ES2266612T3 - Metodo y dispositivo de la mezcla de sedimentacion en procesos de extraccion con disolventes para la recuperacion de productos de gran pureza. - Google Patents

Abstract

El dispositivo de la invención incorpora los siguientes elementos novedosos en cada mezclador-sedimentador; a) Agitadores con turbinas de bordes romos, b) Agitación de grado decreciente a lo largo de la cascada de mezcla, c) Bafle con ventana centrada en la interfase del sedimentador, situado tras los amortiguadores de flujo, d) Bafle ciego, centrado en la interfase del sedimentador, situado tras el bafle con ventana. Los elementos anteriores permiten ejecutar un método operativo que inhibe la dispersión secundaria, disminuyendo la formación de microgotas, sin afectar a la transferencia de masa entra las fases. En consecuencia, se consigue una separación de fases con arrastres tan pequeños que es posible incrementar drásticamente la calidad del producto al obtener un extracto acuoso ultra-puro, reduciendo simultáneamente la superficie de sedimentación requerida.

Description

Método y dispositivo de la mezcla y sedimentación en procesos de extracción con disolventes para la recuperación de productos de gran pureza.

Objeto y campo de aplicación

La presente invención se refiere a un método y dispositivo que perfecciona el sistema de purificación usado en los procesos de extracción con disolventes orgánicos (en lo sucesivo, SX) mediante mezcladores-sedimentadores, tal como se utilizan para la recuperación de metales y otros productos. La invención incorpora elementos novedosos tanto en equipo como en metodología operativa.

Su campo de aplicación es la producción final o intermedia de cualquier producto de alta pureza, preferentemente los metálicos o sus sales, que requiera la tecnología de SX con mezcladores-sedimentadores, en los que la mezcla de fases se realice mediante turbinas de agitación y/o bombeo en una o varias unidades de mezcla, reactores o compartimentos en cascada (en lo sucesivo, compartimentos).

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Estado de la técnica

La SX es una técnica de separación ampliamente conocida, en la que una disolución acuosa impura que contiene el producto, ión o la especie objeto de convertirse en producto de interés final (en lo sucesivo especie), se pone en contacto con un disolvente orgánico que muestra una especial afinidad por la misma. Tras la mezcla íntima de ambas fases, y una vez que se ha producido la transferencia de materia, se procede a su separación para la extracción del producto final.

Los equipos típicos utilizados en este tipo de procesos son mezcladores y sedimentadores. Cada mezclador-sedimentador se denomina "piso" en SX. El mezclador, que puede tener varios compartimentos en cascada, tiene la misión de lograr la dispersión de las dos fases a mezclar, para formar una emulsión, con el fin de favorecer la transferencia de materia y alcanzar el equilibrio. El sedimentador debe ser capaz de separar de nuevo los dos componentes, fase orgánica y fase acuosa, que forman la emulsión. Los parámetros más importantes que determinan la operación son:

En el mezclador, la intensidad de la agitación viene determinada principalmente por la viscosidad, tensión superficial, y diferencias de densidad de las fases. El precisar la intensidad de agitación requerida es primordial, ya que una agitación escasa conduce a la formación de gotas gruesas lo que reduce el área de contacto y la transferencia de materia, mientras que una agitación excesiva provoca la formación de emulsiones estables y gotas finas que son fácilmente arrastradas por la otra fase perjudicando la pureza del producto final obtenido. Además, si se utilizan agitadores rotativos, estos imparten la máxima energía en su periferia lo que conduce a una distribución del tamaño de gota no uniforme.

En el sedimentador, las condiciones de separación dependen tanto de las características físicas de las fases en dispersión (diferencias de densidad, tensión superficial, viscosidad, temperatura, acidez, velocidad unitaria) como de la intensidad de la mezcla, y del tamaño de gota resultante.

Cuando se mezclan las dos fases líquidas -orgánica y acuosa- que intervienen en un proceso de extracción de metales u otras especies con disolventes orgánicos, es importante no sólo el asegurar la agitación adecuada que permita un buen contacto para la reacción de transferencia másica del metal o especie a extraer de una fase a otra (transformación química), sino que dicha mezcla sea tal que tras la reacción no sea difícil la posterior separación de fases en el sedimentador (transformación física).

El diseño específico de esos equipos, su combinación con otros agitadores estándar y su distribución en varios compartimentos de una misma etapa o piso de extracción, permiten la adecuación de ambos efectos (químico y físico) y constituyen una clara mejora que permite posteriormente una más fácil, rápida y nítida separación de fases sin menoscabo de sus ventajas químicas. Esa nitidez en la separación de las fases inmiscibles produce menores arrastres de una fase en la otra, repercutiendo en una mayor eficacia en la separación de las impurezas que pudiera llevar alguna de las fases alimentadas.

El agitador del primer compartimento del mezclador de un piso en un proceso de SX suele tener la doble misión de agitar y bombear las fases desde los sedimentadores de los pisos adyacentes, por lo que suele tener la geometría similar al rodete de una bomba. El grado de agitación y la capacidad de bombeo son función principalmente del tamaño de la turbina, de su velocidad de agitación y de su geometría. La mezcla de las fases orgánica y acuosa que intervienen en la reacción de transferencia del metal se realiza normalmente de forma fácil y muy rápida por la mezcla íntima de una fase en la otra. Un tipo de agitación radial, adecuado para ambas misiones, causa un efecto de cizalla del agitador, especialmente en los extremos periféricos de la turbina, que provoca el que las gotas formadas sean tanto más pequeñas (y en consecuencia más difíciles de decantar posteriormente) cuanto mayor sea el grado de esa cizalla y agitación.

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Los agitadores de siguientes compartimentos del mezclador tienen la misión de mantener la homogeneidad para dar tiempo de reacción acorde a la cinética específica de cada tipo de extracción y de cada etapa en ella. Pueden por tanto ser del tipo agitación axial (no cizallador), de menor grado de agitación (tamaño y/o velocidad).

