Аппаратура для жидкостной экстракции в урановой технологии

30.05.2018
Типы экстракционных аппаратов. В связи с быстрым проникновением жидкостной экстракции в урановую технологию возникла потребность в обеспечении этого процесса необходимой аппаратурой.

Материалы Женевских конференций, а также ряд работ, опубликованных в открытой печати, показывают, что в этом направлении сейчас уже достигнуты определенные успехи.

Все существующие экстракторы можно разделить на четыре основные группы:

1) колонные экстракторы непрерывного действия;

2) смесительно-отстойные экстракторы колонного типа;

3) смесительно-отстойные горизонтальные экстракторы;

4) центробежные экстракторы.

Колонные экстракторы непрерывного действия являются наиболее изученной группой аппаратов для проведения экстракционного процесса. Они бывают гравитационные и механические: в первых процесс основан на использовании внутренней энергии системы, а во вторых применяется дополнительная энергия от внешних источников. Введение дополнительной энергии позволяет увеличить эффективность разделения и сопровождается обычно усложнением конструкции экстрактора и снижением его пропускной способности.

Колонные экстракторы не рекомендуется применять при сравнительно высокой производительности экстракционной установки, так как с увеличением диаметра таких аппаратов

обычно заметно снижается их производительность. Однако при недостатке площадей производственных помещений колонные экстракторы оказываются наиболее удобными.

Простейший тип колонных экстракторов непрерывного действия — распылительные колонны. Однако низкая эффективность этих аппаратов препятствует их использованию в урановой технологии. Недостатком распылительных колонн является также трудность их применения для переработки жидкостей, содержащих даже незначительное количество взвеси.
Аппаратура для жидкостной экстракции в урановой технологии

Среди последних работ, посвященных изучению распылительных экстракционных колонн, заслуживают внимания исследования Лилеевой, Старкова и Гельперина. Последний добился существенного увеличения разделяющей способности распылительных колонн использованием в качестве распределителей жидкостей на входе в аппарат инжекторных устройств с соплом диаметром 0,4—0,6 мм (рис. 8.3). Наибольший эффект был получен при использовании параллельно питающихся инжекторов, расположенных один за другим по оси экстрактора.

Насадочные экстракторы — более удобные аппараты для проведения экстракционного процесса в промышленных условиях, так как отличаются меньшей величиной ВЭТТ по сравнению с распылительными колоннами. Применение насадки затрудняет образование вредных циркуляционных токов по длине экстрактора в результате продольного перемешивания и способствует увеличению удерживающей способности колонны по дисперсной фазе.

Насадочная колонна представляет собой полый вертикальный аппарат (рис. 8.4), в рабочем пространстве которого беспорядочно уложена насадка, способствующая турбулизации жидкости. Чаще всего в качестве насадки используют кольца Рашига из керамики или нержавеющей стали.

Чтобы обеспечивалось свободное движение капель дисперсной фазы в пустотах насадки, размер последней должен хотя бы на один порядок превышать величину, вычисленную по уравнению

Однако размер насадки обычно не рекомендуется выбирать больше 1/8 диаметра самого экстрактора. Некоторые исследователи считают нерациональным применять насадку, размер которой менее 16 мм.

Наиболее эффективный режим работы насадочных экстракторов — так называемый режим эмульгирования, имеющий место вблизи от режима «захлебывания». Это объясняется тем, что в таких условиях возникает гидродинамически устойчивая система, характеризующаяся непрерывным обновлением поверхности фазового контакта.

Особенности работы насадочных колонн в режиме эмульгирования и способы его создания подробно описаны в работах Кафарова с сотрудниками. Важной особенностью этих исследований является проведение анализа процесса массопередачи с учетом гидродинамической обстановки процесса. При этом получены обобщенные уравнения для расчета производительности насадочных экстракторов и их разделяющей способности.

Среди работ, посвященных описанию использования насадочных колонн в урановой технологии, большой интерес представляют исследования Карпачевой с сотрудниками.

