BR102022005483A2

BR102022005483A2 - Unidade de extração líquido-líquido e aparelho de extração líquido-líquido de múltiplos estágios usando a mesma

Info

Publication number: BR102022005483A2
Application number: BR102022005483-5A
Authority: BR
Inventors: Hiroto Sugahara
Original assignee: Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.
Priority date: 2021-03-24
Filing date: 2022-03-23
Publication date: 2022-09-27
Also published as: CA3151902A1; CN115121005A; JP2022147876A; AU2022201710A1; EP4062991A1; US20220305404A1

Abstract

Uma unidade de extração líquido-líquido inclui um compartimento de alimentação para receber uma fase aquosa e uma fase orgânica, um alimentador de mistura tal como uma bomba para misturar as fases aquosa e orgânica e transportar a mistura sob pressão para um compartimento de reação onde a mistura é submetida a um reação extrativa e um compartimento de repouso para separar a mistura de volta em uma fase aquosa e uma fase orgânica e a partir do qual cada fase é recuperada.

Description

UNIDADE DE EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO E APARELHO DE EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS USANDO A MESMA

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDO RELACIONADO

[001] Este pedido não provisório reivindica prioridade sob 35 U.S.C. §119(a) no Pedido de Patente n° 2021-049326 depositado no Japão em 24 de março de 2021, cujo conteúdo integral é aqui incorporado por referência.

CAMPO TÉCNICO

[002] Esta invenção refere-se a uma unidade de extração líquido-líquido para contato de uma fase aquosa com uma fase orgânica e, em seguida, separação das fases e recuperação de um extrato desejado da fase aquosa separada e/ou fase orgânica. A invenção refere-se mais particularmente a uma unidade de extração líquido-líquido e a um aparelho de extração contínua de múltiplos estágios adequado para a extração e separação de elementos de terras raras.

ESTADO DA TÉCNICA

[003] Os ímãs de terras raras são materiais funcionais necessários e indispensáveis para impulsionar a maior economia de energia e maior funcionalidade. A gama de aplicações para ímãs de terras raras é ampla, estendendo-se desde eletrodomésticos de consumo geral, como condicionadores de ar, até aplicações automotivas, como veículos elétricos híbridos e veículos elétricos, e o volume de produção vem crescendo ano a ano.

[004] Elementos de terras raras normalmente usados em ímãs de terras raras incluem cério (Ce), praseodímio (Pr), neodímio (Nd), samário (Sm), térbio (Tb) e disprósio (Dy). Os métodos conhecidos para separar esses elementos de terras raras incluem o método de resina de troca iônica (ou extração sólido-líquido) e o método de extração por solvente (ou extração líquido-líquido). O método de extração por solvente é comumente utilizado na separação e purificação industrial de elementos de terras raras, pois é capaz de tratamento eficiente em larga escala através de um processo contínuo.

[005] Na extração com solvente, uma fase aquosa constituída por uma solução aquosa contendo elementos metálicos a serem separados é colocada em contato com uma fase orgânica composta por um extrator para extrair um elemento metálico de interesse e um solvente orgânico para diluir o extrator, fazendo com que o elemento metálico de interesse a ser extraída com o extractante para a fase orgânica e assim separado.

[006] Um aparelho amplamente utilizado na extração por solventes é o chamado misturador-decantador que, enquanto admite continuamente uma fase aquosa e uma fase orgânica a taxas de fluxo constantes, extrai um ingrediente dentro da fase aquosa para a fase orgânica. Este aparelho possui uma seção misturadora que utiliza um agitador para misturar as duas fases e uma seção de decantação para realizar a separação por diferença de gravidade específica entre as duas fases misturadas.

[007] O Documento de Patente 1 revela uma unidade de extração líquido-líquido em que, quando a extração líquido-líquido é realizada introduzindo uma fase aquosa e uma fase orgânica num tanque, colocando as fases em contacto, separando as fases e depois recuperando um extrato desejado da fase aquosa separada e/ou da fase orgânica, a fase aquosa é admitida em estado espumoso (ou gotícula fina) de uma porção superior do tanque e a fase orgânica é admitida em estado espumoso (ou gotícula fina) de uma porção inferior do tanque, a fase orgânica movendo-se da parte inferior para a superior do tanque entra em contato com a fase aquosa movendo-se da parte superior para a inferior do tanque, transferindo a substância desejada entre a fase aquosa e a orgânica, a fase orgânica é descarregada da parte superior do tanque líquido, a fase aquosa é descarregada da parte inferior do tanque, e o extrato desejado é recuperado da fase orgânica e/ou da fase aquosa. Nesta unidade de extração, quando a fase aquosa e a fase orgânica trocam verticalmente de posição para cima e para baixo em seus estados espumosos (ou gotículas finas), elas entram em contato efetivo uma com a outra, permitindo que a extração seja realizada de forma eficaz por meio de reações interfaciais e também permitindo que a separação de fases prossiga ao mesmo tempo. Isso elimina a necessidade de um agitador e uma câmara de decantação de grande volume, possibilitando a redução do tamanho do aparelho.