Es conocido que las condiciones de agitación de la mezcla afectan a su posterior decantación. Según condiciones, el que el tipo de mezcla sea tal que la dispersión sea de gotas de fase orgánica en la fase acuosa (Acuosa Continua, en adelante AC) o la de gotas de acuosa en fase orgánica (Orgánica Continua, en adelante OC) provoca el que una fase u otra salga más limpia (menor arrastre). La relación de fases orgánica/acuosa de la mezcla es otra variable que afecta no sólo al tipo de mezcla anterior, sino que también crea un grado dentro de cada tipo de mezcla que mejora o dificulta la posterior decantación de fases. Se ha comprobado que existen posibilidades de mejora de las características y condiciones operativas de agitación que permiten, para un equipo concreto, una mejora en la decantación posterior disminuyendo los arrastres de una fase en otra y, consecuentemente, las impurezas arrastradas.

La mezcla obtenida en los mezcladores de SX vierte a sedimentadores donde las fases son separadas por la acción de la gravedad aprovechando la diferencia de densidades de ambas fases. Esa separación líquido-líquido es una separación dinámica en la que, al ser un proceso continuo, está influenciada por la velocidad y el tipo de recorrido de cada fase, la facilidad de romper la emulsión formada, la superficie disponible y consecuentemente el tiempo de residencia, la temperatura, acidez, etc.

Para un proceso, condiciones y geometría del sedimentador concreto, la velocidad unitaria de cada fase puede variarse al hacerlo principalmente los caudales alimentados incluyendo su posible recirculación y el control de la posición de la interfase. La facilidad de ruptura de la emulsión, para una temperatura y características de los líquidos fijas, viene influenciada además de la velocidad unitaria, por el tipo y grado de agitación obtenido y el tipo de "internos", que son barreras de diseño especial que se interponen en su flujo para facilitar su distribución, homogenización y laminación en toda la geometría del sedimentador, o para facilitar el aumento de tamaño de las gotas que lo forman mejorando, en consecuencia, su decantación.

El objetivo de dichos "internos" es, pues, favorecer la decantación de la emulsión evitando que ésta llegue al rebose final de cada fase, obteniendo éstas de forma limpia y separada, evitando con ello los contaminantes de una fase en la otra.

En la tecnología de SX normalmente se utilizan tres etapas: Extracción del producto o sus especies por una fase orgánica desde una disolución acuosa impura; posterior Lavado para purificación de esta fase orgánica y, finalmente, Reextracción de dicha especie o producto así purificado a una nueva acuosa. En cada una de esas etapas, pueden existir varios mezcladores-sedimentadores (pisos) en serie, donde cada fase (orgánica o acuosa) circula en sentido contracorriente entre ellos.

La necesidad, dentro de la tecnología de SX, de obtener un producto de alta pureza es a veces no sólo derivada de condiciones de mercado o competencia por calidad, sino que, a veces, es condición técnica ineludible para poder obtener dicho producto en etapas posteriores (como es el caso de la electrólisis del zinc). El problema actualmente existente es que el conseguir altos niveles de pureza requiere un proceso con la conjunción simultánea dentro de la SX de un disolvente selectivo, de mezcladores-sedimentadores con un diseño y elementos internos que proporcionen una mezcla adecuada y buena separación de fases, y unas condiciones operativas que lo permitan.

Existen varios procesos y sistemas que refuerzan la faceta de purificación del producto basados en el aumento o distribución del número de mezcladores-sedimentadores (pisos) o sus condiciones de flujo de una etapa (por ejemplo en lavado), o en aspectos químicos como la exaltación de la selectividad de la especie a extraer o su purificación una vez extraído, etc., pero no así sobre los componentes interiores de cada mezclador o sedimentador o sobre las condiciones operativas especiales que puedan disminuir drásticamente aquellos aspectos que impiden la obtención de disoluciones puras que contengan la especie objeto del producto final como son, por ejemplo, los arrastres (gotas en suspensión) de una fase en la otra o emulsiones de ambas fases.

Dentro del primer caso, documentos como las solicitudes de patentes españolas del PCT ES01/00060 y ES00/0458 o las norteamericanas US 4,552,629 y US 4,572,771, aplicadas a la SX de zinc describen o bien un proceso basado especialmente en el refuerzo de los aspectos químicos de purificación y selectividad (las dos primeras, del propio solicitante), o bien variando el medio acuoso (disoluciones sulfúrica y clorhídrica) y el sistema extractante (la tercera), o bien procesos basados en purificaciones específicas previas (oxidación con cloro y precipitación) y posteriores (utilización de membranas o diafragmas complementarios en la electrolisis) a la SX (la cuarta). Así mismo ocurre en procesos donde se exalta la selectividad de la extracción por la selección de disolventes orgánicos específicos como son los casos de recuperación de zirconio y hafnio (EP 154,448), galio (US 4,559,203), separación de tierras raras (EP 156,735), cadmio (US 4,511,541), separación de níquel y cobalto, SX de cobre, etc. o las que tratan materiales concretos para aplicaciones específicas como las española ES 9701296 (pilas domésticas) y canadiense CA 1198290 (secundarios de zinc) del propio solicitante. Ninguna de ellas actúa ni en la introducción de elementos especiales en los equipos
a utilizar ni en las condiciones no genéricas y convencionales de mezcla y decantación que mejoren dicha purificación.

Dentro del segundo grupo, más en la línea de la presente invención, donde intervienen equipos, métodos y aparatos que se diferencian del mezclador-sedimentador convencional, hay patentes que actúan sobre el mezclador o/y su turbina de agitación, sobre el sedimentador o sobre el conjunto.

Un grupo de ellas (Outokumpu, Finlandia) recoge diversos métodos y aparatos que actúan sobre la mezcla y decantación de fases, pero actuando principalmente en los aspectos hidrodinámicos del sistema: proponiendo cámaras o amortiguadores de flujo especiales, o para reciclado de fases, o con diseños de turbina enfocados a evitar aireación, o forzando el cambio de dirección de flujo de la mezcla, etc. Así, la patente US 4,721,571 defiende un método de mezclador-presedimentador-sedimentador, donde el presedimentador hace de cámara intermedia de mejora de separación de fases con sus correspondientes amortiguadores de flujo. La US 5,185,081 refiere un método de mezcla y separación de fases con turbinas espirales y un sistema destinado a prevenir y evitar la aireación como fuente de emulsión principal. Otro método y aparato para recircular al mezclador parte de la fase pesada ya decantada desde la zona de interfase es descrito en la US 6,083,400 como una mejora en el diseño para un mejor contacto de fases y tamaño de gotas en el mezclador. Otra patente, complementaria a la anterior, la US 6,132,615 defiende un método y aparato para mejorar la separación de fases por diseño avanzado de los amortiguadores de flujo, que mejoran la hidrodinámica del sistema convencional. La US 6,176,608 actúa sobre la decantabilidad del sistema de descarga de la mezcla de fases sometiendo ésta a varios cambios de dirección previa a su descarga al sedimentador.

