ЭКСТРАКЦИОННАЯ КОЛОННА И СПОСОБ ДЛЯ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
EXTRACTION COLUMN AND METHOD FOR USE THEREOF

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к противоточной колонне экстрагирования жидкости жидкостью. Настоящее изобретение также относится к способу для использования упомянутой колонны и к использованию упомянутой колонны или способа для удаления ароматических соединений из органических потоков, для обработки потока нефти на нефтеперерабатывающем заводе или для процесса экстрагирования жидкости жидкостью, имеющего по меньшей мере два подаваемых потока, обладающих различной плотностью, поверхностным натяжением или вязкостью.
Экстрагирование жидкости жидкостью, которое также известно как экстрагирование и разделение растворителем, представляет собой способ для разделения соединений на основе их относительной растворимости в двух различных несмешивающихся жидкостях, в качестве которых часто выступают вода и органический растворитель. Это является экстрагированием вещества из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу и полезено, например, при обработке продуктов химической реакции для того, чтобы выделить и очистить продукт (продукты), или при удалении ценных или опасных компонентов из потоков отходов или побочных продуктов в различных производственных способах. Извлеченные вещества могут быть неорганическими по своей природе, такими как металлы, или органическими, такими как химические продукты тонкого органического синтеза. В связи с этим экстрагирование жидкости жидкостью находит широкое применение во многих отраслях промышленности, включая производство химических продуктов тонкого органического синтеза, обработку духов, переработку облученного ядерного топлива, обработку руды, производство нефтехимических продуктов и производство растительных масел и биодизельного топлива. Некоторые конкретные применения включают в себя извлечение ароматических соединений, извлечение кофеина из кофе, восстановление гомогенных катализаторов, производство пенициллина, извлечение урана и плутония, экстрагирование смазочного масла, удаление фенола из сточных вод, а также экстрагирование кислот из водных потоков.
В типичном промышленном применении способ будет использовать стадию экстрагирования, на которой растворенные вещества передаются из водной фазы в органическую фазу. Обычно используется последующая стадия очистки барботирующим газом, на которой нежелательные растворенные вещества удаляются из органической фазы, а затем желательные растворенные вещества удаляются из органической фазы на стадии отгонки легких фракций. Органическая фаза затем может быть обработана с тем, чтобы сделать ее снова готовой к употреблению, например, путем ее промывки для того, чтобы удалить любые продукты разложения или другие нежелательные загрязняющие примеси.
Противоточные способы экстрагирования жидкости жидкостью особенно полезны для получения высоких уровней массообмена благодаря поддержанию медленно уменьшающейся разности по пути противотока. Например, промышленные установки обычно используют противоточные жидкие экстракционные системы, в которых жидкости текут непрерывно в противоположных направлениях через одну или более камер или колонн. Камеры или колонны могут иметь установленные в них специально спроектированные устройства, такие как перемешивающие устройства для воздействия на физические свойства (например, размер капелек) жидкости и насадочный материал колонны, который служит для того, чтобы затруднять прямой поток жидкостей. Насадка также обеспечивает увеличенный контакт между более легкой поднимающейся жидкостью и более тяжелой оседающей жидкостью, а лучший контакт означает более высокую эффективность способа массообмена.
Установки для способа экстрагирования жидкости жидкостью и их колонны обычно конструируются так, чтобы обеспечить опускающийся поток более тяжелой жидкости от верхней части колонны и восходящий жидкий поток более легкой жидкости от нижней части колонны. Вообще желательно обеспечить устройства и способы, предоставляющие эффективный массообмен, или контакт жидкость-жидкость так, чтобы контакт жидкостей мог быть достигнут с минимальным перепадом давления на данной зоне минимальных габаритов. Следовательно, высокая производительность и малый перепад давления являются важными критериями проектирования в операциях по экстрагированию жидкости жидкостью. Достаточная площадь поверхности для контакта жидкость-жидкость необходима для сокращения или устранения увлечения более тяжелой жидкости восходящим потоком более легкой жидкости. Чаще всего необходимо, чтобы структурированная матрица насадки в колонне имела достаточную площадь поверхности как в ее горизонтальной плоскости, так и в вертикальной плоскости так, чтобы фракции тяжелых элементов проходили вниз, а более легкая жидкость могла подниматься вверх через насадку с минимальным сопротивлением. При помощи таких устройств тяжелые и легкие компоненты выходят снизу и сверху колонны, соответственно.
Противоточные колонны экстрагирования жидкости жидкостью могут быть пассивными или статическими насадочными колоннами. Статические экстракционные колонны для того чтобы создать турбулентность и капельки, обычно целиком полагаются на насадку/внутренности и скорости потоков жидкости, проходящих через внутренности. Они обеспечивают следующие преимущества: (1) возможность реализации с большими диаметрами для очень высокой производительности, (2) простая эксплуатация без движущихся частей и связанных с этим уплотнений, (3) необходимость для управления только одного операционного интерфейса и (4) относительно небольшая производственная площадь по сравнению с оборудованием типа смеситель-отстойник. Однако для того чтобы получить соответствующий массообмен, обычно все же требуются достаточно интенсивные потоки. Такие пассивные колонны страдают ограничениями, связанными с тем, что может произойти образование каналов, при котором между жидкостями происходит лишь очень небольшой контакт. Другая проблема заключается в том, что обычно в пассивных колоннах только относительно немного крупных капель первой жидкой фазы диспергируются в течение относительно коротких периодов времени во второй непрерывной жидкой фазе. Таким образом с пассивными или статическими колоннами связываются относительно низкие степени смешивания и, следовательно, уменьшенные массообмен и эффективность стадии. В результате применение статических экстракционных колонн обычно ограничивается теми случаями, которые включают в себя низкие значения вязкости (меньше чем приблизительно 5 сПз), от низких до средних значений поверхностного натяжения (обычно от 3 до 20 дин/см, т.е. от 0,003 до 0,02 Н/м), от низких до средних значений разности в плотности между фазами и не более чем от трех до пяти равновесных стадий.
Низкая эффективность массообмена статической экстракционной колонны, особенно для систем со средним или большим значением поверхностного натяжения или разности плотностей жидких фаз, может быть улучшена путем механического перемешивания или пульсации жидкостно-жидкостной дисперсии внутри колонны с тем, чтобы лучше управлять размером капель и их плотностью (удерживающая способность дисперсной фазы). Было предложено множество различных типов экстракционных колонн с механическим перемешиванием. Более общие типы включают в себя различные колонны с вращающимися мешалками, а также контакторы с вращающимися дисками или пульсационные колонны, такие как колонны с тарелками возвратно-поступательного движения. В отличие от статических экстракционных колонн, экстракционные колонны с перемешиванием хорошо подходят для систем с умеренными и высокими значениями поверхностного натяжения и могут работать со средней производительностью.
Тем не менее, важно обеспечить точно определенное количество перемешивания в экстракционных колоннах с перемешиванием. Более сильное перемешивание (большее смешивание) минимизирует сопротивление массообмену во время экстрагирования, но способствует формированию малых и трудноосаждаемых капелек или эмульсий и таким образом уносу или "захлебыванию" способа. При проектировании способа экстрагирования жидкости жидкостью цель обычно заключается в том, чтобы сформировать нестабильную дисперсию, которая обеспечивает приемлемо высокую площадь поверхности раздела для хорошего массообмена во время экстрагирования, и при этом легко осаждается для того, чтобы обеспечить быстрое разделение жидких фаз после экстрагирования. Поэтому чрезмерное перемешивание может, к сожалению, потребовать очень долгого последующего отстаивания для того, чтобы разделить фазы.