В колонне диаметром 400 мм и высотой рабочей части 5,1 м, заполненной насадкой в виде колец из нержавеющей стали 10x10x0,5 мм, на системе вода — азотная кислота — уранилнитрат—трибутилфосфат в керосине значения ВЭТТ составляли 1,4—2,5 м. При этом суммарная скоростная нагрузка экстрактора была равна 20 м3/м2*ч.

Размещение насадки по высоте колонны рекомендуется осуществлять таким образом, чтобы заполнение экстрактора насадкой было лишь частичным. Применение разрывов в насадке позволяет заметно снизить величину ВЭТТ при одновременном увеличении пропускной способности колонны. Уменьшение веса насадки в аппарате приводит также к снижению стоимости экстрактора.

Простота конструкции и надежность в работе насадочных колонн делают их весьма удобными для использования в условиях дистанционного управления.


Тарельчатые колонны — также один из простейших типов колонных экстракторов, отличаются тем, что в рабочей части имеют ситчатые или перфорированные тарелки (рис. 8.5). В большинстве случаев тарелки снабжены переточными патрубками. При этом одна из фаз движется по переточным патрубкам, а другая проходит через отверстие тарелок, перераспределяясь у их поверхности.

Применение тарелок снижает влияние продольного перемешивания и увеличивает степень диспергирования жидкости в аппарате.

Свободное сечение отверстий чаще всего выбирают в пределах 8—15%, в то время как диаметр отверстий тарелок составляет 3—5 мм, а расстояние между соседними тарелками 100—200 мм.

Распылительные, насадочные и тарельчатые колонны, рассмотренные выше, представляют собой экстракторы гравитационного типа, так как смешение и разделение потоков здесь в основном определяется величиной разности удельных весов фаз. В урановой технологии тарельчатые экстракторы гравитационного типа распространения почти не получили. Разделяющая способность таких аппаратов обычно невысока, потому что сила тяжести не в состоянии обеспечить развитие достаточно большой поверхности фазового контакта.

Одним из способов увеличения эффективности экстракции в экстракторах гравитационного типа является использование дополнительной энергии, которая вводится в аппарат от внешних источников и способствует возрастанию степени диспергирования и турбулизации потоков жидкости. Это нашло свое отражение в конструкциях механических экстракторов, пульсационных колонн и других аппаратов, конструкций которых известно довольно много.

В пульсационных колоннах для увеличения разделяющей способности применена дополнительная энергия пульсационных устройств, заставляющих жидкость в аппарате совершать возвратнопоступательное движение (рис. 8.6).

Среди известного многообразия пульсационных устройств наиболее удобны для условий урановой технологии пневматические, в которых механизм отделен от рабочего пространства экстракционной колонны слоем воздуха, передающим пульсации жидкости, находящейся в аппарате.

Это обеспечивает полное отсутствие контакта механизма и обрабатываемой жидкости, существенно облегчая эксплуатацию экстрактора.

Чаще всего пульсационные устройства располагают на входе в колонну органической фазы, отличающейся обычно меньшим коррозионным воздействием. Интенсивность пульсаций характеризуется как частотой колебаний, так и их амплитудой.

Дополнительную энергию пульсаций обычно вводят в насадочные или тарельчатые колонны.

Многие исследователи отдают предпочтение пульсационным колоннам с ситчатыми тарелками как менее чувствительным к содержанию взвоси в перерабатываемых жидкостях, а поэтому более надежным для практического использования.

Сравнение насадочной и тарельчатой пульсационных колонн при одинаковой производительности показывает, что разделяющая способность тарельчатых экстракторов несколько больше.

Замечено, что в насадочных пульсационных колоннах наблюдается ориентация насадки в соответствии с пульсациями, что неблагоприятно отражается на их работе.

Подробные исследования насадочных пульсационных колонн проведены Карпачаевой с сотрудниками на различных системах жидкостей, в том числе на системе вода — азотная кислота — уранилнитрат — трибутилфосфат в керосине.

В колонне диаметром 100 мм и высотой рабочей части 2,8 м, заполненной насадкой из нержавеющей стали в виде колец размером 10х10х0,5 мм, удалось получить величины ВЭТТ в 3—5 раз меньшие, чем в том же аппарате при отсутствии пульсаций.