Otro grupo de patentes, como la US 4,925,441 (US Energy, USA) trata de una cascada de contactores centrífugos provistos de intercomunicaciones para la mezcla y separación de fases, y aplicable al reprocesamiento de combustibles nucleares. La US 6,007,237 (Bateman, Canadá) defiende la acción de una mezcla basada en el control de agitación mediante la creación y propagación de anillos de vortex con un agitador especial. La US 4,551,314 (Amax, USA) recoge un sistema de mezcla de dos compartimentos en serie, con distintas condiciones de continuidad en la fase como un elemento favorecedor de la decantación posterior. También, en la US 6,033,575 (Krebs, Francia) se propone una pre-separación de la dispersión en dos fracciones decantadas independientemente.

Para cada sistema y reactivos utilizados, una mayoría de las turbinas de agitación utilizadas principalmente en SX de cobre, (Lightnin, VSF de Outokumpu, Nettco, Philadelphia, Krebs, etc.) conciben la turbina de bombeo como el rodete de una bomba y para disminuir el consumo energético suelen ser o de álabes curvos o de pequeño diámetro y muy revolucionadas, lo que provoca, a favor del menor consumo en el bombeo, un sacrificio del efecto de agitación y se crean microgotas de una fase en el seno de otra por un alto efecto de cizalladura en los bordes rectos de las turbinas, produciendo así una separación de fases muy dificultosa. Otro grupo de turbinas o sistemas (Bateman, espiral de Outokumpu, etc.) tienen, por el contrario, un tipo de agitación muy suave, o insuficiente para un adecuado bombeo o agitación, y requieren agitadores o sistemas complementarios.

En cuanto a los sistemas de decantación utilizados en el sedimentador, se suele actuar, como ya se ha dicho, con variaciones sobre el diseño de los distribuidores y amortiguadores de flujo, o con variaciones de hidrodinámica que afectan a la recirculación al mezclador con su consiguiente incremento de flujo a decantar, o sobre el cambio de dirección de la mezcla previa a su descarga al sedimentador.

En la presente invención se actúa sobre estos últimos aspectos: nuevos diseño, elementos internos novedosos y condiciones específicas. El objetivo de la presente invención es conseguir una drástica disminución de los arrastres de una fase en la otra reduciendo, según la etapa, la contaminación de la fase orgánica con los arrastres de la acuosa impura (arrastre de acuosa en orgánica) o los de la orgánica en la acuosa purificada (arrastre de orgánica en acuosa).

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Breve descripción de la invención

La invención propuesta, actúa directamente sobre una de las principales causas de impurificación: los arrastres de una fase en otra. La disminución de dicha causa se logra actuando tanto sobre el sistema de agitación que provoca la emulsión creada durante la agitación (mezclador), como sobre la destrucción de su consistencia que persiste a lo largo de la banda de dispersión en la interfase (sedimentador). Así pues, en el mezclador, la disminución de la cantidad y consistencia de dicha emulsión se logra actuando conjuntamente tanto sobre el diseño especial del agitador primario de bombeo (primer compartimento), como en su tratamiento por la forma de disminuir esa consistencia a lo largo de los demás compartimentos de la serie y, posteriormente, en la banda de dispersión dentro del sedimentador con la introducción de sistemas y aparatos para disminuir en cantidad y persistencia esa banda. Estos aspectos no se abordan en ninguno de los documentos antes mencionados.

Para ello se incorpora tanto en los mezcladores como en los sedimentadores una serie de elementos de diseño especial. En cada compartimento del mezclador, se disponen turbinas con álabes de bordes romos eliminando vértices y aristas vivas, para evitar un tipo de mezcla cizallante que produzca una agitación con gotas excesivamente pequeñas logrando, con ello y una adecuada combinación de las condiciones operativas de mezcla y rebose a lo largo de la serie de compartimentos, un tipo de emulsión fácilmente decantable. Como solución complementaria se recomienda, para los compartimentos, una geometría en la que su acoplamiento y comunicación sea por amplios rebosaderos o canales de comunicación, que no provoquen agitaciones adicionales y favorezcan el agrupamiento de gotas en cada fase, así como que la agitación se realice en forma tal que se reduzca el grado de turbulencias puntuales. Aunque también es posible el empleo de unidades de mezcla o compartimentos cilíndricos, la utilización en los mezcladores de compartimentos de geometría cuadrada, conectadas por canales de comunicación entre compartimentos contiguos y cortacorrientes superficiales para evitar vórtices, produce también consecuencias positivas.

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En el sedimentador, con diseño convencional, se introducen dos nuevos elementos o "internos", situados en sentido transversal al flujo tras los amortiguadores de flujo y en la zona de interfase:

-

Un primer bafle situado en la zona de la interfase, de tamaño tal que permita el rebose superior e inferior de parte de cada fase decantada no emulsionada, y con una ventana central que contiene y disminuye la altura de la banda de emulsión, al permitir de forma comprimida la evacuación de esta emulsión dirigiéndolo hacia el centro de la interfase.

-

Un segundo bafle, posterior en el sentido de flujo y análogo al anterior pero sin ventana (ciego), que retiene la totalidad de la emulsión aún restante y zonas ya decantadas, permitiendo que las fases que lo desbordan mantengan posteriormente una línea de interfase totalmente definida y nítida.

La situación de ambos dentro del sedimentador varía dependiendo del mezclador sedimentador considerado, con objeto de obtener las mejores condiciones para este efecto.

