Аппаратурное оформление экстракции

Для эффективной экстракции необходимо обеспечить, возможно, большую поверхность контакта водной и органической фаз и после­дующее их разделение.

В практике экстракции используются три типа аппаратов: смеси­тели-отстойники, колонные аппараты и центробежные экстракторы.

Смесители-отстойники состоят из смесительной и отстойной ка­мер. В смесительной камере водная и органическая фазы перемеши­ваются турбинной мешалкой, а затем смесь фаз передается в отстой­ную камеру. Ряд смесителей-отстойников соединяются в каскад таким образом, что одна из фаз (чаще органическая) перетекает из ап­парата в аппарат самотеком, а другая фаза насосами перекачивается противотоком к первой. Смешение фаз можно осуществить и в насо­сах при быстром установлении равновесия. Схемы экстракторов со смешением фаз в агитаторах и насосах представлены на рис. 1, а внутренний смеситель-отстойник, в котором обе камеры находятся в одном корпусе, — на рис. 2.

Рисунок 1 - Горизонтальные смесительно-отстойные экстракторы со смешива­нием фаз в агитаторах (а) и в насосах (б): / — легкая фаза; II — тяжелая фаза.

Рисунок 2 - Схема внутреннего смесителя- отстойника:

1 — исходный раствор; 2 — экстрагент; 3 — экстракт; 4 — рафинат

Наиболее рационален (с точки зрения экономии металла и про­странства) каскад смесителей-отстойников в экстракторе «ящичного типа», который представляет пря­моугольный ящик, разделенный поперечными перегородками на ряд ступеней, состоящих из сме­сительной и отстойной камер. План такого экстрактора изображен на рис. 3.

Органическая фаза продвига­ется через экстрактор справа на­лево, а навстречу ей перемещает­ся водная фаза (исходный водный раствор и промывная жидкость). Потоки органической и водной фаз перемешиваются турбинной мешалкой закрытого типа, она же служит и насосом, который под­нимает водную фазу от перелив­ного окна, соединяющего смесительную и отстойную камеры. Из смесительной камеры через жалюзийное окно смесь органической и водной фаз поступает в отстойную камеру, где происходит всплытие или осаждение капель дисперсной фазы. В конце отстойной камеры органическая фаза через верхнее переливное окно перемещается в ле­вую ступень, а водная фаза через нижнее переливное окно — в правую ступень.

Рисунок 3 - План и поперечный разрез экстрактора «ящичного типа»:

1 — смесительная камера; 2 — отстойная камера; 3 — перелив органи­ческой фазы; 4 — жалюзийное окно; 5 — перелив водной фазы; 6 — турбинная мешалка

Коэффициент полезного действия одной ступени смесителей-от- стойников составляет 0,75-0,95.

Колонные экстракторы используются в тех случаях, когда требу­ется большое число теоретических ступеней экстракции. Они обла­дают высокой производительностью, в то же время занимают не­большую площадь. В экстракционных колоннах различают две фазы: сплошную, заполняющую все сечение аппарата, и дисперсную, кото­рая в виде капель поднимается или опускается внутри сплошной фа­зы. Движение потоков в колонне обусловлено различием плотностей фаз.

Максимально возможная скорость движения сплошной фазы ог­раничивается скоростью всплытия (или падения) капель дисперсной фазы. При равенстве скоростей движения сплошной и дисперсной фаз наступает так называемое захлебывание колонны. Рабочая ско­рость движения сплошной фазы составляет примерно 60—80 % от ско­рости захлебывания. Осложняет работу экстракционной ко­лонны разброс в размерах капель дисперсной фазы, а следовательно, и разброс в скорости движения капель. Для улучшения разделения водной и органической фаз в верхней и нижней частях колонны име­ется расширение.

Простейшей по устройству является насадочная экстракционная колонна ( рис. 4). Существенным недостатком этих колонн явля­ется большое значение высоты, эквивалентной теоретической ступе­ни экстракции, которая может составлять 1,5—2,5 м.