[008] Os Documentos de Patentes 2 e 3 descrevem uma técnica chamada processo de fluxo de emulsão que se mistura e emulsifica duas fases do líquido apenas pela distribuição de fluido por bomba sem recorrer à utilização de forças mecânicas externas tais como agitação e mistura, e que utiliza a distribuição de fluido dosado por bomba para separar rapidamente as duas fases do líquido emulsificadas sem esperar pela separação gravitacional ou depender de forças mecânicas externas tais como forças centrífugas. Este aparelho tem uma construção muito simples e pode ser facilmente operado.

[009] No entanto, em misturadores-decantadores, quando a mistura é realizada com um agitador, a separação de fases é ruim. Portanto, como mostrado na FIG. 3, por exemplo, são necessárias quatro seções de decantação para realizar a separação de fases em um misturador-decantador com uma única seção de misturador equipada com um agitador, aumentando indesejavelmente o tamanho do equipamento. Particularmente quando metais com fator de separação pequeno devem ser separados, o número de estágios misturador-decantador unidos aumenta, levando a problemas como aumento no tamanho do sistema e custos mais altos para extratores, um prédio para abrigar o sistema, produtos químicos e similares.

[010] Além disso, embora a unidade de extração descrita no Documento de Patente 1 tenha uma boa eficiência de extração em comparação com os misturadores-decantadores e a unidade possa ser feita relativamente compacta, são necessárias bombas separadas para distribuição de fluido para introduzir as fases aquosa e orgânica. Além disso, quando os volumes de líquido diferem, existe o risco do líquido transbordar no tanque de extração e, portanto, deve-se fazer um esforço para controlar os volumes do líquido com as bombas.

[011] Como no Documento de Patente 1, a extração de solvente por fluxo de emulsão descrita nos Documentos de Patente 2 e 3 requer, durante a alimentação da fase aquosa e da fase orgânica, bombas separadas para distribuição de fluido das fases aquosa e orgânica. Quando há diferença nas taxas de entrega de fluido neste momento, o controle do nível interfacial entre as fases aquosa e orgânica tende a ser difícil, o que pode diminuir a eficiência do tratamento.
Lista de citações
Documento de patente 1: JP-A 2013-144270
Documento de patente 2: JP-A 2008-289975
Documento de patente 3: JP-A 2018-099691

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[012] É, portanto, um objetivo desta invenção fornecer uma unidade de extração líquido-líquido que permita que o equipamento de extração seja reduzido em tamanho sem sacrificar a eficiência da extração e separação de elementos de terras raras e para o qual o controle dos volumes de líquido é fácil. Outro objetivo é fornecer um aparelho de extração líquido-líquido de múltiplos estágios que usa tal unidade.

[013] O inventor descobriu que, usando uma única bomba ou outro meio de transporte de pressão para extrair simultaneamente uma fase aquosa e uma fase orgânica que foram admitidas em um compartimento de alimentação e, em seguida, distribuí-las a um compartimento de reação de modo a causar a mistura e a reação extrativa para ocorrer e subsequentemente permitir que essas fases se separem em um compartimento vertical, a unidade pode ser facilmente reduzida em tamanho, mantendo uma boa eficiência de extração e o controle do volume líquido das fases aquosa e orgânica pode ser prontamente realizado. A invenção baseia-se nestas descobertas.

[014] A invenção fornece uma unidade de extração líquido-líquido adaptada para contatar uma fase aquosa com uma fase orgânica, separando as fases contatadas e recuperando um extrato desejado da fase aquosa e/ou orgânica separada, compreendendo
um compartimento de alimentação para receber a fase aquosa e a fase orgânica,
um compartimento de reação dividido do compartimento de alimentação por uma partição para receber uma mistura da fase aquosa e da fase orgânica e submeter as fases aquosa e orgânica a uma reação extrativa,
um compartimento vertical em comunicação fluida com o compartimento de reação para separar a mistura que flui do compartimento de reação para uma fase aquosa e uma fase orgânica,
alimentador de mistura para extrair a fase aquosa e a fase orgânica do compartimento de alimentação, misturar as fases e transportar a mistura sob pressão para o compartimento de reação,
uma linha de sucção de fase aquosa tendo uma extremidade distal disposta em uma porção inferior do compartimento de alimentação e uma extremidade proximal conectada ao alimentador de mistura para extrair a fase aquosa da porção inferior do compartimento de alimentação para o alimentador de mistura,
uma linha de sucção de fase orgânica tendo uma extremidade distal disposta acima da extremidade distal da linha de sucção de fase aquosa e uma extremidade proximal conectada ao alimentador de mistura para puxar a fase orgânica do compartimento de alimentação para o alimentador de mistura, e
uma linha de alimentação de mistura tendo uma extremidade distal disposta dentro do compartimento de reação e uma extremidade proximal conectada ao alimentador de mistura para alimentar a mistura fornecida do alimentador de mistura ao compartimento de reação.

[015] A fase aquosa e a fase orgânica recebida no compartimento de alimentação são puxadas para o alimentador de mistura e misturadas, a mistura é transportada para o compartimento de reação e aí submetida a uma reação extrativa, a mistura resultante é então separada em uma fase aquosa e uma fase orgânica fase no compartimento vertical, e as fases são cada uma recuperada.

[016] O alimentador de mistura é preferencialmente uma única bomba.

