1. Estrazione liquida

1.1 Panoramica

L'estrazione liquida, nota anche come estrazione solvente, è il processo di aggiunta di un liquido parzialmente miscibile come solvente a una miscela liquida, creando una seconda fase, e utilizzando le diverse relazioni di distribuzione di alcuni componenti nel liquido originale tra le due fasi per separare i principi attivi. Questo è un processo di trasferimento di massa tra liquido e liquido.

L'estrazione liquida liquida ha le caratteristiche di alta capacità di elaborazione, buon effetto di separazione, alto tasso di recupero, funzionamento continuo e controllo automatico facile. È stato ampiamente usato in settori quali petrolchimici, idrometallurgia, industria dell'energia atomica, biochimica, protezione ambientale, industria alimentare e farmaceutica. Allo stato attuale, lo sviluppo della tecnologia di estrazione si basa ancora sulla ricerca di laboratorio, esplorando le condizioni di processo dalla scala pilota, per poi scalare fino agli impianti industriali. Esistono già aziende professionali all'estero che producono attrezzature di estrazione e forniscono piccoli dispositivi sperimentali per la sperimentazione, fornendo parametri progettuali per esperimenti e offrendo agli utenti un set completo di servizi tecnici. Finora, non c'è impresa professionale in Cina che produce attrezzature di estrazione e attrezzature di estrazione ancora si basa su progetti speciali da istituti di ricerca professionali da applicare a sistemi specifici.

1.2 Scenari applicativi di estrazione

La differenza tra distillazione ed estrazione: la distillazione utilizza le diverse volatilità di ogni componente in una miscela per ottenere la separazione; Estrazione: È l'uso della differenza di solubilità di un componente in solventi diversi per ottenere la separazione.

L'estrazione liquida viene utilizzata principalmente nelle seguenti situazioni:

A. I punti di ebollizione di ogni componente nella soluzione sono molto vicini, cioè la volatilità relativa di ogni componente è vicina a 1, rendendo il metodo di distillazione molto poco economico;

B. La soluzione contiene una grande quantità di sostanze a basso punto di ebollizione, o componenti a basso punto di ebollizione hanno un alto calore latente di vaporizzazione, che richiede una quantità significativa di energia termica da consumare quando recuperato per distillazione;

C. Alcuni componenti nella soluzione formano azeotropi, che sono difficili da separare con metodi di distillazione;

D. I componenti da recuperare dalla soluzione sono sostanze termosensibili soggette a decomposizione, polimerizzazione o altri cambiamenti chimici durante la distillazione;

E. Estrazione di sostanze preziose da soluzioni diluite, come l'uranio nella soluzione di estrazione e l'efedrina nella soluzione bollente di efedra;

F. Separare metalli estremamente difficili da separare, come zirconio e hafnio, tantalio e niobio, ecc.

1.3 Principali fattori che influenzano l'estrazione

A. Selezione dei solventi;

La scelta dei solventi considera generalmente i seguenti fattori:

(1). Selettività solvente: caratterizza la capacità di separazione dei solventi, simile alla volatilità relativa nella distillazione. Il coefficiente di selettività è uguale a 1 e non vi è alcun effetto di separazione. Il coefficiente di selettività deve essere superiore a 1.

(2). Coefficiente di distribuzione: Il coefficiente di distribuzione è correlato alla concentrazione e alla temperatura del soluto.

(3). Capacità di estrazione: La capacità di estrazione dovrebbe essere grande per ridurre la circolazione dei solventi.

(4). Solubilità del solvente: La solubilità del solvente deve essere bassa per ridurre la perdita di solvente.

(5). Le proprietà fisiche dei solventi sono principalmente densità e tensione interfacciale. Sono necessarie adeguate differenze di densità e tensione interfacciale.

B. Selezione delle attrezzature di estrazione

Il processo di estrazione è in realtà un processo di equilibrio di fase.

(1). Disporre una fase in un'altra fase per formare una grande area interfacciale;

(2). Quando le gocce di fase disperse entrano in contatto con la fase continua, si verifica il trasferimento di massa e il processo di trasferimento di massa procede ad un livello di equilibrio vicino;

(3) Condensazione delle gocce di fase dispersa.

Il processo di "riscoperta della coalescenza di dispersione" delle gocce durante il processo di estrazione porta ad un ciclo continuo di "coalescenza di trasferimento di massa di dispersione" e "coalescenza di trasferimento di massa di riscoperta". Il processo del meccanismo di trasferimento di massa ha un impatto significativo sulle prestazioni delle apparecchiature di estrazione.