Включение перемешивающих систем в пассивные статические экстракционные колонны для того, чтобы обеспечить подвод энергии для увеличения перемешивания, известно из американских патентов № 2493265; № 2850362; а также из международной патентной заявки WO 97/10886. Такие насадочные колонны с перемешиванием характеризуются последовательностью из нескольких чередующихся секций перемешивания и отстаивания. Секции перемешивания имеют перемешивающие устройства для того, чтобы способствовать тесному равновесному контакту между жидкостями. Секции отстаивания содержат насадку для того, чтобы остановить круговое движение жидкостей и облегчить их разделение. Тем не менее, такие насадочные колонны с перемешиванием согласно предшествующему уровню техники не очень хорошо подходят для систем, которые имеют тенденцию к легкому образованию эмульсии вследствие высокой скорости сдвига, генерируемой вращающейся мешалкой. В частности, использование чередующихся секций перемешивания и отстаивания означает, что любые эмульсии, которые разделяются секцией отстаивания, будут просто восстановлены последующей секцией перемешивания. Следовательно, эмульсии будут прогрессивно создаваться за счет высоких скоростей сдвига в каждой секции перемешивания по всему пути в колонне.
Дополнительная проблема заключается в том, что множество физических свойств могут значительно измениться при изменении химической концентрации во время экстрагирования. Эти свойства могут включать в себя поверхностное натяжение, вязкости и плотности жидкостей, и они сильно влияют на массообмен и, таким образом, на эффективность экстрагирования. В частности, изменения этих свойств способствуют появлению проблем с формированием эмульсии для конкретного набора условий в колонне. Экстракционные способы с высокими степенями массообмена являются особенно склонными к таким изменениям физических свойств по высоте колонны. Один тип экстракционной колонны - статический (пассивный) или с перемешиванием (активный) - не сможет хорошо справиться с такими системами и изменениями их свойств.
В таких случаях изменения физических свойств могут использоваться устройства на основе комбинации двух или более различных отдельных колонн. Каждая колонна может иметь различную конструкцию и тип внутренностей для оптимального использования с конкретными физическими свойствами на данной конкретной стадии экстрагирования. Такие устройства, однако, требуют двух отдельных корпусов колонн, двух наборов подающих насосов и двух наборов контроллеров способа. Потоки способа обрабатываются путем их последовательного прохождения через эти по меньшей мере две колонны. Такие устройства, основанные на комбинации отдельных колонн, имеют несколько неудобств, таких как необходимость в большом количестве вспомогательных средств, таких как насосы и трубопроводы, а также необходимость в тщательно продуманных средствах управления способом. Кроме того, между каждыми из различных колонн устройства будет необходимо дополнительное внутреннее оборудование, такое как распределители и/или коллекторы и разделители фаз.
Ранее обсужденные насадочные колонны с перемешиванием в соответствии с американскими патентами № 2493265; № 2850362; а также международной патентной заявкой WO 97/10886 также не подходят для экстрагирования систем, включающих в себя существенные изменения физических свойств вследствие изменений концентраций по ходу экстракционного способа и по высоте колонны. Раскрытые колонны основаны на существенно симметричном расположении чередующихся секций перемешивания и отстаивания по высоте колонны, тогда как химические концентрации веществ и физические свойства асимметричны по ходу экстрагирования и либо увеличиваются, либо уменьшаются вдоль оси колонны. Следовательно, раскрытые колонны не могут использовать преимущество специфической пригодности секции перемешивания перед статической секцией для конкретной концентрации и набора физических свойств в начале экстракционного способа и в конце экстракционного способа (например, внизу и вверху колонны или наоборот в случае по существу вертикальной колонны).
Подводя итог, было бы желательным иметь такую экстракционную колонну, которая бы подходила для экстрагирования систем, включающих в себя существенные изменения физических свойств, лучше, чем экстракционные колонны предшествующего уровня техники, и при этом обеспечивала бы соответствующую эффективность массообмена, не проявляя тенденции к формированию эмульсии или к уносу.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Основываясь на этом уровне техники, задачей настоящего изобретения является предложить упрощенную противоточную колонну экстрагирования жидкости жидкостью, которая не страдает упомянутыми ранее недостатками, в частности недостатком соответствующей эффективности массообмена и/или тенденцией к формированию эмульсии, особенно при работе с системами, включающими в себя существенные изменения физических свойств во время экстракционного способа. Дополнительными задачами настоящего изобретения являются предложить способ для использования упомянутой колонны, а также применение упомянутой колонны или способа для удаления ароматических соединений из органических потоков, для обработки потока нефти на нефтеперерабатывающем заводе или для процесса экстрагирования жидкости жидкостью, имеющего по меньшей мере два подаваемых потока, обладающих различной плотностью, поверхностным натяжением или вязкостью.
В соответствии с настоящим изобретением эти задачи решаются с помощью противоточной колонны экстрагирования жидкости жидкостью, выполненной с возможностью протекания в ней двух или более жидкостей и включающей в себя внутри одной общей емкости первый вход для первого жидкого подаваемого потока, второй вход для второго жидкого подаваемого потока, первый выход для потока продукта, второй выход для потока побочного продукта, секцию перемешивания, включающую в себя средство перемешивания, статическую секцию, включающую в себя насадку, необязательно коллектор и/или распределитель, причем внутри общей емкости находится только одна секция перемешивания и только одна или две статические секции.
В соответствии с настоящим изобретением эти дополнительные задачи решаются, во-первых, за счет противоточного способа экстрагирования жидкости жидкостью, в котором в упомянутую колонну первый подаваемый поток жидкости подается посредством первого входа, а второй подаваемый поток жидкости подается посредством второго входа, происходит контакт жидкости с жидкостью между первым потоком и вторым потоком с образованием потока продукта и потока побочного продукта, и сформированный поток продукта удаляется посредством первого выхода, а сформированный поток побочного продукта удаляется посредством второго выхода.
Упомянутая колонна и упомянутый способ используются в соответствии с настоящим изобретением для удаления ароматических соединений из органических потоков, для обработки потока нефти на нефтеперерабатывающем заводе или для способа экстрагирования жидкости жидкостью, имеющего по меньшей мере два подаваемых потока, обладающих различной плотностью, поверхностным натяжением или вязкостью.
Настоящее изобретение решает эти задачи и обеспечивает решение этой проблемы посредством общей емкости, внутри которой находится только одна секция перемешивания и только одна или две статические секции. В результате единственная секция перемешивания обеспечивает необходимую эффективность массообмена, тогда как одна или две статические секции могут быть расположены внутри колонны для того, чтобы обеспечить необходимые секции отстаивания для обеспечения разделения любых эмульсий, образующихся в случае систем, имеющих тенденцию к образованию эмульсии. Кроме того, добавление одной или двух статических секций позволяет уменьшить подвод энергии от секции перемешивания при обеспечении соответствующего массообмена. Это выгодное уменьшение подвода энергии также способствует уменьшению образования эмульсии.
В случае систем, включающих в себя существенные изменения физических свойств во время экстракционного способа, одна секция перемешивания и одна или две статические секции могут быть организованы внутри колонны для того, чтобы обеспечить оптимальные условия в экстракционной колонне для конкретного изменяющегося набора свойств экстрагируемой системы. Например, если поверхностное натяжение в результате массообмена во время экстрагирования изменяется от низкого значения до более высокого значения, то колонна может начинаться со статической секции в начале способа (то есть в направлении вниз по существу вертикальной колонны) и заканчиваться секцией перемешивания в конце способа (то есть в направлении вверх по существу вертикальной колонны). Если бы система имела тенденцию к образованию эмульсий, за секцией перемешивания могла бы следовать статическая секция для того, чтобы обеспечить отстаивание для облегчения разделения. Аналогичным образом, если поверхностное натяжение в результате массообмена во время экстрагирования изменяется от более высокого значения до более низкого значения, то колонна может начинаться с секции перемешивания и заканчиваться единственной статической секцией.
