют путем подачи водной фазы и органической фазы в емкость, приведения их в контакт, разделения их и извлечения требуемого экстракта из разделенных таким образом водной фазы и/или органической фазы. Водную фазу в виде пузырьков вводят в емкость из верхней ее части, а органическую фазу в виде пузырьков вводят в емкость из нижней ее части. Органическую фазу, перемещающуюся из нижней области внутреннего пространства в верхнюю область внутреннего пространства емкости, приводят в контакт с водной фазой, перемещающейся из верхней области внутреннего пространства в нижнюю область внутреннего пространства емкости, чтобы обеспечить перенос требуемого вещества между водной и органической фазами. Органическую фазу выгружают из верхней области внутреннего пространства емкости, а водную фазу выгружают из нижней области внутреннего пространства емкости. Требуемый экстракт извлекают из выгруженных органической и/или водной фазы. Когда пузырьковая водная фаза и пузырьковая органическая фаза обмениваются своими положениями в направлении по вертикали, обеспечивается их эффективный контакт друг с другом, в результате чего эффективным образом происходит экстракция за счет реакции на поверхности раздела фаз, и в то же время происходит разделение фаз. Таким образом, экстракцию можно выполнять в емкости небольшого объема и небольшой площади, без необходимости в камере отстойника большого объема, например, имеющейся в смесителе-отстойнике, и без какой-либо потери эффективности.
Однако в способе, соответствующем существующему уровню техники, в котором водную и органическую фазы приводят в контакт и разделяют исключительно за счет перемещений по вертикали вверх и вниз с использованием хорошо известной распылительной колонны или вертикальной цилиндрической емкости, применяемой в блоке экстракции, работа которого основана на потоке эмульсии, как описано в Патентном документе 4, нельзя обеспечить прохождение реакции при высоком расходе, эквивалентном расходу, имеющемуся в упомянутом выше смесителе-отстойнике. Таким образом, реакцию необходимо проводить при низком расходе, чтобы сохранить приемлемую эффективность, что приводит к потере эффективности обработки.
Продолжая это исследование, авторы настоящего изобретения обнаружили и предложили следующее. Емкость экстракции/разделения, имеющую пару горизонтально противоположных боковых стенок, снабжают впуском водной фазы в верхней части одной боковой стенки, впуском органической фазы в нижней части одной боковой стенки, выпуском органической фазы в верхней части противоположной боковой стенки и выпуском водной фазы в нижней части противоположной боковой стенки. Органическую и водную фазы вводят со стороны упомянутой одной боковой стенки, перемещают по горизонтали с одновременным обменом их положениями в направлении по вертикали и выгружают со стороны упомянутой другой боковой стенки. При такой конструкции можно достичь высокого расхода, эквивалентного расходу, имеющемуся в известном смесителе-отстойнике, при одновременном сохранении приемлемой эффективности. Можно значительно уменьшить размеры по сравнению с известным смесителем-отстойником. При создании системы многоступенчатой непрерывной экстракции, предназначенной для экстракции и отделения редкоземельных элементов, можно значительно уменьшить занимаемую площадь. Можно значительно уменьшить объем жидкости, необходимый для экстракции. Все это способствует существенному снижению затрат. В основе настоящего изобретения лежат данные - обнаруженные факты.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения предлагается блок экстракции "жидкость-жидкость", выполненный с возможностью приведения в контакт водной фазы и органической фазы, их разделения и извлечения требуемого экстракта из разделенных таким образом водной фазы и/или органической фазы, который содержит:
- емкость экстракции/разделения, предназначенную для приема водной фазы и органической фазы, которая имеет пару горизонтально противоположных боковых стенок;
- впуск водной фазы, расположенный в верхней части одной боковой стенки, который предназначен для ввода водной фазы в виде пузырьков;
- впуск органической фазы, расположенный в нижней части упомянутой одной боковой стенки, который предназначен для ввода органической фазы в виде пузырьков;
- выпуск органической фазы, расположенный в верхней части другой боковой стенки, который предназначен для выгрузки отделенной органической фазы; и
- выпуск водной фазы, расположенный в нижней части упомянутой другой боковой стенки, который предназначен для выгрузки отделенной водной фазы.