2. Selezione delle attrezzature di estrazione

Per un processo di estrazione liquido-liquido, la selezione di attrezzature di trasferimento di massa appropriate è un compito importante ma anche difficile. Vari dispositivi di trasferimento di massa hanno caratteristiche diverse e l'influenza di vari fattori nel processo di estrazione e nel sistema di estrazione è anche complessa e complessa.

La selezione delle apparecchiature dovrebbe tener conto della natura e delle caratteristiche progettuali del sistema:

(1). Livelli teorici richiesti per il sistema:

Per soddisfare determinati requisiti di separazione, l'apparecchiatura di estrazione deve avere il numero teorico richiesto di fasi. Il numero teorico richiesto di stadi è relativamente piccolo, come 2-3 stadi. Generalmente, è possibile selezionare attrezzature senza agitazione meccanica, come torri imballate, torri di setaccio, ecc.

Sono necessari un gran numero di fasi teoriche, come 5 o più, e devono essere selezionati impianti di estrazione con energia esterna, come torri giradischi e torri di vibrazione. Quando sono necessarie più fasi teoriche, come i processi di estrazione delle terre rare che spesso richiedono decine o addirittura centinaia di fasi, un chiarificatore di miscelazione è generalmente l'unica opzione.

(2). Capacità di lavorazione:

La capacità di lavorazione delle apparecchiature è spesso determinata dai compiti di produzione. La capacità di elaborazione richiesta è grande e la torre rotante della tavola, la torre del piatto del setaccio e la torre di Kuhni possono essere selezionati; La piccola capacità di elaborazione, la torre imballata, la torre del vassoio del setaccio di impulso, la torre imballata di impulso, ecc. può essere selezionata.

(3). Tempo di permanenza:

Nelle operazioni di estrazione, se il sistema ha esigenze di tempo di permanenza, come nella produzione di antibiotici, l'estrazione del brodo di fermentazione richiede spesso un tempo di permanenza più breve nell'apparecchiatura di estrazione, in questo caso è possibile utilizzare un estrattore centrifugo. Se il sistema è accompagnato da reazioni chimiche lente e è necessario un tempo di permanenza sufficiente, è opportuno utilizzare anche un chiarificatore di miscelazione.

(4). confronto:

Si riferisce al rapporto di flusso tra la fase dispersa e la fase continua. Per le apparecchiature di estrazione a torre, al fine di generare un'area di contatto più ampia, la fase con una portata più elevata è solitamente utilizzata come fase dispersa. Rispetto ad essere troppo grandi, le torri non agitate non sono adatte per la selezione, e dovrebbero essere utilizzate invece torri agitate. Il chiarificatore di miscelazione non è sostanzialmente influenzato dalle dimensioni relative.

(5). Proprietà fisiche del sistema:

Le proprietà fisiche del sistema sono strettamente correlate alla selezione delle attrezzature di estrazione. Se c'è una grande differenza di densità tra le due fasi, è possibile utilizzare un estrattore a torre; Al contrario, dovrebbe essere selezionato un estrattore centrifugo; Se la tensione dell'interfaccia e la viscosità del sistema sono elevate, si dovrebbe considerare l'attrezzatura di estrazione con energia esterna per garantire una più ampia area di contatto; Se la tensione interfacciale è bassa, è possibile selezionare una torre imballata. Se il sistema è corrosivo, una torre imballata dovrebbe essere considerata prioritaria.

(6). Costi di attrezzature, funzionamento e manutenzione:

Nella scelta dell'attrezzatura di estrazione, oltre a considerare i costi di produzione dell'attrezzatura, dovrebbero essere presi in considerazione anche i costi di esercizio e manutenzione dell'attrezzatura. Compresa la capacità di stoccaggio dei materiali all'interno dell'apparecchiatura, in particolare la capacità di stoccaggio dei solventi, il costo del recupero dei solventi e la perdita di solventi.

(7). Sito di installazione dell'attrezzatura:

Il sito di installazione dell'apparecchiatura dovrebbe essere determinato in base alla situazione reale e l'attrezzatura della torre dovrebbe essere selezionata se l'area del sito è limitata; Se l'altezza della sede è limitata, può essere considerato un chiarificatore misto.

3. Torre di estrazione di agitazione della turbina

La torre di estrazione di agitazione della turbina è un'attrezzatura meccanica di estrazione del tipo di agitazione dotata di piastre porose. La torre K ühni è una tipica torre di estrazione di turbine ed è attualmente un tipo di torre di estrazione di turbine di successo. La torre è stata proposta dalla società svizzera K ühni negli anni '60 ed è stata ampiamente utilizzata in applicazioni industriali in Europa negli anni '70 e '80.