Эти результаты тогда неожиданно достигаются без какой-либо потребности в специальных тщательно продуманных устройствах, включающих в себя комбинацию множества колонн, каждой со своим собственным корпусом колонны, набором внутренностей, наборами подающих насосов и наборами контроллеров способа и уровня жидкости.
В предпочтительном варианте осуществления колонна является по существу вертикальной, причем внутри общей емкости находится только одна статическая секция, и причем секция перемешивания предпочтительно располагается существенно выше статической секции. Это асимметричное расположение внутренностей колонны является особенно подходящим для работы с системами, в которых поверхностное натяжение изменяется во время экстрагирования в результате массообмена. Расположение секции перемешивания существенно выше статической секции особенно выгодно для таких систем, в которых поверхностное натяжение изменяется от более низкого значения до более высокого значения по мере того, как они проходят от нижней секции колонны до верхней секции колонны. Кроме того, эта система имеет пониженную тенденцию к образованию эмульсий, поскольку добавление статической секции к секции перемешивания в колонне позволяет уменьшить энергию, вводимую секцией перемешивания, при обеспечении соответствующей эффективности массообмена.
Аналогичным образом в предпочтительном варианте осуществления способа колонна является по существу вертикальной, предпочтительно такой, что внутри общей емкости колонны имеется только одна статическая секция, и в которой секция перемешивания предпочтительно располагается существенно выше статической секции, и в которой плотность потока, добавляемого посредством входа, расположенного в пределах нижней части колонны, меньше, чем плотность потока, добавляемого посредством входа, расположенного в пределах верхней части колонны. Этот способ обладает теми же самыми преимуществами, что и ранее упомянутая колонна.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления колонна дополнительно включает в себя коллектор и/или распределитель. Коллектор может выгодно использоваться для перехвата жидкости, опускающейся по колонне, например, для питания перераспределителя, когда диаметр колонны значительно изменяется, для помощи в удалении жидкости из колонны, для удаления жидкости для рециркуляции в замкнутой системе или для улучшения смешивания подаваемого потока с жидкостью, опускающейся вниз. Например, статическая секция (секции) колонны часто будет иметь меньший диаметр, чем секция перемешивания. Равномерное распределение жидкости и объемных скоростей потока по поперечному сечению колонны посредством распределителя, особенно в случае статической секции, заполненной насадкой, будет сильно способствовать эффективности колонны и ее внутренностей. Следовательно, использование распределителя жидкости во всех местах колонны, в которых вводится поток жидкости, будет выгодным.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления колонна не имеет никакого коллектора или распределителя, расположенного между секцией перемешивания и одной или двумя статическими секциями. Комбинация секций перемешивания и статических секций в одной общей емкости устраняет необходимость в таких коллекторах или распределителях между секциями перемешивания и статическими секциями. Это неожиданное и выгодное упрощение представляет собой значительное отличие от экстрагирующих устройств, основанных на комбинации двух или более колонн.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления колонны средство перемешивания включает в себя либо электромагнитный приводной блок, или двигатель, который располагается существенно выше или существенно сбоку от секции перемешивания. Электромагнитные приводные блоки выгодны тем, что они не требуют отверстий и, соответственно, уплотнений в стенке общей емкости колонны для их работы. Следовательно, у них будет меньше проблем с потенциальной утечкой. Расположение двигателя сбоку от секции перемешивания устраняет необходимость проделывания отверстия для вала двигателя через статическую секцию. Аналогичным образом для предпочтительных вариантов осуществления колонны, имеющей только одну статическую секцию и в которой секция перемешивания располагается существенно выше статической секции, размещение двигателя существенно выше секции перемешивания избавляет от необходимости в каких бы то ни было отверстиях или уплотнениях через статическую секцию для валов. Прохождение валов через статические секции потребовало бы использования не совсем обычной насадки в форме тороида.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления колонны насадка включает в себя тарелки, неупорядоченную насадку, структурированную насадку или комбинации перечисленного. В такой колонне одна из жидкостей имеет тенденцию лучше смачивать поверхность насадки, а другая жидкость проходит через эту смачиваемую поверхность, на которой и имеет место массообмен. Следовательно, насадка улучшит тесный контакт между фазами. Тарелки, неупорядоченная насадка и структурированная насадка особенно эффективны для влияния на массообмен. В частности, неупорядоченные и структурированные насадки обеспечивают преимущество более низкого перепада давления через колонну по сравнению с пластинами или тарелками. Комбинации тарелок и структурированных насадок делают возможной комбинацию соответствующих благоприятных свойств каждой из них.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления колонна дополнительно включает в себя третий вход, расположенный между первым входом и вторым входом, для добавления третьего жидкого потока питания. Третий жидкий поток питания может включать в себя один или более экстрагентов для того, чтобы выгодно увеличить способность растворителя к извлечению компонента. Альтернативно третья жидкость может быть вторым растворителем, имеющим специфическую селективность для растворения другого извлекаемого компонента подаваемого потока. Использование дополнительных растворителей таким образом выгодно обеспечивает селективную экстракцию дополнительных компонентов или комбинирование экстракционного способа со стадиями отгона, очистки барботирующим газом или промывки внутри той же самой колонны.
Аналогичным образом в предпочтительном варианте осуществления способа, имеющего по существу вертикальную колонну, в колонну также добавляется третий жидкий подаваемый поток, имеющий плотность больше, чем плотность второго потока, добавляемого в нижней части колонны, но меньше, чем плотность первого потока, добавляемого в верхней части колонны. Третий жидкий подаваемый поток добавляется посредством третьего входа, расположенного между входом в нижней части и входом в верхней части. Использование третьего жидкого подаваемого потока делает возможным достижение тех же самых преимуществ, что и ранее упомянутый предпочтительный вариант осуществления колонны.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления колонна дополнительно включает в себя средство создания пульсаций в жидкостном соединении с колонной для того, чтобы увеличить напряжение сдвига и дисперсию внутри колонны. Аналогичным образом в дополнительном предпочтительном варианте осуществления способа жидкость внутри колонны пульсирует под воздействием средства создания пульсаций для того, чтобы увеличить напряжение сдвига и дисперсию жидкости.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления способа один из потоков включает в себя два или более органических соединений, а другой поток включает в себя воду, причем предпочтительно первый поток состоит по существу из органических соединений, а другой поток состоит по существу из воды. Такие потоки обычно имеют очень отличающиеся плотности, и часто их физические свойства изменяются по высоте колонны вследствие массообмена. Следовательно, эти потоки извлекают значительную выгоду из способа по настоящему изобретению. В других предпочтительных вариантах осуществления, в которых колонна является по существу вертикальной, поток, богатый органическими соединениями, добавляются через вход, расположенный в нижней части колонны, а другой поток, богатый водой, добавляется через вход, расположенный в верхней части колонны.
В другом предпочтительном варианте осуществления способа первый жидкий подаваемый поток включает в себя растворитель, а второй жидкий подаваемый поток включает в себя масло и ароматическое соединение, причем ароматическое соединение извлекается из второго потока противоточным контактом с первым потоком внутри колонны с получением очищенного масла, причем извлеченное ароматическое соединение удаляется с растворителем как часть потока побочного продукта через второй выход, расположенный в нижней части колонны, а очищенная нефть удаляется как часть потока продукта через первый выход, расположенный в верхней части колонны. Экстрагирование жидкости жидкостью ароматических соединений из масел обычно включает в себя существенные изменения физических свойств в ходе экстрагирования, и таким образом такая экстракция получает особую выгоду от колонны и способа по настоящему изобретению.
