CN101708382A - 一种萃取与反萃设备 - Google Patents
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Abstract
一种萃取与反萃设备，由混合器与分离器连接构成，混合器由下部的混合腔和上部的离心腔组成，在混合腔与离心腔中贯通安装有一根其上装有叶轮的中心旋转轴；分离器由上、中、下三部分组成，上部为有机相室，下部为水相室，中部为有机相与水相的离心分离室；有机相和水相分别从混合器下部进入混合腔，搅拌混合10s～3min，形成的混合液从混合器上部的离心腔出液口送入分离器中部的离心分离室中，离心分离室随着旋转轴旋转50s～5min，加速有机相和水相的分离，比重较小的有机相进入上部的有机相室，比重较大的水相和其中所含的悬浮物或固相进入下部的水相室；可以处理含有悬浮物或固相的溶液，固相与水相一同被排出，固相不影响设备的正常运行。
Description
技术领域
本发明属于冶金、化工、铀工业、医药和食品等行业从溶液中分离其中有价成分的一种萃取与反萃设备。
背景技术
萃取和反萃作为冶金和化工中从元素或有价成分低的溶液中分离和富集元素或有价成分的方法，已被广泛应用。萃取和反萃设备有混合澄清器和萃取柱以及近年研究开发的搅动萃取柱、离心萃取器等。
萃取和反萃设备分为分级式和微分式的两大类。除了分级式和微分式以外，萃取设备还可以按两相混合和产生逆流所使用的方法，进一步细分为非搅动的和搅动的。逆流微分式萃取设备又可分为离心萃取器和各种型式的萃取柱。最简单的萃取器如非搅动的喷雾柱、填料柱或多孔板柱等，都是借两相间的比重差达到混合和逆流的；搅动的萃取器如scheibel柱、往复板柱、脉冲筛板柱和脉冲填料柱等，都引入了机械的搅动作用，但它们仍然借比重差产生逆流。
混合澄清器如Kenics混合器和流线式混合器是分级式萃取的典型代表。在这些逆流萃取设备中，水相和有机相经混合后在一个大的澄清区中分离，然后再进行下一级的混合。
常见的萃取与反萃设备优缺点如表1。
表1
| 性能 | 混合澄清器 | 微分式非搅动萃取柱 | 微分式搅动萃取柱 | 离心萃取器 |
| 优点 | 相的接触好；处理的流量比范围广(有回流的)；所需的厂房高度低；效率高；级数多；放大可靠；费用低；维修少 | 基建费用低；运行费用省；结构最简单 | 分散作用好；费用合理；可能的级数多；放大比较容易 | 可处理比重差小的体系；滞留量小；滞留的时间短；溶剂一次装料量小；所占空间小 |
| 缺点 | 缺点滞留量大；动力费用高；溶剂一次装料量大；占地面积大；级与级间可能需要用泵 | 比重差小时物料通过量受限制；处理的流量比范围不广；所占的空间高；有时效率低；放大有困难 | 比重差小时物料通过量受限制；不能处理乳化体系；一般不处理乳化体系，但脉冲柱可能除外 | 基建费用高；运行费用高；维修多；不能处理高的流量比；单机组的级数一般有限，虽然有的可达20级 |
混合澄清器在混合后需要一个比较大澄清区，正常的情况下每级混合之后两相必须进行分离。由于澄清时间长，澄清的容积大，因而占地面积大，从而生产需要的有机相体积大；由于有机相面积大，有机相挥发损失大，挥发有机相容易着火从而形成安全问题；溶液存在少量的固相时会沉积在澄清器中，影响设备的正常运行甚至无法运行。
萃取柱具有占地面积小，有机相和水相完全密闭，有机相挥发量，少量的固相不影响设备的正常运行等优点，但无论有搅拌和无搅拌的萃取柱，内部结构复杂，不容易检修；有机相和水相靠比重差进行分离，效率比较低，不能大规模处理溶液；由于有机相和水相不能有效混合，级效率相对比较低。