Оптимальный режим работы пульсационной колонны имел место при величине суммарной нагрузки около 18 м3/м2*ч. Частота пульсаций менялась в пределах 100—400 колеб/мин при амплитуде колебаний 2—8 мм.

Изучением особенностей работы насадочных пульсационных колонн, в том числе при экстракционном извлечении урана из водных растворов, занимался еще целый ряд исследователей. Известны примеры успешного применения таких экстракторов в производстве ядерного горючего.

Однако в урановой технологии чаще всего применяются пульсационные колонны с тарелками, особенно при аффинаже урансодержащих продуктов. Отверстия в тарелках при этом имеют такую величину, чтобы нротивоточное движение фаз только вследствие разности их удельных весов было затруднено и лишь благодаря пульсациям жидкость могла бы продавливаться через отверстие. Чаще всего тарелки пульсационных колонн имеют отверстия диаметром 1—2 мм при свободном сечении 20—25% и размещаются друг за другом через 50—100 мм.

Частота колебаний в пульсационных тарельчатых колоннах чаще всего составляет 40—100 колеб/мин при амплитуде 10—30 мм. Для каждой частоты обычно существует определенная величина амплитуды, соответствующая оптимальному режиму работы экстрактора.

Некоторые исследователи рекомендуют применять более высокие частоты при малых амплитудах, так как при этом рост разделяющей способности экстракционной колонны связан с меньшими затратами энергии. Расход энергии на генерацию импульсов в тарельчатом экстракторе определяется статическим напором столба жидкости в аппарате, инерционными силами и потерями на трение.

Результаты подробного изучения тарельчатых пульсационных колонн на системе вода — азотная кислота — уранилнитрат — трибутилфосфат в керосине приведены в докладе французских исследователей на Второй международной конференции по мирному использованию атомной энергии. Было изучено изменение эффективности экстракции и пропускной способности аппарата в зависимости от интенсивности пульсаций, скоростей потоков, геометрических размеров тарелок и перемены фаз, а также установлено распределение концентрации экстрагируемого вещества в колонне.

Пробы жидкостей по высоте колонны отбирали с помощью пробных трубок, пропускающих только одну из фаз: трубки, заполненные тефлоновым волокном, впитывают и пропускают только органическую фазу, а трубки, заполненные гигроскопической ватой, — только водную фазу. Это позволило получить характерные пробы каждой из фаз, а не их смеси.

Опыты по изучению экстракции показали, что величина ВЭТТ более чувствительна к изменениям частоты пульсаций, чем к изменениям суммарной нагрузки аппарата. Во всех случаях наблюдался некоторый максимум эффективности, положение которого зависит от амплитуды.

Разделяющая способность пульсационных колонн зависит от их диаметра согласно уравнению

где D и d — диаметры колонн {D/>d); (ВЕП)D и (ВЕП)d — высота единицы переноса в колоннах разного диаметра.

Изучение влияния диаметра экстрактора на его цропускную способность показало, что в колоннах разного диаметра предельные нагрузки совпадают. Это объясняется тем, что характеристическая скорость капель дисперсной фазы V0 не зависит от диаметра колонны.

Сравнение работы каскада тарельчатых пульсационных колонн, соединенных последовательно, и одной колонны, высота которой равна сумме высот аппаратов каскада, показывает, что эффективность экстракции в обоих случаях одинакова, но одна колонна, заменяющая каскад небольших аппаратов, потребляет больше энергии.

Тарельчатые пульсационные колонны применяют на целом ряде зарубежных урановых заводов при экстракционной перечистке химических концентратов. При этом извлечение урана ведут не только из осветленных растворов, но и из разбавленных пульп, содержащих до 15% твердого.

Азотнокислый производственный раствор, содержащий уран в количестве 100—200 г/л и 2—3 моля азотной кислоты, при этом обрабатывается 33,5 %-ным раствором трибутилфосфата в керосине при соотношении органической и водной фаз около 3.