Дополнительные аспекты настоящего изобретения включают в себя применение колонны или способа по настоящему изобретению для удаления ароматических соединений из органических потоков, для обработки потока нефти на нефтеперерабатывающем заводе или для процесса экстрагирования жидкости жидкостью, имеющего по меньшей мере два подаваемых потока, обладающих различной плотностью, поверхностным натяжением или вязкостью. Такое использование дает выгоду от ранее обсужденных преимуществ колонны и способа по настоящему изобретению.
Специалисту в данной области техники будет понятно, что комбинация сущностей различных пунктов формулы изобретения и вариантов осуществления настоящего изобретения возможна без ограничения в настоящем изобретении, если такие комбинации технически выполнимы. В этой комбинации сущность любого пункта формулы изобретения может быть скомбинирована с сущностью одного или более других пунктов формулы изобретения. В этой комбинации сущностей сущность любого пункта формулы изобретения, относящегося к способу, может быть скомбинирована с сущностью одного или более других пунктов формулы изобретения, относящихся к способу, или с сущностью одного или более пунктов формулы изобретения, относящихся к колонне, или с сущностями одного или более пунктов формулы изобретения, относящихся к способу, и одновременно с этим с сущностями одного или более пунктов формулы изобретения, относящихся к колонне. По аналогии, сущность любого пункта формулы изобретения, относящегося к колонне, может быть скомбинирована с сущностью одного или более других пунктов формулы изобретения, относящихся к колонне, или с сущностью одного или более пунктов формулы изобретения, относящихся к способу, или с сущностями одного или более пунктов формулы изобретения, относящихся к способу, и одновременно с этим с сущностями одного или более пунктов формулы изобретения, относящихся к колонне. В качестве примера, сущность п. 1 формулы изобретения может быть скомбинирована с сущностью любого из пунктов формулы изобретения 9-14. В одном варианте осуществления сущность п. 9 формулы изобретения комбинируется с сущностью любого из пунктов формулы изобретения 1-8. В одном конкретном варианте осуществления сущность п. 10 формулы изобретения комбинируется с сущностью п. 2 формулы изобретения. В другом конкретном варианте осуществления сущность п. 4 формулы изобретения комбинируется с сущностью п. 11 формулы изобретения. В качестве другого примера, сущность п. 1 формулы изобретения может также быть скомбинирована с сущностями любых двух из пунктов 2-14 формулы изобретения. В одном конкретном варианте осуществления сущность п. 1 формулы изобретения комбинируется с сущностями пунктов 2 и 9 формулы изобретения. В другом конкретном варианте осуществления сущность п. 11 формулы изобретения комбинируется с сущностями пунктов 1 и 2 формулы изобретения. В качестве примера сущность п. 1 формулы изобретения может быть скомбинирована с сущностями любых трех из пунктов 2-15 формулы изобретения. В одном конкретном варианте осуществления сущность п. 1 формулы изобретения комбинируется с сущностями пунктов 2, 9 и 11 формулы изобретения. В другом конкретном варианте осуществления сущность п. 10 формулы изобретения комбинируется с сущностями пунктов 1, 7, и 13 формулы изобретения. В еще одном конкретном варианте осуществления сущность п.1 формулы изобретения комбинируется с сущностями пунктов 2-9 и 11 формулы изобретения. В еще одном конкретном варианте осуществления сущность п. 9 формулы изобретения комбинируется с сущностями пунктов 10 и 12-13 формулы изобретения. В качестве примера сущность любого пункта формулы изобретения может быть скомбинирована с сущностями любого количества других пунктов формулы изобретения без ограничения, если такие комбинации технически выполнимы.
Специалисту в данной области техники будет понятно, что комбинация сущностей различных вариантов осуществления настоящего изобретения возможна без ограничения в изобретении. Например, сущность одного из вышеупомянутых предпочтительных вариантов осуществления может быть скомбинирована с сущностями одного или более других вышеупомянутых предпочтительных вариантов осуществления без ограничения. В качестве примера, в соответствии с особенно предпочтительным вариантом осуществления способа колонна является по существу вертикальной, и внутри общей емкости колонны имеется только одна статическая секция, и секция перемешивания предпочтительно располагается по существу выше статической секции. В качестве другого примера, в соответствии с другим особенно предпочтительным вариантом осуществления способа внутри общей емкости колонны не содержится никакого коллектора или распределителя между секцией перемешивания и одной или двумя статическими секциями. В качестве еще одного примера, в соответствии с другим особенно предпочтительным вариантом осуществления способа колонна является по существу вертикальной, внутри общей емкости колонны имеется только одна статическая секция, и секция перемешивания предпочтительно располагается по существу выше статической секции, причем плотность потока, добавляемого через вход, расположенный в нижней части колонны, меньше, чем плотность потока, добавляемого через вход, расположенный в верхней части колонны, и поток с меньшей плотностью включает в себя два или более органических соединений, а поток с более высокой плотностью включает в себя воду.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее настоящее изобретение будет более подробно объяснено со ссылками на различные варианты осуществления настоящего изобретения, а также на чертежи. Схематические чертежи изображают следующее
Фиг. 1 показывает схематический вид одного варианта осуществления противоточной колонны экстрагирования жидкости жидкостью в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 2 показывает схематический вид предпочтительного варианта осуществления противоточной колонны экстрагирования жидкости жидкостью в соответствии с настоящим изобретением, в котором колонна является по существу вертикальной, и внутри общей емкости колонны находится только одна статическая секция, а секция перемешивания располагается существенно ниже статической секции.
Фиг. 3 показывает схематический вид предпочтительного варианта осуществления противоточной колонны экстрагирования жидкости жидкостью в соответствии с настоящим изобретением, в котором колонна является по существу вертикальной, и внутри общей емкости колонны находится только одна статическая секция, а секция перемешивания располагается существенно выше статической секции.
Фиг. 4 показывает схематический вид другого предпочтительного варианта осуществления противоточной колонны экстрагирования жидкости жидкостью в соответствии с настоящим изобретением, в котором колонна является по существу вертикальной, и внутри общей емкости колонны находится только одна статическая секция, а секция перемешивания располагается существенно выше статической секции.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1 показывает схематический вид варианта осуществления противоточной колонны экстрагирования жидкости жидкостью в соответствии с настоящим изобретением, которая в целом отмечена ссылочной позицией 1. Экстракционная колонна 1 специально не ограничивается в ее форме, конструкции или составе, если иное не указано явно. Любой материал, который может быть изготовлен, может быть превращен в колонну 1. В целях экономии, корпуса колонн часто изготавливаются из стеклопластика (FRP, fiberglass reinforced plastic), нержавеющей стали, Сплава 20 или любого другого материала, подходящего для конкретного применения. Внутренние компоненты колонны для уменьшения первоначальных затрат могут быть изготовлены из полипропилена или других пластических масс, или из любых других материалов, включая металлы, в зависимости от требований способа. В одном варианте осуществления колонна 1 и ее компоненты изготавливаются из металлов, пластических масс, стекла или смесей перечисленного. Подходящие металлы включают в себя углеродистую сталь, нержавеющую сталь, никелевые сплавы, медные сплавы, титан и цирконий. Подходящие конструкционные полимеры включают в себя фторполимеры, такие как политетрафторэтилен (PTFE), поливинилиденфторид (PVDF) или сополимер этилена и тетрафторэтилена (ETFE); поливинилхлорид (PVC); а также полипропилены.