Por otra parte, las condiciones operativas en la mezcla de fases orgánica y acuosa y su posterior decantación afectan al tipo de mezcla formado y al grado de dificultad en la separación posterior.

En mezcla, una secuencia decreciente del grado de agitación en el que éste decrezca progresivamente en la cascada de compartimentos del mezclador, permite ventajas sobre una posterior decantación. Una mayor intensidad de agitación provoca la creación de gotas más pequeñas cuya separación es más dificultosa y, consecuentemente un mayor arrastre de una fase en la otra impurificando el producto.

Se ha demostrado que, siguiendo unas pautas generales, los logros obtenidos respecto al comportamiento físico posterior (rapidez, nitidez en la decantación y disminución de arrastres) son claramente positivos al iniciar un grado de agitación en el primer compartimento de la cascada adecuado a un bombeo suficiente, y reducir ese grado a lo largo de la cascada de agitadores de los siguientes. El provocar que la mezcla rebosante de cada compartimento en esa cascada se realice por anchos canales que fuerzan en la mezcla un cambio de dirección complementa la acción anterior.

La mezcla así obtenida rebosa en el sedimentador desde el último compartimento del mezclador por un canal de comunicación. En el sedimentador se produce la separación de ambas fases mediante un proceso físico cuyo período de decantación hasta que la emulsión se convierta en fases separadas nítidas va a depender, además de las condiciones operativas específicas para cada sistema de SX seleccionado (diferencias de densidades, temperatura, tipo de mezcla, etc.), de la adecuada selección de velocidades unitarias de cada fase y ciertos condicionantes operativos que aceleran el proceso. Estas condiciones no son necesariamente las mismas ni en todos los sistemas SX ni en todos los sedimentadores. La ruptura de la emulsión se realiza debido al choque e intersección de las gotas dispersas, ruptura y aumento del tamaño de éstas en su desplazamiento hacia arriba o hacia abajo según la densidad relativa de cada fase. Una mayor velocidad unitaria puede provocar más contactos, pero no muy abundantes al no generar turbulencias mientras que también, en mucho mayor grado, se daría menos tiempo para permitir la decantación pudiendo arriesgarse a rebosar sin completarla.

Así pues, la actuación sobre los dispositivos tanto de mezcla como de separación de fases se resume en:

a) En mezcla:

-

Turbina de agitación-bombeo especial

-

Combinación adecuada de tipos de turbinas en los distintos compartimentos de mezcla de un piso

-

Geometría del mezclador

b) En sedimentación:

-

Uso de accesorios internos específicos

-

Combinación y distribución adecuada de esos internos

La adecuada selección de las condiciones operativas de los dispositivos completa la eficacia del método propuesto actuando sobre:

a) En mezcla:

-

Tipo y grado de agitación en cada mezclador

-

Su combinación en la cascada de agitadores de sus compartimentos

-

Condiciones operativas específicas en mezcladores

b) En sedimentación:

-

Diseño de velocidad de decantación, adecuada y diferenciada para cada fase y en cada piso

-

Condiciones operativas específicas en sedimentadores

Con ello se mejora la calidad de las separaciones, se disminuye la superficie de sedimentación requerida y, en consecuencia, se mejora la calidad del producto final así obtenido.

Breve descripción de los dibujos

Para complementar la descripción que antecede y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se va a realizar una descripción detallada de una realización preferida, sobre la base de un juego de dibujos que se acompañan a esta memoria descriptiva y en donde, con carácter meramente orientativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente.

La figura 1 muestra un esquema de una instalación de SX donde, en este caso, se muestran ocho pisos o mezcladores-sedimentadores, agrupados en las tres etapas típicas de este tipo de instalaciones: extracción, lavado, y reextracción, con su interconexión y flujos.

La figura 2 muestra un esquema, en planta, de uno de los mezcladores-sedimentadores de la figura 1. En este caso se trata de un mezclador formado por cuatro compartimentos paralepipédicos en serie, y un sedimentador con detalles de posición y forma tanto de los elementos tradicionales (distribuidor, amortiguadores de flujo, sistema de recirculación, y reboses de fases orgánica y acuosa), como de los nuevos elementos (bafle con ventana y bafle ciego).

La figura 3 muestra una sección esquemática de un agitador primario.

La figura 4 muestra una sección esquemática de un agitador secundario radial.

La figura 5 muestra una sección esquemática de un agitador secundario axial.

La figura 6 muestra una sección esquemática, en alzado, del mezclador-sedimentador de la figura 2, con detalles de la evolución de la emulsión en el mezclador y el efecto en ella de los distintos elementos "internos" en el sedimentador.

La figura 7 muestra un alzado frontal de los bafles con ventana.

La figura 8 muestra un alzado frontal de los bafles ciegos.

En dichas figuras, las referencias numéricas corresponden a las siguientes partes y elementos:

1

Etapa de extracción

2

Etapa de lavado

3

Etapa de reextracción

4

Mezclador, formado por varios compartimentos en serie

5

Sedimentador

6

Interconexión de fase orgánica

7

Alimentación de la disolución impura (Líquido Fértil)

8

Disolución impura residual (Refinado)

9

Alimentación de fase acuosa a lavado

10

Alimentación de fase acuosa a reextracción

11

Disolución acuosa purificada con la especie del producto (Extracto Acuoso)

12

Agitador primario

13

Agitador secundario radial

14

Agitador secundario axial

15

Canales de comunicación entre compartimentos del mezclador

15'

Borde de rebose superior del canal de comunicación

15''