[017] Em uma modalidade preferida, um bocal de pulverização ou um bocal de cone completo está ligado à extremidade distal da linha de alimentação de mistura disposta no compartimento de reação para descarregar a mistura em um estado de gotículas finas. O bocal de pulverização ou bocal de cone completo tem preferencialmente um diâmetro de orifício entre 30 μm e 10 mm.

[018] Em outra modalidade preferida, o compartimento de reação e o compartimento vertical são separados por uma divisória que tem meios dispostos por cima ou numa parte superior do mesmo e por baixo ou numa parte inferior do mesmo para proporcionar comunicação fluida entre o compartimento de reação e o compartimento vertical.

[019] Ainda em outra modalidade preferida, o compartimento de alimentação e o compartimento de reação estão separados por uma divisória com meios dispostos por baixo ou numa parte inferior do mesmo para proporcionar comunicação fluida entre o compartimento de alimentação e o compartimento de reação.

EFEITOS VANTAJOSOS DA INVENÇÃO

[020] A unidade de extração líquido-líquido da invenção facilita o controle dos volumes de líquido, proporciona uma boa separação das fases aquosa e orgânica misturadas e permite que o equipamento de extração seja reduzido em tamanho sem sacrificar o desempenho.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[021] A FIG. 1 é uma vista em perspectiva esquemática de uma unidade de extração líquido-líquido exemplar de acordo com uma modalidade da invenção.

[022] A FIG. 2 ilustra esquematicamente um exemplo de um aparelho de extração líquido-líquido de múltiplos estágios no qual as unidades de extração líquido-líquido da invenção são conectadas entre si em quatro estágios.

[023] A FIG. 3 é uma vista esquemática em perspectiva do misturador-decantador da técnica anterior usado no Exemplo Experimental Comparativo 1.

DESCRIÇÃO DAS MODALIDADES

[024] Os objetos, características e vantagens da invenção tornar-se-ão mais evidentes a partir da seguinte descrição detalhada tomada em conjunto com os diagramas anexos.

[025] A FIG. 1 mostra uma unidade de extração líquido-líquido 1 de acordo com uma modalidade da invenção. A unidade 1 tem um corpo principal 11 que é um recipiente retangular paralelepípedo com uma base retangular e um topo aberto. O corpo principal 11 é dividido horizontalmente no interior por duas divisórias 2a e 2b, da esquerda para a direita na FIG. 1, três compartimentos: um compartimento de alimentação 3, um compartimento de reação 4 e um compartimento vertical 5.

[026] O compartimento de alimentação 3 é separado do compartimento de reação 4 pela primeira partição 2a. Esta primeira partição 2a tem uma extremidade superior que é definida acima do nível do líquido (“líquido” refere-se aqui à fase aquosa A e fase orgânica O subsequentemente descritas) que foi recebida no compartimento de alimentação 3 de modo que o líquido dentro o compartimento de alimentação 3 não passa pela extremidade superior da primeira partição 2a e flui diretamente para o compartimento de reação 4. A primeira partição 2a tem uma extremidade inferior que encosta ou é unida a uma base do corpo principal da unidade 11 e que, como na extremidade superior, pode ser configurada de modo que o líquido não flua diretamente para o compartimento de reação 4. No entanto, tendo em mente a taxa de influxo de líquido, a primeira partição pode ser ajustada de modo que um pouco de espaço seja formado com a base ou meios para comunicação de fluido podem ser fornecidos formando um entalhe ou uma abertura na extremidade inferior da primeira partição 2a. Desta forma, mesmo quando o compartimento de alimentação 3 tem uma grande capacidade, o transbordamento de líquido do compartimento de reação 4 pode ser evitado, permitindo que seja alcançado um equilíbrio entre os volumes de líquido no compartimento de alimentação 3 e o compartimento de reação 4. Além disso, porque a fase aquosa A e a fase orgânica O no compartimento de alimentação 3 são constantemente puxadas para cima, misturadas e enviadas para o compartimento de reação 4 pelo alimentador de mistura (bomba) P subsequentemente descrito, o nível de líquido no compartimento de reação 4 é sempre ajustado mais alto do que o nível de líquido no compartimento de alimentação 3, de modo que, mesmo que os meios para comunicação de fluido sejam fornecidos abaixo ou em uma porção inferior da primeira partição 2a, o líquido no compartimento de alimentação 3 não passe por este meio de comunicação de fluido e fluir diretamente para o compartimento de reação 4.

[027] Embora não mostrado na FIG. 1, uma entrada de fase aquosa para admitir a fase aquosa A e uma entrada de fase orgânica para admitir a fase orgânica O são tipicamente fornecidas em uma parede lateral em uma extremidade horizontal do corpo principal da unidade 11 (o lado esquerdo na FIG. 1) servindo como uma parede lateral do compartimento de alimentação 3, de modo que a fase aquosa A e a fase orgânica O sejam continuamente ou intermitentemente admitidas e recebidas no compartimento de alimentação 3 dessas entradas de fase aquosa e orgânica. Como mostrado na FIG. 1, a fase aquosa A e a fase orgânica O que foram admitidas e recebidas no compartimento de alimentação 3, devido a uma diferença de gravidade específica entre elas, assumem um estado separado com a fase aquosa A no fundo e a fase orgânica O em cima.

