Na produção industrial moderna, a separação e purificação de substâncias são links cruciais. Como um dispositivo de transferência de massa líquido-líquido eficiente, o Torre de extração de solvente desempenha um papel fundamental em muitos campos. Ele usa a diferença no coeficiente de solubilidade ou distribuição de diferentes substâncias em dois solventes imiscíveis para alcançar a extração, separação, enriquecimento e purificação dos componentes alvo na mistura. Seja indústria química, refino de petróleo, hidrometalurgia, proteção ambiental e outras indústrias, torres de extração de solventes ocupam uma posição indispensável. ​

1. UMnálise do princípio de trabalho

(1) Princípio básico - Lei de Distribuição

UM base teórica central da extração de solventes é a lei de distribuição. Quando uma substância solúvel é adicionada a dois solventes imiscíveis (ou ligeiramente solúveis), a substância pode ser dissolvida nos dois solventes, respectivamente. A uma certa temperatura, se o composto não sofrer decomposição, eletrólise, associação e solvatação com os dois solventes, a razão de sua concentração nas duas camadas líquidas é uma constante, que pode ser expressa pela fórmula:

K = c _A /C _B , onde c _A e c _B são as concentrações do composto em dois solventes imiscíveis A e B, respectivamente, e K é o coeficiente de distribuição a uma determinada temperatura. Por exemplo, ao extrair substâncias fenólicas das águas residuais contendo fenol, se um extrator adequado for selecionado, a concentração de fenóis no extrator e a fase aquosa seguirá esta lei para distribuição.

(2) Processo de extração

Construção do sistema bifásico: O processo de extração envolve duas fases líquidas imiscíveis, mais comumente aquosas e fases orgânicas. Uma fase é a fase contínua (geralmente a fase com uma quantidade maior) e a outra fase é a fase dispersa. Por exemplo, ao extrair ácidos orgânicos do caldo de fermentação, o caldo de fermentação aquoso pode ser a fase contínua, enquanto o extrator orgânico é a fase dispersa. ​

Introdução de feed e solvente: O material a ser separado é alimentado na torre de extração e é adicionado um solvente de extração que possui alta seletividade para o componente alvo e é incompatível ou possui muito baixa solubilidade com outros componentes na matéria -prima. Por exemplo, ao extrair aromáticos das frações de petróleo, é selecionado um solvente de extração aromático específico. ​

Ocorre contato e distribuição: A fase dispersa entra na fase contínua através de um bico ou outro meio de formar pequenas gotículas. Essas gotículas estão totalmente em contato com a fase contínua e o componente alvo é transferido do material original para o solvente de extração de acordo com a lei de distribuição. Tomando a extração de lítio da salmoura de Salt Lake como exemplo, depois que a salmoura contendo lítio entra em contato com o extrator, o elemento de lítio é transferido da salmoura para o extratente.

Promoção de mistura e separação: A estrutura especial dentro da torre de extração promove a mistura completa das duas fases e, em seguida, as duas fases são gradualmente separadas por gravidade ou dispositivos mecânicos. A fase mais pesada se instala no fundo da torre, e a fase mais leve sobe para o topo da torre. Por exemplo, ao extrair impurezas no óleo comestível, a fase mais pesada onde as impurezas estão localizadas e a fase oleosa pura aumenta. ​

Realização de coleta e circulação: A fase de extração rica no componente alvo e na fase da matéria -prima esgotada no componente alvo são coletadas em diferentes posições na torre. Em alguns casos, o solvente de extração pode ser reciclado. Por exemplo, na indústria farmacêutica, após a extração de certos intermediários de medicamentos, o solvente de extração pode ser reciclado após o tratamento.

2. Diversos tipos estruturais

(1) Torre de extração compactada

Recursos estruturais: A torre é preenchida com vários tipos de embalagem, como anéis Raschig, anéis de pall, anéis de sela, etc. Essas embalagens fornecem uma enorme área de contato a gás-líquido, permitindo que as duas fases sejam totalmente mistas e transferidas em massa. Por exemplo, ao tratar as águas residuais contendo fenol, a embalagem do anel Raschig pode efetivamente aumentar o contato entre o extrator e as águas residuais.

