СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ДВУХ ЖИДКИХ ПОТОКОВ Российский патент 2001 года по МПК B01D11/04 C22B3/02 

Изобретение касается способа разделения двух жидких потоков растворов в экстракции жидкость - жидкость в пространстве, при котором обеспечивается прохождение двух взаимно смешанных растворов и одновременное разделение на два слоя благодаря действию силы тяжести. Настоящее изобретение также касается устройства для реализации данного способа, где глубина и структуры направляющих потоков в устройстве-отстойнике разработаны таким образом, что скорость течения органического раствора может быть отрегулирована так, чтобы она превышала скорость течения водного раствора, но фазы могут быть разделены на чистые составляющие, без уноса другого раствора, достигающего уровня, создающего помехи.

При помощи способа и устройства настоящего изобретения обеспечивается прохождение взаимно разделяемых растворов при равной скорости как в поперечном, так и в вертикальном направлениях в условиях, необходимых для сепарации, где основным требованием является необходимость создания пробкового режима течения потоков растворов от передней стороны сепарационного резервуара до его задней стороны. Другой задачей настоящего изобретения является ускорение сепарации растворов и улучшение окончательной степени сепарации, то есть уменьшение уноса обоих растворов в другом растворе. Для способа и устройства настоящего изобретения типичным является то, что они препятствуют течению растворов непосредственно в прямом направлении за счет того, что на передней стороне сепарационного резервуара образуется несколько участков узких потоков с измененными направлениями. Способ и устройство, соответствующие настоящему изобретению, особенно хорошо подходят для очень больших установок экстракции меди.

При экстракции меди, где используемым экстракционным раствором, например, является гидроксиоксим, растворенный в керосине, получено, что скорость линейного течения органического раствора не должна превышать 45-60 мм/с. В других случаях происходит увеличение объема уноса, то есть количество маленьких капель воды, остающихся в экстракционном растворе, до степени, создающей помехи, даже до порядка 1000 миллионных долей, когда применяется обычный способ сепарации в простом отстойнике. Линейная скорость может быть уменьшена только в ограниченных пределах путем увеличения объема слоя органического раствора, так как при увеличении объема слоя соответственно требуется больше дорогостоящего органического реагента. Данная проблема в общем решается тем, что используется слой органического растворителя толщиной 250-350 мм, а линейная скорость экстракционного раствора уменьшается за счет увеличения ширины поля течения разделяемых растворов. В данном случае ширина используемого отстойника может быть такой же, как и его длина, и даже больше. Когда полный объем потока раствора равен приблизительно 2000 м³/ч, ширина отстойника равна 25 м, а его площадь 600-800 м².

Финская патентная заявка 935393 раскрывает способ и устройство, при которых элементы перекачивания и смешения в экстракционных установках могут быть усовершенствованы так, что прежний максимальный поток может быть увеличен по существу в 2,5 раза. В дополнение к перекачиванию и смешению указанные способ и устройство также касаются проведения потока дисперсии из смесителя в отстойник, формы регулирующей заслонки и ограждения из планок, расположенного на передней стороне отстойника, а также сепарации органического раствора на задней стороне отстойника.

В соответствии с преобладающими представлениями разница линейных скоростей между экстракционным раствором и водным раствором должна быть небольшой для того, чтобы избежать повторного смешения растворов в результате возникновения турбулентности на поверхности раздела и увеличения в результате уровней уноса. В качестве решения этой проблемы используются низкие сепарационные резервуары, где слой водного раствора по существу не толще слоя экстракционного раствора. Например, при традиционной экстракции меди используемая толщина водного раствора равна 400-450 мм, а толщина слоя соответствующего экстракционного раствора равна 250-350 мм, так что coотношение толщин слоев экстракционного и водного раствора, особенно на стороне выпуска отстойника, равно 1:1,5, самое большее 1:1,7. Когда экстракция меди проводится так, что в смесителе coотношение объемных потоков подачи раствора равно 1:1, это приводит к тому, что линейная скорость экстракционного раствора устанавливается на уровне, который выше линейной скорости раствора на 40-80%, в основном на 50-70%.

