В современном промышленном производстве разделение и очистка веществ являются важными связями. В качестве эффективного устройства массопереноса с жидкостью жидкости, Башня извлечения растворителя играет ключевую роль во многих областях. Он использует разницу в коэффициенте растворимости или распределения различных веществ в двух несмешивающихся растворителях для достижения экстракции, разделения, обогащения и очистки целевых компонентов в смеси. Будь то химическая промышленность, нефтеперерабатываемая нефтяная, гидрометаллургия, защита окружающей среды и другие отрасли, башни извлечения растворителя занимают незаменимое положение. ​

1. Анализ принципа работы

(1) Основной принцип - Закон о распределении

Основной теоретической основой извлечения растворителя является закон о распределении. Когда растворимое вещество добавляется в два несмешивающихся (или слегка растворимые) растворители, вещество может быть растворено в двух растворителях соответственно. При определенной температуре, если соединение не подвергается разложению, электролизе, ассоциации и сольвации с двумя растворителями, то соотношение его концентрации в двух слоях жидкости является постоянной, которая может быть выражена формулой:

K = c _А /C _{Беременный} , где c _А и c _{Беременный} являются концентрациями соединения в двух несмешиваемых растворителях A и B соответственно, а K - коэффициент распределения при определенной температуре. Например, при извлечении фенольных веществ из фенолсодержащих сточных вод, если выбран подходящего экстрагента, концентрация фенолов в экстрагенте и водной фазе будет следовать этому закону для распределения.

(2) процесс извлечения

Строительство двухфазной системы: Процесс экстракции включает в себя две несмешивающиеся жидкие фазы, чаще всего водной и органической фазы. Одна фаза - непрерывная фаза (обычно фаза с большим количеством), а другая фаза - дисперсная фаза. Например, при извлечении органических кислот из ферментационного бульона водный ферментационный бульон может быть непрерывной фазой, в то время как органический экстрагент является дисперсной фазой. ​

Введение корма и растворителя: Материал, который должен быть разделен, подается в башню экстракции, и добавляется экстракционный растворитель, который имеет высокую селективность для целевого компонента и является несовместимой или имеет очень низкую растворимость с другими компонентами в сырье. Например, при извлечении ароматики из нефтяных фракций выбирается специфический ароматический растворитель экстракции. ​

Контакт и распределение происходит: Дисперсная фаза вступает в непрерывную фазу через форсунку или другие средства для формирования крошечных капель. Эти капли полностью находятся в контакте с непрерывной фазой, и целевой компонент переносится из исходного материала в растворитель извлечения в соответствии с законом о распределении. В качестве примера извлечение лития из рассола Соленого озера, после того, как литийсодержащий совет контактирует из экстрагента, литий-элемент переносится из рассола в экстрагент.

Смешивание и продвижение разделения: Специальная структура внутри башни экстракции способствует полному смешиванию двух фаз, а затем две фазы постепенно разделяются гравитационными или механическими устройствами. Более тяжелая фаза оседает до дна башни, и более легкая фаза поднимается до вершины башни. Например, при извлечении примесей в съедобном масле более тяжелой фазы, где расположены примеси, раковины, а фаза чистого масла поднимается. ​

Реализация сбора и циркуляции: Фаза извлечения, богатая целевым компонентом, и фаза сырья, истощенную в целевом компоненте, собираются в разных положениях в башне. В некоторых случаях экстракционный растворитель может быть переработан. Например, в фармацевтической промышленности, после извлечения определенных лекарственных промежуточных соединений, экстракционный растворитель может быть переработан после лечения.

2. Разнообразные структурные типы

(1) упакованная башня извлечения

Структурные особенности: Башня заполнена различными типами упаковки, такими как кольца Рашиг, кольца, кольца, седельные кольца и т. Д. Например, при обработке фенолсодержащих сточных вод упаковка Raschig может эффективно увеличить контакт между экстрагентом и сточными водами.

