Центробежный экстрактор

Центробежный экстрактор , также известный как центробежный контактор или кольцевой центробежный контактор , использует вращение ротора внутри центрифуги для смешивания двух несмешивающихся жидкостей снаружи ротора и разделения жидкостей в поле силы тяжести внутри ротора. Таким образом, центробежный экстрактор обеспечивает непрерывную экстракцию одной жидкой фазы в другую жидкую фазу.

Краткое изложение принципов проектирования и применения контакторов включено в недавний сборник. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

История

Первый центробежный контактор жидкость-жидкость был изобретен Вальтером Подбельняком. ^{[ 3 ]} с патентом, поданным в 1932 году, затем последовала серия разработанных моделей, которые использовались и продолжают использоваться для целого ряда процессов, включая экстракцию минералов растворителем и очистку растительных масел, но особенно для производства пенициллина во время Второй мировой войны . ^{[ 4 ]}

Он использовался в процессах экстракции растворителем металлов, ценных для атомной промышленности, например, в составе установки по переработке соляных отходов на площадке Саванна-Ривер для реализации процесса CSSX для извлечения радиоактивного цезия из хранящихся там резервуарных отходов. ^{[ 5 ]} Область применения включает извлечение ценных актинидов при переработке отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), в частности, извлечение делящегося материала . ^{[ 6 ]}

Он также используется при переработке отходов электрического и электронного оборудования . ^{[ 6 ]}

Одноступенчатый центробежный экстрактор

Рис. 2. Вид в разрезе, показывающий путь потока соответствующих жидкостей.

Две несмешивающиеся жидкости разной плотности подаются на отдельные входы и быстро смешиваются в кольцевом пространстве между вращающимся ротором и неподвижным корпусом. Смешанные фазы направляются к центру ротора радиальными лопастями в основании корпуса. Когда жидкости попадают в центральное отверстие ротора, они ускоряются к стенке. Смешанные фазы быстро ускоряются до скорости ротора, и начинается разделение, когда жидкости вытесняются вверх. Система перегородок в верхней части ротора позволяет каждой фазе выходить из ротора, где она попадает в коллекторное кольцо и выходит со сцены. Поток между ступенями осуществляется самотеком без необходимости использования межступенчатых насосов. Таким образом, центробежные контакторы действуют как смеситель, центрифуга и насос. Центробежные контакторы обычно называются по диаметру их ротора. Таким образом, 5-дюймовый центробежный контактор имеет ротор диаметром 5 дюймов.

Кольцевые центробежные контакторы представляют собой машины с относительно низкой скоростью вращения в минуту (об/мин), умеренной силой тяжести (100–2000 G) и поэтому могут приводиться в действие двигателем с прямым приводом и регулируемой скоростью. Типичная частота вращения для небольших устройств (2 см) составляет примерно 3600 об/мин, в то время как более крупные устройства будут работать при более низких оборотах в минуту в зависимости от их размера (типичная скорость для контактора 5 дюймов [12,5 см] составляет ~ 1800 об/мин). Эффективность центробежного разделения можно легко описать как пропорциональную произведению силы, кратной силе тяжести ( g ), и времени пребывания в секундах или g -секундах. Достижения того или иного значения g -секунд в центрифуге жидкость-жидкость можно добиться двумя способами: увеличением кратности силы тяжести или увеличением времени пребывания. Создание более высоких значений перегрузки для конкретного диаметра ротора зависит только от частоты вращения.

Многоступенчатый центробежный экстрактор

Исходный раствор, первоначально содержащий одно или несколько растворенных веществ (тяжелая фаза на рисунке поперечного сечения, рис. 3), и несмешивающийся растворитель, имеющий разную плотность (легкая фаза на рисунках поперечного сечения), течет противотоком через ротор экстрактора, сконструированный с пакет механических узлов, представляющий необходимое количество отдельных ступеней. Последовательные операции смешивания и разделения, выполняемые на каждой механической стадии, обеспечивают массовый перенос растворенных веществ из исходного раствора в растворитель.

Каждый этап состоит из

Смесительная камера , в которой смешиваются две фазы и осуществляется перенос экстрагируемых растворенных веществ. Неподвижный диск позволяет смешивать две фазы и создавать эмульсию. Он работает как насос, перекачивая две фазы из предыдущей ступени.
Камера декантации , в которой две предварительно смешанные жидкости тщательно разделяются центробежной силой. Переливные перегородки стабилизируют зону разделения независимо от скорости потока. Положение межфазной границы зависит от диаметра перегородки перелива тяжелой фазы, которая является взаимозаменяемой и подбирается в зависимости от соотношения плотностей фаз.

Конфигурации

Смешивание и разделение

Как описано выше, конфигурация смешивания и разделения является стандартной операцией для центробежных контакторов, используемых в жидкостно-жидкостной экстракции процессах . Две жидкости (обычно водная фаза (тяжелая) и органическая фаза (легкая)) поступают в кольцевую зону смешивания, где образуется жидкостно-жидкостная дисперсия , и происходит экстракция, когда растворенные вещества (например, растворенные ионы металлов) переходят из одной фазы в другую. другой. Внутри ротора жидкости будут разделены на тяжелую (синюю) и легкую (желтую) фазы в зависимости от их плотности. Эта пропорция каждой фазы (соотношение фаз), общий расход, скорость ротора и размеры перегородки варьируются для оптимизации эффективности разделения. Отделенные жидкости выводятся без давления и самотеком выходят из ступени (обратите внимание, что на рис. 2 выход расположен выше входного).