Задачей настоящего изобретения является устранение некоторых недостатков, которые остаются, в частности, в больших экстракционных установках, независимо от модификаций, описанных в упомянутой ранее патентной заявке. Таким образом, задача заключается в разработке способа и устройства, которые могут быть использованы так, чтобы даже описанная выше регулировка линейной скорости течения в отстойнике не была бы препятствием для разработки больших экстракционных установок. Скорость течения экстракционного раствора может быть уменьшена, в частности, на передней стороне области сепарации - что важно с точки зрения окончательной сепарации - путем объединения структур широкого поля течения со структурами, сдерживающими экстракционный раствор таким способом, который увеличивает толщину экстракционного раствора и слоя дисперсии по направлению к передней стороне сепарационного резервуара. В настоящее время доказано в практических экспериментах, что при использовании способа и устройства, соответствующего настоящему изобретению, турбулентность течения на границе не фиксируется, даже когда скорость течения экстракционного раствора увеличивается до 500% скорости течения соответствующего водного раствора.

В соответствии с настоящим изобретением сепарационный узел, то есть отстойник, относящийся к стадии экстракции, выполняется более глубоким, так что соотношение толщин слоев экстракционного раствора и водного раствора, в особенности на стороне выпуска сепарационного узла, может даже быть равным 1:4, но по меньшей мере быть равным 1:2. Когда работа проводится в условиях, где толщина слоя водного раствора существенно превышает толщину, используемую в обычных способах, доказано, что хороший результат может быть получен без отрицательных последствий в виде турбулентности течения на границе, так как в сепарационном узле, который более глубокий, чем обычные отстойники, слой дисперсии может простираться практически до стороны выпуска сепарационного узла. Настоящее изобретение также характеризуется тем, что сепарационный узел, отстойник, оснащается ограждениями из планок для того, чтобы достичь равномерного распределения дисперсии по всей поперечной поверхности отстойника. Существенно новые характеристики изобретения очевидны из прилагаемой формулы изобретения.

Использование более глубокого отстойника таким способом, который необходим для пользователя при наличии низких значений уноса, требует улучшенного контроля циркуляции. Недостаточно только сделать отстойник глубже обычного уровня, так как более быстро текущий экстракционный раствор немедленно заставит слой водного раствора, который расположен под этим слоем и имеет толщину, равную приблизительно 20-50% от толщины всего слоя водного раствора, течь быстрее остальной части слоя водного раствора. Таким образом, экстракционный раствор определенным образом уносит с собой граничный слой, и, так как маленькие капли экстракционного раствора должны при отделении от воды подниматься через граничный слой, сепарация становится более трудной. Большая часть названных капель, которые увеличивают величину уноса, перетекает вместе с этим граничным слоем через весь отстойник и выводится вместе с водным раствором. Факты, описанные здесь, объясняют использование низких отстойников, так как до сих пор не было возможности использования глубокого сепарационного узла из-за неадекватного управления потоками. В частности, течение водных растворов вблизи дна сепарационного узла по направлению к стороне выпуска раствора не было однородным. Вихревые токи при своем образовании даже приводили к возникновению неправильного направления течения части водного раствора в зонах с переменной шириной.

Создание управляемого слоя водного раствора, который плавно перетекает также и в вертикальном направлении, является существенным моментом для способа и устройства, соответствующих настоящему изобретению. Разработанное в настоящее время решение также связано с устройством, описанным в патентной заявке FI 935393, где возможны выбор и контроль вида дисперсии, то есть можно решить, какой раствор будет в непрерывной фазе, а какой раствор будет иметься в виде капель в непрерывном растворе. В общем случае выгодно смешать и перевести в капли тот раствор, который требуется сделать более чистым и который, следовательно, будет содержать меньшее количество унесенного второго раствора. Соответственно на таких стадиях экстракции, с которых на следующую стадию процесса переводится водный раствор, в капли переводится водный раствор.