离心萃取器系利用离心力增大两液体之间的比重差，从而使相的分离作用得到加强。它们的优点是每台设备可能只有3～4级，同时溶剂的一次装料量少。它们不允许有任何悬浮固体，因为设备中的孔径很小。不过，离心萃取器中的停留时间短，大约仅几秒钟，这使它有可能应用于非平衡体系。在分离溶液中的两种或两种以上的金属时，如有一种金属的萃取率达到平衡比另一种金属快得很多，此时就可应用离心萃取器。如果采用萃取柱或混合澄清器，则由于停留时间比较长，溶液中所有的金属可能基本上都达到平衡，离心萃取器能够处理密度差非常小的液体，并能在宽的相比和粘度范围内操作。当进料溶液中有细小的悬浮固体存在时，可能需要进行反冲洗。如果这些固体不清除掉，它们可能积累在设备中，引起转子运动的不平衡现象；由于混合时间短，级效率低；离心萃取器造价颇贯，维修费用高。
综上所述，现有的萃取设备或有机相用量大、占地面积大、有机相挥发大、不安全或级效率低，设备结构复杂、不能处理含有悬浮物(固相)的溶液，需要开发出一种新型萃取反萃设备，以解决现有萃取反萃设备的不足。
发明内容
本发明结合现有各种萃取器优点形成一种全新的萃取与反萃设备，该设备由混合器和分离器所组成，能克服上述现有同类设备的不足。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种萃取与反萃设备，由混合器与分离器连接构成，所说混合器由下部的混合腔和上部的离心腔组成，在混合腔与离心腔中贯通安装有一根其上装有叶轮的中心旋转轴；所说的分离器由上、中、下三部分组成，上部为有机相室，下部为水相室，中部为有机相与水相的离心分离室；有机相和水相分别从混合器下部进入混合腔，搅拌混合10s～3min，形成的混合液从混合器上部的离心腔出液口送入分离器中部的离心分离室中，离心分离室随着旋转轴旋转50s～5min，加速有机相和水相的分离，比重较小的有机相进入上部的有机相室，比重较大的水相和其中所含的悬浮物或固相进入下部的水相室。
上述混合器下部的混合腔由1～10级构成从下至上对有机相和水相进行1～10次混合的结构，在1～10级多层混合腔中，下一级混合腔与上一级混合腔之间有一个与旋转轴相连接的搅拌叶轮和圆盘，水相和有机相通过该圆盘的边缘和其上的孔道从下向上流动。
上述混合器上部的离心腔中设置一个与旋转轴相连的离心叶轮，离心叶轮由4～12片叶片构成，离心腔的上部密封、底面与相邻一层的混合腔之间有一个与旋转轴相连的圆盘，混合液通过该圆盘的边缘和其上的孔道进入离心腔。
上述混合腔中的搅拌叶轮由4～8片叶片构成。
上述分离器为圆柱体与圆锥体连接的组合结构，下部的水相室和上部的有机相室为圆柱体，中间的离心分离室为一个连接在转轴上并随着轴旋转的圆锥状圆筒，该圆锥状圆筒内有一个与转轴相连的搅拌叶轮，圆筒内的上部和底部分别有若干小孔与有机相室和水相室连通。
上述圆锥状离心分离室可以是正立圆锥或倒立圆锥。
上述离心分离室内的搅拌叶轮根据分离要求水平设置在转轴的上部或下部位置。
上述分离器的圆柱状水相室和有机相室内分别水平设置有1～3层隔板，每一个隔板上均匀分布有若干通液小孔。
上述分离器中心的转轴下部为中空轴，从混合器上部输出的混合相通过分离器底部进入中空的转轴，经转轴进入分离器的圆锥状圆筒内，当圆锥状圆筒转动时带动混合液旋转，从而产生离心作用，加速有机相和水相的分离。
本发明提供的萃取与反萃设备具有如下优点：有机相用量小、占地面积小、系统全密闭，有机相挥发小，安全系数高、级效率高、设备结构相对不复杂，易于检修、可以处理含有悬浮物或固相的溶液，固相与水相一同被排出，固相不影响设备的正常运行，放大系数大，可以实现设备的大规模化，完全结合了箱式萃取、萃取柱和离心萃取的优点。
附图说明
图1是本发明的结构原理图。
图2是混合器中设置在混合腔中的搅拌叶轮和圆盘结构原理图。
图3是混合器中设置在离心腔中的离心叶轮和圆盘结构原理图。
图4是分离器中分别设置在圆柱状水相室和有机相室内的隔板结构原理图。
具体实施方式
1.混合器
本实施例的混合器结构如图1，由第I～第III级混合腔与顶层的离心腔构成，混合器3实现有机相和水相的高效混合。根据混合时间及不同介质的要求，可以实现混合次数从1～10次混合及组成相应的1～10级混合腔层数。