Рис. 4. Смешивание и разделение

Разделение прямой подачей

Для применений, требующих только разделения предварительно смешанной дисперсии (например, разделение масла и воды при очистке окружающей среды), прямая подача предлагает возможность подачи смешанного потока жидкости с низким усилием сдвига непосредственно в ротор. Внутри ротора жидкости будут разделены на тяжелую (синюю) и легкую (желтую) фазы. Этот принцип используется для оптимизации эффективности разделения. Отделенные жидкости будут выбрасываться без давления.

Рис. 5. Сепарация прямой подачи

Многоэтапная обработка

Обычно для процессов экстракции растворителем в поэтапном оборудовании, таком как центробежный контактор, вам потребуется несколько последовательно соединенных контакторов для экстракции, очистки и отгонки (и, возможно, других). Количество стадий, необходимых в каждом разделе процесса, будет зависеть от требований к проектированию процесса (необходимого коэффициента экстракции). В случае, показанном на рис. 6, четыре взаимосвязанные стадии обеспечивают непрерывный процесс, в котором первой стадией является стадия декантации. Следующие два этапа демонстрируют противоточную экстракцию. Последний этап – нейтрализация в виде перекрестного соединения.

Рис. 6. Многоэтапный процесс

См. также

Радиальная хроматография

Ссылки

^ Р.А. Леонард, Принципы проектирования и применение центробежных контакторов для экстракции растворителем . В книге «Ионный обмен и экстракция растворителями: серия достижений» (том 19) (BA Moyer (ред.), глава 10, стр. 563 (2010).
^ «Извлечение силы G» .
^ Коулсон, Дж. М.; Ричардсон, Дж. Ф. (1991). Химическая инженерия Том 2 Технология частиц и процессы разделения (4-е изд.). Оксфорд: Баттерворт Хайнеманн. стр. 617–619. ISBN 0750629428 .
^ Селла, Андреа (3 сентября 2021 г.). «Контактор Подбельняка» . www.chemistryworld.com . Королевское химическое общество . Проверено 4 сентября 2023 г.
^ «Завод по переработке соляных отходов – II этап» . Архивировано из оригинала 27 февраля 2013 года . Проверено 19 декабря 2012 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Бейкер, Аластер; Феллс, Алекс; Кэрротт, Майкл Дж.; Махер, Крис Дж.; Хэнсон, Брюс К. (23 мая 2022 г.). «Интенсификация процесса извлечения элементов с помощью центробежных контакторов в ядерном топливном цикле» . Обзоры химического общества . 51 (10): 3964–3999. дои : 10.1039/D2CS00192F . ISSN 1460-4744 . ПМИД 35475807 .

Внешние ссылки

CINC Industries Производитель центробежных контакторов
ROUSSELET ROBATEL Одноступенчатые центробежные экстракторы
ROUSSELET ROBATEL Многоступенчатые центробежные экстракторы
(на немецком языке) Центробежный экстрактор моет, экстрагирует и отделяет за одну стадию обработки (статья в журнале Process).
CINC Германия одно- и многоступенчатые центробежные экстракторы жидкости
Центробежный экстрактор для жидких жидкостей в процессе
Что такое кольцевой центробежный контактор?
Вычислительное гидродинамическое (CFD) моделирование центробежных контакторов
Патент на многоступенчатый центробежный экстрактор

[1] Р.А. Леонард, Принципы проектирования и применение центробежных контакторов для экстракции растворителем . В книге «Ионный обмен и экстракция растворителями: серия достижений» (том 19) (BA Moyer (ред.), глава 10, стр. 563 (2010).

[2] «Извлечение силы G» .

[Coulson-3] Коулсон, Дж. М.; Ричардсон, Дж. Ф. (1991). Химическая инженерия Том 2 Технология частиц и процессы разделения (4-е изд.). Оксфорд: Баттерворт Хайнеманн. стр. 617–619. ISBN 0750629428 .

[Sella-4] Селла, Андреа (3 сентября 2021 г.). «Контактор Подбельняка» . www.chemistryworld.com . Королевское химическое общество . Проверено 4 сентября 2023 г.

[5] «Завод по переработке соляных отходов – II этап» . Архивировано из оригинала 27 февраля 2013 года . Проверено 19 декабря 2012 г.

[:0-6] Перейти обратно: ^а ^б Бейкер, Аластер; Феллс, Алекс; Кэрротт, Майкл Дж.; Махер, Крис Дж.; Хэнсон, Брюс К. (23 мая 2022 г.). «Интенсификация процесса извлечения элементов с помощью центробежных контакторов в ядерном топливном цикле» . Обзоры химического общества . 51 (10): 3964–3999. дои : 10.1039/D2CS00192F . ISSN 1460-4744 . ПМИД 35475807 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]