В способе и устройстве, соответствующих данному изобретению, течение потоков при регулировке устанавливается таким большим, что дисперсия водных капель простирается на весь отстойник, от его передней стороны до стороны выпуска. Было установлено, что в дисперсии такого типа скорость течения, очевидно, меньше скорости в экстракционном растворе, так как последний в виде крупной дисперсии погружается в водный раствор, создавая таким образом дисперсию, которая поднимается в направлении течения в виде клиньев на своей нижней поверхности. Дисперсия становится крупной также и потому, что водные капли компонуются ближе друг к другу при опускании в дисперсионном слое по направлению к его нижней поверхности. Крупная дисперсия должна пройти через водный слой на своем пути к задней стороне отстойника, и она последовательно образует слой, изолирующий скорость между чистыми слоями, то есть между экстракционным раствором и водным раствором.

Такое сохранение слоя дисперсии требует более глубокого отстойника по сравнению с обычно используемым, так как клин дисперсии может составлять на передней стороне отстойника 70-100% и на задней стороне 15-35% от высоты раствора в отстойнике. В этой ситуации легче создать однородный пробковый режим течения в слое водного раствора, который толще, чем обычно, и, таким образом, достичь улучшенного результата сепарации для водного раствора вследствие этой стадии однородного и длительного осветления.

Взаимная сепарация растворов может быть еще улучшена как в отношении емкости, так и сепарации, средствами, относящимися к углубленному сепарационному узлу, которые предназначены для воздействия как на экстракционный раствор, дисперсию, так и на слои водного раствора, как в поперечном, так и в горизонтальном направлениях, но так, чтобы в то же время обеспечивалось бы и однородное течение в вертикальном направлении водного раствора.

Настоящее изобретение описано более подробно ссылками на прилагаемые чертежи, где:
фиг. 1 - схематический вид сверху отстойника экстракционной установки;
фиг. 2 - вид сверху выгодной структуры первичного ограждения из планок отстойника;
фиг. 3 - вид сверху преимущественной структуры еще одного ограждения из планок отстойника;
фиг. 4 - схематический вид поперечного сечения отстойника в продольном направлении.

Как видно на фиг. 1, целесообразно дисперсию переводить с последнего смесителя 1 стадии экстракции в отстойник 2 и подавать ее через его переднюю сторону или сторону подачи 3. Дисперсия подается в отстойник в его средней части, если смотреть в поперечном направлении, или вертикально, или при использовании частично вертикальной компоненты, которая помогает дисперсии повернуться к боковым стенкам 4 отстойника. Другими существенными частями отстойника являются сторона выпуска или сторона раствора 5, различные ограждения из планок 6, 7 и 8, соединительный канал водного раствора 9, а также желоб экстракционного раствора 10 стороны раствора и водная сторона 11.

На фиг. 1, кроме того, показано, что передняя сторона отстойника оснащена передним ограждением из планок, то есть первичным ограждением из планок 6. Первичное ограждение из планок 6 образуется из обычных отражательных пластинок 12, и дополнительно к ним используются направляющие пластинки 13, которые расположены позади вертикальных пазов 14 между отражательными пластинками 12, если смотреть в направлении течения дисперсии. Целесообразно, чтобы это первое ограждение из планок создавало бы потерю давления, соответствующую 300-600 Па, для того чтобы достичь однородного распределения дисперсии. Первичное ограждение из планок 6 направлено к передним краям отстойника, как это описано в финской патентной заявке 935393, в этом случае каналы течения, ограниченные ограждением из планок, сужаются по направлению к краям 4, так что расстояние от первичного ограждения из планок 6 до передней стенки 3 отстойника на краях 4 все еще равно 100-500 мм. В больших экстракционных установках ширина пазов 14 в первичном ограждении из планок имеет порядок 15-30 мм, а их количество таково, что вышеописанное ограждение достигается вместе с использованием направляющих пластинок 13.

На фиг. 2 более точно показано расположение направляющих пластинок 13 по отношению к отражательным пластинкам 12. При помощи направляющих пластинок 13 можно исключить поперечное движение дисперсии, что невозможно при использовании простой компоновки ограждения из планок или какой-либо другой симметричной структуры течения. В соответствии с настоящим изобретением направляющие пластинки 13 повернуты позади вертикальных пазов 14, так что создается путь течения дисперсии 15 - узкий по направлению к стенкам отстойника и широкий по направлению к центру, так как существенно, чтобы течение могло быть повернуто в продольном направлении отстойника. Таким образом, энергия перемещения равномерно распределяется в поперечном направлении, а дисперсия пропускается через пазы, имеющиеся между направляющими пластинками, равномерно и в перпендикулярном направлении к стороне выпуска сепарационного узла, то есть отстойника. Отражательные пластинки также могут быть выполнены так, что они будут более узкими, чем собственно первичное ограждение. Целесообразно, чтобы направляющая пластинка в поперечном направлении была расположена симметрично по отношению к пазу 14, имеющемуся между отражательными пластинками. Было доказано, что каналы 15, расположенные между направляющими пластинками 13, существенно ослабляют дисперсии.