Borde de rebose inferior del canal de comunicación

16

Álabes de turbinas

17

Bordes romos en platos

18

Bordes romos en álabes

19

Distribuidor de flujo

20

Amortiguador de flujo

21

Bafle con ventana

22

Ventana

23

Bafle ciego

24

Emulsión

25

Canal de recogida por rebose superior de la fase orgánica ya decantada

26

Canal de recogida por rebose inferior de la fase acuosa ya decantada

27

Interfase final

28

Sistema de válvulas de control de nivel de la interfase

29

Sistema de recirculación

30

Fase orgánica

31

Fase acuosa

Descripción detallada de una realización preferida

La figura 1 muestra una instalación para la obtención de un producto de alta pureza por tecnología SX que consta de tres etapas esenciales; etapa de extracción (1), etapa de lavado (2), y etapa de reextracción (3), cada una de ellas formada por varios mezcladores (4) - sedimentadores (5) conectados en serie. En esa instalación, la serie de mezcladores-sedimentadores están unidos por interconexiones (6) de fase orgánica (30) que circula cargándose con la especie objeto de producto en la etapa de extracción (1), lavándose en la etapa de lavado (2) y descargándose en la etapa de reextracción (3). En contracorriente con la fase orgánica fluyen las distintas fases acuosas que se alimentan a cada etapa: una disolución impura (7) (líquido fértil) que contiene la especie de interés, la cual es extraída por la fase orgánica (30), dejando una disolución impura residual (8) (refinado); una acuosa a lavado (9) que lava esa fase orgánica cargada, y una acuosa a reextracción (10) que permita recuperar de esa fase orgánica (30) la especie ya purificada obteniendo así una disolución acuosa purificada (11) (extracto acuoso).

En la figura 2 se muestra un esquema de dicho mezclador (4) - sedimentador (5) en el que, en este caso, la mezcla de fase orgánica (30) con las acuosas (31) y sistema de recirculación (29) se realiza en un mezclador (4), formado por cuatro compartimentos en serie, provisto de sus correspondientes agitadores primarios (12), agitadores secundarios radiales (13) y agitadores secundarios axiales (14) así como de sucesivos canales de comunicación (15) formados entre compartimentos sucesivos del mezclador (4) penetrando el fluido en los canales de comunicación (15) por encima de un borde de rebose superior (15') que presenta la pared de salida del compartimento anterior y saliendo por debajo de un borde de rebose inferior (15'') que presenta la pared de entrada del siguiente compartimento, con lo que se canaliza la mezcla de ambas fases desde cada compartimento al siguiente, independizando los mismos. Los agitadores secundarios (13) y (14) disponen de turbinas que mantienen la agitación de la mezcla en las condiciones deseadas para permitir tanto la adecuada transferencia de materia como el posibilitar su posterior separación. La turbina del agitador primario (12) tiene además de agitar, la misión de actuar como bomba aspirando cada fase de los sedimentadores contiguos y, si se requiere, la recirculación desde el propio sedimentador. Las turbinas de los agitadores secundarios (13) y (14) mantienen la mezcla de las fases para completar la misión de dicha unidad, permitiendo variar las condiciones de mezcla para su mejor separación posterior. Las condiciones de agitación han de ir progresivamente disminuyendo en la serie de compartimentos con objeto de, manteniendo la agitación de ambas fases, disminuir la intensidad y agresividad de la misma, preparando así dicha emulsión para facilitar la sedimentación y el agrupamiento de las gotas más pequeñas. En ese mismo sentido, dichos compartimentos pueden intercomunicarse mediante amplios reboses (15) para facilitar el decrecimiento gradual del grado de agitación. El sedimentador (5) dispone tanto de los sistemas convencionales de distribuidor de flujo (19), amortiguadores de flujo (20), canal de recogida por rebose superior de la fase orgánica ya decantada (25), canal de recogida por rebose inferior de la fase acuosa ya decantada (26), sistema de recirculación (29), y sistema de válvulas de control del nivel de la interfase (28), como de los nuevos elementos de bafle con ventana (21) y bafle ciego (23).

La mejora del tipo de mezcla en cuanto a su posterior separación de fases se consigue por un lado evitando o disminuyendo el grado de cizalladura y la formación de gotas excesivamente pequeñas mediante el uso de turbinas adecuadas y por otro disminuyendo progresivamente el grado de agitación a lo largo de la cascada de agitadores de cada mezclador-sedimentador. Como puede verse en las figuras 3, 4 y 5, tanto el agitador primario (12) como los agitadores secundarios (13) y (14) están equipados con bordes romos en álabes (18) y bordes romos en platos (17), y esto independientemente del número y disposición de los álabes (16). Así, con dichas turbinas se evita una excesiva cizalla en la agitación, inhibiendo la dispersión secundaria responsable de la formación de gotas finas, creadas por rotura de las gotas gruesas originadas previamente en la dispersión primaria.

En la figura 6 puede verse como la emulsión (24) de ambas fases fluye desde el último compartimento del mezclador (4) y se descarga finalmente al sedimentador (5). Esta emulsión (24), mezcla de la fase orgánica (30) y de la fase acuosa (31), se somete a un sistema convencional de distribuidor de flujo (19), u otro con la misma finalidad, repartiéndose homogéneamente en toda la superficie del sedimentador, y de uno o dos amortiguadores de flujo (20), donde se amortigua y tranquiliza su flujo. La emulsión (24) se comporta como una tercera fase que desaparece en el tiempo a lo largo del sedimentador (5). Aunque para las fases (30) y (31), ya decantadas, conviene mantener una velocidad unitaria baja, no es así para la emulsión (24), debido a la conveniencia de provocar la posibilidad de mayores contactos entre las gotas dispersas que permitan su coalescencia y separación. Esto se logra con la ventana (22) "entubando y comprimiendo" esa emulsión sobre la interfase, y enjugando su aumento de velocidad mediante barreras que alargan o dificultan su recorrido, como el bafle ciego (23), que elimina la prolongación de dicha emulsión en las cercanías de los canales de recogida (25) y (26). Con ello se consigue minimizar al máximo los arrastres finales de una fase en la otra y obtener una interfase final (27), ya totalmente nítida. Esto dos nuevos elementos adicionales, bafle con ventana (21) y, aguas abajo de éste, bafle ciego (23), ambos de unos 500 mm de altura, son instalados transversales al flujo a lo ancho de todo el sedimentador, se sitúan en zona de la interfase y, como se indica por la evolución de la emulsión (24) en la interfase, se mejora la separación de fases y se disminuye el arrastre. Estas nuevas unidades están formadas por elementos independientes alineados e introducidos sobre postes o columnas ancladas en el sedimentador para así favorecer su instalación y mantenimiento en sedimentadores de gran tamaño. Incluso pueden instalarse en paralelo varias de estas unidades si las condiciones específicas de la instalación así lo recomendaran. También su posición relativa puede variar según el piso (mezclador-sedimentador) considerado para lograr la máxima eficacia.