有机相和水相从混合器3底部侧面的水相入口5和有机相入口2，或混合器的底部即检修口1进入，与现有的混合澄清器的有机相与水相进入方式基本相同；第I级混合腔6的底部，如果是底部检修口进水相和有机相时则有一个与旋转轴相连接的圆盘18，防止有机相与水相直接向上流动，只能从底部圆盘上的孔道和它的边缘向上流动；如果有机相和水相从底部侧面进入，则没有底部圆盘。第I级混合腔内设置的搅拌叶轮随旋转轴转动，在其转动时将有机相和水相均抛向旋转轴，如图2所示的搅拌叶轮19和普通离心叶轮略有不同，其是抛物面结构，有利于实现水相和有机相在其旋转时抛到轴上，与轴激烈碰撞并混合，叶轮一般为4～8片叶片。
水相和有机相在第I级混合腔混合后进入第II级混合腔7，第II级混合腔内的搅拌叶轮与第I级的相同。第II级混合腔底面与第I级混合腔之间有一个圆盘通过轴套连接在旋转轴上。水相和有机相不能直接向上运动，而是通过该圆盘的边缘和其上的孔道向上流动，然后再被第II级混合腔中的叶轮抛向旋转轴实现混合。
第III级混合腔的结构与第II级相同，并可以从下至上扩展到10级混合腔混合。
第IV级即为离心腔4，经过下面三级混合腔混合后的有机相与水相混合液进入离心腔，其内设置有一个与旋转轴相连的离心叶轮20，混合液被离心叶轮抛出进入侧面的出液管道8然后再进入分离器。如图3所示的离心叶轮可以有4～12片，离心腔的底面与第II级混合腔相同，同样有一个圆盘通过轴套连接在旋转轴上，离心腔上部密封。
混合器的材料可以用PVC、PP、不锈钢、钛材和有机玻璃等制作，以满足不同介质条件的要求。
混合器可以采用低转速，即与现有的箱式混合器相似，也可以采用高转速的，与离心萃取器相似，实现不同的混合时间要求；通过电机及皮带动力系统带动的旋转轴与整个混合器用密封圈密封。
为了便于检修，整个混合器用支架固定，顶盖和外围的筒体为螺栓连接，每一级外围筒体都用螺栓连接，连接处有密封件。混合腔和离心腔底部带孔的同心轴圆盘用防腐螺栓连接在筒体的壁上，采用两个半圆合成的同心圆盘，便于拆卸。
2.分离器
混合的水相和有机相从混合器出液管送到分离器底面的混合液进口，分离器的目的是实现混合水相与有机相的快速分离。分离器的结构示意图如图1。将混合器混合液出口和离心器进液口连接，并用支架全部固定。
分离器由三部分组成，底部为水相室15，中部为有机相与水相离心分离室14，上部为有机相室13。分离器为圆柱和圆锥状组合体，底部和顶部为圆柱状，中部为圆锥状，圆锥状可以为正立圆锥或倒立圆锥。
上部和底部是结构相似的有机相室和水相室，在它们中分别水平设置有1～3层隔板10，隔板上有许多通液小孔，结构如图4。隔板的阻塞作用，进一步分离水相和有机相。隔板有阻挡中部离心圆筒造成液相扰动的作用，加速有机相和水相的分离。也可以不用隔板，水相和有机相分别再进入专用的设备进一步分离其中的互含物。隔板由两个半圆合成，连接在圆柱筒壁上。
分离器的核心是中部连接在转轴上的圆锥状离心分离室。混合相通过分离器底部进入转轴下部的中空轴9，再进入离心分离室，在分离室中的转轴的中部连接有一个离心叶轮12。离心叶轮可以在转轴上的不同位置，其根据分离要求进行设置。离心叶轮在轴旋转时一同旋转将进入的混合液抛出并形成离心旋转。圆锥状的分离室上下两端与转轴相连并随轴的转动而转动，当转动时带动混合液的旋转，从而产生离心作用，加速有机相和水相的分离。离心力作用下，有机相轻便升起至分离室上部。分离室上部和底部及相对应的侧面有许多通液小孔，有机相从这些小孔进入分离器上部的有机相室；有机相室上部装有一个有机相出口17。水相和其中所含的悬浮物或固相由于比重大沉降到离心室的下部，从下部的通液小孔进入分离器底部的水相室，水相室底部有水相出口16。
为了有效实现分离器的有机相与水相分离，分离器中部的旋转离心圆锥筒与外筒11之间应有足够的距离和空间，从而有效实现水相和有机相的分离。