Водную фазу в виде пузырьков вводят из впуска водной фазы в верхнюю область внутреннего пространства емкости, органическую фазу в виде пузырьков вводят из впуска органической фазы в нижнюю область внутреннего пространства емкости, органическую фазу, перемещающуюся из нижней области внутреннего пространства в верхнюю область внутреннего пространства емкости, приводят в контакт с водной фазой, перемещающейся из верхней области внутреннего пространства в нижнюю область внутреннего пространства емкости, органическую фазу после контакта выгружают и извлекают через выпуск органической фазы, и водную фазу после контакта выгружают и извлекают через выпуск водной фазы.
Блок экстракции "жидкость-жидкость" может дополнительно содержать перегородку, расположенную между упомянутыми горизонтально противоположными боковыми стенками, которая предназначена для деления емкости на отделение контакта и отделение разделения/извлечения, причем отделение контакта обращено к впуску водной фазы и впуску органической фазы, а отделение разделения/извлечения обращено к выпуску органической фазы и выпуску водной фазы; и средства обеспечения связи по текучей среде между отделением контакта и отделением разделения/извлечения, расположенные выше перегородки или в верхней ее части и ниже перегородки или в нижней ее части.
В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения емкость экстракции/разделения представляет собой параллелепипед, имеющий прямоугольное дно и пару продольно противоположных боковых стенок, в качестве пары горизонтально противоположных боковых стенок.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается устройство многоступенчатой экстракции "жидкость-жидкость", содержащее множество блоков экстракции "жидкость-жидкость", описанных выше, в котором выпуск органической фазы одного блока соединен с впуском органической фазы другого блока, и выпуск водной фазы упомянутого одного блока соединен с впуском водной фазы упомянутого другого блока, что позволяет обеспечить контакт и выполнить разделение на нескольких ступенях.
Согласно следующему аспекту настоящего изобретения, предлагается система многоступенчатой непрерывной экстракции, предназначенная для экстракции редкоземельного элемента, которая содержит:
- секцию экстракции, предназначенную для приведения в контакт водной фазы в виде водного раствора, содержащего редкоземельные элементы, и органической фазы, содержащей экстрагент, и их разделения с целью экстракции по меньшей мере одного редкоземельного элемента в органическую фазу; и
- секцию обратной экстракции, предназначенную для приведения в контакт органической фазы, содержащей по меньшей мере один редкоземельный элемент, который в нее экстрагирован, и водной фазы в виде водного раствора кислоты и их разделения с целью обратной экстракции редкоземельного элемента в водную фазу для извлечения,
причем органическую фазу после обратной экстракции выгружают из секции обратной экстракции и подают обратно в секцию экстракции для обеспечения циркуляции, и секция экстракции и/или секция обратной экстракции представляют собой устройство многоступенчатой экстракции "жидкость-жидкость", описанное выше.
В предпочтительном случае водную фазу после экстракции выгружают из секции экстракции и извлекают, чтобы можно было извлечь редкоземельный элемент, который остается в водной фазе неэкстрагированным в органическую фазу.
Согласно следующему аспекту настоящего изобретения предлагается система многоступенчатой непрерывной экстракции, предназначенная для экстракции редкоземельного элемента, которая содержит:
- секцию экстракции, предназначенную для приведения в контакт водной фазы в виде водного раствора, содержащего редкоземельные элементы, и органической фазы, содержащей экстрагент, и их разделения с целью экстракции первого редкоземельного элемента в органическую фазу;
- секцию обратной экстракции, предназначенную для приведения в контакт органической фазы, содержащей экстрагированный в нее редкоземельный элемент, и водной фазы в виде водного раствора кислоты и их разделения с целью обратной экстракции упомянутого первого редкоземельного элемента в водную фазу для извлечения; и
- секцию очистки, расположенную между секцией экстракции и секцией обратной экстракции, которая предназначена для очистки органической фазы, выгруженной из секции экстракции, путем приведения в контакт этой органической фазы и водной фазы в виде водного раствора кислоты, имеющего заранее определенную концентрацию кислоты, и их разделения с целью выборочной экстракции в водную фазу второго редкоземельного элемента, который все еще содержится в органической фазе и должен был остаться в водной фазе секции экстракции, и для направления органической фазы после очистки в секцию обратной экстракции.