Применение пульсационной колонны общей высотой 10,8 м позволяет получить в водной фазе на выходе из аппарата концентрацию урана менее 5 мг/л. Оптимальный режим работы наблюдался при частоте 40—75 колеб/мин и амплитуде пульсаций около 20 мм.

Во избежание забивания тарелок твердыми частицами последние необходимо постоянно поддерживать во взвешенном состоянии. Минимальное отложение твердого на тарелках наблюдается в том случае, если экстрагент является сплошной фазой, а пульпа — дисперсной, так как в этих условиях в рабочем пространстве экстрактора в каждый момент имеется не более 2% твердого, хотя в исходной пульпе твердого может содержаться в несколько раз больше.

Высокая разделяющая способность и надежность в работе делают пульсационные колонны одним из основных типов экстракционного оборудования в урановой технологии при небольших объемах перерабатываемых растворов.

Дополнительную энергию в экстракционную колонну можно ввести с помощью вибрационных устройств. Известны, например, конструкции экстракторов, в рабочем пространстве которых вибрируют насаженные на общем центральном штоке перфорированные тарелки. Однако механическое устройство вибрационных колонн сложнее, чем пульсационных, а поэтому они не находят широкого распространения.

Одним из распространенных типов аппаратов для жидкостной экстракции являются экстракторы с механическим перемешивание м. Дополнительная энергия движущимся потокам жидкости сообщается здесь вращением центрального пустотелого ротора или вала с мешалками (рис. 8.7)

Экстракторы с пустотелым ротором (роторно-кольцевые) не находят применения в урановой технологии в силу их сравнительно низкой пропускной способности.

Наиболее распространенным типом экстракторов с механическим перемешиванием являются роторно-дисковые экстракторы, характеризующиеся тем, что на центральном вращающемся валу крепятся гладкие горизонтальные диски, а в промежутках между дисками устанавливаются неподвижные кольцевые перегородки. При вращении ротора в каждой секции аппарата между дисками и кольцевыми перегородками возникают замкнутые радиальные циркуляционные токи жидкости, способствующие росту степени диспергирования. При этом не возникает особых затруднений даже в том случае, если в перерабатываемых жидкостях имеется небольшое количество взвеси.

Роторно-дисковые экстракторы имеют сравнительно высокую разделяющую способность, и их используют в промышленных условиях; диаметр их может достигать 2 м, высота — 15 м.

Недостаток роторных экстракторов сострит в необходимости использования внутренних подшипников для поддержания вращающегося вала, так как подшипники должны постоянно находиться в контакте с обрабатываемыми жидкостями. Особенно нежелательно это для урановой технологии. Вывод вала к внешнему подшипнику требует соответствующих уплотнений, что также не является выходом из положения.

При конструировании роторно-дисковых экстракторов диаметром до 2 м рекомендуется использовать следующие соотношения геометрических параметров аппаратов:

где Dк — диаметр экстрактора; dр — диаметр ротора; dк — диаметр колец статора; h — высота секций.

При увеличении dр и уменьшения dк и h обычно наблюдается рост эффективности экстракции, но соответственно уменьшается пропускная способность аппарата.

Изучение гидродинамики и массопередачи в роторно-дисковом экстракторе, проведенное Каганом с сотрудниками, показало, что работа такого аппарата существенно зависит от окружной скорости ротора. При увеличении скорости вращения ротора в пределах 800—1400 об/мин производительность экстрактора уменьшается, но его разделяющая способность возрастает. Изменение соотношения потоков органической и водной фаз практически не влияет на скоростные нагрузки, соответствующие наступлению «захлебывания».

Применение роторно-дисковых экстракторов на одном из урановых заводов США обеспечило необходимую полноту извлечения урана из растворов с концентрацией до 40 г/л при помощи 20%-ного ТБФ. Минимальное значение ВЭТТ, равное 250 мм, получено в аппарате диаметром 127 мм при нагрузке около 12 м3/м2*ч.