制作分离器的材料可以用PVC、PP、不锈钢、钛材和有机玻璃等，以满足不同介质条件的要求。
分离器可以采用低转速，即加速箱式混合器分离，也可以采用高转速的，与离心萃取器相似，实现不同的分离时间等要求；通过电机及皮带动力系统带动的中心转轴与整个分离器用密封圈密封。
为了便于检修，整个分离器用支架固定，顶盖和外围的筒体为螺栓连接，上部、中部和底部都用螺栓连接，连接处有密封件。与转轴接触处用密封圈密封。中部的离心圆锥筒上盖、底部和圆锥筒体之间都用专用螺栓连接；整体设备易于拆卸和检修。
3.应用示例
3.1硫酸锌溶液的P2O4萃取
硫酸锌溶液含锌10.21g/L，1级理论萃取率65.37％，有机相为40％P2O4+60％溶剂油，相比A/O＝1∶1.5，混合时间20min，有机相未皂化处理，澄清分离时间约15min。用本发明的设备可以达到65.35％萃取率，澄清分离时间约2min。
3.2硫酸铜溶液的N9O2萃取
硫酸铜溶液含铜1.37g/L，1级理论萃取率98.21％，有机相为15％N9O2+90％溶剂油，相比A/O＝4∶1，混合时间20min，有机相未皂化处理，澄清分离时间约30min。用本发明的设备可以达到98.20％萃取率，澄清分离时间约2.5min。
Claims (9)
1.一种萃取与反萃设备，其特征在于：由混合器与分离器连接构成，所说混合器由下部的混合腔和上部的离心腔组成，在混合腔与离心腔中贯通安装有一根其上装有叶轮的中心旋转轴；所说的分离器由上、中、下三部分组成，上部为有机相室，下部为水相室，中部为有机相与水相的离心分离室；有机相和水相分别从混合器下部进入混合腔，搅拌混合10s～3min，形成的混合液从混合器上部的离心腔出液口送入分离器中部的离心分离室中，离心分离室随着旋转轴旋转50s～5min，加速有机相和水相的分离，比重较小的有机相进入上部的有机相室，比重较大的水相和其中所含的悬浮物或固相进入下部的水相室。
2.根据权利要求1所述的萃取与反萃设备，其特征是：混合器下部的混合腔由1～10级构成从下至上对有机相和水相进行1～10次混合的结构，在1～10级多层混合腔中，下一级混合腔与上一级混合腔之间有一个与旋转轴相连接的搅拌叶轮和圆盘，水相和有机相通过该圆盘的边缘和其上的孔道从下向上流动。
3.根据权利要求1所述的萃取与反萃设备，其特征是：混合器上部的离心腔中设置一个与旋转轴相连的离心叶轮，离心叶轮由4～12片叶片构成，离心腔的上部密封、底面与相邻一层的混合腔之间有一个与旋转轴相连的圆盘，混合液通过该圆盘的边缘和其上的孔道进入离心腔。
4.根据权利要求1或2所述的萃取与反萃设备，其特征是：混合腔中的搅拌叶轮由4～8片叶片构成。
5.根据权利要求1所述的萃取与反萃设备，其特征是：分离器为圆柱体与圆锥体连接的组合结构，下部的水相室和上部的有机相室为圆柱体，中间的离心分离室为一个连接在转轴上并随着轴旋转的圆锥状圆筒，该圆锥状圆筒内有一个与转轴相连的搅拌叶轮，圆筒内的上部和底部分别有若干小孔与有机相室和水相室连通。
6.根据权利要求5所述的萃取与反萃设备，其特征是：圆锥状离心分离室为正立圆锥或倒立圆锥。
7.根据权利要求5所述的萃取与反萃设备，其特征是：离心分离室内的搅拌叶轮根据分离要求水平设置在转轴的上部或下部位置。
8.根据权利要求5所述的萃取与反萃设备，其特征是：分离器的圆柱状水相室和有机相室内分别水平设置有1～3层隔板，隔板上均匀分布有若干通液小孔。
9.根据权利要求1所述的萃取与反萃设备，其特征是：分离器中心的转轴下部为中空轴，从混合器上部输出的混合相通过分离器底部进入中空的转轴，经转轴进入分离器的圆锥状圆筒内，当圆锥状圆筒转动时带动混合液旋转，从而产生离心作用，加速有机相和水相的分离。
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