В соответствии с общепринятой практикой сторона подачи отстойника снабжена в дополнение к первичному ограждению из планок дополнительным ограждением из планок для того, чтобы сделать более равномерной подачу дисперсии в поперечном направлении. В больших установках это дополнительное ограждение, "ограждение из планок", обычно устанавливается на расстоянии 3-7 м от первичного ограждения из планок. Наиболее обычной структурой является двойное ограждение из планок, где пазы ограждений расположены ступенчатым образом в поперечном направлении.

В соответствии с настоящим изобретением вместо одного дополнительного ограждения из планок используются по меньшей мере два отдельных дополнительных ограждения из планок для того, чтобы модифицировать вертикальные потоки в отстойнике. Расстояние от второго дополнительного ограждения из планок до первого имеет тот же порядок, что и расстояние от первого ограждения из планок до первичного ограждения из планок. Для способа и устройства существенно, чтобы первое дополнительное ограждение из планок не доходило до дна отстойника, а второе из них доходило до дна. Таким образом, первое дополнительное ограждение из планок при просвете у дна, равном 10-30% от добавленной толщины водных слоев в отстойнике, не перегораживает уже разделенный водный раствор, и раствор может свободно течь вперед, и, таким образом, создается донный ток в правильном направлении.

Преимущественно, чтобы оба дополнительных ограждения из планок 7 и 8 были подобны друг другу по структуре, например, каждое из них должно быть выполнено из четырех отдельных ограждений 16, 17, 18 и 19, как это показано на фиг. 3. Пазы 20, выполненные в отдельных ограждениях, в следующем ограждении всегда выполняются в положении со смещением, так что предотвращается прямое течение жидкостей через пазы. Если смотреть в направлении течения, пазы 21 последнего ограждения 19 шире, чем пазы, имеющиеся на предшествующих ограждениях, для того чтобы уменьшить скорость фаз, протекающих через ограждение из планок. Последнее отдельное ограждение образуется только из закрывающих полосок, установленных перед пазами предшествующего ограждения 18, при этом ширина названных полосок только в 1,5-3,0 раза превышает ширину пазов, имеющихся на остальных ограждениях.

В соответствии с настоящим изобретением пазы в ограждениях из планок, их ширина и количество разрабатываются таким образом, чтобы эффект от создаваемых ограждений увеличивался до порядка 250-500 Па. Это также относится к первому дополнительному ограждению из планок 7, через которое течет больший объем неразделенной дисперсии. Так как гидравлическое сопротивление дисперсии выше, чем у разделенных растворов, эффект дополнительных ограждений из планок может быть сохранен на взаимно равном уровне за счет подъема первого дополнительного ограждения из планок 7 от дна отстойника. На практике было обнаружено, что эффект от первого дополнительного ограждения из планок при регулировке становится достаточно эффективным, если использовать просвет у дна с описанным выше объемом.

Фиг. 4 является схематическим видом, показывающим течения в отстойнике, при этом сначала все течение происходит в дисперсии 22, а затем она в отстойнике разделяется на две фазы - органическую 23 и фазу водного раствора 24, так что в отношении к чистым фазам между отстоявшимися слоями остается только тонкий слой дисперсии. На фиг. 4 видно, что отстойник согласно сказанному выше изготовлен более глубоким, чем обычно, так что, если смотреть в направлении течения, на стороне выпуска отстойника отношение слоев растворов значительно больше, чем в обычном отстойнике. Кроме того, при таком выполнении видно, что тонкий слой дисперсии протекает до стороны выпуска отстойника, в этом случае слой дисперсии служит слоем, препятствующим возникновению турбулентности течения на границе между чистыми фазами.