Processo de trabalho: A fase contínua flui de cima para baixo através da camada de embalagem sob a ação da gravidade, enquanto a fase dispersa entra no fundo da torre através do distribuidor. Sob a obstrução e dispersão da embalagem, ele flui para cima através da fase contínua na forma de gotículas finas. Nesse processo, o componente de destino é transferido entre as duas fases. Tomando a extração de íons de metais pesados ​​das águas residuais como exemplo, as gotículas extracentes transportam entre a embalagem e a troca com os íons de metais pesados ​​nas águas residuais.

Vantagens: Estrutura simples, baixo custo, adequado para o tratamento de materiais corrosivos e eficiência de transferência de massa relativamente alta. Por exemplo, na produção química fina, para a separação de alguns produtos com pequenos requisitos, mas altos requisitos para resistência à corrosão do equipamento, são amplamente utilizadas torres de extração embalada.

Limitações: O fluxo é relativamente pequeno, o volume de processamento é limitado e, quando a carga líquida é baixa, a canalização e outros fenômenos são propensos a ocorrer, afetando o efeito da transferência de massa. Na produção industrial em larga escala, se a demanda de volume de processamento for grande, pode não ser capaz de atender aos requisitos de produção.

(2) Torre de extração de placas de peneira

Recursos estruturais: Existem várias camadas de placas de peneira na torre, e muitos pequenos orifícios são distribuídos uniformemente nas placas de peneira. Por exemplo, o diâmetro do orifício da peneira é geralmente entre 3 e 8 mm, e o tamanho específico depende das propriedades dos materiais processados ​​e dos requisitos do processo. ​

Processo de trabalho: A fase contínua é dispersa em gotículas finas através dos pequenos orifícios na placa de peneira e entra na próxima camada, e contata -se com a fase dispersa da próxima camada em contracorrente para transferência de massa. A fase dispersa flui como uma fase contínua na torre como um todo e flui para a próxima camada através do DownComer na placa da torre. Por exemplo, ao extrair componentes específicos dos produtos petrolíferos, os produtos petrolíferos passam pelos orifícios da peneira como a fase contínua e os fluxos extracentes na torre na direção inversa. ​

Vantagens: Estrutura simples, baixo custo, grande capacidade de produção e forte adaptabilidade a mudanças no fluxo líquido. Em algumas produções industriais com controle rigoroso de custos e grande volume de processamento, como a separação de certas matérias -primas químicas básicas, as torres de extração de placas de peneira são amplamente utilizadas. ​

Limitações: A eficiência da transferência de massa é relativamente baixa e problemas como inundações tendem a ocorrer na placa da torre, afetando a estabilidade da operação de extração. Ao processar materiais com requisitos de precisão de separação extremamente altos, pode não atender aos requisitos do processo.

(3) torre de extração de disco rotativa

Recursos estruturais: Existem vários discos (discos rotativos) do mesmo tamanho e espaçamento conectados por um eixo rotativo no meio, que gira a uma velocidade constante à medida que o eixo gira. Os discos rotativos são separados por discos anulares (discos fixos) do mesmo tamanho e espaçamento fixo na parede da torre. Por exemplo, o espaçamento entre o disco rotativo e o disco fixo é geralmente entre 10 e 50 cm, que é ajustado de acordo com o diâmetro da torre e as características do material processado. ​

Processo de trabalho: A solução com menor densidade entra continuamente a partir da parte inferior da torre, flui para cima sob a ação da flutuabilidade e é dividida e dispersa em gotículas pela ação centrífuga do disco rotativo. O solvente com maior densidade entra continuamente da parte superior da torre, flui para baixo sob a ação da gravidade e enche toda a torre. As gotículas dispersas transferem massa por meio de contato no solvente contínuo. Tomando a extração de ácidos graxos livres do óleo vegetal como exemplo, o óleo vegetal de fase leve é ​​dispersa sob a ação do disco rotativo e contatos e reage com o extratente de fase pesada. ​

Vantagens: Alta eficiência de transferência de massa, grande capacidade de produção, boa adaptabilidade a alterações nas taxas de fluxo bifásica e pode efetivamente reduzir a backmixing axial. Nas indústrias químicas e farmacêuticas, para alguns materiais que requerem separação eficiente e grande volume de processamento, a torre de extração de disco rotativa é amplamente utilizada.