Рисунок 4 - Экстракционная колонна: 1 — насыпной слой ионита; 2 — тарелки КРИМЗ

Кроме насадочных экстракционных колонн применяются колон­ные экстракторы с механическим перемешиванием: роторно-дисковые и роторно-кольцевые.

Интенсификация массообменных процессов при высокой частоте вращения ротора (800—1400 мин^-1) снижает высоту, эквивалентную теоретической ступени экстракции, до 0,25-0,50 м.

Существенными недостатками этих аппаратов являются трудность монтажа и ремонта, а также сильно коррозионная среда, в которой ра­ботает внутренний подшипник ротора.

Наиболее удобным способом интенсификации массообменных процессов в колонных экстракторах является сообщение жидкостным потокам возвратно-поступательных пульсаций.

Разработаны и успешно эксплуатируются пульсационные колон­ны с распределительными тарелками, имеющими щелевые отверстия, которые обеспечивают движение потока под углом к горизонту (на­садка КРИМЗ). На каждой последующей тарелке поток меняет на­правление на обратное.

При пульсационном импульсе, направленном вверх, органическая фаза проталкивается через щели и поднимается к верхней тарелке. При обратном импульсе водная фаза перемещается через щели сверху вниз. Пульсация обеспечивает противоток фаз вдоль колонны, дис­пергирование фаз, причем при уменьшении размера капель сущест­венно сокращается разброс в размере капель. Интенсификация массообмена при пульсации увеличивает производительность наса­дочных и тарельчатых колон примерно в 3 раза. Одна из конструкций пульсационных тарельчатых колонн изображена на рис. 4. Рас­стояние между тарелками 50-100 мм, живое сечение — 20—25 %, час­тота колебаний — 40—100 мин^-1, амплитуда — 10—30 мм. В книге С. М. Карпачевой и Е. И. Захарова освещены теоретические во­просы работы пульсационных колонных аппаратов и методика их расчета.

Смесители-отстойники используются чаще при извлечении урана из растворов после выщелачивания, где требуется малое число теоре­тических ступеней экстракции, в то время как колонные экстракторы применяются на стадии экстракционного аффинажа или при разделе­нии урана, плутония и продуктов деления, где необходимо большое число теоретических ступеней.

В центробежных экстракторах основной выигрыш дает интенси­фикация разделения водной и органической фаз в поле действия центробежных сил. Различают два типа центробежных экстракторов: дифференциально-контактные и ступенчатые.

В дифференциально-контактных экстракторах жидкости во время их контакта движутся противотоком, состав фаз изменяется непре­рывно. В одной зоне разделения, примыкающей к концу реакцион­ной зоны аппарата, коалесцирует дисперсная фаза, а в другой, при­мыкающей к противоположному концу реакционной зоны, осветляется сплошная фаза.

Типичным представителем аппаратов дифференциально-контактного типа является экстрактор Подбильняка (рис. 5).

В ротор 2 по­мещена спираль из перфорированной ленты 8. Водная и органическая фаза подаются по трубкам через коллекторы 6: органическая — на пе­риферию ротора, а водная — ближе к центру. Движение жидкости по каналам между лентами возможно только в одну сторону — в направ­лении, противоположном вращению ротора. Переток фаз из канала в канал в радиальном направлении обеспечивается перфорацией лент, водная фаза отбрасывается центробежной силой к периферии ротора, вытесняя органическую фазу от периферии к центру ротора. Водная и органическая фазы смешиваются в отверстиях ленты, а в каналах ме­жду лентами расслаиваются. Многократно повторяющиеся смешение и разделение жидкостей в роторе обеспечивают большое число ступе­ней экстракции и хорошее разделение фаз, так как они осуществля­ются в поле действия центробежных сил, в сотни раз превышающих силу тяжести. Экстракт и рафинат отводятся также через коллекто­ры 6: водная — с периферии ротора, а органическая — с центральной части ротора.