На фиг. 4 также показано, что дополнительные ограждения из планок особенно воздействуют на отстаивание растворов. Между дополнительными ограждениями из планок создается довольно толстый слой разделяемой дисперсии. Последнее дополнительное ограждение из планок сдерживает поток дисперсии, который не может течь к стороне выпуска отстойника без существенного гидравлического сопротивления. Так как первое дополнительное ограждение из планок 7 не достигает дна 25, оно позволяет небольшой части дисперсии течь через просвет у дна 26, тогда как большая часть течет через ограждение из планок. Благодаря этому объединенному эффекту создается ситуация, где между дополнительными ограждениями из планок имеется слой водного раствора толщиной, равной 0,2-0,4 части полной толщины жидкости сепарационного узла. При этом этот слой течет в однородном потоке к последнему дополнительному ограждению из планок, через него и дальше, в потоке, увеличивающем толщину потоков на дне, через оставшуюся часть отстойника.

За счет использования описанной выше компоновки между дополнительными ограждениями из планок скапливается толстый слой дисперсии, а относительно тонкий водный слой образуется вблизи дна, что способствует созданию необходимого течения. Вода, выходящая из слоя дисперсии в результате сепарации, течение которой направлено по диагонали вниз и вперед, дополнительно увеличивает толщину потока на дне, начатого первым дополнительным ограждением из планок 7, и улучшает плавность течения также и на задней стороне сепарационного узла.

В соответствии с настоящим изобретением на передней стороне сепарационного узла дисперсия находится в сжатом состоянии, в виде толстого слоя по обеим сторонам от первичного ограждения из планок 6, а также между дополнительными ограждениями из планок 7 и 8. Это увеличивает емкость сепарационного узла, так как количество разделяемого раствора увеличивается на единицу площади вместе с увеличением толщины слоя дисперсии. Более того, улучшается степень сепарации растворов, то есть становятся в пределах нормы величины уноса растворов. Это также является результатом того, что в соответствии с настоящим изобретением слой дисперсии, таким образом, доминирует на передней стороне отстойника. Растворы должны или течь через слой дисперсии, или течь за счет образования плотных капель в дисперсионном состоянии, в этом случае маленькие капли также будут сталкиваться с большими каплями и, таким образом, выделяться в свой собственный слой раствора. Например, при экстракции меди это явление имеет большое значение с точки зрения производства. Ввод трудных примесей, таких как хлориды и соединения марганца в случае экстракции меди, в полученный раствор меди, то есть электролит, предотвращается, что необходимо для получения катодной меди без примесей, например, в соответствии с принципом получения металлов электролизом.

С точки зрения разделения фаз было бы выгодно использовать более чем два дополнительных ограждения из планок. С компоновкой обычного первичного ограждения из планок и дополнительного ограждения из планок в отстойнике остается сепарационное пространство для приблизительно 40-50%, даже после последнего ограждения из планок. Целесообразно иметь несколько дополнительных ограждений из планок с интервалом между ними в несколько метров, хотя по мере того, как количество ограждений из планок увеличивается, кумулятивный эффект соответственно уменьшается. Так как заметный эффект создается даже с двумя дополнительными ограждениями из планок, не рекомендуется использование большего количества ограждений из планок, в особенности в ситуациях, в которых образуются отложения, вместе с соответствующей необходимостью очистки. Даже использование двух дополнительных ограждений из планок требует того, чтобы в больших количествах отложений не возникало. Техника смешения, описанная в патентной заявке FI 935393 и использованная в узле смесителя, предотвращает образование отложений, даже если определенное количество твердых частиц должно содержаться, например, в подаваемом растворе для экстракции меди.

В приведенном выше описании раскрыты способ и устройство, соответствующие настоящему изобретению, в основном со ссылкой на экстракцию меди, где обычно используются большие экстракционные установки, и описаны решения для возникающих при этом проблем. Однако очевидно, что способ и устройство могут быть также использованы и на других экстракционных установках.

