Многоступенчатые лабораторные экстракционные установки для разделения редкоземельных элементов (Г.В. Корпусов, Ю.С. Крылов, Е.П. Жиров) [1963 -

За последние два десятилетия при помощи экстракционных методов удалось решить сложнейшие проблемы разделения близких по свойствам органических и неорганических веществ. При этом успех применения экстракционных методов зачастую определялся не химизмом процесса, а надежностью работы экстракционных аппаратов. При разделении рзэ, как правило, требуются экстракторы двух типов: про- тивоточные и полупротивоточные.

Каждый из указанных типов аппаратов обеспечивает проведение соответствующих типов процессов.

Противоточные экстракционные установки

Противоточный процесс при разделении рзэ - основной; его применяют для разделения больших количеств элементов цериевой подгруппы. В лабораторных условиях противоточная экстракция может осуществляться двумя методами: моделированием процесса в делительных воронках или на лабораторных экстракционных установках. В первом случае процесс проводят периодически; он чрезвычайно трудоемок [1], в силу чего может быть использован только для моделирования процессов с небольшим числом ступеней. В некоторых случаях для разделения полезно применять аппараты Крэйга [2]. Однако удобнее пользоваться непрерывно действующими лабораторными противоточными установками, которые позволяют проводить разделение в условиях, наиболее близких к практике.

Нами были применены различные типы экстракторов, пригодные для работы как в лабораторных условиях, так и для проведения укрупненных опытов.

При выборе конструкции экстракторов не были применены экстракционные колонны. Последние имеют недостатки, особенно нетерпимые при лабораторной проверке технологических процессов, когда необходимо иметь строго постоянное число теоретических ступеней разделения и опыты могут продолжаться в течение нескольких суток. Кроме того, создание многоступенчатых экстракционных колонн само по себе представляет проблему. Все применяемые нами экстракторы спроектированы по типу смесителя-отстойника. Наиболее полно различные конструкции лабораторных смесителей-отстойников, использующихся для радиохимических исследований, описаны Дженреком [3].

При лабораторных работах авторы не применяли саморегулирующихся экстракторов типа "Коплан" и различные его разновидности, полагая, что значительно большие возможности появляются при работе с экстракторами, в которых предусмотрена регулировка положения границы раздела фаз.

В настоящей работе описано три типа противоточных экстракционных ячеек. При проектировании экстракторов мы исходили из следующих требований:

Противоточный стеклянный экстрактор с воздушным перемешиванием

Описанная ниже экстракционная установка с воздушным перемешиванием предназначена для работы с органическими растворителями, и аэролифта в экстракционных аппаратах не ново. В последнее время в литературе было описано несколько подобных конструкций микроэкстракторов [4, 5]. На рис. 1 показана одна из ранних моделей экстракторов Эдвардса, созданная в 1951 г. В дальнейшем он был несколько усовершенствован (рис. 2).

Рис. 1. Противоточный микроэкстрактор Эдвардса с воздушным перемешиванием на три ступени [3]. 1 - выход растворителя; 2 - ввод водной фазы; 3 - сдувка; 4 - ввод растворителя; 5 - выход водной фазы

В указанных ячейках с воздушным перемешиванием и аэролифтом для подсоса фаз зона отстоя выполнена в виде вертикальной трубки, которая одновременно является и сепаратором. Сила тяжелой фазы регулируется.

Рис. 2. Усовершенствованный экстрактор Эдвардса [3]. 1 - сдувка; 2 - ввод растворителя; 3 - выход растворителя; 4 - ввод водной фазы; 5 - выход водной фазы

Рис. 3. Противоточная экстракционная ячейка с воздушным перемешиванием и аэролифтом для подсоса фаз

Применяемая нами экстракционная ячейка с воздушным перемешиванием и аэролифтом имеет следующие особенности:

На рис. 3 и 4 показаны конструкция ячейки и схема монтажа аппарата.

Эти ячейки работают следующим образом. Легкая и тяжелая фазы поступают в смесительную камеру по соответствующим трубкам с воронками. В смесительную камеру одновременно подается воздух по полиэтиленовой трубке, опущенной в ячейку через горловину. Воздух перемешивает фазы; образовавшаяся эмульсия выбрасывается в расширение и по кольцевому зазору между трубками стекает в отстойник. Воздух сбрасывается, а расслоившиеся фазы поступают в сепаратор. Из сепаратора легкая фаза сливается через верхний патрубок в следующую ячейку. Тяжелая фаза с донной части сепаратора поднимается по трубке и вытекает в следующую ячейку через патрубок. В трубку, имеющую в верхней части [расширение, вводят полиэтиленовую трубку с прорезью, которая при вертикальном перемещении позволяет регулировать положение слива тяжелой фазы и тем самым положение границы раздела фаз в отстойной части ячейки.