Одним из типов экстракционных аппаратов, разделяющая способность которых повышается в результате введения дополнительной энергии от внешнего источника, являются колонны с воздушным перемешиванием (рис. 8.8).

Экстракторы с воздушным перемешиванием характеризуются тем, что в их рабочее пространство вводится воздушный (газовый) поток, способствующий росту разделяющей способности. При этом заметно увеличивается степень диспергирования, пропорциональная разности удельных весов жидкости и газа, которая существенно превышает разность удельных весов двух жидких фаз, обусловливающую эффективность процесса в экстракторах без использования дополнительной энергии.

В экстракторах с воздушным перемешиванием обычно устанавливают сетчатые тарелки провального типа с отверстиями диаметром 4—5 мм при свободном сечении 15—20%. Тарелки размещают на расстоянии 50—100 мм друг от друга по высоте рабочей части аппарата.

Применение воздушного перемешивания позволяет повысить разделяющую способность тарельчатых экстракторов в 3—5 раз. Однако оптимальный режим работы колонн с воздушным перемешиванием имеет место лишь при небольшом расходе воздуха. Верхним пределом рационального увеличения интенсивности воздушного перемешивания является пенообразование в пространстве между тарелками.

Каждой величине скоростной нагрузки экстрактора соответствует определенный максимум разделяющей способности. С увеличением скоростных нагрузок этот максимум сдвигается в сторону больших ВЭТТ и меньших скоростей воздушного потока.

Изучение экстракции в системе вода — азотная кислота — уранилнитрат — трибутилфосфат в керосине, проведенное с использованием колонны с воздушным перемешиванием диаметром 200 мм, показало, что в аппарате высотой 3,9 м при нагрузке 20 м3/м2*ч можно получить более четырех теоретических тарелок.

Характер зависимости ВЭТТ от интенсивности воздушного перемешивания с увеличением диаметра экстрактора практически не изменяется, но область оптимального режима работы сдвигается в сторону меньших скоростей воздуха.

Достоинство экстракторов с воздушным перемешиванием заключается в возможности их использование для переработки не только осветленных растворов, но и разбавленных пульп.

Применение колонн с воздушным перемешиванием в урановой технологии связано с необходимостью контроля выделения вредных аэрозолей, а поэтому может быть рекомендовано только в условиях незначительной радиации.

Смесительно-отстойные экстракторы колонного типа. Такие экстракторы имеют много общего с колонными экстракторами непрерывного действия, но отличаются тем, что имеют ясно выраженные смесительные и отстойные камеры, которые последовательно чередуются по высоте аппарата.

Среди распространенных вертикальных смесителей-отстойников известны колонны Шей бела (рис. 8.9), имеющие центральный вал с мешалками. Смесительные секции отделены друг от друга короткими отстойными секциями заполненными обычно кольцами Рашига. Многократное смешение и отстаивание обеспечивают высокую разделяющую способность таких экстракторов.

Изучение экстракции в колоннах Шейбела показывает, что процесс массообмена протекает не только в смесительных, но и в отстойных секциях, а поэтому количество теоретических тарелок, получаемых в аппарате, может в отдельных случаях превышать количество камер смешения.

Отдельные недостатки колонны Шейбела, присущие обычным роторным экстракторам и насадочным колоннам, ограничивают возможность промышленного использования этих колонн в условиях урановой технологии.

Среди других конструкций смесительно-отстойных экстракторов вертикального типа заслуживают внимания аппараты, в которых используется струйное смещение потоков, осуществляемое с помощью эжекционных смесителей, построенных по типу водоструйного насоса.

Аппараты такого типа применяются, например, в США при переработке урансодержащих продуктов. Экстрактор, имеющий высоту секций 1,2 м, позволяет перерабатывать 3 м3/ч водного раствора, обеспечивая в каждой секции эффективность экстракции, близкую к равновесной. Однако питание каждого смесителя при этом осуществляется с помощью индивидуального насоса, что очень усложняет конструкцию аппарата и затрудняет условия его эксплуатации. От последнего недостатка свободна струйная колонна (рис. 8.10), предложенная советскими исследователями. Струйное смешение потоков и их транспортировка между секциями осуществляются в таком аппарате без использования каких-либо механических устройств, так как энергия струйного истечения не только обеспечивает создание необходимой поверхности фазового контакта, но и одновременно облегчает подъем легкой фазы из расположенной ниже секции по кольцевому зазору.