Водную фазу, содержащую упомянутый второй редкоземельный элемент, экстрагированный из органической фазы в секции очистки, подают обратно в секцию экстракции, органическую фазу после обратной экстракции выгружают из секции обратной экстракции и подают обратно в секцию экстракции для обеспечения циркуляции; водную фазу, выгруженную из секции экстракции, извлекают, чтобы извлечь третий редкоземельный элемент, остающийся в водной фазе неэкстрагированным в органическую фазу; причем по меньшей мере одна из секций экстракции, обратной экстракции и очистки представляет собой устройство многоступенчатой экстракции "жидкость-жидкость", описанное выше.
ВЫГОДЫ ОТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Блок экстракции "жидкость-жидкость", соответствующий настоящему изобретению, имеет небольшие размеры и позволяет сохранить достаточную эффективность экстракции. При создании устройства многоступенчатой экстракции, содержащего множество блоков, соединенных с обеспечением связи по текучей среде, и системы многоступенчатой непрерывной экстракции, в которой множество секций, каждая из которых содержит упомянутое устройство многоступенчатой экстракции и предназначена для выполнения разных этапов, соединены с обеспечением связи по текучей среде, можно значительно уменьшить занимаемую площадь, а также можно значительно уменьшить объем жидкости, необходимый для экстракции. Все это способствует существенному снижению затрат, требующихся для экстракции и отделения редкоземельных элементов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 приведен схематичный общий вид с частичным разрезом одного примерного блока экстракции "жидкость-жидкость" в одном из вариантов реализации настоящего изобретения.
На Фиг.2 приведен схематичный общий вид с частичным разрезом другого примерного блока экстракции "жидкость-жидкость" в одном из вариантов реализации настоящего изобретения.
На Фиг.3 приведен схематичный общий вид с частичным разрезом еще одного примерного блока экстракции "жидкость-жидкость" в одном из вариантов реализации настоящего изобретения.
На Фиг.4 приведена структурная схема одной примерной системы многоступенчатой непрерывной экстракции, предназначенной для экстракции и отделения редкоземельных элементов, которая содержит блоки экстракции "жидкость-жидкость", в другом варианте реализации настоящего изобретения.
На Фиг.5 приведена структурная схема известной системы многоступенчатой непрерывной экстракции, предназначенной для экстракции и отделения редкоземельных элементов.
На Фиг.6 схематично изображен смеситель-отстойник, входящий в состав системы многоступенчатой непрерывной экстракции, известный из уровня техники.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг.1 схематично изображен один примерный блок экстракции "жидкость-жидкость" в одном из вариантов реализации настоящего изобретения. Блок включает емкость 10 экстракции/разделения, предназначенную для приема водной и органической фаз. Если говорить конкретно, емкость 10 представляет собой параллелепипед, имеющий прямоугольное дно, открытый верх, пару боковых стенок 11 и 12, расположенных друг против друга, продольно и по горизонтали, и пару боковых стенок, расположенных друг против друга, поперек и по горизонтали.
Одна боковая стенка 11 емкости 10 снабжена впуском 20 водной фазы в верхней ее части и впуском 30 органической фазы в нижней ее части. Впуск 20 водной фазы и впуск 30 органической фазы включают распылительные насадки 21 и 31, выступающие в емкость 10. Распылительные насадки 21 и 31 проходят через боковую стенку 11 и соединены с линией 22 подачи водной фазы и линией 32 подачи органической фазы соответственно. Водную фазу нагнетают при помощи насоса (не показан) через линию 22 подачи и вводят в емкость 10 через верхнюю распылительную насадку 21. Аналогичным образом органическую фазу нагнетают при помощи насоса (не показан) через линию 32 подачи и вводят в емкость 10 через нижнюю распылительную насадку 31.