Los bafles (21) y (23), constituidos por una pluralidad de unidades modulares tal como se muestra en las figuras 7 y 8 y soportadas inferiormente, se disponen transversalmente al flujo cubriendo todo el ancho del sedimentador (5).

En una realización preferida, las turbinas de los agitadores tienen un diámetro entre 0.2 y 0.7 del diámetro circular equivalente a la sección transversal (el del circulo de igual sección transversal) del compartimento correspondiente del mezclador, siendo el grado de agitación decreciente entre 50 rps^{3}ft^{2} y 0.5 rps^{3}ft^{2}. Los bafles presentan una altura entre el 10% y el 90% de la altura total de las fases, y la abertura de los bafles con ventana se sitúa entre el 10% y el 90% de su superficie total.

Por último cabe comentar que cada etapa de un mismo proceso (extracción (1), lavado (2), o reextracción (3)), e incluso cada piso dentro de una misma etapa, puede requerir distintos grados de aplicación de las soluciones anteriores, adaptados al objetivo concreto que se persigue utilizando, si se precisaran, varias unidades en paralelo como las mencionadas, situando adecuadamente la posición de esos "internos" en altura y distancia en el sedimentador (5), fijando convenientemente la posición de la interfase final (27), y aplicando las condiciones operativas mas adecuadas a cada caso. Cada proceso de SX y cada etapa en particular requiere una optimización a la medida de los objetivos perseguidos.

Ejemplos A.- Agitación

Se analizan varios efectos, con un ejemplo de extracción de ión metálico en cada uno de ellos. Para cada ejemplo, en cada caso ensayado se analizó el metal en cada fase, y se determinó el tiempo de separación de fases hasta la desaparición de la banda de dispersión, tomando la media de un mínimo de cinco medidas diferentes e independientes.

A1.- Efecto del Tipo de Turbina de álabes romos

Comparación de la extracción química y separación física posterior en un mezclador con turbinas de álabes verticales típicas y con turbina de álabes romos, manteniendo igual el resto de condiciones.

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Ejemplo nº 1

Mezclador:

1 ó 2 compartimentos en serie (una turbina en cada, la del 1º de bombeo), geometría cilíndrica de diámetro = altura útil (D=H), transparentes, con bafle superior

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Turbinas tipo: (una para cada compartimento)

a)

bombeo, 8 álabes planas verticales, álabes rectos, diámetro d=1/2 D del compartimento.

b)

bombeo, d=1/2 D, álabes romos y 8 álabes planas rectas y verticales con curva r=0.1*e^{(0.05x)} (siendo x el ancho de pala y r el radio de la curvatura). (Ver figura 3)

c)

de 4 álabes inclinadas 45º, agitación axial, diámetro d=1/3 D del compartimento. (Ver figura 5)

d)

de 4 álabes rectos, agitación radial, diámetro d=1/3 D del compartimento.

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Reactivos (alimentación):

Caso A:

Orgánica: D2EHPA (Ácido Di-2 etil exil fosfórico) 40% v/v en queroseno

\quad

Acuosa (alimentación de disolución impura): Disolución de sulfato de zinc con 32.7 g/L de Zn y pH=4.0

Caso B:

Orgánica: 5-nonil-salicil-aldoxima (Acorga M5640) 30% v/v en queroseno

\quad

Acuosa (alimentación de disolución impura): Disolución de sulfato de cobre con 15.0 g/L de Cu y pH=1.5

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Condiciones:

Temperatura 30ºC, tiempo de residencia total 3 min., relaciones orgánica/acuosa 2 (caso orgánica continua) ó 1 (caso acuosa continua)

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Resultados:

1.1.- Reactivos caso A (Zinc)

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1

1.2.- Reactivos caso B (Cobre)

2

Conclusión: Como puede observarse, independientemente del metal extraído, el uso de turbina de bombeo con álabes romos (b) no afecta prácticamente al comportamiento químico de extracción, pero siempre mejora la velocidad de separación de fases líquido-líquido, tanto independientemente como en combinación con otras turbinas. Ese efecto es más marcado en casos de agitación en acuosa continua

A2.- Efecto del grado decreciente de agitación

Comparación de la extracción química y separación física posterior en un mezclador con una cascada de compartimentos con igual grado de agitación o con agitación decreciente, manteniendo igual el resto de condiciones.

Ejemplo nº 2

Mezclador:

3 compartimentos en serie (una turbina en cada, la del 1º de bombeo), geometría cilíndrica como en ejemplo nº 1, transparentes, con bafle superior

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Turbinas tipo: (una para cada compartimento)

b)

como en ejemplo nº 1, bombeo, d=1/2 D, álabes romos y 8 álabes planos rectos y verticales con curva r=0.1*e^{(0.05x)} (siendo x el ancho de pala y r el radio de la curvatura).

c)

como en ejemplo nº 1, agitación axial, diámetro d=1/3 D del mezclador de 4 álabes inclinadas 45º.

e)

de plato, d=1/3 D, agitación radial, álabes romos y 6 álabes planos, rectos, verticales y con curva r=0.1*e^{(0.05x)} (siendo x el ancho de pala y r el radio de la curvatura). (Ver figura 4).

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Reactivos:

Caso E:

Orgánica: D2EHPA (Ácido Di-2 etil exil fosfórico) 40% v/v en queroseno, cargada con 12.1 g/l de Zn^{2+} y 0.3 g/L de Fe^{3+}, en equilibrio con

\quad

Acuosa: Disolución de sulfato de zinc (20 g/L Zn, 18 g/L H_{2}SO_{4})

Caso B:

Orgánica: Ald-oxi-oxima (Acorga M5640) 30% v/v en queroseno

\quad

Acuosa: Disolución de sulfato de cobre con 15.0 g/L de Cu y pH=1.5

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Condiciones:

Temperatura 30ºC, tiempo de residencia total 3 min., relaciones orgánica/acuosa 2 (caso orgánica continua) ó 1 (caso acuosa continua) reciclando, cuando se precise, la fase correspondiente ya en equilibrio

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Resultados:

2.1.- Reactivos caso A (Zinc)

3

2.2.- Reactivos caso B (Cobre)

4

Conclusión: Una secuencia decreciente en el grado de agitación a lo largo de la cascada de compartimentos de mezcla, mejora la velocidad de la separación de fases líquido-líquido en la extracción con disolventes.