Limitações: A estrutura é relativamente complexa, o consumo de energia é alto e o custo de manutenção do equipamento é relativamente alto. Em alguns processos de produção com requisitos de consumo de energia extremamente rigorosos, sua aplicabilidade pode precisar ser cuidadosamente considerada.

(4) Torre de placa de peneira vibratória

Recursos estruturais: Há uma série de placas de peneira fixadas no eixo central na torre, e o eixo central é vibrado para cima e para baixo pelo dispositivo de acionamento. A frequência de vibração e a amplitude da placa de peneira podem ser ajustadas de acordo com os requisitos do processo. A frequência geral de vibração está entre 1-10Hz e a amplitude está na faixa de 3-50 mm.

Processo de trabalho: A fase contínua e a fase dispersa passam através da placa de peneira na contracorrente. A vibração da placa de peneira faz com que o líquido se disperse e se agregue continuamente, aumentando bastante a transferência de massa entre as duas fases. Por exemplo, ao extrair elementos de terras raras do lixiviado de minério de terras raras, a vibração da placa de peneira promove a mistura completa e a transferência de massa do extratente e do lixiviado.

Vantagens: Alta eficiência de transferência de massa, grande capacidade de processamento, bom efeito em baixa concentração e sistema de separação de alta dificuldade e pode reduzir efetivamente a mistura traseira axial. Nos campos da extração de terras raras, produtos químicos finos, etc., para a extração de algumas substâncias difíceis de separar, a torre de placa de peneira vibratória tem vantagens únicas. ​

Limitações: A estrutura do equipamento é relativamente complexa e os requisitos de precisão e instalação de fabricação de equipamentos são altos. As peças vibratórias são fáceis de danificar e difíceis de manter. Durante a operação do equipamento, as peças vibratórias precisam ser inspecionadas e mantidas regularmente, o que aumenta o custo operacional. ​

(5) Torre de extração centrífuga de vários estágios

Recursos estruturais: Consiste em várias unidades de extração centrífuga conectadas em série, cada unidade possui um rotor rotativo de alta velocidade. A velocidade do rotor geralmente está entre 1000-5000R/min e pode ser ajustada de acordo com as propriedades do material e os requisitos de separação. ​

Processo de trabalho: O líquido bifásico é rapidamente misturado e separado sob a força centrífuga gerada pela rotação de alta velocidade do rotor. A fase mais pesada é jogada na borda externa do rotor, e a fase mais leve reúne ao centro e é descarregada através de diferentes tomadas. Por exemplo, ao extrair antibióticos do caldo de fermentação biológica, a força centrífuga é usada para obter uma separação rápida e eficiente.

Vantagens: A eficiência da extração é extremamente alta e a separação eficiente pode ser alcançada em pouco tempo. O equipamento ocupa uma área pequena e é adequada para sistemas de processamento com pequena diferença de densidade entre as duas fases e a emulsificação fácil. Em indústrias como biofarmacêuticas e proteção ambiental que possuem altos requisitos de espaço e propriedades especiais de materiais, as torres de extração centrífuga de vários estágios têm amplas perspectivas de aplicação. ​

Limitações: O investimento em equipamentos é grande, o consumo de energia é alto e os requisitos de operação e manutenção do equipamento são rigorosos, exigindo que os técnicos profissionais operem. Devido ao alto custo de equipamento e ao custo operacional, pode não ser adequado para algumas empresas de pequena escala com fundos limitados.