Разделяющую способность колонны и ее производительность можно регулировать изменением количества ступеней и параллельных эжекторов в каждой секции.

Перемешивание жидкостей в эжекторах обеспечивает приближение их составов к равновесным. На выходе из смесителей происходит расслаивание фаз во внутренних отстойных камерах. Затем легкая фаза всплывает вверх, обтекая эжекторы с внешней стороны, и проходит в кольцевое пространство, из которого через всасывающие патрубки засасывается в эжекторы расположенной выше секции. Тяжелая фаза после расслаивания опускается вниз и поступает в эжекторы ниже расположенной секции.

Высота ступеней зависит от условий разделения фаз. Для улучшения отстоя во внутренние отстойные камеры можно поместить насадку с большой величиной свободного объема.

При величине внутреннего диаметра сопел эжекторов 2—2,5 мм пропускная способность каждого из них может достигать 0,1 м3/ч по тяжелой фазе, в зависимости от величины напора на входе последней в колонну. При этом рекомендуется поддерживать такое соотношение потоков, чтобы объем тяжелой фазы превышал объем легкой.

Высокая пропускная способность струйных колонн сочетается со сравнительно большой разделяющей способностью, так как в каждой секции, высота которой составляет 1—1,2 м, можно получить близкие к равновесным составы фаз.

Горизонтальные смесительно-отстойные экстракторы. Такие аппараты широко используются на урановых заводах, так как, в отличие от колонных экстракторов, позволяют при сравнительно небольшой высоте перерабатывать значительные объемы жидкостей на каждый аппарат.

Смесители-отстойники могут быть легко пущены и остановлены без нарушения равновесия в отдельных аппаратах. В этих экстракторах рециркуляцией потоков можно обеспечить любое соотношение фаз.

В горизонтальных смесителях-отстойниках разделение фаз обычно идет в условиях прямотока, в то время как между ступенями потоки движутся противотоком.

В настоящее время известно много различных конструкций горизонтальных смесителей-отстойников, но для урановой технологии могут быть рекомендованы лишь некоторые их них.

Простейшая экстракционная установка с использованием смесительно-отстойной аппаратуры (рис. 8.11) состоит из индивидуальных смесителей и отстойников, установленных каскадами и соединенных внешними трубопроводами. Одна из фаз от ступени к ступени движется самотеком, а другая перекачивается насосами или аэролифтами. Перемешивание жидкостей в смесителях при этом обычно ведется с помощью механических мешалок. В качестве смесителей можно также применять центробежные насосы. Однако это возможно только для экстракционных систем, в которых равновесие устанавливается сравнительно быстро.

Эффективность экстракционного процесса можно повысить, если часть жидкости из отстойных камер возвращать в камеры смешения. Проще всего это осуществляется соединением смесителей с соответствующими отстойниками несколькими трубами по высоте аппаратов. Через среднюю трубу смесь поступает в отстойник, а через крайние, верхнюю и нижнюю или одну из них может возвращаться в смеситель. При этом имеется возможность легкого регулирования рециркуляции.

Вместо механических мешалок в смесителях-отстойниках можно использовать и пневматическое перемешивание, применяя, например, в качестве смесителей аппараты с воздушным перемешиванием типа Пачука. Экстракторы можно соединить так, что промежуточных транспортирующих устройств не потребуется.

Во многих конструкциях горизонтальных смесителей-отстойников функции перемешивания потоков и их транспортировки между ступенями одновременно выполняют турбинные мешалки, помещаемые в закрытом кожухе непосредственно внутри отстойной камеры (рис. 8.12). Такие экстракторы называют внутренними смесителями-отстойниками. Их применяют на урановых заводах США, причем производительность составляет до 100 м3/ч.