Способ и устройство, реализующее данный способ, относятся к экстракции растворителями в системе жидкость - жидкость и применяются для прохождения двух взаимно смешанных растворов и одновременного разделения на два слоя. Скорость течения фазы органического раствора регулируют так, что она превышает скорость течения фазы водного раствора, а для предотвращения возникновения турбулентности течения на границе, вызванного разницей скоростей фаз растворов, производят регулировку слоя дисперсии водных капель, оставшегося между разделяющимися растворами. Слой простирается вплоть до стороны выпуска сепарационного узла. Для процесса отстоя фаз растворов на передней стороне сепарационного узла располагают по меньшей мере три участка для осуществления прохождения дисперсии и уже отстоявшихся растворов через ограждение из планок, образующее ограниченную поперечную поверхность. Первая ограниченная поперечная поверхность обеспечивает поворот потока, подаваемого в сепарационный узел, в продольном направлении сепарационного узла. Второе ограждение из планок в направлении течения, образующее ограниченную поперечную поверхность, обеспечивает свободное течение фазы отстоявшегося водного раствора в нижней части сепарационного узла. Соотношение подачи объемных потоков, подаваемых в смеситель растворов, равно 1:1. Отстойник выполняется таким, чтобы соотношение объемов слоев органического раствора и водного раствора было равно по меньшей мере 1:2. Количество ограждений из планок, установленных в отстойнике, равно по меньшей мере трем. Данные способ и устройство позволяют разделять фазы на чистые составляющие без уноса другого раствора. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ разделения двух жидких потоков в экстракции жидкость - жидкость на отдельные фазы из дисперсии, образованной по меньшей мере, в одном смесителе, для управления потоками растворов и создания чистых растворов в сепарационном узле, отличающийся тем, что скорость течения фазы органического раствора регулируют так, что она превышает скорость течения фазы водного раствора, а для предотвращения возникновения турбулентности течения на границе, вызванного разницей скоростей фаз растворов, производят регулировку слоя дисперсии водных капель, оставшегося между разделяющимися растворами, причем слой простирается вплоть до стороны выпуска сепарационного узла, при этом для процесса отстоя фаз растворов на передней стороне сепарационного узла располагают по меньшей мере три участка для осуществления прохождения дисперсии и уже отстоявшихся растворов через ограждение из планок, образующее ограниченную поперечную поверхность, при этом первая ограниченная поперечная поверхность обеспечивает поворот потока, подаваемого в сепарационный узел, в продольном направлении сепарационного узла, а второе ограждение из планок в направлении течения, образующее ограниченную поперечную поверхность, обеспечивает свободное течение фазы отстоявшегося водного раствора в нижней части сепарационного узла. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что экстракцией жидкость - жидкость является экстракция меди. 3. Устройство для разделения двух жидких потоков в экстракции жидкость - жидкость на отдельные фазы из дисперсии (22), которая образуется по меньшей мере в одном смесителе (1), расположенном перед отстойником (2), при этом в отстойнике (2) имеются сторона подачи (3), боковые стенки (4), сторона выпуска (5), дно (25) и по меньшей мере одно ограждение из планок (7), находящееся на передней стороне отстойника и проходящее через все его поперечное сечение, отличающееся тем, что при соотношении подачи объемных потоков подаваемых в смеситель (1) растворов, равном 1:1, отстойник (2) выполняется таким, что соотношение объемов слоев органического раствора (23) и водного раствора (24) будет равно по меньшей мере 1:2, количество ограждений из планок (6 - 8), установленных в отстойнике, равно по меньшей мере трем, при этом первое первичное ограждение из планок (6) в направлении течения состоит из отражательных пластинок (12), образующих первое ограждение, и из направляющих пластинок (13), расположенных позади отверстий (14) отражательных пластинок, причем направляющие пластинки повернуты с возможностью образования канала (15) для дисперсии, причем канал сужается по направлению к стенкам отстойника (4) и расширяется по направлению к середине, а между первым дополнительным ограждением из планок (7) после первичного ограждения из планок и дном (25) оставляется просвет у дна (26), который составляет 10-30% от добавленной высоты слоев жидкости в отстойнике. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что потеря давления, вызванная первичным ограждением из планок (6), равна 300-600 Па. 5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что потеря давления, вызванная дополнительными ограждениями из планок (7, 8), равна 250-500 Па.