Comparação do desempenho de diferentes tipos de torres de extração:

3 áreas de aplicação de largura

(1) Indústria química

Síntese orgânica: No processo de síntese orgânica, geralmente é necessário separar e purificar os produtos de reação. Por exemplo, no processo de sintetização de intermediários de medicamentos, o produto alvo pode ser extraído da mistura de reação usando uma torre de extração de solvente, as impurezas podem ser removidas e a pureza do produto pode ser melhorada. Por exemplo, ao preparar intermediários de acetaminofeno, o produto alvo pode ser separado por uma torre de extração para fornecer matérias-primas de alta pureza para as etapas de síntese subsequentes. ​

Produção de polímeros: Na produção de polímeros, as torres de extração de solventes são usadas para remover impurezas, como monômeros residuais e catalisadores em soluções de polímeros. Tomar a produção de polipropileno como exemplo, monômeros de propileno não reagidos e resíduos de catalisadores podem ser efetivamente removidos pelas torres de extração para melhorar a qualidade dos produtos de polipropileno. ​

(2) Refino de petróleo

Refino de petróleo: No processo de refino do petróleo, a fim de melhorar a qualidade dos produtos petrolíferos, é necessário remover impurezas como enxofre e nitrogênio e componentes indesejáveis, como aromáticos nos produtos petrolíferos. As torres de extração de solventes podem usar extratantes específicos para extrair essas impurezas de produtos petrolíferos. Por exemplo, no refino a diesel, a tecnologia de extração líquido-líquido é usada para remover impurezas como mercaptans em diesel através de uma torre de extração, reduzindo assim o teor de enxofre do diesel e melhorando o grau de qualidade do diesel. ​

Extração aromática: Separar e purificar aromáticos das frações petrolíferas é uma parte importante dos petroquímicos. As torres de extração de solventes desempenham um papel fundamental no processo de extração aromática e podem separar eficientemente os aromáticos da não aromática, fornecendo matérias-primas para o processamento aromático subsequente. Por exemplo, ao extrair aromáticos como benzeno, tolueno e xileno da gasolina reformada, produtos aromáticos de alta pureza podem ser obtidos selecionando extratores adequados e torres de extração. ​

(3) Hidrometalurgia

Extração de metal: No campo da hidrometalurgia, as torres de extração de solventes são usadas para extrair metais do lixiviado de minério. Por exemplo, para extrair cobre do lixiviado de minério de cobre, um extrator com alta seletividade para íons de cobre é selecionado e é contatada contracorrente com o lixiviado na torre de extração para transferir íons de cobre do lixiviado para o extrator. Em seguida, através de operações subsequentes, como extração nas costas, são alcançados o enriquecimento e a purificação do cobre.

Separação de metal raro: Para a separação de metais raros, como a separação de diferentes elementos de terras raras do lixiviado de minério de terras raras, a torre de extração de solvente usa a diferença nos coeficientes de distribuição de diferentes elementos de terras raras no extrator para alcançar a separação de vários elementos de terras raras um por um, fornecendo suporte técnico -chave para a utilização abrangente dos recursos raros. ​

(4) Proteção ambiental

Tratamento de águas residuais: No tratamento de águas residuais industriais, as torres de extração de solventes podem ser usadas para remover substâncias nocivas nas águas residuais, como íons de metais pesados, fenóis, ácidos orgânicos, etc. Por exemplo, ao tratar águas residuais contendo fenol, as substâncias fenólicas são extraídas da água residual através de uma torre de extração para reduzir o teor de fenol da água residual para encontrar as emissões. Ao mesmo tempo, substâncias fenólicas também podem ser recicladas para obter reciclagem de recursos. ​

Tratamento de gás residual: Em alguns casos, as torres de extração de solventes também podem ser usadas para tratar certos poluentes em gás residual. Ao passar o gás residual em uma torre de extração contendo um extrator específico, os poluentes no gás residual são dissolvidos no extrator, alcançando assim o objetivo de purificar o gás residual. Por exemplo, ao tratar o gás residual orgânico, um solvente orgânico adequado é selecionado como extrator para purificar o gás residual orgânico na torre de extração.

(5) Indústria de alimentos e bebidas

Extração de produtos naturais: Na indústria de alimentos e bebidas, as torres de extração de solventes são usadas para extrair ingredientes ativos de matérias -primas naturais. Por exemplo, os polifenóis de chá podem ser extraídos de folhas de chá usando um extrator adequado em uma torre de extração para extrair extratos de chá. Os polifenóis de chá de alta pureza podem ser obtidos e usados ​​em aditivos de alimentos, produtos de saúde e outros campos.