Распылительные насадки 21 и 31 имеют множество отверстий на концевой периферийной поверхности, через которые водную фазу и органическую фазу впрыскивают в виде пузырьков во внутреннее пространство емкости 10. Форма концевой части распылительной насадки в предпочтительном случае является конической (как у распылительных насадок 21, 31, показанных на Фиг.1 и 2), если требуется большая скорость впрыска. Форма концевой части распылительной насадки не ограничивается конической, и эта часть может иметь форму раструба, если требуется распыление водной и органической фаз по широкой зоне.
Другая боковая стенка 12 емкости 10 снабжена выпуском 40 органической фазы в верхней ее части и выпуском 50 водной фазы в нижней ее части. Выпуск 40 органической фазы и выпуск 50 водной фазы включают каналы выгрузки (не показаны), которые проходят через боковую стенку 12 и соединены с линией 41 выгрузки органической фазы и линии 51 выгрузки водной фазы соответственно. При помощи насоса (не показан), соединенного с линией 41 выгрузки органической фазы, органическую фазу выгружают из верхней области внутреннего пространства емкости 10 в линию 41 выгрузки органической фазы. Аналогичным образом при помощи насоса (не показан), соединенного с линией 51 выгрузки водной фазы, водную фазу выгружают из нижней области внутреннего пространства емкости 10 в линию 51 выгрузки водной фазы. В случае если используется одна емкость 10, насосы, предназначенные для выгрузки органической и водной фаз через линию 41 выгрузки органической фазы и линию 51 выгрузки водной фазы, могут быть исключены, и эти фазы можно выгружать самотеком под действием силы тяжести через линию 41 выгрузки органической фазы и линию 51 выгрузки водной фазы.
Хотя это и не обязательно, предпочтительно, чтобы выпуск 40 органической фазы был расположен несколько выше, чем находящийся напротив впуск 20 водной фазы. Тогда впуск 20 водной фазы будет располагаться ниже поверхности жидкости, в результате чего водная фаза впрыскивается в жидкость. Это обеспечивает более эффективное образование пузырьков водной фазы и более эффективный контакт с органической фазой. Также желательно, чтобы суммарный объем водной и органической фаз, подаваемых в емкость 10, был равен суммарному объему водной и органической фаз, выгружаемых из этой емкости. В качестве предупредительной меры от возникновения ситуации, при которой временно нарушается равновесие ввода и выгрузки, другая боковая стенка 12 может быть снабжена экраном или L-образной пластиной 70, закрывающей выпуск 40 органической фазы, и выпуск 40 органической фазы может быть расположен ниже впуска 20 водной фазы, как показано на Фиг.3.
Иногда впуск 30 органической фазы создан таким образом, чтобы органическую фазу можно было впрыскивать из распылительной насадки 31 в направлениях вверх и поперек. В предпочтительном случае впуск 30 органической фазы немного отстоит от дна, как показано на Фиг.1, в результате чего органическую фазу можно впрыскивать из распылительной насадки 31 во всех вертикальных и поперечных направлениях. Это обеспечивает более эффективное образование пузырьков органической фазы и более эффективный контакт с водной фазой.
Упомянутый выше блок экстракции "жидкость-жидкость" используют, например, для экстракции и отделения редкоземельных элементов. Водную фазу, содержащую редкоземельные элементы, вводят из впуска 20 водной фазы в виде пузырьков в верхнюю область внутреннего пространства емкости 10. Органическую фазу, содержащую экстрагент, вводят из впуска 30 органической фазы в виде пузырьков в нижнюю область внутреннего пространства емкости 10. После ввода органическая и водная фазы перемещаются в направлении по горизонтали (или в направлении по длине) от одной боковой стенки к противоположной боковой стенке емкости 10 с одновременным обменом своими положениями в направлении по вертикали. Из-за разницы в удельной плотности водная фаза перемещается в направлении сверху вниз, а органическая фаза перемещается в направлении снизу вверх. Когда органическая и водная фазы обмениваются своими положениями в направлении по вертикали, они приходят в эффективный взаимный контакт, в результате чего выбранный редкоземельный элемент экстрагируется из водной фазы в органическую фазу. Когда органическая и водная фазы спокойно перемещаются в направлении противоположной боковой стенки 12 емкости 10, эти фазы разделяются в направлении по вертикали. Органическая фаза, содержащая выбранный редкоземельный элемент, который в нее экстрагирован, выгружается из выпуска 40 органической фазы, а водная фаза выгружается из выпуска 50 водной фазы. Если водная фаза содержит несколько редкоземельных элементов, по меньшей мере один из которых нельзя экстрагировать с использованием органической фазы, то неэкстрагируемый редкоземельный элемент остается в водной фазе и выгружается из выпуска 50 водной фазы.