Рабочий процесс: Непрерывная фаза течет сверху вниз через упаковочный слой под действием гравитации, в то время как дисперсная фаза попадает из нижней части башни через дистрибьютора. При обструкции и дисперсии упаковки он течет вверх по непрерывной фазе в виде тонких капель. В этом процессе целевой компонент передается между двумя фазами. В качестве примера, получая извлечение ионов тяжелых металлов из сточных вод, экстрагирующий капельтет между упаковкой и обменом с ионами тяжелых металлов в сточных водах.

Преимущества: Простая структура, низкая стоимость, подходящая для обработки коррозионных материалов и относительно высокая эффективность массопереноса. Например, при тонкой химической продукции, для разделения некоторых продуктов с небольшим выходом, но высокими требованиями к коррозионной устойчивости оборудования широко используются упакованные башни для экстракции.

Ограничения: Поток относительно невелик, объем обработки ограничен, и когда жидкая нагрузка низкая, направленность на направление и другие явления склонны, что влияет на эффект массового переноса. В крупномасштабном промышленном производстве, если спрос на объем обработки велик, он не сможет удовлетворить производственные требования.

(2) Башня извлечения ситовой пластины

Структурные особенности: В башне существует несколько слоев ситовых пластин, и многие мелкие отверстия распределены на пластинах сито. Например, диаметр отверстия сита, как правило, составляет от 3 до 8 мм, и конкретный размер зависит от свойств обработанных материалов и требований к процессу. ​

Рабочий процесс: Непрерывная фаза рассеивается в мелкие капли через небольшие отверстия на ситовой пластине и входит в следующий слой, и контакты с дисперсной фазой следующего слоя в противоречии для массового переноса. Дисперсная фаза течет как непрерывная фаза в башне в целом, и течет к следующему слою через онижение на башне. Например, при извлечении специфических компонентов из нефтяных продуктов непрерывные продукты проходят через ситовые отверстия в качестве непрерывной фазы, а экстрагент течет в башне в обратном направлении. ​

Преимущества: Простая структура, низкая стоимость, большая производственная мощность и сильная адаптивность к изменениям потока жидкости. В некоторых промышленных производствах со строгим контролем затрат и большим объемом обработки, такими как разделение определенного основного химического сырья, широко используются башни экстракции ситовых пластин. ​

Ограничения: Эффективность массопереноса относительно низкая, и такие проблемы, как наводнение, склонны возникать на башне, что влияет на стабильность операции экстракции. При обработке материалов с чрезвычайно высокими требованиями точности разделения он может не соответствовать требованиям процесса.

(3) Поворотная башня извлечения диска

Структурные особенности: Существует несколько дисков (вращающихся дисков) того же размера и расстояние, соединенное вращающимся валом в середине, которые вращаются с постоянной скоростью, когда вал вращается. Вращающиеся диски разделены кольцевыми дисками (фиксированные диски) того же размера и расстояние, закрепленное на стенке башни. Например, расстояние между вращающимся диском и фиксированным диском, как правило, составляет от 10 до 50 см, что корректируется в соответствии с диаметром башни и характеристиками обработанного материала. ​

Рабочий процесс: Решение с более низкой плотностью непрерывно выходит из нижней части башни, течет вверх под действием плавучести, разбивается и рассеивается на капли центробежным действием вращающегося диска. Растворитель с более высокой плотностью непрерывно выходит из верхней части башни, течет вниз под действием тяжести и заполняет всю башню. Распределенные капли передают массу через контакт в непрерывном растворителе. В качестве примера извлечение свободных жирных кислот из растительного масла, легкое фазовое растительное масло диспергируется под действием вращающегося диска и контактов и реагирует с экстрагентом тяжелой фазы. ​

Преимущества: Высокая эффективность массопередачи, большая производственная мощность, хорошая адаптивность к изменениям двухфазных скоростей потока и могут эффективно уменьшить осевое задним числом. В химической и фармацевтической промышленности, для некоторых материалов, которые требуют эффективного разделения и большого объема обработки, широко используется башня извлечения роторного диска.

Ограничения: Структура относительно сложна, потребление энергии высокое, а стоимость обслуживания оборудования относительно высока. В некоторых производственных процессах с чрезвычайно строгими требованиями к потреблению энергии, возможно, необходимо тщательно рассмотреть его применимость.

