專利名稱：液體-液體萃取單元、多級萃取設備及多級連續萃取系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種液體-液體萃取單元，該液體-液體萃取單元適于使水相與有機相接觸，將它們分離，以及從被分離的水相和/或有機相中回收所需的萃取物，更具體地說，涉及:一種液體-液體萃取單元，適于萃取和分離稀土元素，所述稀土元素特別是包括釔的稀土元素和輕稀土元素(La、Ce、Pr、Nd、Sm以及Eu);使用該單元的一種多級液體-液體萃取設備和一種多級連續萃取系統。
背景技術：
現今，由Nd磁體代表的稀土磁體廣泛地用在馬達、傳感器中，并且廣泛地用于安裝在硬盤驅動器、空調器、混合動力汽車等等中的其它零件中。
在稀土磁體中使用的典型稀土元素包括鈰(Ce )、鐠(Pr )、釹(Nd )、釤(Sm)、鋱(Tb )及鏑(Dy)。對于這些稀土元素的分離而言，已知的是離子交換樹脂(或固體-液體萃取)法和溶劑萃取(或液體-液體萃取)法。溶劑萃取法常常用在稀土元素的工業分離和凈化中，因為該方法由于連續步驟而能夠進行高效大規模處理。在溶劑萃取法中，使包括水溶液(該水溶液包含待分離的金屬元素)的水相與包括萃取劑(該萃取劑用來萃取感興趣的金屬元素)和有機溶劑(該有機溶劑用來稀釋萃取劑)的有機相接觸。然后感興趣的金屬元素用萃取劑萃取到有機相中以便分離。
在本技術領域中已知的、由溶劑萃取(或液體-液體萃取)法供萃取稀土元素使用的萃取設備包括多級連續萃取系統，該多級連續萃取系統包括多個混合澄清器，如圖5所示(見專利文件1、2及3)。在圖5中示出的是:萃取段A，用來將來自水相的選定稀土元素萃取到有機相中；洗滌段B，用來洗滌有機相；以及反萃取段C，用來將已被萃取在有機相中的稀土元素反萃取到水相中，以便回收。箭頭I至9指示水相、有機相以及試劑進出混合澄清器的管線和流動。
含有稀土元素的水相從管線1、含有萃取劑的有機相從管線2、堿性水溶液從管線3分別進給到萃取段A的混合澄清器中，在該處，水相和有機相被混合、靜止保持以及它們被再次分離的步驟按多級重復，借此將感興趣的稀土元素從水相萃取到有機相中，該有機相進給到洗滌段B。水相經管線5排出，并且保持在水相中而未被萃取到有機相中的稀土元素從這個水相中回收。堿性水溶液從管線3進給，用來調整平衡酸濃度。
在洗滌段B中，酸性水溶液從管線4作為水相進給到混合澄清器中，在該處，酸性水溶液(水相)4與有機相(該有機相中具有在萃取段A中萃取的稀土元素)被混合、靜止保持以及它們被再次分離的步驟按多級重復。有機相2被洗滌或清洗，因為只有稀土元素-它包含在有機相2中并且應該基本上保持在萃取段A中的水相中，被選擇性地萃取到酸性水溶液(水相)4中，在這之后，將有機相2輸送到反萃取段C。另一方面，酸性水溶液(水相)經線路9排出，并且送回萃取段A，該酸性水溶液(水相)僅具有稀土元素，該稀土元素應該基本上保持在萃取段A中的水相中，在其中被選擇性地萃取。值得注意的是，酸性水溶液4被調整到一種酸濃度，使得只有按小量溶解在有機相2中并且應該保持在水相中的稀土元素可以被選擇性地萃取。
在反萃取段C中，為了萃取感興趣的稀土元素而被調整到足夠濃度的酸性水溶液從管線6作為水相進給到混合澄清器，在該處，酸性水溶液(或水相)6與在洗滌段B中洗滌的有機相2相混合、靜止保持以及它們被再次分離的步驟按多級重復，借此將在機相2中包含的感興趣的稀土元素反萃取到酸性水溶液(水相)6中，該酸性水溶液(水相)6經管線7排出。感興趣的稀土元素從這種酸性水溶液(水相)7中被回收。另一方面，已經通過反萃取從中除去稀土元素的有機相2從反萃取段C排出，并且經管線8送回萃取段A以便循環。
在現有技術中，混合澄清器用來建造多級連續萃取系統的萃取段A、洗滌段B以及反萃取段C中的每一個。例如，通常使用圖6所示的布置的混合澄清器。