Вариант осуществления, изображенный на Фиг. 1, показывает по существу вертикальную колонну 1, однако специалисту в данной области техники будет понятно, что возможны и другие ориентации колонны 1, если они технически целесообразны.
th
Экстракционные колонны, а также их конструкция и работа хорошо известны в данной области техники, например, как описано в публикациях R.K. Sinnott, John Metcalfe Coulson, and John Francis Richardson, Chemical Engineering Design, Vol. 6, Coulson & Richardson's Chemical Engineering Series, 4 Ed. Published in 2005 by Elsevier (ISBN 0750665386) или T.C. Lo and M.H.I. Baird, Handbook of Solvent Extraction, edited by C. Hanson, published in 1991 by Krieger Pub. Co. (ISBN-13: 978-0894645464). Если явно не обозначено иное, для колонны 1 могут использоваться обычные строительные материалы и средства, а также компоненты и вспомогательные средства, и колонна 1 может эксплуатироваться в экстракционном способе обычным образом, как это известно в данной области техники.
Колонна 1 выполнена с возможностью протекания внутри нее двух или более жидкостей 2 и включает в себя внутри одной общей емкости 3 первый вход 41 для первого жидкого подаваемого потока 51, второй вход 42 для второго жидкого подаваемого потока 52, первый выход 61 для потока 71 продукта, второй выход 62 для потока 72 побочного продукта, секцию 8 перемешивания, включающую в себя средство 9 перемешивания, статическую секцию 10, включающую в себя насадку 11, необязательно коллектор 12 и/или распределитель 13, причем внутри общей емкости 3 имеется только одна секция 8 перемешивания и только одна или две статические секции 10. Следует отметить, что необязательный коллектор 12 и/или распределитель 13 для простоты не показаны в варианте осуществления, изображенном на фиг.1, но показаны в варианте осуществления, изображенном на фиг.4.
Жидкости 2 специально не ограничиваются, и каждая жидкость 2, каждый жидкий подаваемый поток 51-53, поток 72 побочного продукта и поток 71 продукта могут включать в себя одно или более органических соединений, растворители, воду или смеси перечисленного. Поток 71 продукта и поток 72 побочного продукта специально не ограничиваются, и для простоты изложения поток 71 продукта будет использоваться здесь для обозначения менее плотного потока, а поток побочного продукта будет использоваться для обозначения на чертежах более плотного потока, если конкретно не будет указано иное.
Общая емкость 3 специально не ограничивается по своей форме или составу. В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, она является цилиндрической по своей форме. Первый вход 41, второй вход 42, первый выход 61 и второй выход 62 являются обычными, как это известно в данной области техники. Местоположения входов 41 и 42 и выходов 61 и 62 внутри колонны 1 специально не ограничиваются. В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, вход 41 и выход 61 располагаются в верхней части 161 колонны, а вход 42 и выход 62 располагаются в нижней части 162 колонны. Специалисту в данной области техники будет понятно, что обратная геометрия или другие комбинации находятся в области охвата настоящего изобретения.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, секция 8 перемешивания располагается внутри общей емкости 3 между двумя статическими секциями 10, которые также располагаются внутри общей емкости 3. Специалисту в данной области техники будет понятно, что возможны и другие расположения секции 8 перемешивания и двух статических секций 10. Например, в одном варианте осуществления секция 8 перемешивания находится ниже обеих статических секций 10, а в другом варианте осуществления секция 8 перемешивания находится выше обеих статических секций 10. В некоторых вариантах осуществления будет предпочтительным разместить статические секции 10 в тех частях колонны 1, в которых имеется небольшая разница в плотности жидкостей 2, а секцию 8 перемешивания разместить внутри той части колонны, в которой имеется значительное различие в плотности жидкостей 2.
Секция 8 перемешивания включает в себя средство 9 перемешивания, которое является обычным для данной области техники и специально не ограничивается. Средство 9 перемешивания обеспечивает перемешивание жидкостей 2 внутри секции 8 перемешивания по мере того, как жидкости 2 проходят в противотоке через эту секцию 8. Параметры перемешивания проектируются так, чтобы уменьшить размер капелек жидкой фазы, диспергированных в другой непрерывной жидкой фазе.
В некоторых вариантах осуществления средство 9 перемешивания включает в себя одну или более лопастных мешалок, диски, турбины или их комбинации. В конкретном варианте осуществления, показанном на фиг. 1, средство 9 перемешивания включает в себя две лопастных мешалки. Вращение вертикального вала средства 9 перемешивания создает перемешивание с невертикальным напором. Было показано, что перемешивание такими лопастными мешалками и т.п. производит конфигурацию чрезвычайно мелких рассеянных капелек в таких сборках. В одном варианте осуществления лопасти являются ненаклонными и устанавливаются вертикально для того, чтобы создать интенсивное перемешивание без придания жидкой смеси восходящего или нисходящего напора, позволяя тем самым жидкостям разделяться под воздействием силы тяжести вследствие их различной плотности.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, две лопастные мешалки вращаются посредством вертикального вала, соединенного с двигателем 15. Двигатель 15 является обычным, и в одном варианте осуществления он является электродвигателем с переменной скоростью. В большинстве случаев предпочтительными будут перемешивающие устройства с электрическим приводом. Во многих вариантах осуществления будет предпочтительно размещать двигатель 15 по существу выше колонны так, чтобы жидкие фазы не контактировали с уплотнениями вала двигателя. Такие варианты осуществления являются более легко обслуживаемыми, более долговременными и более безопасными из-за меньшей вероятности утечки. В менее предпочтительных вариантах осуществления, в которых двигатель 15 соединяется с перемешивающими устройствами посредством вала, проходящего через статическую секцию 10, будет предпочтительным использовать насадку 11 в форме тороида для того, чтобы облегчить проход вала.
Размер средства 9 перемешивания специально не ограничивается, однако специалисту в данной области техники будет понятно, что его размер и конструкция будут такими, чтобы оно не блокировало сколь-нибудь существенно противоток жидкостей в колонне и во время перемешивания.
2
3
2
3
Каждая статическая секция 10 включает в себя насадку 11. Насадка 11 является обычной и хорошо известной в данной области техники, такой как тарелки, нерегулярная насадка, структурированная насадка или их комбинации. В одном предпочтительном варианте осуществления используется структурированная насадка благодаря ее превосходным характеристикам. В некоторых вариантах осуществления насадка 11 включает в себя массообменные элементы, известные в данной области техники как нерегулярные насадки, такие как кольцевые насадки Рашига и/или Полла, седловидные насадки, такие как, например, седловидная насадка Берля, сферы, крючки, или известные в данной области техники под товарными знаками NOR-PAC™, BIO-NET™ или Hel-X™. В некоторых других вариантах осуществления насадка включает в себя структурированные насадки, например, известные в данной области техники под товарными марками Mellapak™, Montz-Pak™, Ralu-Pak™, SMV™ или Raschig Super-Pak™. В некоторых других конкретных вариантах осуществления насадки изготавливаются из ткани. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления будут использоваться насадки, которые имеют гладкую (нежелобчатую) поверхность. В конкретном варианте осуществления поверхность используемого массообменного элемента составляет от 20 м/м до 500 м/м. В другом предпочтительном варианте осуществления используется комбинация тарелок и структурированной насадки, предпочтительно такая, в которой тарелка с двумя потоками располагается между каждыми двумя элементами насадки.
Фиг. 2 показывает предпочтительный вариант осуществления противоточной колонны 1 экстрагирования жидкости жидкостью в соответствии с настоящим изобретением, в котором колонна 1 является по существу вертикальной и внутри общей емкости 3 колонны 1 имеется только одна статическая секция 11, и одна секция 8 перемешивания расположена по существу ниже статической секции 11. На этом чертеже показан электромагнитный приводной блок 14, который в этом варианте осуществления располагается снаружи ниже колонны 1. Такие приводы 14 будут экономичными для колонны 1 с диаметром до 300 мм. Для больших диаметров такие блоки 14 будут менее предпочтительными из-за возрастающих затрат.