[028] A forma da entrada da fase aquosa e da entrada da fase orgânica não é particularmente limitada. Por exemplo, linhas de entrada de fase aquosa e de fase orgânica adequadas podem ser usadas para introduzir as fases aquosa e orgânica de cima do corpo principal aberto 11 para o compartimento de alimentação 3. Alternativamente, aberturas de entrada adequadas para introduzir as fases aquosa e orgânica no compartimento de alimentação 3 podem ser fornecidas em uma parede lateral do mesmo (a parede à esquerda na FIG. 1).

[029] O compartimento de reação 4 é separado do compartimento de alimentação 3 pela primeira partição 2a e é separado do compartimento vertical 5 pela segunda partição 2b. Esta segunda partição 2b é fornecida com uma folga entre uma extremidade inferior da mesma e a base do corpo principal da unidade 11 através da qual o líquido é permitido circular entre o compartimento de reação 4 e o compartimento vertical 5. Além disso, a altura da segunda partição 2b é ajustada abaixo do nível do líquido recebido, permitindo que o líquido passe sobre a extremidade superior da segunda partição 2b e circule entre o compartimento de reação 4 e o compartimento vertical 5. Desta forma, o líquido é capaz de circular entre o compartimento de reação 4 e o compartimento vertical 5 tanto acima como abaixo da segunda partição 2b. Em vez de fornecer uma folga entre a extremidade inferior da segunda partição 2b e a base do corpo principal da unidade 11, um entalhe ou uma abertura pode ser formado na extremidade inferior da segunda partição 2b como um meio alternativo para comunicação de fluido que permite que o líquido circule. Da mesma forma, em vez da extremidade superior da segunda partição 2b ser colocada abaixo do nível do líquido, a segunda partição 2b pode ter uma abertura formada em uma porção superior da mesma para comunicação fluida entre o compartimento de reação 4 e o compartimento vertical 5.

[030] A fase aquosa A e a fase orgânica O são transferidas em estado misto pela bomba (alimentador de mistura) P subsequentemente descrita para este compartimento de reação 4 do compartimento de alimentação 3.

[031] O compartimento vertical 5, como mencionado acima, está separado do compartimento de reação 4 pela segunda partição 2b de modo a permitir a circulação de líquidos acima e abaixo da partição 2b e tem no seu interior uma passagem tubular de descarga de fase aquosa 51 orientada verticalmente ao longo de uma parede lateral do corpo principal da unidade 11 na outra extremidade horizontal da mesma (parede lateral direita em FIG. 1) servindo como uma parede lateral do compartimento vertical 5. Esta passagem de descarga de fase aquosa 51 é aberta em ambas as extremidades superior e inferior e uma folga é fornecida entre a extremidade inferior da mesma e a base do corpo principal da unidade 11, permitindo que a fase aquosa A na porção inferior do compartimento vertical 5 flua na passagem de descarga da fase aquosa 51. A extremidade superior é ajustada mais alta do que o nível de líquido de modo que a fase orgânica O na porção superior do compartimento vertical 5 não flua para a passagem de descarga da fase aquosa 51.

[032] Embora não mostrado nos diagramas, uma saída de fase orgânica para descarregar a fase orgânica O do compartimento vertical 5 e uma saída de fase aquosa para descarregar a fase aquosa A da passagem de descarga de fase aquosa 51 são fornecidas na porção superior do compartimento vertical 5 na parede lateral do corpo principal da unidade 11 na outra extremidade horizontal do mesmo (parede lateral direita na FIG. 1) servindo como uma parede lateral do compartimento vertical 5. A fase aquosa A e a fase orgânica O são descarregadas e recuperadas passando, respectivamente, por uma linha de descarga de fase aquosa e uma linha de descarga de fase orgânica (não mostrada) conectada a essas respectivas saídas.

[033] A passagem de descarga de fase aquosa 51 aqui nem sempre é uma característica essencial. Por exemplo, uma saída de fase aquosa pode ser fornecida em uma porção inferior da parede lateral do corpo principal da unidade 11 na outra extremidade horizontal do mesmo (parede lateral direita na FIG. 1) de modo a descarregar a fase aquosa A diretamente da porção inferior do compartimento vertical 5. No entanto, é preferível descarregar e recuperar a fase aquosa A da porção superior do corpo principal da unidade 11 através da passagem de descarga da fase aquosa 51. A razão é que, embora a fase aquosa separada de fase A exista na porção inferior do compartimento vertical 5, a passagem de descarga de fase aquosa 51 descrita acima permite que a fase aquosa separada seja descarregada acima da parede lateral da unidade principal corpo 11 sem o arrastamento da fase orgânica separada O dentro do compartimento vertical 5. A fase aquosa A e a fase orgânica O podem ser descarregadas desta forma da unidade fazendo com que elas transbordem, eliminando a necessidade de usar meios de extração como uma bomba. Isto é altamente vantajoso nos casos em que, por exemplo, uma pluralidade de unidades de extração 1 estão conectadas entre si para criar o dispositivo de extração líquido-líquido de múltiplos estágios descrito posteriormente.

[034] A unidade de extração líquido-líquido da invenção é fornecida com um alimentador de mistura para misturar a fase aquosa A e a fase orgânica O dentro do compartimento de alimentação 3 e transportar a mistura sob pressão para o compartimento de reação 4. No exemplo mostrado na FIG. 1, uma única bomba P é fornecida como alimentador de mistura. A bomba P, embora não particularmente limitada, é preferencialmente uma bomba de diafragma.