如圖6所示，混合澄清器包括流體連通地相連接的多個液體-液體萃取單元k，每個單元具有一個混合腔室f (該混合腔室f中安裝有螺旋槳e)和串聯連接的四個澄清腔室g至j。在圖6的實施例中，四個液體-液體萃取單元k按四級連接。采用這種混合澄清器，萃取操作按如下過程進行。水相流動由實線箭頭描繪，而有機相流動由虛線箭頭描繪。在混合腔室f中的水相和有機相由轉動的螺旋槳e攪拌和混合，然后流入澄清腔室g，在該處它們駐留一定時間，也就是說，混合物保持基本靜止，繼而再次逐漸分離成水相和有機相。這些水相和有機相依次地并且適度地從澄清腔室g傳送到j，同時在水相和有機相之間的分離繼續進行。在最后的澄清器j中，有機相和水相分離，并且排出，隨后它們流到后續級的液體-液體萃取單元k的混合腔室f中。類似操作在多個級(在圖6中的四個級)中重復。如在圖6中由實線箭頭(水相)和虛線箭頭(有機相)所示的那樣，水相和有機相按逆流方式流動，由此提聞在水相和有機相之間的萃取傳送率，并且實現聞萃取率。
使用這樣的混合澄清器的多級連續萃取系統，實現超過99%的非常高的分離效率，能夠以非常高的效率實現稀土元素的分離和回收。在使用單-2-乙基己基2-乙基己基憐酸酯(Daihachi Chemical Industry C0., Ltd.的 PC-88A)分離和回收鐠(Pr)和欽(Nd)的例子中，系統應該包括32級的萃取段A、32級的洗滌段B以及8級的反萃取段C，總共72級。就是說，將液體-液體萃取單元k (這些液體-液體萃取單元k各具有五個腔室:一個混合腔室f、和四個澄清腔室g至j)按總共72級連接，以建造成多級連續萃取系統。
結果，用來分離和萃取稀土元素的多級連續萃取系統成為規模非常大的裝備，需要非常大的占地面積。為了填充系統的全部腔室，需要體積非常大的液體。因而，減小系統的尺寸，對于降低成本將具有重大貢獻。希望的是，減小系統的尺寸，而不對分離效率造成任何損失。
引用清單
專利文件I JP-A2011-001583
專利文件2 JP-A2011-001584
專利文件3 JP-A2011-001586
專利文件4:JP-A2008-289975發明內容
本發明的目的是提供一種液體-液體萃取單元、一種使用所述單元的多級液體-液體萃取設備以及一種包括多個所述多級液體-液體萃取設備的多級連續萃取系統，該液體-液體萃取單元尺寸能被減小，而不犧牲稀土元素的萃取和分離效率。
本發明人已經發現如下情況。通過將水相和有機相進給到箱中、使它們接觸、將它們分離以及從被分離的水相和/或有機相回收所需的萃取物，而進行液體-液體萃取。氣泡形式的水相從箱的上部部分進入到箱中，并且氣泡形式的有機相從箱的下部部分進入到箱中。從箱的下部內部向上部內部運動的有機相，與從箱的上部內部向下部內部運動的水相接觸,用來在水相和有機相之間傳送所需的物質。有機相從箱的上部內部排出，并且水相從箱的下部內部排出。所需的萃取物從排出的有機相和/或水相中回收。當起泡水相和起泡有機相豎向向上和向下地交換它們的位置時，它們彼此有效地接觸，從而借助于界面反應而發生有效萃取，并且同時進行相分離(phase s印aration)。從而，可以在小體積、小面積箱中進行萃取，而無需如在混合澄清器中所需的大體積澄清腔室，并且效率沒有任何損失。
然而，在現有技術方法中——該現有技術方法中使用在萃取單元中使用的已知噴霧塔或豎向圓柱形箱，基于乳劑流動，使水相和有機相僅經豎向向上和向下運動而接觸和分離，如在專利文件4中描述的那樣——在與在上述混合澄清器中可得到的流量等效的大流量下，反應趕不上需要。因而，反應必須在小流量下進行，以便保持可接受的效率，這導致處理效率的損失。