Фиг. 3 показывает другой предпочтительный вариант осуществления противоточной колонны 1 экстрагирования жидкости жидкостью в соответствии с настоящим изобретением, в котором колонна 1 является по существу вертикальной и внутри общей емкости 3 колонны 1 имеется только одна статическая секция 10, а секция 8 перемешивания располагается по существу выше статической секции 10. В этом варианте осуществления средство 9 перемешивания включает в себя множество лопастных мешалок, которые приводятся во вращение посредством вертикального вала, соединенного с двигателем 15.
Как проиллюстрировано этим конкретным вариантом осуществления, колонна 1 может иметь различные диаметры для секции 8 перемешивания и одной или двух статических секций 10. Специалисту в данной области техники будет понятно, что диаметры различных секций специально не ограничиваются, но они могут изменяться на основании общей пропускной способности и гидродинамических требований колонны 1, а также экономических затрат переключения диаметров между секциями. В одном варианте осуществления статическая секция (секции) 10 имеет меньший диаметр, чем секция 8 перемешивания, как проиллюстрировано на фиг. 3.
Фиг. 4 показывает схематический вид еще одного предпочтительного варианта осуществления противоточной колонны 1 экстрагирования жидкости жидкостью в соответствии с настоящим изобретением, в котором колонна 1 является по существу вертикальной и внутри общей емкости 3 колонны 1 имеется только одна статическая секция 10, а секция 8 перемешивания располагается по существу выше статической секции 10. Как проиллюстрировано этим конкретным вариантом осуществления, колонна 1 может также включать в себя один или более коллекторов 12 и/или распределителей 13 для сбора и распределения жидкостей 2. Вариант осуществления, показанный на фиг. 4, имеет два коллектора 12 и два распределителя 13, причем один из каждой пары коллекторов и распределителей располагается в верхней части 161 колонны 1, а другой из каждой пары коллекторов и распределителей располагается в нижней части 162 колонны 1.
Коллекторы 12 и распределители 13 являются обычными и хорошо известными в данной области техники конструкциями для сбора жидкостей 2 или для распределения жидкостей 2 в колоннах 1.
Типы коллекторов включают в себя сборную тарелку с патрубком, коллектор шевронного типа, корытообразный коллектор и палубный коллектор. Коллекторы 12 обычно используются в колоннах для полного отвода жидкости в поток продукта или для циркуляционных контуров откачки, для частичного отвода жидкости, при котором остаток жидкости продолжает опускаться вниз по колонне, или для сбора жидкости для перемешивания. Обычно коллектор шевронного типа и корытообразный коллектор требуют меньшей высоты колонны, чем палубный коллектор, и таким образом они являются предпочтительными в тех случаях, когда высота колонны ограничена.
Специалисту в данной области техники будет понятно, что на эффективность экстракционной колонны может сильно влиять то, насколько однородно подаваемые потоки питания и растворителя распределяются по поперечному сечению колонны 1. Требования к распределению и перераспределению изменяются в зависимости от типа внутренностей колонны (насадки, тарелок, перемешивающих устройств или дефлекторов) и от воздействия внутренностей на потоки диспергированной и непрерывной фаз внутри колонны 1. Важные аспекты распределителя 13 включают в себя количество отверстий и рисунок отверстий (геометрическое расположение), размер отверстия, количество сливных стаканов для более тяжелой фазы или сборных стаканов для более легкой фазы (если они используются) и их размещение, отношение максимальной объемной скорости потока к минимальной объемной скорости потока, с которыми может работать данная конструкция (динамический диапазон регулирования), и устойчивость к засорению. Распределители 13 жидкости обычно используются для того, чтобы достичь однородного распределения жидкости по поперечному сечению колонны, и распределители 13 часто располагаются над насадкой 11. Полезные типы распределителей 13 включают в себя дефлекторные тарелки, распределители канального типа с нижними отверстиями или боковыми трубками, трубы с устьем, сборные тарелки с патрубком, распределители лестничного типа, распределители в виде чана, распределители палубного типа, корытообразные распределители, трубчатые лопасти, капельные или распылительные устройства, струйные конденсаторы, разбрызгиватели, распылители, а также переливные распределители.
Как проиллюстрировано этим конкретным вариантом осуществления, изображенным на фиг. 4, колонна 1 может также включать в себя третий вход 43 для добавления третьего жидкого подаваемого потока 53, такого как экстрагент и/или растворитель. Местоположение третьего входа 43 специально не ограничивается, и в некоторых вариантах осуществления он будет расположен между первым входом 41 и вторым входом 42.
Как проиллюстрировано также этим конкретным вариантом осуществления, изображенным на фиг. 4, средство 9 перемешивания также может приводиться в действие двигателем 15, который установлен сбоку на колонне 1. В этом варианте осуществления для того чтобы вращать лопастные мешалки, используются горизонтальный вал и подходящее передающее устройство.
Как проиллюстрировано также этим конкретным вариантом осуществления, изображенным на фиг. 4, колонна 1 может также включать в себя средство 200 пульсации, находящееся в соединении по текучей среде с колонной 1, для того, чтобы увеличить напряжение сдвига и дисперсию внутри колонны 1. Подходящее средство 200 пульсации включает в себя поршневой насос или сосуд, содержащий инертный газ под переменным управляемым давлением. Средство 200 пульсации функционирует путем ускорения капелек одного из подаваемых потоков 51-53 в направлении к насадке 11. Как показано на фиг. 4, предпочтительно пульсирующие средства будут расположены ниже статической секции 10 и ее насадки 11 для того, чтобы обеспечить желаемый эффект.
Хотя это и не показано на схематических чертежах для простоты, специалисту в данной области техники будет понятно, что в настоящем изобретении без ограничений могут использоваться другие обычные внутренности колонны, например устройства подачи, такие как питающие трубы и/или отстойники, ограничители слоя, опорные плиты и сетки, диспергаторы, диспергирующие/опорные плиты, распределители непрерывной фазы, опорные и удерживающие тарелки для насадки, сепараторы унесенной жидкости, а также клапанные тарелки/перераспределители. Подходящие внутренности колонны описываются, например, в технической брошюре "Internals for Packed Columns" компании Sulzer Chemtech, публикация 22.51.06.40- XII.09-50.
Вспомогательные средства для колонны 1 являются обычными и хорошо известными в данной области техники и включают в себя источники электропитания, автоматические регуляторы уровня жидкости, насосы, клапаны, трубы и линии, резервуары, барабаны, цистерны, а также датчики для измерения таких параметров, как расход, температура и уровень жидкости. Колонной 1 и экстракционным способом будет удобно управлять с помощью компьютерного интерфейса, оборудованного подходящими датчиками.
Специалисту в данной области техники будет понятно, что оптимальный выбор и расположение внутренностей колонны будут зависеть от того, какая фаза (легкая или тяжелая) является непрерывной, и какая фаза диспергируется в экстракционном способе. Рекомендуются питающие трубопроводы для того, чтобы управлять скоростью подаваемых потоков.
Другим аспектом настоящего изобретения является противоточный способ экстрагирования жидкости жидкостью, в котором в колонну 1 по настоящему изобретению первый жидкий подаваемый поток 51 подается посредством первого входа 41, а второй жидкий подаваемый поток 52 подается посредством второго входа 42, между потоком 51 и потоком 52 происходит контакт жидкость-жидкость с тем, чтобы сформировать поток 71 продукта и поток 72 побочного продукта, и сформированный поток 71 продукта удаляется посредством первого выхода 61, а сформированный поток 72 побочного продукта удаляется посредством второго выхода 62.
Во многих вариантах осуществления будет предпочтительным добавлять более плотную жидкость 2 в качестве первого жидкого подаваемого потока 51 в верхней части 161 колонны 1, а менее плотную жидкость 2 в качестве второго жидкого подаваемого потока 52 в нижней части 162 колонны 1 для того, чтобы использовать силу тяжести в качестве движущей силы способа. Аналогичным образом часто будет предпочтительным удалять более плотный из потока продукта или потока побочного продукта (71 или 72) из нижней части 162 и удалять менее плотный поток (71 или 72) из верхней части 161, по той же самой причине. Что касается вариантов осуществления, показанных на чертежах, будет предпочтительно, чтобы поток 71 был менее плотным, чем поток 72.