В другом варианте реализации настоящего изобретения блок экстракции "жидкость-жидкость" включает перегородку 60, расположенную в промежуточном положении в направлении по горизонтали (или по длине) в емкости 10 экстракции/разделения, как показано на Фиг.2. Перегородка 60 делит внутреннее пространство емкости 10 на отделение 13 контакта, включающее впуск 20 водной фазы и впуск 30 органической фазы, и отделение 14 разделения/извлечения, включающее выпуск 40 органической фазы и выпуск 50 водной фазы. Между нижним краем перегородки 60 и дном емкости 10 остается пространство для перемещения водной фазы поблизости от дна. Кроме того, высота перегородки 60 меньше высоты боковых стенок емкости 10, в результате чего органическая фаза может протекать мимо перегородки 60 из отделения 13 контакта в отделение 14 разделения/извлечения. Верхний край перегородки 60 предпочтительно находится в положении, идентичном положению распылительной насадки 21 впуска 20 водной фазы или немного выше этого положения, а также предпочтительно немного ниже канала выгрузки, входящего в состав выпуска 40 органической фазы.
В варианте реализации настоящего изобретения, в котором имеется перегородка 60 для деления внутреннего пространства емкости 10 на отделение 13 контакта и отделение 14 разделения/извлечения, можно ожидать более высокой эффективности экстракции/разделения. Если говорить конкретно, после впрыска водной фазы и органической фазы из распылительных насадок 21 и 31, перегородка 60 блокирует их и предотвращает их непосредственное перемещение в направлении выпусков 40 и 50; в отделении 13 контакта водная и органическая фаза обмениваются своими положениями в направлении по вертикали, и при этом происходит реакция экстракции; водная фаза перемещается в отделение 14 разделения/извлечения через нижнее пространство поблизости от дна, а органическая фаза перетекает через верх перегородки 60 в отделение 14 разделения/извлечения. В отделении 14 разделения/извлечения происходит дальнейшее движение с разделением водной и органической фаз, при этом влияние струй из насадок 21 и 31, по существу, устраняется перегородкой 60. Это позволяет обеспечить высокую эффективность экстракции/разделения.
Положение перегородки 60 конкретным образом не ограничивается и может определяться в зависимости от объема, горизонтальной длины и высоты емкости 10, расходов водной и органической фаз и т.п. В случае емкости 10 экстракции/разделения, имеющей прямоугольное дно, как показано на Фиг.1 и 2, перегородку 60 предпочтительно располагают в любом положении между продольным центром дна и упомянутой одной боковой стенкой (сторона впуска жидкости) емкости 10 таким образом, чтобы отделение 14 разделения/извлечения могло иметь объем, равный или превышающий объем отделения 13 контакта. Тогда отделение 14 разделения/извлечения, если предположить почти неподвижное состояние, обеспечивает более продолжительное время выстаивания, что позволяет достичь более эффективного разделения водной и органической фаз.
Отметим, что хотя для впрыска водной и органической фаз в виде пузырьков в вариантах реализации настоящего изобретения, показанных на Фиг.1 и 2, используются распылительные насадки 21 и 31, вместо этих насадок можно использовать любые средства ввода пузырьков водной и органической фаз в емкость 10. Кроме того, хотя для обеспечения связи по текучей среде в варианте реализации настоящего изобретения, показанном на Фиг.2, ниже и выше перегородки 60 созданы пространства, является приемлемым, если перегородка 60 проходит от верха до дна емкости 10 и выполнена перфорированной в ее нижней и верхней частях с созданием каналов для обеспечения связи по текучей среде. Далее, форма емкости 10 не ограничивается показанной на Фиг.1 и 2. Приемлемой является любая форма емкости, пока жидкие фазы перемещаются вертикально вверх и вниз как в распылительной колонне, либо пока водная фаза и органическая фаза перемещаются вертикально вверх и вниз, а также перемещаются по горизонтали, в результате чего водная и органическая фазы, введенные со стороны одной боковой стенки в верхнем и нижнем положениях, выгружаются со стороны противоположной боковой стенки в обратных положениях (нижнем и верхнем).