通過繼續研究，本發明人已經發現如下情況。具有一對沿水平方向相對的側壁的萃取/分離箱設有:水相進口，在一個側壁的上部部分處；有機相進口，在一個側壁的下部部分處；有機相出口，在相對側壁的上部部分處；以及水相出口，在相對側壁的下部部分處。有機相和水相從水平的一個側壁側引入，在豎向向上和向下交換它們的位置的同時水平地運動，并且從另一個側壁側排出。在這種布置中，能夠實現與在現有技術混合澄清器中可得到的流量相當的大流量，同時能夠保持可接受的效率。與現有技術混合澄清器相比，可以顯著地減小尺寸。當建造用來萃取和分離稀土元素的多級連續萃取系統時，可以顯著地減小占地面積。可以顯著地減小萃取所需的液體體積。這些有助于大大地降低成本。本發明以這些發現為基礎。
在一個方面，本發明提供一種液體-液體萃取單元，該液體-液體萃取單元適于使水相與有機相接觸，分尚所述水相與有機相，以及從被分尚的水相和/或有機相回收所需的萃取物，該液體-液體萃取單元包括:
萃取/分離箱，其用來接納水相和有機相，具有一對沿水平方向相對的側壁，
水相進口，其布置在一個側壁的上部部分處，用來引入氣泡形式的水相，
有機相進口，其布置在一個側壁的下部部分處，用來引入氣泡形式的有機相，
有機相出口，其布置在另一個側壁的上部部分處，用來排出分離后的有機相，以及
水相出口，其布置在另一個側壁的下部部分處，用來排出分離后的水相。
氣泡形式的水相從水相進口引入到箱的上部內部，氣泡形式的有機相從有機相進口引入到箱的下部內部，從箱的下部內部向上部內部運動的有機相與從箱的上部內部向下部內部運動的水相接觸，接觸之后的有機相通過有機相出口而被排出并被回收，接觸之后的水相通過水相出口而被排出并被回收。
液體-液體萃取單元還可以包括:隔板，其布置在沿水平方向相對的側壁之間，用來將箱劃分成接觸腔室和分離/回收腔室，接觸腔室面對水相進口和有機相進口，分離/回收腔室面對有機相出口和水相出口 ；以及，布置在隔板上方或上部部分中和隔板下方或下部部分中、用來提供在接觸腔室與分離/回收腔室之間的流體連通的裝置。
在一個優選實施例中，萃取/分離箱是平行六面體箱，該平行六面體箱具有矩形底部和一對沿縱向相對的側壁，所述一對沿縱向相對的側壁作為所述一對沿水平方向相對的側壁。
在另一個方面，本發明提供一種多級液體-液體萃取設備，該多級液體-液體萃取設備包括多個以上所定義的液體-液體萃取單元，其中，一個單元的有機相出口連接到另一個單元的有機相進口，并且一個單元的水相出口連接到另一個單元的水相進口，從而接觸和分離按多級進行。
在又一個方面，本發明提供一種用來萃取稀土元素的多級連續萃取系統，該多級連續萃取系統包括:
萃取段，用來使呈水溶液形式并且包含稀土元素的水相與包含萃取劑的有機相接觸、并且將它們分離，由此將至少一種稀土元素萃取到有機相中，以及
反萃取段，用來使含有被萃取的至少一種稀土元素的有機相與呈酸性水溶液形式的水相接觸、并且將它們分離，由此將稀土元素反萃取到水相中以便回收，
其中，在反萃取之后的有機相從反萃取段排出、并且送回到萃取段以便循環，萃取段和反萃取段中的一者或兩者是以上所定義的多級液體-液體萃取設備。
優選地，在萃取之后的水相從萃取段排出并被回收，從而能夠回收保持在水相中而未被萃取到有機相中的稀土元素。
在又一個方面，本發明提供一種用來萃取稀土元素的多級連續萃取系統，該多級連續萃取系統包括:
萃取段，其用來使呈水溶液形式并且包含稀土元素的水相與包含萃取劑的有機相接觸、并且將它們分離，由此將第一稀土元素萃取到有機相中，
反萃取段，其用來使含有被萃取的稀土元素的有機相與呈酸性水溶液形式的水相接觸、并且將它們分離，由此將第一稀土元素反萃取到水相中以便回收，以及
洗滌段，其布置在萃取段與反萃取段之間，用來通過使有機相與具有預定酸濃度并且呈酸性水溶液形式的水相接觸、并且將它們分離，而洗滌從萃取段排出的有機相，由此選擇性地將偶然包含在有機相中并且應該保持在萃取段的水相中的第二稀土元素萃取到水相中，并且用來將洗滌之后的有機相輸送到反萃取段，