Этот экстракционный способ по настоящему изобретению обладает тем преимуществом, что он делает возможным сокращение энергии способа. Это не только более экономично, но и делает способ более спокойным, минимизируя тем самым проблемы уноса или формирования эмульсии. Не привязываясь ни к какому конкретному механизму или режиму работы, считается, что секция 8 перемешивания рассеивает энергию путем создания площади поверхности раздела фаз для разделения, тогда как добавление одной или двух статических секций 10 позволяет выгодно уменьшить энергию, введенную секцией 8 перемешивания. Однако использование одних только статических секций 10 не дало бы достаточно энергии для создания достаточной площади поверхности раздела фаз для эффективного разделения и экстрагирования. Использование всего лишь одной секции 8 перемешивания в колонне 1 снижает энергопотребление колонны 1 и подвод энергии к колонне 1 и минимизирует распространение эмульсий и уноса в колонне. Если в способе образуется слишком много мелких капелек, например мельче критического размера, их будет невозможно отделить в конце.
Экстракционные способы хорошо известны в данной области техники и описаны, например, в публикациях R.K. Sinnott, John Metcalfe Coulson, and John Francis Richardson, Chemical Engineering Design, Vol. 6, Coulson & Richardson's Chemical Engineering Series, 4th Ed., Elsevier, 2005 (ISBN 0750665386) или T.C. Lo and M. H.I. Baird, Handbook of Solvent Extraction, edited by C. Hanson, Krieger Pub. Co., 1991 (ISBN-13: 978-0894645464). Если явно не указано иное, обычные экстракционные способы и их различные жидкости 2 и рабочие параметры и условия могут использоваться в экстракционных способах в соответствии с настоящим изобретением при использовании колонны 1.
Обычный экстракционный способ включает в себя фракционную экстракцию, диссоциативную экстракцию, экстракцию с обменом pH, экстракцию, усиленную реакцией, экстрактивную реакцию, экстракцию с обменом температуры, обратную мицеллярную экстракцию и водную двухфазную экстракцию. Гибридные экстракционные способы включают в себя экстракционную дистилляцию, экстракционную кристаллизацию, нейтрализационную экстракцию, экстракционную реакцию и экстракцию с обратным осмосом.
В некоторых вариантах осуществления часто будет предпочтительным диспергировать жидкий подаваемый поток 51 или 52 с более высокой объемной скоростью потока с тем, чтобы создать максимальную поверхность раздела фаз. В других вариантах осуществления предпочтительно будет диспергироваться жидкость 2 с меньшей объемной скоростью потока, когда жидкость 2 с более высокой объемной скоростью потока будет иметь более высокую вязкость или предпочтительно смачивать поверхность насадки.
Следует отметить, что присутствие любых поверхностно-активных веществ может изменить поверхностные свойства до такой степени, что поведение экстракционного способа не может быть точно предсказано. Поэтому предпочтительные варианты осуществления способа предполагают отсутствие сколь-нибудь значительного содержания поверхностно-активного вещества.
В дополнение к легкости восстановления и пригодности для повторного использования, жидкий растворитель, используемый в жидкостном экстрагировании растворителем, должен иметь высокую селективность (отношение коэффициентов распределения), быть несмешивающимся с жидкостью носителя, иметь малую вязкость, а также иметь значительную разницу в плотности (по сравнению с жидкостью носителя) и умеренно низкое поверхностное натяжение. Обычные технические растворители как правило являются однофункциональными органическими растворителями, такими как кетоны, сложные эфиры, спирты, линейные или разветвленные алифатические углеводороды, ароматические углеводороды и так далее; или водой, которая может быть кислотной или основной или смешанной с растворимыми в воде органическими растворителями. Более сложные растворители иногда используются для того, чтобы получить конкретные свойства, необходимые для данного применения. Они включают в себя соединения с несколькими функциональными группами, такими как диолы или триолы, гликолевые эфиры и алканоламины, а также гетероциклические соединения, такие как растворители, полученные из хвойных пород древесины (терпены), сульфолан (тетрагидротиофен-1,1-диоксан) и NMP (н-метил-2-пирролидинон). В некоторых вариантах осуществления смеси вышеописанных растворителей могут использоваться для того, чтобы улучшить свойства растворителя для конкретных применений.
3
3
3
3
В предпочтительном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением колонна 1 является по существу вертикальной, в которой предпочтительно внутри общей емкости 3 колонны 1 имеется только одна статическая секция 10, и в которой секция 8 перемешивания предпочтительно располагается существенно выше статической секции 10, и в которой плотность потока 52 меньше, чем плотность потока 51, и в которой вход 41 располагается в верхней части 161 колонны 1, а вход 42 располагается в нижней части 162 колонны 1. В большинстве случаев предпочтительным является добавлять поток, имеющий более высокую плотность, в верхней части 161 колонны 1, а поток, имеющий более низкую плотность, в нижней части 162 колонны 1, с тем, чтобы использовать разность в плотности и силу тяжести в качестве движущей силы для противотока. Аналогичным образом, предпочтительным будет удалять более легкий поток (71 или 72) из верхней части 161, а более тяжелый поток (71 или 72) - из нижней части 162. Обращаясь к вариантам осуществления, показанным на чертежах, будет предпочтительным, чтобы поток 71 был менее плотным, чем поток 72. В предпочтительных конкретных вариантах осуществления разность в плотности между потоком 52 и потоком 51 составляет более 5 кг/м, предпочтительно более 15 кг/м, более предпочтительно больше чем 20 кг/м и наиболее предпочтительно больше чем 30 кг/м.
В других предпочтительных вариантах осуществления способа потоки 51 и 52 будут иметь поверхностное натяжение более 0,5 мН/м, предпочтительно более 1 мН/м, более предпочтительно больше чем 2 мН/м. В других предпочтительных вариантах осуществления потоки 51 и 52 будут иметь вязкости меньше чем 750 мПз, предпочтительно меньше чем 500 мПз и более предпочтительно меньше чем 250 мПз. Использование таких поверхностных натяжений и вязкостей будет способствовать эффективности экстракционного способа.