[035] Uma linha de sucção de fase aquosa 31 com uma extremidade distal disposta na porção inferior do compartimento de alimentação 3 e uma linha de sucção de fase orgânica 32 com uma extremidade distal disposta no meio para a porção superior do compartimento de alimentação 3 são conectadas a esta bomba (alimentador de mistura) P, de modo que a fase aquosa A seja puxada da porção inferior do compartimento de alimentação 3 através da linha de sucção da fase aquosa 31, a fase orgânica O seja puxada da porção média para a superior do compartimento de alimentação 3 através da fase orgânica linha de sucção 32 e ambas as fases são misturadas dentro da bomba (alimentador de mistura) P. Uma linha de alimentação de mistura 41 com uma extremidade distal disposta no meio do compartimento de reação 4 é conectada a esta bomba (alimentador de mistura) P, permitindo que a mistura M obtida pela mistura da fase aquosa A e da fase orgânica O pela bomba (alimentador de mistura) P seja introduzida no compartimento de reação 4 através desta linha de alimentação de mistura 41. A bomba (alimentador de mistura) P, como descrito acima, transfere a fase aquosa A e a fase orgânica O armazenada no compartimento de alimentação 3 para o compartimento de reação 4 através da linha de sucção de fase aquosa 31, a linha de sucção de fase orgânica 32 e a linha de alimentação de mistura 41, e também serve como meio de transferência de fluido por toda a unidade de extração líquido-líquido 1.

[036] As posições nas quais as extremidades distais (extremidades de sucção) da linha de sucção da fase aquosa 31 e da linha de sucção da fase orgânica 32 estão dispostas podem ser ajustadas conforme apropriado para os níveis de líquido da fase aquosa A e da fase orgânica O que são admitidos no compartimento de alimentação 3; nem sempre é necessário dividir verticalmente o compartimento de alimentação 3 ao meio. O layout da bomba (alimentador de mistura) P, a linha de sucção de fase aquosa 31, a linha de sucção de fase orgânica 32 e a linha de alimentação de mistura 41 podem ser adequadamente dispostas desde que a fase aquosa A e a fase orgânica O armazenadas no compartimento de alimentação 3 possam ser transportadas para o compartimento de reação 4 enquanto são misturadas.

[037] É desejável fornecer um bocal de pulverização ou um bocal de cone completo na extremidade distal da linha de alimentação de mistura 41. Uma pluralidade de orifícios é formada na superfície circunferencial na extremidade distal do bocal de pulverização ou bocal de cone completo. A mistura (emulsão) que sai do bocal de pulverização ou bocal de cone completo é descarregada no compartimento de reação 4 como uma emulsão ainda mais fina, permitindo que a reação de extração seja realizada de forma mais eficiente. O bocal de pulverização ou bocal de cone completo não está limitado a uma forma cônica. Por exemplo, um bocal em forma de trombeta pode ser usado quando a intenção é descarregar amplamente a mistura de fase aquosa A e fase orgânica O. O diâmetro da pluralidade de orifícios formados na superfície circunferencial do bocal de pulverização ou bocal de cone completo pode ser adequadamente selecionado sem limitação particular, embora o diâmetro esteja preferencialmente entre 30 μm e 20 mm, mais preferencialmente entre 30 μm e 10 mm, e ainda mais preferencialmente entre 100 μm e 6 mm. Dentro desta faixa de diâmetro, a reação extrativa pode ser totalmente realizada mantendo uma boa separação de fases da fase aquosa A e da fase orgânica O.

[038] A seguir, é descrito o funcionamento desta unidade de extração líquido-líquido 1.

[039] Quando a unidade de extração líquido-líquido 1 é usada para extrair e separar elementos de terras raras, por exemplo, uma fase aquosa A contendo um elemento de terras raras e uma fase orgânica O à qual um extrator foi adicionado são introduzidas no compartimento de alimentação 3 a partir, respectivamente, da entrada da fase aquosa e da entrada da fase orgânica. Não há necessidade particular neste momento de usar um meio para misturar ambas as fases A e O; em vez disso, as duas fases A e O são armazenadas dentro do compartimento de alimentação 3 em um estado verticalmente separado de fase devido a uma diferença em suas gravidades específicas. A fase aquosa A armazenada e a fase orgânica O são puxadas para, tipicamente, uma bomba P que serve como alimentador de mistura, respectivamente, da linha de sucção de fase aquosa 31 e da linha de sucção de fase orgânica 32, e são agitadas dentro da bomba (alimentador de mistura) P, formando assim uma mistura em estado de emulsão M da fase aquosa A e da fase orgânica O. Esta mistura M é então expelida para o compartimento de reação 4 através da linha de alimentação de mistura 41. A mistura de estado de emulsão expelida M separa-se gradualmente de fase no compartimento de reação 4, momento em que o elemento de terras raras desejado contido na fase aquosa A é extraído para a fase orgânica O. A fase aquosa parcialmente separada de fase A e orgânica a fase O desloca-se então para o compartimento vertical 5 em comunicação fluida com o mesmo acima e abaixo da segunda partição 2b e totalmente separada por fases no compartimento vertical 5. A fase aquosa A totalmente separada e a fase orgânica O são descarregadas, respectivamente, da saída da fase aquosa e da saída da fase orgânica e recuperadas fora da unidade de extração líquido-líquido 1. Nos casos em que uma pluralidade de elementos de terras raras está contida na fase aquosa A e onde alguma porção dos elementos de terras raras não pode ser extraída pela fase orgânica O, o elemento de terras raras não extraído é descarregado da saída da fase aquosa enquanto permanecendo na fase aquosa.