Эти аппараты считаются наиболее удобными для переработки пульп, так как позволяют вести процесс при минимальных потерях экстрагента с пульпой.

Известны конструкции внутренних смесителей-отстойников, имеющих диаметр до 6 м при высоте аппарата около 4 м. В них используется мешалка диаметром не более 0,5 м, вращающаяся со скоростью до 500 об/мин. Внутри аппарата осуществляется рециркуляция части органики.

Хорошо организованной рециркуляцией жидкостей отличаются также смесители-отстойники, состоящие из двух-трех концентрических камер-вложенных одна в другую. Центральная камера используется для смешения, а внешняя — для расслаивания. В кольцевом пространстве между ними осуществляется перераспределение потоков.

Кроме механических мешалок и воздушного перемешивания, в смесителях горизонтальных смесителей-отстойников можно использовать пульсационные и эжекционные устройства. Заменив несколько механических приводов одним общим пульсатором, можно одновременно полностью устранить контакт механизмов с перерабатываемыми жидкостями, что особенно важно для условий урановой технологии.

Эжекционные смесители позволяют создать значительную поверхность межфазового контакта, но это обычно связано с необходимостью использования индивидуальных насосов для питания отдельных эжекторов.

Большую площадь обычно занимают горизонтальные смесительно-отстойные экстракторы, однако ее можно свести до минимума, используя аппараты ящичного типа. Каждый такой экстрактор состоит из ряда секций, содержащих смесительную и отстойную камеры (рис. 8.13). Движение жидкостей через аппарат противоточное, но в каждой секции имеется прямоток. Камеры смешения отделены от отстойных полупроницаемыми перегородками, которые уменьшают обратное перемешивание и турбулизацию потоков до минимума при переходе от смешения к отстаиванию.

В камерах смешения устанавливаются импеллерные мешалки, которые одновременно перемешивают жидкость, перекачивают ее в соседние ступени и регулируют уровни жидкости в камерах. В каждой камере смешения устанавливается горизонтальная перегородка, которая ограничивает ее объем до минимума. Через трубу, опущенную в отверстие в горизонтальной перегородке, жидкость непрерывно засасывается импеллером в камеру смешения, а затем частично уходит в камеру отстоя, а частично вновь возвращается в нижнее отделение.

При небольшом размере отверстия в горизонтальной перегородке обеспечивается достаточная сила всасывания, затягивающая тяжелую фазу из предыдущей секции через отверстие, соединяющее нижнее отделение данной камеры смешения с отстойной камерой предыдущей секции (рис. 8.14).

Легкая фаза поступает в камеры смешения из соседних ступеней через отверстия, находящиеся вблизи крышки экстрактора.

Поток тяжелой фазы от ступени к ступени вызывается действием мешалок, а поток легкой фазы в противоположном направлении — постепенным понижением уровня в верхних отделениях смесительных камер.

Смесь фаз перетекает из смесительных камер в отстойные под действием силы тяжести. Положение границы раздела фаз в отстойных зонах определяется разностью уровней жидкости в двух смежных ступенях экстрактора, которые можно рассматривать как два колена сообщающегося сосуда.

В настоящее время известны конструкции ящичных смесителей отстойников со сравнительно высокой пропускной способностью.

Центробежные экстракторы. Такие аппараты в настоящее время начинают играть важную роль в урановой технологии. Это объясняется в первую очередь тем, что при небольших габаритах они обладают очень высокой производительностью и разделяющей способностью. В центробежных экстракторах можно легко перерабатывать даже смеси жидкостей, обладающие сильной тенденцией к эмульгированию, так как смешение и разделение фаз здесь осуществляется в поле действия центробежных сил.

Наиболее распространенным типом центробежных экстракторов являются так называемые аппараты Подбильняка, основой которых служит ротор специальной конструкции, вращающийся на горизонтальном валу внутри неподвижного барабана (рис. 8.15).

Многие конструкции экстракторов Подбильняка имеют ротор, состоящий из длинной перфорированной ленты, свернутой в виде спирали и образующей узкие каналы, по которым навстречу друг другу противотоком движутся легкая и тяжелая фазы. Жидкости подаются во вращающийся ротор и отводятся из него по каналам, проходящим внутри полого вала, на котором укреплен ротор.