具有在洗滌段中從有機相萃取的第二稀土元素的水相被送回到萃取段，在反萃取之后的有機相從反萃取段排出、并且送回到萃取段以便循環；從萃取段排出的水相被回收，由此回收保持在水相中而未被萃取到有機相中的第三稀土元素；萃取段、反萃取段以及洗滌段中的至少一者是以上所定義的多級液體-液體萃取設備。
本發明的有益效果
本發明的液體-液體萃取單元具有小尺寸，并且保持足夠的萃取效率。當建造多級萃取設備和多級連續萃取系統時，可以顯著地減小占地面積，并且可以顯著地減小對于萃取所需的液體體積，該多級萃取設備包括為了流體連通連接的多個單元，在該多級連續萃取系統中，為了流體連通連接多個段，這些多個段每個包括多級萃取設備，并且分配給不同步驟。這些有助于大大地降低稀土元素的萃取和分離所需的成本。
圖1是在本發明的一個實施例中的一個例示性液體-液體萃取單元的部分剖視立體示意圖。
圖2是在本發明的一個實施例中的另一個例示性液體-液體萃取單元的部分剖視立體示意圖。
圖3是在本發明的一個實施例中的又一個例示性液體-液體萃取單元的部分剖視立體示意圖。
圖4是在本發明的另一個實施例中的用于稀土元素的萃取和分離的一個例示性多級連續萃取系統的方塊圖，該多級連續萃取系統包括液體-液體萃取單元。
圖5是用于稀土元素的萃取和分離的現有技術多級連續萃取系統的方塊圖。
圖6示意性地示出一種混合澄清器，該混合澄清器構成現有技術多級連續萃取系統。
具體實施方式
圖1示意性地示出在本發明的一個實施例中的一個例示性液體-液體萃取單元。單元包括用來接收水相和有機相的萃取/分離箱10。具體地說，箱10是平行六面體容器，該平行六面體容器具有矩形底部、敞開頂部、一對沿水平方向和縱向相對的側壁11和12以及一對沿水平方向和橫向方向相對的側壁。
箱10的一個側壁11設有在其上部部分中的水相進口 20、和在其下部部分中的有機相進口 30。水相進口 20和有機相進口 30包括突出到箱10中的噴霧嘴21和31。噴霧嘴21和31延伸穿過側壁11，并且分別連接到水相進給管線22和有機相進給管線32上。水相由泵(未示出)通過進給管線22泵送，并且經上部噴霧嘴21引入到箱10中。類似地，有機相由泵(未示出)通過進給管線32泵送，并且經下部噴霧嘴31引入到箱10中。
噴霧嘴21和31在遠側圓周表面中具有多個孔口，穿過這些孔口，水相和有機相以氣泡形式注射到箱10的內部中。當需要高注射速度時，噴霧嘴的遠側形狀優選地是錐形的(如噴霧嘴21、31在圖1和2中描繪的那樣)。噴霧嘴的遠側形狀并非僅限于錐形形狀，當希望在寬廣區域上噴出水相和有機相時，可以是喇叭口形的。
箱10的另一個側壁12設有在其上部部分中的有機相出口 40、和在其下部部分中的水相出口 50。有機相出口 40和水相出口 50包括排出端口(未示出)，這些排出端口透過側壁12，并且分別連接到有機相排出管線41和水相排出管線51上。由在有機相排出管線41中連接的泵(未示出)，將有機相從箱10的上部內部排出到有機相排出管線41。類似地，由在水相排出管線51中連接的泵(未示出)，將水相從箱10的下部內部排出到水相排出管線51。在單獨使用箱10的情況下，可以省略用來通過有機相排出管線41和水相排出管線51排出水相和有機相的泵，并且有機相和水相可以作為在重力下的流動通過有機相排出管線41和水相排出管線51排出。
盡管不是關鍵的，優選的是，有機相出口 40布置在比相對的水相進口 20稍高的位置處。如此,水相進口 20定位在液體表面下面，從而水相被注射到液體中。這保證水相更有效地起泡、并且與有機相更有效地接觸。也希望的是，進給到箱10的水相和有機相的總體積與從箱10排出的水相和有機相的總體積相等。作為防止引入和排出的平衡被臨時打破的情況的預防措施，另一個側壁12可以設有擋板或L形板70，該擋板或L形板70包圍有機相出口 40，并且有機相出口 40定位在水相進口 20下面，如圖3所示。