Лучше всего такие экстракторы работают с применением алкил- аминов, которые отличаются малым временем установления экстрак­ционного равновесия. Общее время контакта фаз — 15 с. Ротор вра­щается с частотой 1250 мин^-1. При габаритах 1220 х 1220 х 1220 мм он обеспечивает производительность по обеим фазам ~2 м^[1]/мин.

Применение экстракторов Подбильняка позволяет сократить сум­марный объем экстрагента в системе с 210 (при использовании смесителей-отстойников) до 10,5 м , т. е. в 20 раз. Нужно отметить, что дан­ная конструкция требует очень высокой точности изготовления. Особенно трудно обеспечить должное уплотнение в местах соприкос­новения неподвижного коллектора с вращающимся ротором, где обеспечивается подача в ротор и вывод из него водной и органиче­ской фаз.

Расчет и моделирование дифференциально-контактных аппаратов сложны, меры по организации потоков значительно усложняют кон­струкцию. В таких аппаратах довольно сложно определить состав эмульсии и, следовательно, время эффективного контакта фаз, что за­трудняет учет кинетических закономерностей при расчете экстракци­онного процесса.

Серьезным недостатком дифференциально-контактных экстрак­торов является нарушение равновесия даже при кратковременной ос­тановке или прекращении подачи хотя бы одного из растворов. При изменении потоков или их соотношения меняется удерживающая способность и соответственно положение поверхности раздела фаз в камере разделения, регулировка положения этой поверхности не все­гда может быть достигнута простыми средствами. Поэтому диффе­ренциально-контактные экстракторы успешнее применяются при не­изменности физических свойств растворов и их потоков.

Ступенчатые экстракторы состоят из отдельных ступеней, каждая из которых имеет зоны смешения и разделения. В зоне смешения осу­ществляются диспергирование и интенсивное перемешивание фаз, при лом происходит массопередача извлекаемого компонента из одной фазы в другую до концентрации, близкой к равновесной, после чего о эмульсия поступает в зону разделения той же ступени. Таким образом, в каждой ступени обе фазы движутся прямотоком. После раз­деления жидкости, не контактируя между собой, поступают в зону смешения соседних ступеней так, что в целом по каскаду фазы дви­жутся противотоком.

В каждой смесительной камере интенсивность перемешивания и время контакта фаз выбираются такими, чтобы обеспечить эффектив­ность массопередачи не менее 95 %.

Центробежные экстракторы могут быть одноступенчатыми, ко­гда каждая ступень смешения и разделения имеет свой привод, и многоступенчатыми, когда на одном валу размещаются несколько ступеней.

Рисунок 5 - Центробежный экстрактор Подбильняка:

1 — кожух; 2 — ротор; 3 — вал; 4 — подшипник; 5 — приемно-отводящее устрой­ство; 6 — коллекторы; 7 — станина; 8 — спираль из перфорированной ленты

Рисунок 6 – Схема одноступенчатого центробежного экстрактора SRL:

1 — патрубки ввода жидкостей; 2— смесительная ка­мера; 3 — отбойный диск; 4,9 — патрубки вывода раз­делительных фаз; 5 — переливной порог тяжелой фазы; 6 — сборник тяжелой фазы; 7 — опора двигателя; 8 — канал подачи воздуха для регулирования положения поверхности раздела фаз; 10 — гидрозатвор тяжелой фазы; 11 — сборник легкой фазы; 12 — переливной по­рог легкой фазы; 13 — ротор-сепаратор; 14 — аварий­ный перелив; 15 — турбинная мешалка

Рисунок 7 – Многоступенчатый центробежный экстракционный аппарат ЭЦ 125-71

Одноступенчатые центробежные экстракторы имеют ряд преиму­ществ перед многоступенчатыми:

— легко компонуются установки с любым числом ступеней, ввод и вывод растворов могут проводиться в любую ступень и из любой сту­пени установки;

— легко осуществляется управление установкой с любым числом ступеней, достаточно просто определяется неисправная ступень;

— в каждой ступени может устанавливаться требуемое положение поверхности раздела фаз, что особенно важно, когда соотношение плотностей фаз меняется от ступени к ступени;

—при остановках каскада из одноступенчатых центробежных экс­тракторов растворы остаются в ступенях, фронт концентраций по каскаду не нарушается и последующий пуск с выходом на станционарный режим происходит очень быстро;

— конструкция проще конструкции многоступенчатого экстрак­тора и, что особенно важно, проще демонтаж, ремонт и замена неис­правной ступени;

—могут быть разработаны на более высокую производительность, чем многоступенчатые.