(4) Башня вибрирующей ситовой пластины

Структурные особенности: На центральной оси установлена ​​серия ситовых пластин, а центральная ось вибрируется вверх и вниз приводом привода. Частота вибрации и амплитуда ситовой пластины могут быть отрегулированы в соответствии с требованиями процесса. Общая частота вибрации находится между 1-10 Гц, а амплитуда находится в диапазоне 3-50 мм.

Рабочий процесс: Непрерывная фаза и дисперсная фаза проходят через ситовую пластину в противоречии. Вибрация ситовой пластины заставляет жидкость постоянно рассеиваться и агрегировать, значительно усиливая массоперенос между двумя фазами. Например, при извлечении редкоземельных элементов из выщелачивания редкоземельной руды вибрация ситовой пластины способствует полному смешиванию и массовому переносу экстрагента и выщелачивающего средства.

Преимущества: Высокая эффективность массопередачи, большая способность обработки, хорошее влияние на низкую концентрацию и систему разделения высокой сложности и может эффективно снизить осевое смешивание спины. В полях редкоземельной экстракции, тонких химических веществ и т. Д. Для извлечения некоторых трудных веществ, вибрирующая тарелка сито обладает уникальными преимуществами. ​

Ограничения: Структура оборудования относительно сложна, а требования к производству и установке оборудования высоки. Вибрирующие детали легко повредить и трудно поддерживать. Во время работы оборудования вибрирующие части необходимо регулярно проверять и поддерживать, что увеличивает эксплуатационные расходы. ​

(5) многоэтапная центробежная башня извлечения

Структурные особенности: Он состоит из нескольких центробежных извлечений, подключенных последовательно, каждый блок имеет высокоскоростный вращающийся ротор. Скорость ротора обычно составляет от 1000 до 5000r/мин и может быть отрегулирована в соответствии с свойствами материала и требованиями к разделению. ​

Рабочий процесс: Двухфазная жидкость быстро смешивается и разделяется при центробежной силе, генерируемой высокоскоростным вращением ротора. Более тяжелая фаза бросается на внешний край ротора, а более легкая фаза собирается в центр, а затем разряжается через разные розетки. Например, при извлечении антибиотиков из биологического ферментационного бульона центробежная сила используется для достижения быстрого и эффективного разделения.

Преимущества: Эффективность экстракции чрезвычайно высока, и эффективное разделение может быть достигнуто за короткое время. Оборудование занимает небольшую площадь и подходит для систем обработки с небольшой разницей в плотности между двумя фазами и легким эмульгированием. В таких отраслях, как биофармацевтические препараты и защита окружающей среды, которые имеют высокие пространственные требования и специальные свойства материала, многоэтапные центробежные башни извлечения имеют широкие перспективы применения. ​

Ограничения: Инвестиции в оборудование велики, потребление энергии высокое, а требования к эксплуатации и обслуживанию оборудования строги, что требует от профессиональных техников. Из-за высокой стоимости оборудования и эксплуатационных расходов он может не подходить для некоторых мелких предприятий с ограниченными средствами.

Сравнение производительности различных типов башен экстракции:

Тип извлечения башни	Эффективность массопереноса	Производственные мощности	Структурная сложность	Потребление энергии	Применимые сценарии
Упакованная башня извлечения	Выше	Меньше	Простой	Ниже	Небольшое производство, коррозионные материалы
Столба	Ниже	Более крупный	Простой	Ниже	Большая пропускная способность обработки, требования низкой точности разделения
Вращающаяся башня извлечения диска	Высокий	Более крупный	Более сложный	Выше	Большая пропускная способность, эффективное разделение
Вибрирующая экрана башня	Высокий	Большой	Более сложный	Выше	Трудно разделить системы, материалы с высокой концентрацией
Многоступенчатая центробежная башня извлечения	Очень высоко	Большой	Сложный	Высокий	Специальные материалы, ограниченное пространство