有時有機相進口 30設計成使得有機相可以從噴霧嘴31在向上和橫向方向上注射。優選地，有機相進口 30與底部稍微間隔開，如圖1所示，從而有機相可以從噴霧嘴31在全部豎向和橫向方向上注射。這保證有機相更有效地起泡、并且與水相更高效地接觸。
上文述及的液體-液體萃取單元用來萃取和分離例如稀土元素。包含稀土元素的水相從水相進口 20以氣泡形式引入到箱10的上部內部中。包含萃取劑的有機相從有機相進口 30以氣泡形式引入到箱10的下部內部中。有機相和水相一旦引入，就從箱10的一個側壁側到相對側壁側水平地(或縱向地)運動，同時將它們的位置向上和向下交換。由于比重的差別，水相從上面向下運動，而有機相從下面向上運動。在有機相和水相將它們的位置向上和向下交換的同時，它們有效地相互接觸，借此將選定的稀土元素從水相萃取到有機相中。在有機相和水相適度地向箱10的相對側壁12運動的同時，有機相和水相向上和向下分離。有機相(該有機相具有萃取在其中的選定稀土元素)從有機相出口 40排出，而水相從水相出口 50排出。如果水相包含多種稀土元素-這些多種稀土元素的至少一種不可由有機相萃取，那么不可萃取的稀土元素留在水相中，并且從水相出口 50排出。
在另一個實施例中，液體-液體萃取單元包括隔板60，該隔板60布置在萃取/分離箱10中的水平方向(或縱向)的中間位置處，如圖2所示。隔板60將箱10的內部劃分成接觸腔室13和分離/回收腔室14，該接觸腔室13包括水相進口 20和有機相進口 30，該分離/回收腔室14包括有機相出口 40和水相出口 50。為了對于在底部附近的水相的連通，隔板60的下邊緣與箱10的底部之間留有空隙。隔板60的高度也比箱10的側壁低，從而有機相可以跨過隔板60從接觸腔室13流到分離/回收腔室14。隔板60的上邊緣優選地在與水相進口 20的噴霧嘴21相同或比其稍高的位置處，并且也優選地在比有機相出口 40的排出端口稍低的位置處。
在設有隔板60以將箱10的內部劃分成接觸腔室13和分離/回收腔室14的實施例中，可以獲得更高的萃取/分離效率。具體地說，在水相和有機相從噴霧嘴21和31射出后，隔板60阻擋它們，并且防止它們直接向出口 40和50運動；在接觸腔室13中，水相和有機相將它們的位置向下和向上交換，使萃取反應發生；水相經在底部附近的最下部空隙運動到分離/回收腔室14中，而有機相溢過隔板60的頂部，到達分離/回收腔室14中。在分離/回收腔室14中，在水相和有機相之間發生進一步的分離運動，而來自噴嘴21和31的射流的影響基本上由隔板60消除。因而能夠獲得很高的萃取/分離效率。
隔板60的位置不被具體地限制，并且依據箱10的體積、水平長度及高度、水相和有機相的流量等而確定。在萃取/分離箱10具有如圖1和2所示的矩形底部的情況下，隔板60優選地布置在箱10的底部的縱向中心與一個側壁(液體進口側)之間的任何位置處，從而分離/回收腔室14具有的體積可以等于或大于接觸腔室13的體積。這樣，呈現幾乎靜止狀態的分離/回收腔室14，使得駐留時間更長，從而實現在水相和有機相之間的更有效的分離。
注意，盡管在圖1和2的實施例中用噴霧嘴21和31來以氣泡形式射出水相和有機相，但可以使用將水相和有機相的氣泡引入到箱10中的任何裝置來代替噴霧嘴。而且，盡管在圖2的實施例中為了流體連通，在隔板60下面和上面設置空隙，但可以接受的是，隔板60從箱10的頂部到底部延伸，并且在其下部和上部部分中開孔有用于流體連通的孔口。此外，箱10的形狀不限于圖1和2。任何箱形狀都是可接受的，只要液體相就像噴霧塔那樣豎向地上下運動，或者水相和有機相豎向地上下運動和水平地運動，借此在上部和下部部分處從一個側壁側引入的水相和有機相，從在顛倒(下部和上部)位置處的相對側壁側排出。