В другом предпочтительном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением поток 51 включает в себя воду, а поток 52 включает в себя два или более органических соединений, причем предпочтительно поток 51 состоит по существу из воды, а поток 52 состоит по существу из органических соединений. Использование органических и водных потоков часто является желаемым во многих коммерчески важных экстракционных способах. Кроме того, органические и водные потоки часто имеют значительные различия в их плотности и других физических свойствах, и относительные различия в этих физических свойствах значительно изменяются по высоте колонны 1, по мере того, как происходит массообмен. Например, большинство органических растворителей являются значительно менее плотными, чем вода, однако, галоидированные растворители, такие как дихлорметан или хлороформ, являются значительно более плотными, чем вода. Следовательно, такие потоки извлекают особенную выгоду из колонны 1 и способа по настоящему изобретению. Во многих предпочтительных вариантах осуществления способа, включающих в себя негалоидированные органические соединения, в основном органический поток 52 будет иметь более низкую плотность и будет добавлен через вход 42, расположенный в нижней части 162 колонны 1, а в основном водный поток 51 будет иметь более высокую плотность и будет добавлен через вход 41, расположенный в верхней части 161 колонны 1. В этих предпочтительных вариантах осуществления менее плотный и в основном органический поток 71 продукта будет удален через выход 61, расположенный в верхней части 161 колонны 1, а более плотный и в основном водный поток побочного продукта 72 будет удален через выход 62, расположенный в нижней части 162 колонны 1. В способах экстракции, включающих в себя галоидированные органические соединения и воду, более плотная органическая фаза будет предпочтительно добавлена в верхнюю часть 161, а водная фаза - в нижнюю часть 162, и более плотный органический поток побочного продукта 72 будет удален через выход 62 в нижней части 162, а более легкий водный поток 71 продукта - через выход 61 в верхней части 161.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления способа поток 51 включает в себя растворитель, а поток 52 включает в себя масло и ароматическое соединение, причем ароматическое соединение извлекается из потока 52 противоточным контактом с потоком 51 внутри колонны 1 для того, чтобы получить очищенное масло, причем извлеченное ароматическое соединение удаляется с растворителем в качестве части потока побочного продукта 72 через выход 62, расположенный внутри нижней части 162 колонны 1, а очищенное масло удаляется в качестве части потока 71 продукта через выход 61, расположенный в верхней части 161 колонны 1. Масло и ароматическое соединение специально не ограничиваются. Полезные масла включают в себя углеводородные потоки, такие как выход установки жидкого каталитического крекинга, растворы масел в уайт-спирите или смазочные масла. Полезные ароматические соединения включают в себя бензол, толуол, ксилол, фенол, а также полициклические ароматические соединения, такие как соединения асфальта, дегтя или нафты.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления способа третий жидкий подаваемый поток 53, имеющий плотность больше, чем плотность потока 52, но меньше, чем плотность потока 51, добавляется в колонну через третий вход 43, расположенный между входом 42 и входом 41. Во многих способах экстракции будет выгодным добавлять экстрагенты или вспомогательные растворители для того, чтобы увеличить емкость фазы растворителя в отношении извлекаемого компонента (компонентов). В некоторых конкретных предпочтительных вариантах осуществления третий поток 53 представляет собой другой растворитель, например, растворитель для промывания, отгона или очистки. Таким образом экстракционный способ в колонне 1 может быть эффективно скомбинирован со стадиями очистки, отгона или промывания внутри той же самой колонны 1.
Как было обсуждено ранее для колонны 1, в предпочтительном варианте осуществления способа жидкость 2 внутри колонны 1 пульсирует под воздействием средства 200 пульсации для того, чтобы увеличить напряжение сдвига и дисперсию жидкости 2.
Еще одним аспектом настоящего изобретения является использование экстракционной колонны 1 или экстракционного способа по настоящему изобретению для удаления ароматических соединений из органических потоков, для обработки потока нефти на нефтеперерабатывающем заводе или для способа экстрагирования жидкости жидкостью, имеющего по меньшей мере два подаваемых потока, обладающих различной плотностью, поверхностным натяжением или вязкостью, и/или включающего в себя высокие степени массообмена.
ПРИМЕРЫ
Следующие примеры для того, чтобы предоставить специалисту в данной области техники детализированное описание того, как оцениваются противоточные колонны экстрагирования жидкости жидкостью 1, способы и использование, заявленные в настоящем документе, и эти примеры не предназначены для ограничения области охвата того, что изобретатели рассматривают как их изобретение.
В этих примерах колонна 1, показанная на фиг. 3, успешно использовалась в типичном применении для жидкостной экстракции ароматических соединений из масла. В качестве насадки колонны использовалась экстракционная структурированная насадка Sulzer SMV.
В этих примерах использовалась типичная комбинация масла и растворителя, известная в данной области техники. Первый жидкий поток 51 представлял собой органический растворитель NMP (н-метил-2-пирролидинон), который имел более высокую плотность и подавался в колонну 1 через вход 41, расположенный в верхней части 161 колонны 1. Второй жидкий подаваемый поток 52 представлял собой нефтепродукт, который содержал ароматические соединения, обнаруживаемые по методу IP346 Американского общества по испытанию материалов (ASTM). Нефтепродукт имел плотность меньше, чем плотность NMP, и подавался в нижнюю часть 162 колонны 1 через вход 42.
Во время способа масло контактировало с органическим растворителем для того, чтобы удалить ароматические компоненты из исходного масла. Более плотный насыщенный растворитель, так называемый экстракт, покидал нижнюю часть 162 колонны 1 в качестве потока 72 побочного продукта через второй выход 62, а очищенное масло, так называемый рафинад, покидал верхнюю часть 161 колонны 1 в качестве потока 71 продукта через первый выход 61. В этом случае различие в плотности исходного масла и насыщенного растворителя (экстракта) было очень малым, что представляло собой ключевую проблему для функционирования экстракционной колонны 1.
В сравнительном примере экстракционный способ был реализован в колонне Сульцера-Куни с перемешиванием, имеющей секцию 8 перемешивания, но не имеющей статических секций 10, и в результате было установлено, что, к сожалению, эксплуатировать колонну с перемешиванием при устойчивых гидродинамических условиях невозможно. Отсутствие значительного различия в плотности между экстрактом и исходным маслом делало работу колонны с перемешиванием чрезвычайно неустойчивой.
Во втором сравнительном примере экстракционный способ был реализован в насадочной экстракционной колонне Сульцера, имеющей статическую секцию 10, содержащую насадку SMV, но не имеющей никаких средств 9 перемешивания или секций 8 перемешивания. Оказалось возможным достичь динамического равновесия колонны при устойчивых гидродинамических условиях. Насадочная колонна, не имеющая секции 8 перемешивания, смогла работать при малой разнице плотностей. Однако желаемая чистота продукта (рафинада) не была достигнута, потому что эффективность разделения насадочной колонны, имеющей только статическую секцию 10 и не имеющей секции 8 перемешивания или средств 9 перемешивания, была значительно ниже, чем эффективность разделения колонны с перемешиванием, имеющей только секцию 8 перемешивания и не имеющей статической секции 10.
В третьем рабочем примере для проведения экстракционного способа использовалось вышеописанное комбинированное экстрагирование с насадкой и перемешиванием, как показано на фиг.3. Нижняя часть колонны 1, в которой наблюдалась малая разность в плотностях между жидкостями 2, была установлена как насадочная колонна (статическая секция 10) для того, чтобы справиться с проблемными гидродинамическими условиями в ней. Для того чтобы обеспечить высокую эффективность разделения и таким образом высокую чистоту и качество рафинада, верхняя часть колонны 1 была установлена как колонна с перемешиванием (секция 8 перемешивания со средством 9 перемешивания).
С помощью этой комбинации отдельные преимущества насадочной колонны и колонны с перемешиванием были объединены как статическая секция 10 и секция 8 перемешивания внутри одной общей емкости 3 единственного устройства (противоточной колонны 1 экстрагирования жидкости жидкостью). В этой колонне 1 не требовалось никаких внутренностей, таких как коллектор 12 или распределитель 13, между статической секцией 10 и секцией 8 перемешивания. Кроме того, эта колонна 1 не требовала более одного корпуса и более одного набора подающих насосов или контроллеров способа. Следовательно, выгодные свойства двух различных типов колонн смогли быть достигнуты в одной простой единственной колонне 1 и без необходимости в больших количествах вспомогательных средств или внутренностей колонны или в тщательно продуманных средствах управления способом. В дополнение к этому, была достигнута необходимая чистота рафинада, и не наблюдалось никаких проблем с образованием эмульсии или уносом жидкости во время стабильной работы этой колонны 1, показанной на фиг. 3, при экстрагировании ароматических соединений из нефтепродукта при использовании NMP в качестве растворителя.
В то время как различные варианты осуществления были сформулированы с целью иллюстрации, предшествующие описания не должны рассматриваться как ограничения на область охвата настоящего документа. Соответственно, различные модификации, адаптации и альтернативы могут быть сформулированы специалистом в данной области техники без отступлений от духа и области охвата настоящего документа.