3. Широкие области применения

(1) Химическая промышленность

Органический синтез: В процессе органического синтеза часто необходимо разделить и очистить продукты реакции. Например, в процессе синтезирования промежуточных продуктов лекарственного средства целевой продукт может быть извлечен из реакционной смеси с помощью башни экстракции растворителя, можно удалить примеси, а чистоту продукта можно улучшить. Например, при приготовлении промежуточных соединений ацетаминофена целевой продукт может быть разделен с помощью экстракционной башни, чтобы обеспечить сырье высокой чистоты для последующих этапов синтеза. ​

Производство полимера: При производстве полимеров башни экстракции растворителя используются для удаления примесей, таких как остаточные мономеры и катализаторы в полимерных растворах. В качестве примера принимая производство полипропилена, непрореагировавшие пропиленовые мономеры и остатки катализатора могут быть эффективно удалены путем экстракционных башен для улучшения качества полипропиленовых продуктов. ​

(2) Нефтяное переработка

Рафинирование масла: В процессе переработки нефти, чтобы улучшить качество нефтяных продуктов, необходимо удалить примеси, такие как серы и азот, и нежелательные компоненты, такие как ароматика в нефтяных продуктах. Башни извлечения растворителя могут использовать специфические экстрагенты для извлечения этих примесей из нефтяных продуктов. Например, при переработке дизельного топлива технология экстракции жидкости жидкости используется для удаления примесей, таких как меркаптаны в дизеле, через башню экстракции, тем самым снижая содержание серы в дизельном топливе и улучшая качественный уровень дизельного топлива. ​

Ароматическое извлечение: Отделение и очищение ароматики от нефтяных фракций является важной частью нефтехимических веществ. Башни извлечения растворителя играют ключевую роль в процессе ароматической экстракции и могут эффективно отделять ароматику от неароматики, обеспечивая сырье для последующей ароматической обработки. Например, при извлечении ароматики, таких как бензол, толуол и ксилол из реформированного бензина, можно получить ароматические продукты высокой чистоты, выбрав подходящие экстрагенты и башни экстракции. ​

(3) Гидрометаллургия

Извлечение металла: В области гидрометаллургии башни экстракции растворителя используются для извлечения металлов из руды. Например, для извлечения медь из выщелачивания медной руды выбирается экстрагент с высокой селективностью для ионов меди, и с ним противостоятельно связаны с выщелачиванием в вытягивающей башне, чтобы перенести ионы меди из выщелачивания в экстрактант. Затем, благодаря последующим операциям, таким как экстракция спины, достигается обогащение меди и очистка меди.

Редкое отделение металла: Для разделения редких металлов, таких как отделение различных редкоземельных элементов от выщелачивания редкоземельной руды, башня извлечения растворителя использует разницу в коэффициентах распределения различных редкоземельных элементов в экстрагенте для достижения разделения множественных редкоземельных элементов, один за другим, что обеспечивает ключевую техническую поддержку для полного использования редкоземельных ресурсов. ​

(4) защита окружающей среды

Очистка сточных вод: При очистке промышленных сточных вод башни экстракции растворителя могут использоваться для удаления вредных веществ в сточных водах, таких как ионы тяжелых металлов, фенолы, органические кислоты и т. Д. Например, при обработке фенолсодержащих сточных вод фенольные вещества вытягиваются из сточных вод через экстракционную башню, чтобы уменьшить содержание фенола в сточных водах, чтобы соответствовать стандартам излучения. В то же время фенольные вещества также могут быть переработаны для достижения переработки ресурсов. ​

Обработка отходов газа: В некоторых случаях башни экстракции растворителя также могут использоваться для обработки определенных загрязнителей в отходе газа. Передавая отходный газ в башню добычи, содержащую определенного экстрагента, загрязняющие вещества в отходе газа растворяются в экстрагенте, тем самым достигая цели очистки отходов. Например, при обработке газа органических отходов выбирается подходящий органический растворитель в качестве экстрагента для очистки газа органических отходов в вытягивающей башне.