Описанную конструкцию экстракционной ячейки успешно применяли в многоступенчатых экстракционных установках для разделения рзэ [6].

Рис. 4. Схема крепления противоточных ячеек

При использовании больших установок с 30-40 ячейками и более на вводе воздуха в ячейки следует использовать сопротивление, превышающее сопротивление самой ячейки в 3-4 раза. В работе были использованы подобные ячейки с разной производительностью - от 50- 100 мл/час до 20 л/час по сумме потоков. Эффективность подобных ячеек составляла в среднем 0,9-0,95.

Противоточная лабораторная экстракционная установка с винтовыми мешалками

Применение винтовых мешалок в противоточных экстракционных установках позволяет значительно сократить их габаритные размеры.

Рис. 5. Разрез противоточной ячейки с механическим перемешиванием. 1 - отстойная часть ячейки; 2 - мешалка; 3,4 - место ввода фаз; 5 - канал ввода фаз; 6 -камера смешения; 7 - вывод тяжелой фазы; 8- регулировочная трубка; 9 - верхний перелив

что особенно важно для лабораторных экстракторов. Впервые подобный микроэкстрактор с рабочим объемом одной ячейки 8 мл был предложен Хольтом в 1957 г. [7]. Описываемая ниже лабораторная экстракционная установка выполнена в виде отдельных стандартных полиэтиленовых блоков. Каждый блок содержит 10 ячеек. Отдельные блоки собирают в общую установку при помощи специальных конусных полиэтиленовых трубок. Общее число ячеек, размещаемых на одном приводе, равно 40. Каждая ячейка построена на принципе смесителя-отстойника. Перемешивание осуществляют посредством однозаходной винтовой мешалки (наружный диаметр 15, внутренний - 8 мм, шаг 5 мм). Винтовые мешалки предназначены одновременно для перемешивания и подсоса фаз. Все 40 мешалок вращаются от общего привода, собранного в горизонтальной коробке. Передача вращения от горизонтальных валиков к расположенным вертикально сорока шпинделям осуществляется при помощи цилиндрических косозубых шестерен с углом наклона 45°. Разрез одной экстракционной ячейки показан схематически на рис. 5. Легкая и тяжелая фазы по соответствующим отверстиям 3 и 4 засасываются мешалкой 2 по каналу 5 в камеру смешения 6. Образовавшаяся эмульсия через перелив попадает в отстойную часть ячейки 1, где и происходит расслаивание. Легкая фаза Рис. 7. Винтовые мешалки, через верхний перелив 9 поступает в последующую ячейку, а тяжелая фаза через нижнее отверстие 7 и регулировочную трубку 8 -в предыдущую ячейку. Регулировочная трубка предназначена для изменения положения границы раздела фаз. Все камеры смешения и соответственно шпинделя мешалок расположены в шахматном порядке.

Рис. 6. Вид сверху одного полиэтиленового блока противоточных ячеек

Рис. 7. Винтовые мешалки

Рис. 8. Перепад уровней фаз в зависимости от числа оборотов винтовых мешалок. Диаметр мешалок: 1 - 20 мм; 2 - 15 мм; 3 - 10 мм

Рис. 9. Производительность винтовых мешалок в зависимости от числа оборотов при нулевом перепаде уровней. Диаметр мешалок: 1 - 20 мм; 2 - 15 мм; 3 - 10 мм

На рис. 6 показан вид сверху одного из блоков описываемой установки.

Рассматриваемый противоточный экстрактор при рабочем объеме ячейки 60 мл рассчитан на максимальную производительность до 1 л/час при работе с концентрированными растворами. При использовании вязких растворов указанные ячейки лучше изготовлять из органического стекла, чтобы можно было следить за положением границы раздела фаз. Предельная пропускная способность мешалок значительно превосходит производительность ячейки. Так, например, пропускная способность при 1500 об/мин и перепаде уровней фаз 30-40 мм составляет 10-15 л/час. Максимальный перепад уровней при нулевой подаче раствора при заданном числе оборотов составляет 60 мм.

При выборе режима работы были проверены три образца мешалок с диаметрами 10, 15 и 20 мм.

На рис. 8 и 9 приведены величины перепадов и производительностей винтовых мешалок в зависимости от числа оборотов. Эффективность описанного выше экстрактора составляла примерно 0,95-0,98 одной теоретической ступени.