在本發明的一個實施例中的液體-液體萃取單元可以用來建造多級液體-液體萃取設備。設有多個液體-液體萃取單元,這些多個液體-液體萃取單元這樣連接，從而一個單元的有機相排出管線41連接到另一個單元的有機相進給管線32上，并且一個單元的水相排出管線51連接到另一個單元的水相進給管線22上。然后按多級進行萃取操作。當將在水相中的稀土元素萃取到有機相中的步驟、洗滌有機相的步驟以及為了回收從有機相反萃取稀土元素的步驟連續地進行時，萃取段、洗滌段及反萃取段中的至少一者(一者、兩者或全部)，可以是包括多個液體-液體萃取單元的多級液體-液體萃取設備。
如上文述及的那樣，在本發明的一個實施例中的液體-液體萃取單元包括萃取/分離箱10、在一個側壁的上部部分中的水相進口 20、在一個側壁的下部部分中的有機相進口 30、在相對側壁的上部部分中的有機相出口 40以及在相對側壁的下部部分中的水相出口 50，其中，有機相和水相以氣泡形式從一個側壁引入，水平地(或縱向地)運動，同時將它們的位置向上和向下交換，繼而從相對側壁排出。在起泡水相和起泡有機相將它們的位置向上和向下交換的同時，在它們之間發生有效的相互接觸。然后由于界面反應而發生有效萃取，并且同時進行相分離。萃取和分離操作可在小體積和小面積中進行，而沒有效率損失，并且無需如在現有技術混合澄清器中所需的大體積澄清腔室。
在本發明的液體-液體萃取單元中，不僅有機相和水相將它們的位置向上和向下交換，并且在它們排出之前，它們也豎向和水平地運動。單元保持可接受的效率，并且實現與在現有技術混合澄清器中的流量相當的大流量。單元的尺寸與現有技術混合澄清器相比顯著地減小。當建造多級萃取設備(該多級萃取設備包括多個單元)和多級連續萃取系統(在該多級連續萃取系統中，為了流體連通而連接多個多級萃取設備)時，可以顯著地減小占地面積，并且可以顯著地減小萃取所需的液體體積。這些有助于大大地降低稀土元素的萃取和分離所需的成本。
例子
下面給出的本發明的例子僅僅用以例示，并非作為限制。
比較例
如圖5和6所示的現有技術多級逆流混合澄清器用來進行稀土元素(鐠和釹)的萃取和分離。
圖5的多級逆流混合澄清系統包括32級的萃取段A、32級的洗滌段B以及8級的反萃取段C。一級由圖6的混合澄清器建造，在該混合澄清器中，混合腔室f的尺寸設定成80_ (W) X80mm (D) X200mm (H),包括四個腔室g至j的澄清器的尺寸設定成320_(W) X 80mm (D) X 200mm (H)，并且因而一級的尺寸設定成 400mm (W) X 80mm (D) X 200mm(H)。具有連接的32級的萃取段A，與具有連接的32級的洗滌段B相結合，以建造64
級的萃取段加洗漆段A+B,它的尺寸設定成400mmX 5120mmX 200mm (H)。填充萃取段加洗漆段A+B所需的液體體積是328L。
溶液通過將萃取劑PC-88A (單_2_乙基己基2_乙基己基磷酸酯)按0.5mol/L的濃度溶解在煤油中而制備，并且用作有機相。制備混合水溶液1000L，并且用作水相，該混合水溶液按1:1的摩爾比值Pr:Nd和Pr+Nd的0.lmol/L的濃度包含鐠和釹。
在圖5中，來自管線I的水相按6L/hr的流量進給，來自管線2的有機相按19L/hr的流量進給，而來自管線3的4mol/L氫氧化鈉水溶液按1.5L/hr的流量進給到萃取段A，在該處，在水相中的釹被萃取到有機相中。有機相被進給到洗滌段B，同時水相通過管線5按8.4L/hr的流量排出，并被回收。在洗滌段B中，來自管線4的5.5mol/L鹽酸水溶液按0.9L/hr的流量作為水相進給，借此洗滌有機相2，因為鐠(它包含在有機相中，并且它應該基本上保持在萃取段A中的水相中)被選擇性地萃取到鹽酸溶液(水相)4中。有機相2進給到反萃取段C。另一方面，將鹽酸溶液(水相)通過管線9排出，并且送回管線1，該鹽酸溶液(水相)中具有選擇性地萃取的鐠(以保持在萃取段A中的水相中)。接下來，來自管線6的5.5mol/L鹽酸水溶液按1.2L/hr的流量作為水相進給到反萃取段C，在該處，將釹從有機相中反萃取到鹽酸水溶液(水相)，該鹽酸水溶液(水相)通過管線7按1.2L/hr的流量排出，并被回收。另一方面，有機相從反萃取段C通過管線8排出，并且送回萃取段A，完成循環。從萃取段A到反萃取段C的萃取和分離操作在溫度35°C的環境下進行。