Separação de sabor: Na produção de bebidas, para obter um sabor único, é necessário separar e extrair substâncias de sabor de especiarias naturais ou caldo de fermentação. As torres de extração de solventes podem utilizar as características de distribuição de substâncias de sabor em diferentes solventes para alcançar a separação e o enriquecimento de substâncias de sabor, adicionando um sabor único aos produtos de bebida.

4. Vantagens significativas são totalmente demonstradas

(1) Separação eficiente

Através do projeto e seleção otimizados das condições operacionais apropriadas, as torres de extração de solventes podem utilizar a diferença nos coeficientes de distribuição entre as duas fases para obter uma separação eficiente dos componentes alvo em uma mistura. Para alguns sistemas de mistura difíceis de separar por outros métodos, como substâncias com pontos de ebulição semelhantes e substâncias sensíveis ao calor, as torres de extração de solventes têm vantagens únicas. Por exemplo, ao separar os ingredientes ativos dos extratos de medicina de ervas chineses, métodos tradicionais como destilação podem fazer com que os ingredientes ativos se decomponham devido a altas temperaturas, enquanto as torres de extração de solventes podem obter separação eficiente em condições leves. ​

(2) forte adaptabilidade

As torres de extração de solventes são adequadas para uma variedade de diferentes sistemas químicos e condições operacionais. Seja lidando com solventes de diferentes propriedades (como solventes polares e solventes não polares) ou em diferentes faixas de temperatura e ambientes de pressão, bons efeitos de extração podem ser alcançados ajustando a estrutura do equipamento e os parâmetros operacionais. Na produção química, para alguns sistemas com condições de reação severas, as torres de extração de solventes podem se adaptar de maneira flexível para atender às necessidades de produção. ​

(3) operação contínua

Muitos tipos de torres de extração de solventes suportam alimentação e descarga contínuas, o que é muito adequado para processos de produção industrial em larga escala. A operação contínua pode não apenas melhorar a eficiência da produção, mas também reduzir os custos de consumo de energia e produção por unidade de produto. Comparado com a operação intermitente, a operação contínua reduz o número de equipamentos e interrompe, aumenta a vida útil do equipamento e, ao mesmo tempo, torna a qualidade do produto mais estável. Por exemplo, em produção industrial em larga escala, como refino de petróleo e produção de matéria-prima química, são amplamente utilizadas torres de extração operada continuamente.

(4) alta flexibilidade

O projeto da torre de extração de solvente permite o ajuste de uma variedade de parâmetros operacionais, como taxa de fluxo, razão de solvente, temperatura, pressão etc., para atender a diferentes tarefas de separação. Ao alterar esses parâmetros, o processo de extração pode ser otimizado e a taxa de extração e a pureza do componente alvo podem ser melhoradas. Além disso, a configuração de extração em vários estágios pode melhorar ainda mais o efeito de separação e atender aos requisitos de precisão de separação para diferentes processos. Na produção real, os parâmetros operacionais e o número de estágios da torre de extração podem ser ajustados com flexibilidade de acordo com os requisitos de composição da matéria -prima e qualidade do produto.

(5) Manutenção fácil

O design das modernas torres de extração de solventes considera totalmente a facilidade de limpeza e manutenção do equipamento. Por exemplo, o uso de embalagem removível ou estrutura da placa de torre facilita a limpeza e a substituição do equipamento após a execução por um período de tempo, reduzindo os custos de inatividade e manutenção do equipamento. Ao mesmo tempo, o equipamento está equipado com vários instrumentos de monitoramento e sistemas de controle automático, que podem monitorar o status de operação do equipamento em tempo real, detectar e resolver problemas potenciais em tempo hábil e garantir a operação estável do equipamento.