B.- Sedimentación

En un mezclador-sedimentador prototipo, se analiza el efecto de "internos" en la sedimentación, con un ejemplo en cada uno de ellos. Para cada ejemplo, en cada caso ensayado se analizaban los arrastres de fase orgánica en la acuosa y viceversa al final del sedimentador, y se determinaba la altura de la banda de dispersión o la distancia a la que desaparecía, tomando la media de cinco medidas diferentes e independientes.

B1.- Efecto del bafle con ventana en sedimentador, con igual tipo de mezcla

Comparación de la consistencia de emulsión y arrastre de fase acuosa en orgánica y de fase orgánica en acuosa, en un sedimentador prototipo, con y sin bafle con ventana.

Ejemplo nº 3

Mezclador/Agitación tipo:

Mezclador con tres compartimentos de FGRP paralepipédicos de 350L cada uno, iguales, comunicados en cascada mediante canales formados por doble pared rebose-fondo e independientes y con las siguientes características:

-

Paralepipédicos de base cuadrada, de lado = 0.89 de la altura H, transparentes.

Agitación en Acuosa Continua y relación orgánica/acuosa = 1 en todos los mezcladores

Condiciones: 30ºC, tiempo de residencia total 3 min., relación orgánica/acuosa = 1

Turbina:

1^{er} Compartimento: caso b) de ejemplo nº 1, agitación con N^{3}d^{2} = 19 (rps^{3}ft^{2})

2º y 3^{er} Compartimento: caso c) de ejemplo nº 1, agitación N^{3}d^{2} = 8 (rps^{3}ft^{2})

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Reactivos:

Caso E:

Orgánica: D2EHPA (Ácido Di-2 etil exil fosfórico) 40% v/v en queroseno, cargada con 12.1 g/l de Zn^{2+} y 0.3 g/L de Fe^{3+} en equilibrio con

\quad

Acuosa: Disolución de sulfato de zinc (20 g/L Zn, 18 g/L H_{2}SO_{4})

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Operación en continuo, en mezclador-sedimentador prototipo industrial. Control centralizado

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Sedimentador tipo:

De metacrilato transparente, de 22x0.25x1.1 m (LxAxh) (Largo x ancho x alto)

Internos, situados perpendicularmente al sentido de flujo: Distribuidor, Laminador-amortiguador y cuando se indica, 1 Bafle de 0.5 m de alto, con hueco-Ventana central de 0.25 m, centrado en el eje de la interfase y situado a una distancia (variable según el caso) de la salida del mezclador.

El flujo específico de cada fase fue 2.5 m^{3}/hm^{2}. Las velocidades unitarias fueron 2.5 m/min en Orgánica, y 1.8 m/min en Acuosa.

Resultados:

5

Conclusión: En las condiciones ensayadas, la presencia de un bafle con ventana mejora la eficacia de decantación de fases líquido/líquido, disminuyendo notablemente los arrastres de una fase en la otra. Esta mejora es tanto más eficaz cuanto mayor es la banda de dispersión sobre la que se aplica (situación menos avanzada en el sentido de flujo), sin que ésta rebose por encima y/o debajo del bafle.

B2.- Efecto del bafle ciego en sedimentador, con igual tipo de mezcla

Comparación de la consistencia de la emulsión y arrastre de fase acuosa en orgánica y viceversa, en sedimentador prototipo, con y sin bafle ciego

Ejemplo nº 4

Reactivos, Operación, Mezclador, Agitación y Condiciones: Como ejemplo anterior

Sedimentador tipo: Como ejemplo anterior (nº 3).

Internos, situados perpendicularmente al sentido de flujo: Distribuidor, Laminador-amortiguador y cuando se indica, un Bafle Ciego de 0.5 m de alto, centrado en el eje de la interfase y situado a una distancia (variable según el caso) de la salida del mezclador. Velocidades unitarias y flujos específicos: como en ejemplo nº 3.

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Resultados:

6

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Conclusión: En las condiciones ensayadas, la presencia de un bafle ciego mejora la eficacia de decantación de fases líquido/líquido, disminuyendo notablemente los arrastres de una fase en la otra. Esta mejora es tanto más eficaz cuanto menor es la banda de dispersión sobre la que se aplica (situación mas avanzada en el sentido de flujo), siempre que ésta retenga dispersión sin rebosar por encima y/o debajo del bafle.

C.- Mezcla y sedimentación

Efecto conjunto de turbinas especiales, grado decreciente de agitación y ambos bafles (con ventana y ciego), sobre la velocidad de decantación y los arrastres de una fase en la otra

C1.- Efecto sinérgico del conjunto de los nuevos dispositivos y métodos incorporados

Comparación entre la incorporación o no del conjunto de novedades inventivas introducidas (turbina de álabes romos, grado de agitación decreciente, bafle con ventana y bafle ciego) y su efecto sinérgico, así como su comportamiento sobre las distintas etapas de la instalación de SX.

Ejemplo nº 5

Reactivos:

Caso E (extracción):

Ver ejemplos anteriores nº 3 y 4

Caso L (lavado):

Orgánica: D2EHPA (Ácido Di-2 etil exil fosfórico) 40% v/v en queroseno, cargada con 12.1 g/l de Zn^{2+} y 0.3 g/L de Fe^{3+}

\quad

Acuosa: Disolución de sulfato de zinc (27 g/L Zn, 17 g/L H_{2}SO_{4})

Caso R (reextracción):

Orgánica: D2EHPA (Ácido Di-2 etil exil fosfórico) 40% v/v en queroseno, cargada con 1.5 g/l de Zn^{2+} y 0.3 g/L de Fe^{3+}

\quad

Acuosa: Disolución de sulfato de zinc (85 g/L Zn, 17 g/L H_{2}SO_{4})

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Operación en continuo, en mezclador-sedimentador prototipo industrial. Control centralizado

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Mezclador/Agitación tipo:

Mezclador:

tres compartimentos como en ejemplos 3 y 4

Agitación:

Casos E y L: Acuosa Continua relación org/ac.=1 en los tres compartimentos

\quad

Caso R: Orgánica Continua relación org/acuos=3 en ambos mezcladores

Condiciones:

30ºC, tiempo de residencia total 3 min.