Схема одноступенчатого центробежного экстрактора конструкции Саванна-Риверской лаборатории (SRL) приведена на рис. 6.

Одноступенчатые центробежные экстракторы объединяются в противоточный каскад, на рис. 7. изображен многоступенчатый центробежный экстракционный аппарат ЭЦ 125-71, созданный по этому принципу.

Заключение

В технологии производства урана метод экстракционного передела раство­ров и пульп приобретает все большее значение. Основан он на свойстве неко­торых органических растворителей, не смешивающихся с водой (спирты, про­стые и сложные эфиры, кетоны, альдегиды, фосфороорганические кислород­содержащие соединения, амины), селективно образовывать с солями урана и уранила комплексы, растворимые в избытке растворителя. При контактиро­вании водных и органических растворов уран распределяется между водной и органической фазами в зависимости от целого ряда условий процесса экстрак­ции; причем эти условия всегда можно подобрать таким образом, чтобы коли­чественно извлечь уран, оставив примеси в водной фазе. В результате экстрак­ционного передела твердая фаза, как правило, не образуется.

Кроме этих основных достоинств экстракционного передела перед осадительным, можно отметить и еще целый ряд обстоятельств, обусловивших вытеснение осадительных схем экстракционным. Осаждение и кристаллизация осадка — длительный процесс, в то время как экстракционное равновесие устанавливается в течение нескольких минут или десятков минут. В связи с наличием при экстракции лишь жидких фаз (экстрагируемые пульпы также обладают хорошей текучестью) значительно упрощается технологическое обо­рудование и его обслуживание. При экстракционном переделе пульп и рас­творов возможна полная автоматизация процесса.

Экстракционный передел обладает рядом преимуществ и по сравнению с сорбционным процессом извлечения урана из рудных растворов и пульп. Применяемые в настоящее время экстрагенты обладают большей емкостью по урану, чем твердые сорбенты; кроме того, время полной рециркуляции экстрагента во много раз меньше времени рециркуляции сорбента. В связи с обоими этими обстоятельствами для переработки одного и того же количества урана экстрагента требуется меньше, чем сорбента. Далее, экстрагенты в боль­шинстве своем более дешевы, чем сорбенты, что также в существенной степени улучшает экономику урановорудного производства.

Наконец, аппаратурное оформление экстракционного передела всегда проще и компактнее аппаратурного оформления сорбционного процесса. Естественно, что и экстракционный передел не свободен от недостатков. Значительная растворимость экстрагента в водной фазе, обусловливающая его большие потери, образование иногда труднорасслаивающихся эмульсий, затрудняющих разделение фаз, может резко снизить эффективность экстрак­ции. Однако уже имеющиеся методы дают возможность с успехом преодолеть эти трудности.

Литература

1 Зеликман, А. Н. Теория гидрометаллургических процессов : учебник для вузов по специальностям "Металлургия цветных металлов" и "Химическая технология редких и рассеянных элементов" / А. Н. Зеликман, Г. М. Вольдман, Л. В. Беляевская . – 2-е изд., перераб. и доп . – М. : Металлургия, 1983 . – 424 с.

2 Н.С. Тураев, И.И. Жерин. Т86 Химия и технология урана: Учебное пособие для вузов/Н.С. Тураев, И.И. Жерин. – М. ЦНИИАТОМИНФОРМ, 2005,

407с.: ил.

3 Громов Б. В. Введение в химическую технологию урана. — М.: Атомиздат, 1978.