5. Considerações de projeto e operação

(1) Pontos -chave do design

Determinação do tamanho da torre: A altura e o diâmetro do corpo da torre precisam ser calculados com precisão com base no volume de processamento, condições de operação e necessidade de eficiência de separação. Quando o volume de processamento é grande, geralmente é necessário um corpo de torre de diâmetro maior para atender aos requisitos de fluxo; Enquanto para situações em que a separação é difícil e é necessário um número teórico de placas, a altura do corpo da torre precisa ser aumentada. Por exemplo, em projetos de refino de petróleo em larga escala, o tamanho da torre de extração é projetado com precisão com base no volume de processamento de petróleo bruto e nos requisitos de separação de produtos de óleo. ​

Seleção de estrutura interna: De acordo com as propriedades do material e os requisitos de processo, a estrutura interna é razoavelmente selecionada, como o tipo de embalagem, abertura da placa de peneira, tamanho e espaçamento da placa giratória, etc. Para materiais fáceis de emulsificar, uma embalagem com uma estrutura simples que não é fácil de causar pode ser selecionada; Para sistemas com grandes volumes de processamento e altos requisitos de eficiência de transferência de massa, uma estrutura de torre de extração giratória pode ser usada. Na produção química fina, a estrutura interna da torre de extração é cuidadosamente projetada de acordo com as características de diferentes produtos. ​

Seleção de material: Considerando fatores como corrosividade, temperatura e pressão do material, selecione o corpo da torre apropriado e os materiais de componentes internos. Ao lidar com materiais altamente corrosivos, como soluções de lixiviação contendo ácido na hidrometalurgia, aço inoxidável resistente à corrosão ou materiais de liga especial são geralmente usados ​​para fabricar a torre de extração para garantir a vida útil e a operação segura do equipamento. ​

(2) otimização dos parâmetros operacionais

Controle de taxa de fluxo: Controlar com precisão as taxas de fluxo da fase contínua e a fase dispersa é a chave para garantir o contato total entre as duas fases e evitar condições anormais, como inundações. Uma taxa de fluxo muito rápida compactará o tempo de contato entre as duas fases, resultando em uma diminuição significativa na eficiência da transferência de massa; Uma taxa de fluxo muito lenta reduzirá a eficiência da produção e aumentará os custos de consumo de energia. Nas operações industriais reais, é necessário otimizar dinamicamente a taxa de fluxo em duas fases com base na carga em tempo real e no efeito de separação da torre de extração através de um sistema de controle automatizado composto por um medidor de fluxo e uma válvula reguladora. Por exemplo, em uma linha de produção química fina, a taxa de fluxo é monitorada e ajustada em tempo real através de um PLC (controlador lógico programável) para garantir um processo de transferência de massa eficiente e estável. ​

Regulação de temperatura e pressão: Os parâmetros de temperatura e pressão do sistema de extração afetam diretamente o coeficiente de solubilidade e distribuição da substância e são as variáveis ​​principais que determinam a eficiência da extração. As mudanças de temperatura não apenas alterarão o equilíbrio de distribuição de solutos nas duas fases, mas também podem afetar a estabilidade do produto de destino; A regulação da pressão desempenha um papel decisivo no processo de extração de substâncias voláteis. No processo de extração de substâncias bioativas termossensíveis, a operação de baixa temperatura e baixa pressão é geralmente adotada, e o equipamento de controle de temperatura de alta precisão e o sistema de compensação de pressão são equipados para controlar as flutuações de temperatura dentro da faixa de ± 0,5 ℃ para garantir a atividade e o rendimento dos componentes alvo.
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Otimização da proporção de solvente: De acordo com as características da composição das matérias -primas e os requisitos de pureza dos produtos -alvo, ajustar cientificamente a proporção de solvente de extração e matérias -primas é um vínculo importante para alcançar uma produção econômica e eficiente. Se a taxa de solvente for muito grande, causará desperdício de solvente e aumentará os custos subsequentes de recuperação; Se a taxa de solvente for muito pequena, poderá levar a extração incompleta e afetar a qualidade do produto. Na produção industrial moderna, o software de simulação de processos, como aspen, é frequentemente usado, combinado com dados de teste de laboratório, um modelo matemático dinâmico é estabelecido para otimizar a relação solvente para diferentes lotes de matérias -primas. Tomando a indústria farmacêutica como exemplo, através da tecnologia de análise on-line de espectroscopia do infravermelho próximo, as mudanças na composição da matéria-prima podem ser monitoradas em tempo real, e a taxa de solvente pode ser ajustada dinamicamente para aumentar a pureza do produto em 10%a 15%, reduzindo o consumo de solvente em mais de 20%.