在萃取和分離操作之后，由ICP原子發射光譜儀測量在從管線5回收的水相和從管線7回收的鹽酸溶液中鐠和釹的濃度。從管線7回收的鹽酸溶液具有0.03mol/L的釹濃度、和99.5%的釹純度(Nd/(Pr+Nd))。從管線5回收的水相具有0.03mol/L的鐠濃度、和99.5% 的鐠純度(Pr/ (Pr+Nd))。
例子
如圖4所示地建造多級連續萃取系統。系統結構與在比較例中在圖5中的相同，不同之處在于，使用如圖2所示的液體-液體萃取單元建造萃取段A和洗滌段B，并且將堿混合段D布置在萃取段A的上游，該堿混合段D用來將氫氧化鈉水溶液3與有機相2相混合。如在比較例中那樣，使用混合澄清器建造8級的反萃取段C。堿混合段D是容器，該容器的尺寸設定成80mmX 80mmX 200mm,并且裝有螺旋槳，其中，在液體排出或進給到萃取段A之前，來自管線3的氫氧化鈉水溶液與有機相2均勻地混合。
在圖2中所示的液體-液體萃取單元的尺寸設定成120mm (W)X80mm (D)X 200mm(H)。5mmX80mmX 170mm (H)的隔板60布置在離一個側壁60mm的距離處，并且與底部間隔開5mm，以將箱10劃分成體積大致相同的接觸腔室13和分離/回收腔室14。噴霧嘴21和31都是具有封閉末端的錐形管，該錐形管具有在其圓周表面上開孔的30個孔口(直徑lmm)0通過連接32個液體-液體萃取單元而建造32級的萃取段A,并且通過連接32個液體-液體萃取單元而建造32級的洗滌段B。
由多級液體-液體萃取設備建造的萃取段A-該多級液體-液體萃取設備包括連接的32個液體-液體萃取單元，與由多級液體-液體萃取設備建造的洗滌段B-該多級液體-液體萃取設備包括連接的32個液體-液體萃取單元,相結合，以建造64級的萃取段加洗滌段A+B，它的尺寸設定成120mmX5120mmX200mm (H)。這個萃取段加洗滌段A+B的占地面積是比較例的3/10。填充萃取段加洗滌段A+B所需的液體體積是98L。所需的液體體積也是比較例的3/10。
接下來，使用圖4的多級連續萃取系統，如在比較例中那樣進行鐠和釹的萃取和分離。由于從管線進給的溶液和引入和排出流量與比較例相同，所以在圖4中使用與比較例(圖5)相同的附圖標記，并且省略對于萃取/分離操作的描述。
由ICP原子發射光譜儀測量在從管線5回收的水相和從管線7回收的鹽酸溶液中鐠和釹的濃度。從管線7回收的鹽酸溶液具有0.03mol/L的釹濃度、和99.5%的釹純度(Nd/(Pr+Nd))。從管線5回收的水相具有0.03mol/L的鐠濃度、和99.6%的鐠純度(Pr/(Pr+Nd))。業已證實，與比較例相等的分離和萃取率是可得到的。
已經證明，使用本發明的液體-液體萃取單元，可以減小多級液體-液體萃取設備和系統的尺寸，同時保持滿意的萃取效率。可以顯著地減小占地面積。可以顯著地減小過程所需的液體體積。可以顯著地降低稀土元素的萃取和分離所需的成本。
權利要求
1.一種液體-液體萃取單元，適于使水相與有機相接觸、分離所述水相與有機相以及從被分離的水相和/或有機相回收所需的萃取物，該液體-液體萃取單元包括: 萃取/分離箱，其用來接納水相和有機相，具有一對沿水平方向相對的側壁， 水相進口，其布置在一個側壁的上部部分處，用來引入氣泡形式的水相， 有機相進口，其布置在一個側壁的下部部分處，用來引入氣泡形式的有機相， 有機相出口，其布置在另一個側壁的上部部分處，用來排出分離后的有機相，以及 水相出口，其布置在另一個側壁的下部部分處，用來排出分離后的水相， 其中，氣泡形式的水相從所述水相進口引入到所述箱的上部內部，氣泡形式的有機相從所述有機相進口弓I入到所述箱的下部內部， 從所述箱的所述下部內部向所述上部內部運動的有機相與從所述箱的所述上部內部向所述下部內部運動的水相接觸， 接觸之后的有機相通過所述有機相出口而被排出并被回收，接觸之后的水相通過所述水相出口而被排出并被回收。