(5) Индустрия пищевых продуктов и напитков

Извлечение натурального продукта: В продовольственной и пищевой промышленности башни экстракции растворителя используются для извлечения активных ингредиентов из натурального сырья. Например, чайные полифенолы могут быть извлечены из чайных листьев с помощью подходящего экстрагента в вытягивающей башне для извлечения чайных экстрактов. Полифенолы с высокой точностью могут быть получены и использовать в пищевых добавках, продуктах для здоровья и других областях.

Разделение вкуса: В производстве напитков, чтобы получить уникальный аромат, необходимо отделить и извлекать вкусовые вещества из натуральных специй или бронн. Башни извлечения растворителя могут использовать характеристики распределения вкусовых веществ в различных растворителях для достижения разделения и обогащения вкусовых веществ, добавляя уникальный вкус в продукты для напитков.

4. Значительные преимущества полностью продемонстрированы

(1) Эффективное разделение

Посредством оптимизированной конструкции и выбора соответствующих рабочих условий башни извлечения растворителя могут использовать разницу в коэффициентах распределения между двумя фазами для достижения эффективного разделения целевых компонентов в смеси. Для некоторых систем смесей, которые трудно разделить другими методами, такими как вещества с одинаковыми точками кипения и чувствительными к тепло, башни извлечения растворителя имеют уникальные преимущества. Например, при отделении активных ингредиентов от китайских экстрактов травяной медицины традиционные методы, такие как дистилляция, могут привести к разложению активных ингредиентов из -за высоких температур, в то время как башни экстракции растворителя могут достичь эффективного разделения в мягких условиях. ​

(2) Сильная адаптивность

Башни извлечения растворителя подходят для различных химических систем и условий работы. Независимо от того, имеют ли дело с растворителями различных свойств (таких как полярные растворители и неполярные растворители) или в различных диапазонах температуры и средах давления, можно достичь хороших эффектов экстракции путем регулировки структуры оборудования и рабочих параметров. В химическом производстве, для некоторых систем с суровыми условиями реакции, башни извлечения растворителя могут гибко адаптироваться для удовлетворения потребностей в производстве. ​

(3) Непрерывная работа

Многие типы башни для извлечения растворителей поддерживают непрерывное кормление и разгрузку, что очень подходит для крупномасштабных промышленных производственных процессов. Непрерывная эксплуатация может не только повысить эффективность производства, но и снизить потребление энергии и затраты на производство на единицу продукта. По сравнению с прерывистой работой, непрерывная работа уменьшает количество запуска и остановки оборудования, увеличивает срок службы оборудования и в то же время делает качество продукта более стабильным. Например, в крупномасштабном промышленном производстве, таком как нефтеперерабатывающие нефти и производство химического сырья, широко используются башни из добычи непрерывно.

(4) высокая гибкость

Конструкция башни извлечения растворителя позволяет регулировать различные рабочие параметры, такие как скорость потока, соотношение растворителя, температура, давление и т. Д., Чтобы соответствовать различным задачам разделения. Изменив эти параметры, процесс извлечения может быть оптимизирован, а скорость извлечения и чистота целевого компонента можно улучшить. Кроме того, многоэтапная конфигурация извлечения может дополнительно улучшить эффект разделения и удовлетворить требования точности разделения для различных процессов. В фактическом производстве эксплуатационные параметры и количество стадий башни извлечения могут гибко скорректироваться в зависимости от состава сырья и требований к качеству продукта.

(5) Легкое обслуживание

Дизайн современных башни для извлечения растворителей полностью учитывает простоту очистки и обслуживания оборудования. Например, использование съемной упаковочной или конструкции башни позволяет легко чистить и заменить оборудование после того, как оно работает в течение определенного периода времени, снижая время простоя и затраты на техническое обслуживание оборудования. В то же время оборудование оснащено различными инструментами мониторинга и автоматическими системами управления, которые могут отслеживать рабочее состояние оборудования в режиме реального времени, своевременно определять и решать потенциальные проблемы и обеспечить стабильную работу оборудования.