Блок экстракции "жидкость-жидкость" в одном из вариантов реализации настоящего изобретения может быть использован для создания устройства многоступенчатой экстракции "жидкость-жидкость". Имеется множество блоков экстракции "жидкость-жидкость", которые соединены таким образом, что линия 41 выгрузки органической фазы одного блока соединена с линией 32 подачи органической фазы другого блока, и линия 51 выгрузки водной фазы упомянутого одного блока соединена с линией 22 подачи водной фазы упомянутого другого блока. В результате операцию экстракции выполняют на нескольких ступенях. Если этап экстракции в органическую фазу редкоземельного элемента, находящегося в водной фазе, этап очистки органической фазы и этап обратной экстракции редкоземельного элемента из органической фазы для извлечения выполняют непрерывно, то по меньшей мере одна (одна, две или все) из секций экстракции, очистки и обратной экстракции может представлять собой устройство многоступенчатой экстракции "жидкость-жидкость", содержащее блоки экстракции "жидкость-жидкость".
Как упомянуто выше, блок экстракции "жидкость-жидкость" в одном из вариантов реализации настоящего изобретения содержит емкость 10 экстракции/разделения, впуск 20 водной фазы в верхней части одной боковой стенки, впуск 30 органической фазы в нижней части упомянутой одной боковой стенки, выпуск 40 органической фазы в верхней части противоположной боковой стенки и выпуск 50 водной фазы в нижней части упомянутой противоположной боковой стенки, причем органическую и водную фазы вводят в виде пузырьков из упомянутой одной боковой стенки, перемещают по горизонтали (или по длине) с одновременным обменом их положениями в направлении по вертикали, и выгружают из упомянутой противоположной боковой стенки. Когда пузырьковая водная фаза и пузырьковая органическая фаза обмениваются своими положениями в направлении по вертикали, между ними возникает эффективный взаимный контакт. В результате благодаря реакции на поверхности раздела фаз происходит эффективная экстракция и в то же время продолжается разделение фаз. Операцию экстракции и разделения можно выполнять в небольшом объеме и на небольшой площади без потери эффективности, а также без необходимости в камере отстойника большого объема, как в случае известного смесителя-отстойника.
В блоке экстракции "жидкость-жидкость", соответствующем настоящему изобретению, органическая фаза и водная фаза не только обмениваются своими положениями в направлении по вертикали, но также и перемещаются по вертикали и горизонтали перед их выгрузкой. Блок обеспечивает приемлемую эффективность и позволяет достичь высокого расхода, сравнимого с расходом в известном смесителе-отстойнике. Размеры блока значительно меньше по сравнению с известным смесителем-отстойником. При создании устройства многоступенчатой экстракции, содержащего множество блоков, и системы многоступенчатой непрерывной экстракции, в которой множество устройств многоступенчатой экстракции соединены с обеспечением связи по текучей среде, можно значительно уменьшить занимаемую площадь, а также можно значительно уменьшить объем жидкости, необходимый для экстракции. Все это способствует существенному снижению затрат, требующихся для экстракции и отделения редкоземельных элементов.
ПРИМЕР
Ниже в качестве иллюстрации, не подразумевая под этим ограничения, приведены примеры настоящего изобретения.
Сравнительный пример
Для выполнения экстракции и отделения редкоземельных элементов (празеодима и неодима) был использован известный многоступенчатый смеситель-отстойник с противотоком, который показан на Фиг.5 и 6.