2.如權利要求1所述的單元，還包括: 隔板，其布置在所述沿水平方向相對的側壁之間，用來將所述箱劃分成接觸腔室和分離/回收腔室，所述接觸腔室面對所述水相進口和所述有機相進口，所述分離/回收腔室面對所述有機相出口和所述水相出口，以及 布置在所述隔板上方或上部部分中和所述隔板下方或下部部分中、用來提供在所述接觸腔室與所述分離/回收腔室之間的流體連通的裝置。
3.如權利要求1所述的單元，其中，所述萃取/分離箱是平行六面體箱，該平行六面體箱具有矩形底部和一對沿縱向相對的側壁，所述一對沿縱向相對的側壁作為所述一對沿水平方向相對的側壁。
4.一種多級液體-液體萃取設備，包括多個如權利要求1所述的液體-液體萃取單元，其中，一個單元的有機相出口連接到另一個單元的有機相進口，并且一個單元的水相出口連接到另一個單元的水相進口，從而接觸和分離按多級進行。
5.一種用來萃取稀土元素的多級連續萃取系統，包括: 萃取段，用來使呈水溶液形式并且包含稀土元素的水相與包含萃取劑的有機相接觸、并且將它們分離，由此將至少一種稀土元素萃取到有機相中，以及 反萃取段，用來使含有被萃取的至少一種稀土元素的有機相與呈酸性水溶液形式的水相接觸、并且將它們分離，由此將稀土元素反萃取到水相中以便回收， 其中，在反萃取之后的有機相從所述反萃取段排出、并且送回到所述萃取段以便循環，所述萃取段和所述反萃取段中的一者或兩者是如權利要求4所述的多級液體-液體萃取設備。
6.如權利要求5所述的系統，其中，在萃取之后的水相從所述萃取段排出并被回收，從而能夠回收保持在水相中而未被萃取到有機相中的稀土元素。
7.一種用來萃取稀土元素的多級連續萃取系統，包括: 萃取段，其用來使呈水溶液形式并且包含稀土元素的水相與包含萃取劑的有機相接觸、并且將它們分離，由此將第一稀土元素萃取到所述有機相中， 反萃取段，其用來使含有被萃取的稀土元素的有機相與呈酸性水溶液形式的水相接觸、并且將它們分離，由此將所述第一稀土元素反萃取到水相中以便回收，以及 洗滌段，其布置在所述萃取段與所述反萃取段之間，用來通過使有機相與具有預定酸濃度并且呈酸性水溶液形式的水相接觸、并且將它們分離，而洗滌從所述萃取段排出的有機相，由此選擇性地將偶然包含在有機相中并且應該保持在所述萃取段的水相中的第二稀土元素萃取到水相中，并且用來將洗滌之后的有機相輸送到所述反萃取段， 其中，具有在所述洗滌段中從有機相萃取的第二稀土元素的水相被送回到所述萃取段，在反萃取之后的有機相從所述反萃取段排出、并且送回到所述萃取段以便循環， 從所述萃取段排出的水相被回收，由此回收被保持在水相中而未被萃取到有機相中的第三稀土元素， 所述萃取段、所述反萃取段以及所述洗滌段中的至少一者是如權利要求4所述的多級液體-液體萃取設備。
全文摘要
一種液體-液體萃取單元，包括萃取/分離箱(10)，氣泡形式的水相從在一個側壁中的上部進口(20)引入到該萃取/分離箱(10)中，而氣泡形式的有機相從在這一個側壁中的下部進口(30)引入到該萃取/分離箱(10)中。向上運動的有機相與向下運動的水相接觸。在接觸之后，有機相從在相對側壁中的上部出口(40)排出，而水相從在相對側壁中的下部出口(50)排出。
文檔編號C22B59/00GK103203120SQ20131001088
公開日2013年7月17日 申請日期2013年1月11日 優先權日2012年1月13日
發明者須原泰人, 美濃輪武久 申請人:信越化學工業株式會社