[040] Um aparelho de extração líquido-líquido de múltiplos estágios que realiza uma operação de extração de múltiplos estágios pode ser construído a partir de uma pluralidade de unidades de extração líquido-líquido 1 da invenção, conforme ilustrado pelo aparelho de extração líquido-líquido de quatro estágios mostrado na FIG. 2, conectando a saída da fase aquosa de uma unidade à entrada da fase aquosa de outra unidade, conectando a saída da fase orgânica de uma unidade à entrada da fase aquosa da outra unidade e acoplando de forma semelhante todas as unidades desta forma. Além disso, como mostrado nos exemplos descritos abaixo, ao realizar consecutivamente uma etapa de extração que extrai um elemento de terras raras de uma fase aquosa A para uma fase orgânica O, uma etapa de depuração que depura a fase orgânica O e uma etapa de retroextração que recupera o elemento de terras raras da fase orgânica O, algumas ou todas essas seções de extração, depuração e retroextração podem ser construídas como aparelhos de extração líquido-líquido de múltiplos estágios usando a unidade de extração líquido-líquido 1 da invenção.

[041] Como explicado acima, a unidade de extração líquido-líquido da invenção permite, sem o uso de um agitador como nas unidades de extração da técnica anterior, agitar e misturar uma fase aquosa A e uma fase orgânica O com apenas, por exemplo, uma única bomba (alimentador de mistura) P para formar rapidamente uma emulsão, realizar uma reação extrativa e efetuar a separação de fases. Consequentemente, a extração de solvente pode ser realizada sob operação e controle mais fáceis do que na técnica anterior, que exigiu um controle rigoroso dos níveis de líquido usando bombas separadas para alimentação da fase aquosa A, alimentação da fase orgânica O, descarga da fase aquosa A e descarga da fase orgânica O. Além disso, com a unidade de extração líquido-líquido da invenção, a separação de fases é rápida e a operação a uma grande taxa de fluxo comparável à dos misturadores-decantadores da técnica anterior é possível mantendo uma boa eficiência. Ao mesmo tempo, porque a unidade de extração líquido-líquido da invenção é muito menor do que os misturadores-decantadores da técnica anterior, quando usados para construir um aparelho de extração líquido-líquido de múltiplos estágios que extrai e separa uma pluralidade de elementos existentes em mistura dentro de um fase aquosa A ou um sistema de extração contínua de múltiplos estágios chegado ao acoplar uma pluralidade de tais aparelhos de extração líquido-líquido de múltiplos estágios, a área ocupada pelo equipamento resultante pode ser bastante reduzida e o volume de líquido necessário para extração de solvente pode ser substancialmente diminuído, contribuindo para reduções significativas de custos.

EXEMPLOS

[042] Exemplos experimentais são dados abaixo para ilustrar mais concretamente os efeitos vantajosos da unidade de extração líquido-líquido da invenção, embora deva ser notado que a invenção e o processo de extração usado na mesma não estão limitados pelos seguintes Exemplos.

Exemplo Experimental 1

[043] Um aparelho de extração líquido-líquido de múltiplos estágios (FIG. 2) foi construído acoplando quatro unidades de extração líquido-líquido 1 como a mostrada na FIG. 1. As dimensões das unidades de extração líquido-líquido 1 utilizadas foram 120 mm (L) × 200 mm (D) × 200 mm (A). Uma primeira partição 2a medindo 2 mm × 120 mm × 140 mm (H) foi posicionada a 60 mm de uma extremidade da unidade na direção horizontal, e uma segunda partição 2b medindo 2 mm × 120 mm × 120 mm (H) foi posicionada 140 mm da mesma extremidade. O corpo principal 11 da unidade foi dividido em três compartimentos: um compartimento de alimentação 3, um compartimento de reação 4 e um compartimento vertical 5. A primeira partição 2a posicionada entre o compartimento de alimentação 3 e o compartimento de reação 4 foi disposta de modo a formar uma folga de 3 mm com a base da unidade, e a segunda partição 2b posicionada entre o compartimento de reação 4 e o compartimento vertical 5 foi disposta de modo a formar uma folga de 5 mm com a base. Um bocal de pulverização com uma pluralidade de orifícios de 4 mm de diâmetro formados em uma superfície circunferencial de uma linha cônica fechada na extremidade distal foi montado em uma extremidade distal da linha de alimentação de mistura 41.