Ящичный противоточный экстрактор типа смеситель-отстойник

Для проведения укрупненных лабораторных опытов нами были применены экстракционные установки ящичного типа, изготовленные из. органического стекла или нержавеющей стали. Так же, как и в описанных выше конструкциях экстракторов, в данном аппарате предусмотрен подсос фаз и регулируемый слив тяжелой фазы. Из описанных в литературе экстракторов ящичного типа с регулируемым положением границы раздела фаз наибольший интерес представляет экстрактор Лестера Кнаппа и сотрудников [8], изготовленный для разделения редкоземельных и редких металлов. В работе были испытаны два экстрактора: на 16 ступеней для разделения ниобия и тантала и на 54 ступени - для разделения рзэ

Описанный в настоящем разделе экстрактор отличается от известных типов аппаратов только системой переноса растворов. Конструкция экстрактора и общий вид показаны соответственно на рис. 10 и 11. Как видно, экстрактор выполнен в виде ящика с поперечными перегородками, разделяющими аппарат на отдельные ячейки. Каждая ячейка делится на две камеры: камеру смешения и камеру отстоя. Растворы перемешивают турбинными мешалками, которые одновременно перемешивают и подсос фаз из смежных ячеек. Все мешалки расположены в шахматном порядке. В том случае, когда нами применялись многоступенчатые установки, они собирались из отдельных блоков по десять ячеек в каждом.

Для максимального упрощения конструкции аппарата перенос растворов между ступенями осуществляется либо через боковые стенки экстрактора, либо через специальную оставную деталь (см. рис. 10),

Подобные экстракторы работали, как правило, безотказно в течение длительного времени.

Привод к мешалкам экстрактора монтируется независимо на крышке аппарата. Конструкция экстрактора предельно проста и в случае широкого регулирования режима работы может быть использована при изучении разнообразных технологически процессов разделения редких металлов.

Рис. 10. Схема противоточного ящичного экстрактора с турбинными мешалками. Т.ф. - тяжелая фаза; Л.ф. - легкая фаза

Рис. 11. Общий вид противоточного ящичного экстрактора с приводом

Лабораторные полупротивоточные экстракционные установки для неподвижной тяжелой фазы

При разделении многокомпонентных смесей, а также рзэ часто применяют полупротивоточные методы. Такие методы в принципе не отличаются от аналогичных методов разделения, применяемых в хроматографических процессах.

Полупротивоточный экстрактор состоит из отдельных ячеек, в каждой из которых одна фаза неподвижна, а другая - последовательно проходит по всем ячейкам, разделяя смесь компонентов. Если в указанной системе одну первую или несколько первых ячеек заполнить смесью компонентов, а во все остальные ячейки налить соответствующий промывной раствор и пропустить органический растворитель последовательно через все п ячеек, начиная с первой, то эта смесь будет разделяться. При этом в головных фракциях будут концентрироваться компоненты с большими величинами коэффициентов распределения.

При достаточном числе ступеней можно достигнуть полного разделения всех компонентов смеси. В настоящее время для моделирования подобного экстракционного метода разделения чаще всего применяют аппараты периодического действия типа Крэйга. Этот экстрактор полностью воспроизводит процесс разделения на делительных воронках.

Однако производительность таких аппаратов низкая; они не могут воспроизвести реального экстракционного разделения смесей в динамических условиях. Кроме того, в ячейках Крэйга трудно поддерживать малую величину отношения объемов подвижной фазы к неподвижной, что является основой эффективного разделения веществ полупротивоточным методом. Рассматриваемые ниже две конструкции лабораторных экстракционных полупротивоточных установок лишены указанных недостатков.

Конструкции ячеек обеспечивают непрерывное протекание органического растворителя при минимальном соотношении объемов фаз.

Полупротивоточная лабораторная экстракционная ячейка с воздушным перемешиванием для неподвижной тяжелой фазы