Система на основе многоступенчатого смесителя-отстойника с противотоком, показанная на Фиг.5, включает секцию А экстракции из 32 ступеней, секцию В очистки из 32 ступеней и секцию С обратной экстракции из 8 ступеней. Одна ступень создается смесителем-отстойником, показанным на Фиг.6, в котором камера f смесителя имеет размеры 80 мм (Ш) × 80 мм (Г) × 200 мм (В), и отстойник, состоящий из четырех камер g–j, имеет размеры 320 мм (Ш) × 80 мм (Г) × 200 мм (В), в результате одна ступень имеет размеры 400 мм (Ш) × 80 мм (Г) × 200 мм (В). Секция А экстракции, имеющая 32 соединенные ступени, объединена с секцией В очистки, имеющей 32 соединенные ступени, что приводит к созданию комбинации "секция экстракции плюс секция очистки" А + В из 64 ступеней, которая имеет размеры 400 мм × 5120 мм × 200 мм (В). Объем жидкости, необходимый для заполнения комбинации "секция экстракции плюс секция очистки" А+В, составлял 328 л.
Путем растворения экстрагента РС-88А (моно-2-этилгексил 2-этилгексилфосфат) в керосине в концентрации 0,5 моль/л был приготовлен раствор, который использовался как органическая фаза. Был приготовлен смешанный водный раствор (1000 л), содержащий празеодим и неодим в молярном соотношении Pr к Nd 1:1 и имеющий концентрацию Pr + Nd 0,1 моль/л, который использовался как водная фаза.
Как показано на Фиг.5, водная фаза подавалась из линии 1 с расходом 6 л/ч, органическая фаза подавалась из линии 2 с расходом 19 л/ч, и водный раствор гидроксида натрия с концентрацией 4 моль/л подавался из линии 3 с расходом 1,5 л/ч в секцию А экстракции, где неодим, содержащийся в водной фазе, экстрагировался в органическую фазу. Органическая фаза подавалась в секцию В очистки, в то время как водная фаза выгружалась через линию 5 с расходом 8,4 л/ч и извлекалась. В секцию В очистки из линии 4 в качестве водной фазы подавался водный раствор соляной кислоты в концентрации 5,5 моль/л с расходом 0,9 л/ч, в результате чего происходила очистка органической фазы 2, так как празеодим (который содержался в органической фазе и, по существу, должен был остаться в водной фазе в секции А экстракции) выборочно экстрагировался в раствор 4 соляной кислоты (водную фазу). Органическая фаза 2 подавалась в секцию С обратной экстракции. С другой стороны, раствор соляной кислоты (водная фаза), содержащий выборочно экстрагированный в него празеодим (который должен был остаться в водной фазе в секции А экстракции), выгружался через линию 9 и подавался обратно в линию 1. Далее, водный раствор соляной кислоты в концентрации 5,5 моль/л в качестве водной фазы из линии 6 подавался с расходом 1,2 л/ч в секцию С обратной экстракции, где происходила обратная экстракция неодима из органической фазы в водный раствор соляной кислоты (водную фазу), который выгружался через линию 7 с расходом 1,2 л/ч и извлекался. С другой стороны, органическая фаза выгружалась из секции С обратной экстракции через линию 8 и подавалась обратно в секцию А экстракции, чтобы получить циркуляцию. Операция экстракции и разделения, от секции А экстракции до секции С обратной экстракции, выполнялась при температуре окружающей среды 35°С.
После операции экстракции и разделения концентрация празеодима и неодима в водной фазе, извлеченной из линии 5, и растворе соляной кислоты, извлеченном из линии 7, была измерена при помощи атомно-эмиссионного спектрометра ICP. Раствор соляной кислоты, извлеченный из линии 7, имел концентрацию неодима 0,03 моль/л, и чистота неодима (Nd/(Pr+Nd)) составляла 99,5%. Водная фаза, извлеченная из линии 5, имела концентрацию празеодима 0,03 моль/л, и чистота празеодима (Pr/(Pr+Nd)) составляла 99,6%.