[044] Cada unidade de extração líquido-líquido 1 tinha, disposta entre o compartimento de alimentação 3 e o compartimento de reação 4, um alimentador de mistura P, uma linha de sucção de fase aquosa 31, uma linha de sucção de fase orgânica 32 e uma linha de alimentação de mistura 41 para misturar as fases aquosa e orgânica armazenadas no compartimento de alimentação 3 e transportá-las para o compartimento de reação 4. Uma bomba de diafragma foi instalada como alimentador de mistura P em cada unidade de extração de líquido- líquido 1 e serviu como fonte de energia para o transporte de fluidos. Portanto, a fase aquosa A e a fase orgânica O que fluem para o compartimento de alimentação 3 numa unidade de extração líquido-líquido da unidade de extração líquido-líquido de fase anterior e a fase aquosa A e a fase orgânica O que fluem do compartimento vertical 5 da mesma unidade de extração líquido-líquido para a unidade de extração líquido-líquido de fase seguinte foram transportadas entre as respectivas unidades de extração líquido-líquido 1, sendo feitas para transbordar sob a força motriz da bomba de diafragma (alimentador de mistura) P em cada unidade de extração líquido-líquido 1.

[045] No aparelho de extração líquido-líquido de múltiplos estágios da FIG. 2 utilizado no experimento, uma solução preparada pela dissolução do extrator PC-88A (mono-2-etilhexil 2-etilhexil fosfato) em querosina a uma concentração de 1 mol/L foi usada como fase orgânica O e 100 litros de uma mistura solução aquosa de neodímio e disprósio (razão molar, Nd:Dy = 9:1; concentração, Nd+Dy = 0,1 mol/L) foi preparada e utilizada como fase aquosa A.

[046] Os seguintes foram introduzidos no compartimento de alimentação 3 do primeiro estágio da unidade de extração líquido-líquido 1 na FIG. 2: 4 L/h da fase orgânica O acima referida e 0,3 L/h de hidróxido de sódio 4 mol/L. Também foram introduzidos 36 L/h da fase aquosa A acima referida no compartimento de alimentação 3 da unidade de extração líquido-líquido 1 da segunda fase e 0,02 L/h de ácido clorídrico 5,5 N no compartimento de alimentação 3 da unidade de extração líquido-líquido 1 da quarta fase. As concentrações de elementos de terras raras da fase aquosa A’ recuperadas do compartimento vertical 5 de estágio-um foram medidas com um espectrofotômetro de emissão ICP (ICPS-7510, da Shimadzu Corporation). A fase orgânica O’ recuperada do compartimento vertical 5 do estágio quatro foi retro-extraído com ácido clorídrico 5,5 N, e as concentrações dos elementos de terras raras contidas nesta solução aquosa de ácido clorídrico foram medidas da mesma maneira que para a fase aquosa O número total de meios de transporte fornecidos neste aparelho de extração líquido-líquido de múltiplos estágios é o seguinte: um alimentador de mistura P para cada fase, um meio de transporte para introduzir a fase aquosa no compartimento de alimentação 3 da fase 2, um meio de transporte para introduzir a fase orgânica no compartimento de alimentação 3 da fase 1, um meio de transporte para introduzir a solução aquosa de hidróxido de sódio no compartimento de alimentação 3 da fase 1 e um meio de transporte para introduzir o ácido clorídrico no compartimento de alimentação 3 da fase 4, para um total de oito meios de transporte (bombas). Esta operação de extração de solvente foi conduzida em um ambiente de temperatura de 35°C.

[047] Após a operação de extração/separação acima referida, as concentrações dos elementos das terras raras contidas na fase aquosa recuperada A’ e na solução aquosa de ácido clorídrico obtida pela retro-extração da fase orgânica O’ foram medidas conforme descrito acima. A concentração de Dy na solução aquosa de ácido clorídrico obtida pela retro-extração da fase orgânica O’ foi de 0,4 mol/L, e a pureza de Dy (Dy/(Nd + Dy)) foi de 98,7%. A concentração de Nd na fase aquosa A’ foi de 0,1 mol/L e a pureza de Nd (Nd/(Nd + Dy)) foi de 98,4%.

Exemplo Experimental 2

[048] Em um aparelho de extração líquido-líquido de múltiplos estágios como o do Exemplo Experimental 1, o diâmetro dos orifícios no bocal de pulverização montado na linha de alimentação de mistura 14 em cada unidade de extração líquido-líquido 1 foi ajustado de forma variada para 30 μm, 100 μm, 1 mm, 10 mm e 20 mm, uma operação de extração/separação foi realizada de forma semelhante, e as concentrações de Dy e Nd foram medidas da mesma maneira. Os resultados são apresentados na Tabela 1. A Tabela 1 mostra que no orifício do bocal de pulverização com diâmetros de 30 μm, 100 μm, 1 mm e 10 mm, boas purezas de Nd e Dy de mais de 98% foram obtidas da mesma forma que no Exemplo 1. No entanto, quando o diâmetro do orifício foi de 20 mm, a pureza de Nd foi de 87% e a pureza de Dy foi de 90%; embora boas, estas eram purezas um pouco mais baixas.