5. Соображения по проектированию и эксплуатации

(1) Ключевые моменты дизайна

Определение размера башни: Высота и диаметр корпуса башни должны быть точно рассчитаны на основе объема обработки, условий работы и требуемой эффективности разделения. Когда объем обработки велик, для удовлетворения требований к потоку обычно требуется более крупный корпус диаметра; В то время как для ситуаций, когда разделение сложно и требуется более высокое теоретическое число плиты, высота тела башни необходимо увеличить. Например, в крупномасштабных проектах по переработке нефти размер вытягивающей башни точно спроектирован на основе объема обработки сырой нефти и требований к разделению нефти. ​

Выбор внутренней структуры: В соответствии с свойствами материала и требованиями к процессу разумно отображается внутренняя структура, такая как тип упаковки, апертура ситовой пластины, размер поворота и расстояние между материалами и т. Д. Для материалов, которые легко эмульгируют, может быть выбрана упаковка с простой структурой, которая нелегко вызвать засорение; Для систем с большими объемами обработки и высокой эффективностью массопереноса можно использовать структуру поворота извлечения. В тонкой химической продукции внутренняя структура башни экстракции тщательно спроектирована в соответствии с характеристиками различных продуктов. ​

Выбор материала: Учитывая такие факторы, как коррозионность, температура и давление материала, выберите соответствующий корпус башни и материалы внутренних компонентов. При работе с высоко коррозионными материалами, такими как кислотные растворы выщелачивания в гидрометаллургии, устойчивая к коррозии нержавеющей стали или специальные сплавные материалы, обычно используются для производства вытягивающей башни для обеспечения срока службы и безопасной работы оборудования. ​

(2) Оптимизация рабочих параметров

Управление скоростью потока: Точное управление скоростями потока непрерывной фазы и дисперсной фазы является ключом к обеспечению полного контакта между двумя фазами и избежанием аномальных условий, таких как наводнение. Слишком быстрый скорость потока сжимает время контакта между двумя фазами, что приведет к значительному снижению эффективности массового переноса; Слишком медленная скорость потока снизит эффективность производства и увеличит затраты на энергопотребление. В фактических промышленных операциях необходимо динамически оптимизировать двухфазной скорость потока на основе нагрузки в реальном времени и эффекта разделения башни извлечения через автоматизированную систему управления, состоящую из измерителя потока и регулирующего клапана. Например, в линии тонкой химической производства скорость потока контролируется и корректируется в режиме реального времени через ПЛК (программируемый логический контроллер), чтобы обеспечить эффективный и стабильный процесс массопереноса. ​

Регламент температуры и давления: Параметры температуры и давления системы экстракции напрямую влияют на коэффициент растворимости и распределения вещества и являются основными переменными, которые определяют эффективность экстракции. Изменения температуры не только изменят равновесие распределения растворенных веществ в двух фазах, но также могут повлиять на стабильность целевого продукта; Регуляция давления играет решающую роль в процессе экстракции летучих веществ. В процессе экстракции термочувствительных биологически активных веществ обычно используется низкая температура и низкое давление, а оборудование для контроля температуры и высокое управление температурой оснащено для контроля колебаний температуры в диапазоне ± 0,5 ℃ для обеспечения активности и выхода целевых компонентов.
​
Оптимизация соотношения растворителя: В соответствии с характеристиками состава сырья и требований к чистоте целевых продуктов научно корректировать соотношение извлечения растворителя к сырью является важной связью в достижении экономического и эффективного производства. Если коэффициент растворителя слишком велик, это приведет к тому, что он вызовет отходы растворителя и увеличит последующие затраты на восстановление; Если соотношение растворителя слишком мало, это может привести к неполной экстракции и повлиять на качество продукта. В современном промышленном производстве часто используется программное обеспечение для моделирования процессов, такое как ASPEN, в сочетании с лабораторными тестовыми данными, создается динамическая математическая модель для оптимизации соотношения растворителя для различных партий сырья. Принимая фармацевтическую промышленность в качестве примера, благодаря технологии онлайн-анализа в ближней инфракрасной спектроскопии, изменения в составе сырья можно контролировать в режиме реального времени, а соотношение растворителя может быть динамически скорректировано с целью повышения чистоты продукта на 10-15%при одновременном снижении потребления растворителя более чем на 20%.