Struttura della torre della turbina

Componenti principali della camera di miscelazione:

A. Miscelatore a turbina installato sull'albero centrale.

B. Una piastra di orifizio fissa utilizzata per separare verticalmente ogni compartimento.

Il miscelatore turbina è una girante a flusso radiale a doppio ingresso che genera il caratteristico modello di flusso del vano torre di estrazione turbina.

Vantaggi della torre di estrazione di agitazione della turbina:

A. Efficienza di alto livello;

B. Rispetto ai grandi;

C. Struttura semplice;

D. Facile da usare;

E. Grande capacità di lavorazione;

F. Forte adattabilità.

La torre di estrazione a turbina è un'attrezzatura importante nell'estrazione liquido-liquido, che può essere utilizzata in situazioni con elevati requisiti di separazione. Si caratterizza in particolare per la sua struttura semplice, il funzionamento conveniente, la grande capacità di lavorazione e la forte adattabilità, ed ha quindi ricevuto un'attenzione diffusa. La torre di estrazione agitata della turbina è stata ampiamente utilizzata nell'industria di estrazione. Ci sono già oltre 3000 torri di estrazione agitate a turbina nel mondo utilizzate per la ricerca di laboratorio, lo sviluppo di processi e la produzione industriale, che vanno di diametro da piccole torri sperimentali di 6cm a torri industriali di 5,4m.

Le applicazioni industriali delle torri di estrazione delle turbine includono:

Utilizzato nell'industria petrolchimica per l'estrazione aromatica di idrocarburi e l'estrazione di olio lubrificante da frazioni di petrolio greggio;

Utilizzato nelle industrie farmaceutiche e chimiche per l'estrazione di vitamine, glicosidi, alcaloidi e altri composti organici da soluzioni acquose;

estrarre acido acetico dalla soluzione acquosa; Riciclo e purificazione di solventi quali N, N-dimetilformamide, piridina, dimetilsolfossido, diclorobenzene, ecc;

Estrazione di composti di vaniglia e acido citrico dallo sciroppo;

L'industria idrometallurgica è utilizzata per recuperare lo zinco dal nichel e dal cobalto e l'uranio dal percolato e dalla soluzione di acido fosforico grezzo;

L'industria del trattamento delle acque reflue di ingegneria ambientale è utilizzata per estrarre e rimuovere i composti organici come fenoli e nitrobenzene dalle acque reflue e per rimuovere lo zinco dalle acque reflue di produzione di fibre chimiche.

4. Attuazione dei risultati della ricerca

La Scuola di Ingegneria Chimica dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina Orientale è impegnata nella ricerca sui processi e sulle attrezzature di estrazione per lungo tempo. Ha studiato varie attrezzature di estrazione come torre di estrazione imballata, torre della tavola rotante, torre della tavola rotante migliorata, torre della tavola rotante eccentrica, torre verticale di chiarificazione della miscelazione e torre di estrazione di agitazione della turbina, e ha ottenuto molti risultati. Attualmente, più torri di estrazione con diametri diversi sono state applicate nelle industrie petrolchimiche, chimiche fini e farmaceutiche in Cina.

Torre di estrazione del laboratorio: Ø 75mm-300mm Capacità di elaborazione: 10kg/h-200kg/h

Scala di progettazione della torre di estrazione industriale:

Capacità di elaborazione di 500mm-1.8m: 500kg/h-16000kg/h

Allo stato attuale, lo sviluppo della tecnologia di estrazione si basa ancora sulla ricerca di laboratorio, esplorando le condizioni di processo dalla scala pilota, per poi scalare fino agli impianti industriali. A causa dell'ampia gamma di campi coinvolti nei sistemi di estrazione, attualmente non esiste un metodo di progettazione completo che non si basi su dati sperimentali per scalare. Con l'applicazione continua di questa torre di estrazione agitata a turbina ad alta efficienza, abbiamo condotto ricerche approfondite e gradualmente approfondite sulla torre. Ciò include lo studio della struttura geometrica della torre, del flusso di fluido all'interno della torre e delle caratteristiche di trasferimento di massa. Attraverso la ricerca, ho acquisito una comprensione di base dei metodi di progettazione delle torri di estrazione agitate a turbina e dei parametri dimensionali geometrici dei componenti interni. È stato stabilito un modello matematico universale per il trasferimento di massa e il backmixing, che fornisce dati sperimentali affidabili e modelli matematici per la progettazione di apparecchiature industriali.