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Turbinas:

-

Ensayo sin incorporación de la invención:

1ª Compartimento: tipo a) de ejemplo nº 1, agitación N^{3}d^{2} = 19 (rps^{3}ft^{2})

2º y 3^{er} Compartimento: tipo c) de ejemplo nº 1, agitación N^{3}d^{2} = 8 (rps^{3}ft^{2})

-

Ensayo con incorporación de la invención:

1ª Compartimento: tipo b) de ejemplo nº 1, agitación N^{3}d^{2} = 19 (rps^{3}ft^{2})

2º Compartimento: tipo c) de ejemplo nº 1, agitación con N^{3}d^{2} = 8 (rps^{3}ft^{2})

3^{er} Compartimento: tipo c) de ejemplo nº 1, agitación N^{3}d^{2} = 2.3 (rps^{3}ft^{2}) En este caso, como puede observarse, todas las turbinas son de álabes romos y existe una distribución decreciente en el grado de agitación a lo largo de la cascada de compartimentos.

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Sedimentador tipo: Como en ejemplos 3 y 4

Internos: \hskip0,1cm -

En todos los casos, al menos, Distribuidor, Laminador-amortiguador

-

En los ensayos de aplicación de la invención, además de los internos anteriores, un Bafle de Ventana (BV) como el indicado en el ejemplo 3, situado en todos los casos a 6 m, y un Bafle Ciego (BC) como el indicado en el ejemplo 4, situado a 15 m en los casos E y L, ó a 11 m en el caso R, todos medidos desde la salida del mezclador.

Los flujos específicos y velocidades unitarias utilizados para cada fase fueron:

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7

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Resultados:

Se comparan las tres etapas: extracción (E), lavado (L) y reextracción (R) anteriores en su comportamiento con y sin las invenciones indicadas. En todos los casos de aplicación de la invención no hubo banda de dispersión final tras el BC.

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8

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Conclusiones: En las condiciones ensayadas, donde se utilizan las mencionadas invenciones (tipo de turbinas y grado de agitación decreciente, junto con la presencia del bafle con ventana y bafle ciego), se ha comprobado que existe en todos los casos, dentro de cada etapa, una clara mejora en la eficacia de decantación líquido/líquido y, sorprendentemente, un evidente y nítido efecto sinérgico, disminuyendo notablemente la banda de dispersión final y los arrastres de una fase en la otra (comparar caso E con casos análogos en ejemplos 4 y 5).

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Su aplicación concreta tanto en los métodos de agitación como en la situación de internos en los sedimentadores respectivos puede variarse acorde al comportamiento de cada piso según sean las características de mezcla y decantación requeridas, como la altura y consistencia de la banda de emulsión generada.

Esta mejora es general para todos y cada uno de las etapas típicas de un proceso de extracción con disolventes y, en términos relativos respecto a su ausencia, tanto más eficaz cuanto más dificultosa es la decantación natural del sistema sobre el que se actúa.

Claims (8)

1. Dispositivo de mezclado y sedimentación en procedimientos de extracción de disolvente para recuperar productos de alta pureza en los que los dispositivos de mezclado y sedimentación se utilizan en serie, comprendiendo dicho dispositivo de mezclado y sedimentación una unidad (4) de mezclado en comunicación fluida con una unidad (5) de sedimentación,

en el que la unidad (4) de mezclado consiste en varios compartimentos dispuestos en cascada, comprendiendo el primero un agitador (12) primario que consiste en una turbina de agitación-bombeo de bordes romos y comprendiendo los siguientes compartimentos agitadores (13, 14) de bordes romos secundarios, con un grado decreciente de agitación a través de la serie de compartimentos, y

en el que la unidad (5) de sedimentación comprende al menos un deflector (21) con una ventana (22) central situada en la zona de separación de fases de interfase del sedimentador, a una determinada distancia aguas abajo de uno o varios deflectores (20) de flujo y perpendicularmente a la dirección del flujo, y

al menos un deflector sin una ventana (23) situado en la zona de interfase del sedimentador, a una determinada distancia del deflector con una ventana (21), y perpendicularmente al flujo, de manera que se retenga la emulsión (24), permitiendo también que el desagüe superior e inferior de las fases no emulsionadas sean, respectivamente, menos pesado y más pesado.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que las turbinas de bombeo y agitación tienen un diámetro entre el 0,2 y 0,7 del diámetro circular equivalente a la sección transversal del compartimento de reactivo o la unidad de mezclado respectiva, con varias paletas entre 2 y 12.

3. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que los bordes romos de las turbinas corresponden preferiblemente a la función r = 0,1*e^{(0.05x)}, en la que x es la anchura de la paleta y r es el radio de la curva aplicado.

4. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que el grado decreciente de agitación varía desde un máximo de 50 rps^{3}sq.ft hasta un mínimo de 0,5 rps^{3}sq.ft.

5. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que los deflectores (21, 23) con y sin ventanas están colocados, el primero tras los deflectores (20) de flujo y el último antes de los canales (25, 26) de recogida finales para las dos fases decantadas.

6. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que los deflectores con ventanas (21) tienen una ventana (22) que cubre entre el 10% y el 90% de su área superficial.

7. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que la altura de los deflectores (21, 23) es desde el 10% hasta el 90% de la altura total del sedimentador (5).

8. Método de mezclado y sedimentación en procedimientos de extracción de disolvente para la recuperación de productos de alta pureza, que comprende el uso del aparato según las reivindicaciones 1 a 7, y que comprende las siguientes etapas;

mezclar las dos fases tan suavemente como para inhibir la dispersión secundaria de pequeñas gotitas, obteniendo una emulsión (24),

introducir en tubos y comprimir esta emulsión (24) para acelerarla, y

retener la emulsión (24) para ralentizarla, permitiendo también que el desagüe superior e inferior de las fases no emulsionadas sea, respectivamente, menos pesado y más pesado.