Пример
Была создана система многоступенчатой непрерывной экстракции, которая показана на Фиг.4. Создание системы было аналогичным показанному на Фиг.5 для Сравнительного примера, за исключением того, что секция А экстракции и секция В очистки были созданы с использованием блоков экстракции "жидкость-жидкость", показанных на Фиг.2, и выше секции А экстракции, если смотреть в направлении технологического процесса, была установлена секция D примешивания щелочи, предназначенная для смешивания водного раствора 3 гидроксида натрия с органической фазой 2. Секция С обратной экстракции из 8 ступеней было создана с использованием того же смесителя-отстойника, что и в Сравнительном примере. Секция D примешивания щелочи представляет собой емкость с размерами 80 мм × 80 мм × 200 мм и снабжена крыльчаткой, при помощи которой водный раствор гидроксида натрия из линии 3 равномерно смешивают с органической фазой 2 перед выгрузкой жидкости или подачей в секцию А экстракции.
Блок экстракции "жидкость-жидкость", показанный на Фиг.2, имеет размеры 120 мм (Ш) × 80 мм (Г) × 200 мм (В). На расстоянии 60 мм от одной боковой стенки установлена перегородка 60 с размерами 5 мм × 80 мм × 170 мм (В), которая отстоит от дна на 5 мм, чтобы поделить емкость 10 на отделение 13 контакта и отделение 14 разделения/извлечения, по существу, одинакового объема. Каждая из распылительных насадок 21 и 31 представляет собой коническую трубку с закрытым концом, имеющую 30 отверстий (диаметром 1 мм), созданных на ее периферийной поверхности. Секция А экстракции из 32 ступеней создана путем соединения 32 блоков экстракции "жидкость-жидкость", и секция В очистки из 32 ступеней создана путем соединения 32 блоков экстракции "жидкость-жидкость".
Секцию А экстракции, образованную устройством многоступенчатой экстракции "жидкость-жидкость", содержащим 32 соединенных блока экстракции "жидкость-жидкость", объединяют с секцией В очистки, образованной устройством многоступенчатой экстракции "жидкость-жидкость", содержащим 32 соединенных блока экстракции "жидкость-жидкость", чтобы создать комбинацию "секция экстракции плюс секция очистки" А+В из 64 ступеней, имеющую размеры 120 мм × 5120 мм × 200 мм (В). Занимаемая площадь этой комбинации "секция экстракции плюс секция очистки" А + В по сравнению с занимаемой площадью в Сравнительном примере составляла 3/10. Объем жидкости, необходимый для заполнения комбинации "секция экстракции плюс секция очистки" А+В, составлял 98 л. Необходимый объем жидкости по сравнению с объемом в Сравнительном примере также составлял 3/10.
Далее, с использованием системы многоступенчатой непрерывной экстракции, показанной на Фиг.4, как и в Сравнительном примере, были выполнены экстракция и отделение празеодима и неодима. Так как растворы, подаваемые из линий, и расходы при вводе и выгрузке были теми же, что и в Сравнительном примере, то на Фиг.4 использованы те же ссылочные обозначения, что и в Сравнительном примере (Фиг.5), и описание операции экстракции/разделения опущено.
Концентрация празеодима и неодима в водной фазе, извлеченной из линии 5, и раствора соляной кислоты, извлеченного из линии 7, были измерены при помощи атомно-эмиссионного спектрометра ICP. Раствор соляной кислоты, извлеченный из линии 7, имел концентрацию неодима 0,03 моль/л, и чистота неодима (Nd/(Pr+Nd)) составляла 99,5%. Водная фаза, извлеченная из линии 5, имела концентрацию празеодима 0,03 моль/л, и чистота празеодима (Pr/(Pr+Nd)) составляла 99,6%. Было подтверждено, что можно обеспечить степени отделения и экстракции, равные степеням в Сравнительном примере.
Это демонстрирует, что с использованием блока экстракции "жидкость-жидкость", соответствующего настоящему изобретению, можно уменьшить размеры устройства и системы многоступенчатой экстракции "жидкость-жидкость" с одновременным сохранением удовлетворительной эффективности экстракции. Можно значительно уменьшить занимаемую площадь. Можно значительно уменьшить объем жидкости, необходимый для обработки. Можно значительно снизить затраты, требующиеся для экстракции и отделения редкоземельных элементов.