Exemplo comparativo 1

[049] Um aparelho de extração líquido-líquido de multiplos estágios composto de quatro estágios foi construído usando misturadores-decantadores convencionais como os mostrados na FIG. 3 que não empregam o alimentador de mistura P e a linha de sucção de fase aquosa 31, linha de sucção de fase orgânica 32 e linha de alimentação de mistura 41 usadas nos Exemplos Experimentais 1 e 2 acima, e que têm uma câmara misturadora com um agitador disposto na mesma e uma câmara de decantação dividida em quatro compartimentos. Este aparelho de extração líquido-líquido de múltiplos estágios foi usado para realizar uma operação de extração/separação da mesma forma que no Exemplo 1. Um único agitador foi disposto no misturador-decantador utilizado em cada etapa. A fase aquosa foi introduzida a partir da câmara misturadora do estágio dois, a fase orgânica foi introduzida da câmara misturadora do estágio um, a solução aquosa de hidróxido de sódio foi introduzida da câmara misturadora do estágio um e o ácido clorídrico foi introduzido do estágio quatro da câmara misturadora. Foram fornecidos um total de quatro meios de transporte para introduzir, respectivamente, a fase aquosa, a fase orgânica, a solução aquosa de hidróxido de sódio e o ácido clorídrico. Além disso, formou-se uma folga de 5 mm com a base do aparelho na porção inferior das divisórias fornecidas entre a câmara misturadora e a câmara de decantação e dentro da câmara de decantação. Além do acima, as dimensões e outros aspectos do arranjo foram os mesmos do Exemplo Experimental 1.

[050] Neste aparato de extração líquido-líquido de múltiplos estágios que utiliza misturadores convencionais, devido às dimensões do equipamento serem pequenas, a separação das fases aquosa e orgânica que foram misturadas pelo agitador não conseguiu acompanhar e um grande volume de emulsão foi gerado dentro do sistema. Como resultado, o experimento foi interrompido.

[051] Conforme demonstrado acima, usando a unidade de extração líquido-líquido desta invenção, o sistema pode ser reduzido e a área de cobertura muito reduzida, mantendo uma eficiência de extração suficiente. Além disso, forças mecânicas externas, como com um agitador, não são aplicadas e, portanto, o consumo de energia pode ser reduzido. Assim, os custos associados à extração/separação de elementos de terras raras podem ser significativamente reduzidos.

[052] O Pedido de Patente Japonesa No 2021-049326 é aqui incorporado por referência.

[053] Embora algumas modalidades preferidas tenham sido descritas, muitas modificações e variações podem ser feitas à luz dos ensinamentos acima. Deve, portanto, ser entendido que a invenção pode ser praticada de outra forma que não especificamente descrita sem se afastar do escopo das reivindicações anexas.

Claims

Unidade de extração líquido-líquido adaptada para contatar uma fase aquosa com uma fase orgânica, separar as fases contatadas e recuperr um extrato desejado da fase aquosa separada e/ou fase orgânica, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende
um compartimento de alimentação para receber a fase aquosa e a fase orgânica,
um compartimento de reação dividido do compartimento de alimentação por uma partição para receber uma mistura da fase aquosa e da fase orgânica e submeter as fases aquosa e orgânica a uma reação extrativa,
um compartimento vertical em comunicação fluida com o compartimento de reação para separar a mistura que flui do compartimento de reação para uma fase aquosa e uma fase orgânica,
alimentador de mistura para extrair a fase aquosa e a fase orgânica do compartimento de alimentação, misturar as fases e transportar a mistura sob pressão para o compartimento de reação,
uma linha de sucção de fase aquosa tendo uma extremidade distal disposta em uma porção inferior do compartimento de alimentação e uma extremidade proximal conectada ao alimentador de mistura para extrair a fase aquosa da porção inferior do compartimento de alimentação para o alimentador de mistura,
uma linha de sucção de fase orgânica tendo uma extremidade distal disposta acima da extremidade distal da linha de sucção de fase aquosa e uma extremidade proximal conectada ao alimentador de mistura para puxar a fase orgânica do compartimento de alimentação para o alimentador de mistura, e
uma linha de alimentação de mistura tendo uma extremidade distal disposta dentro do compartimento de reação e uma extremidade proximal conectada ao alimentador de mistura para alimentar a mistura fornecida do alimentador de mistura ao compartimento de reação,
em que a fase aquosa e a fase orgânica recebida no compartimento de alimentação são puxadas para o alimentador de mistura e misturadas, a mistura é transportada para o compartimento de reação e aí submetida a uma reação extrativa, a mistura resultante é então separada em uma fase aquosa e uma fase orgânica fase no compartimento vertical, e as fases são cada uma recuperada.
Unidade, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que o alimentador de mistura compreende uma única bomba.
Unidade, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende adicionalmente um bocal de pulverização ou um bocal de cone completo ligado à extremidade distal da linha de alimentação de mistura disposta no compartimento de reação para distribuir a mistura em um estado de gotículas finas.
Unidade, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADA pelo fato de que o bocal de pulverização ou bocal de cone completo tem um diâmetro de orifício entre 30 μm e 10 mm.
Unidade, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADA pelo fato de que o compartimento de reação e o compartimento vertical são separados por uma partição com meios dispostos acima ou em uma porção superior do mesmo e abaixo ou em uma porção inferior do mesmo para fornecer comunicação fluida entre o compartimento de reação e o compartimento vertical.
Unidade, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, CARACTERIZADA pelo fato de que o compartimento de alimentação e o compartimento de reação são separados por uma divisão com meios dispostos abaixo ou numa parte inferior do mesmo para proporcionar uma comunicação fluida entre o compartimento de alimentação e o compartimento de reação.