Конструкция стеклянной ячейки с воздушным перемешиванием для полупротивоточного разделения была создана на базе применяемой нами ранее (в 1954-1955 г.) ячейки с механическим перемешиванием. Главная особенность такой конструкции - в выносной камере отстоя, через которую непрерывным потоком циркулировала эмульсия [9]. Описываемый ниже экстрактор, изготовленный из полиэтиленовых блоков, основан на тех же принципах. Конструкция ячейки с воздушным перемешиванием схематично изображена на рис. 12. Ячейка состоит из смесительной части У, отстойника 2, трубки с воронкой для подачи легкой фазы 3 и полиэтиленовой или стеклянной трубки 4 для ввода воздуха. Ячейки заполняют определенным количеством тяжелой фазы, содержащей разделяемую смесь. Затем по трубке 4 из общего коллектора в ячейку подают воздух, который, поднимаясь вверх по центральной трубке 5 и смесительной части ячейки, перемешивает раствор и одновременно (аэролифт) подсасывает в ячейку органический растворитель. В верхней части экстрактора воздух освобождается от раствора и сбрасывается по трубке 6 в общий сдувочный коллектор. Эмульсия, состоящая из смеси тяжелой и легкой фаз, принудительно циркулирует через отстойную часть ячейки. Циркуляцию осуществляют при помощи аэролифта по трубке 7, причем чем ниже опущена циркуляционная трубка 7, тем выше скорость циркуляции эмульсии. Создание подобного циркуляционного контура позволяет устранить застой тяжелой фазы в ячейке. Расслоившуюся часть легкой фазы поднимают вверх и сливают через патрубок в следующую ячейку. Подобная ячейка при соотношении объемов фаз в эмульсии ¹/₈-¹/₁₀ обеспечивает производительность от трех до десяти рабочих объемов ячейки (в зависимости от применяемой системы и ее свойств). Расход воздуха определяется рабочим объемом ячейки (в среднем равен 50-100 рабочим объемам ячейки в час). Из подобных ячеек может быть составлен любой каскад. Все ячейки располагают горизонтально с минимальным шагом. Так, например, на рис. 13-15 показаны соответственно фотографии микроячейки с воздушным перемешиванием и две полупротивоточные установки. Последняя установка собрана из ячеек с рабочим объемом 1 л, а первая - из ячеек с рабочим объемом 30 мл. Описанный экстрактор был применен при работе с органическими растворителями, имеющими малую величину давления паров.

Рис. 12. Схематический разрез полупротивоточной ячейки с воздушным перемешиванием. 1 - смесительная часть; 2 - отстойник; 3 - подача легкой фазы; 4 - ввод воздуха; 5 -трубка; 6 - сброс воздуха; 7 - циркуляционная трубка

Рис. 13. Полупровоточная микроячейка с воздушным перемешиванием

Рис. 14. Блок полупротивоточных ячеек (25 штук)

Рис. 15. Полупротивоточная экстракционная установка на 50 ячеек

Полупротивоточная экстракционная установка с механическим перемешиванием для неподвижной тяжелой фазы

Полупротивоточная экстракционная установка выполнена в виде отдельных блоков из полиэтилена, каждый из которых содержит по десять ячеек. Растворы в ячейке перемешиваются лопастными мешалками.

Мешалки вращаются от общего привода. На рис. 16 схематично показана конструкция одной полупротивоточной ячейки. Легкая фаза из предыдущей ячейки по пазу 8 и небольшой полиэтиленовой трубке поступает в камеру смешения 5, закрытую полиэтиленовой пробкой 2, где она перемешивается с тяжелой фазой и в виде эмульсии забрасывается в камеру отстоя 6 с пробкой 4. Расслоившаяся легкая фаза через отверстие 7 поступает в следующую ячейку, а тяжелая и остатки легкой фаз возвращаются обратно в камеру смешения 5 по каналу 1. Для того, чтобы в ячейках не было перепада верхнего уровня растворов, легкую фазу специальной трубкой подводят непосредственно к валику мешалки 3, возле которой в процессе перемешивания образуется воронка. Подобным образом избегают необходимости подсасывания легкой фазы при горизонтальном расположении ячеек. Мешалки экстрактора вращаются со скоростью 800 об/мин. Эффективность каждой ячейки при выбранном режиме работы составляла примерно 0,95. На рис. 17 и 18 показаны один блок таких ячеек и четыре подобных блока, собранных в общей раме.

Рис. 16. Схематический разрез полупротивоточной ячейки

Рис. 17. Блок полупротивоточных ячеек

Рис. 18. Полупротивоточная экстракционная установка на 40 ячеек

В настоящем сообщении было дано лишь общее описание двух серий лабораторных экстракторов, применяемых нами в разное время для изучения экстракционного процесса разделения рзэ. Более подробные сообщения, касающиеся конструкций описанных типов аппаратов, а также некоторых других, будут опубликованы отдельно.

Многоступенчатые лабораторные экстракционные установки для разделения редкоземельных элементов (Г.В. Корпусов, Ю.С. Крылов, Е.П. Жиров)