Тяжелая фаза движется от центра ротора к его периферии, а легкая, поступая в экстрактор на периферии ротора, вытесняется тяжелой фазой и движется навстречу последней к центру ротора.

По каналам, образованным спиралью, движение жидкостей возможно только в одну сторону — в направлении, обратном вращению ротора.

Переток фаз из канала в канал в радиальном направлении обеспечивается перфорированными отверстиями в образующей стенки каналом металлической ленте. При пересечении потоков легкой и тяжелой фаз у перфорированных отверстий происходит их смешение, а в каналах между перфорациями — их частичное расслаивание.

Многократно повторяющееся смешение и разделение жидкостей в роторе экстрактора позволяет получить сравнительно высокую разделяющую способность в аппарате.

В некоторых конструкциях экстракторов Подбильняка вместо спирального ротора используется набор концентрических цилиндров, имеющих на своей поверхности перфорированные отверстия. Один из таких аппаратов имел ротор, составленный из 18 цилиндров. При диаметре ротора 450 мм его свободный объем составлял 0,6 л, а около 2% площади каждого цилиндра занимали отверстия размером 1x3 мм. Скорость вращения ротора меняли в пределах от 2 до 5 об/мин. Тяжелая фаза из экстрактора сливалась самотеком, а легкая фаза выходила под давлением через регулятор обратного давления.

Некоторые исследователи отмечают возможность использования экстракторов Подбильняка для переработки растворов, содержащих небольшое количество взвеси. Однако в этом случае отверстия в каналах ротора рекомендуется увеличить до 3—7 мм.

Подробные исследования экстракторов Подбильняка позволили получить выражения для определения его предельных нагрузок, удерживающей способности и эффективности разделения.

В последнее время в печати появились работы, посвященные использованию центробежных экстракторов Подбильняка в урановой технологии. На одном из урановых заводов США, например, применяется экстрактор Подбильняка, в котором удается получить 3—4 теоретических тарелки.

Представляет интерес применение экстракторов Подбильняка для переработки рудных растворов с помощью таких экстрагентов, как амины. При этом возможна переработка растворов даже с небольшим количеством взвеси, что в аппаратах других типов трудно осуществить ввиду сильного эмульгирования.

Применение центробежного экстрактора Подбильняка на одном из заводов США позволяет извлекать уран из рудного раствора с концентрацией 0,8 г/л практически полностью (до концентрации 1 мг/л) с помощью 10 %-ного раствора вторичного амина в керосине. При этом аппарат размером 1200x1200 мм обеспечивает переработку 120 м3/ч водного раствора.

Известны попытки создать конструкции экстракторов типа Подбильняка без дроссельных клапанов. Однако высокой разделяющей способности в таком аппарате добиться пока не удалось.

Некоторые исследователи рекомендуют использовать для жидкостной экстракции центробежные трубчатые аппараты, которые часто называют суперконтакторами, или экстракторами Шарплеса. Основной частью аппарата служит вертикальных цилиндрический барабан, внутри которого установлен неподвижный цилиндр с лопастями (рис. 8 16). Барабан, разделенный ситчатыми перегородками на несколько секций, обычно вращается со скоростью до 20 000 об/мин. При этом неподвижные перегородки центрального цилиндра, оказывая сопротивление движущимся потокам жидкости, интенсивно перемешивают их. Камеры смешения отделены ситчатыми перегородками от центробежных сепарационных камер. Тяжелая фаза подается в аппарат снизу и движется вверх, прижимаясь к стенкам вращающегося барабана, а легкая фаза подается сверху и движется вниз вблизи неподвижного центрального цилиндра. Необычное движение тяжелой фазы снизу вверх, а легкой сверху вниз обеспечивается большой скоростью вращения барабана, при которой внутри него создаются ускорения, значительно превышающие ускорение силы тяжести.

В отдельных случаях для жидкостной экстракции можно использовать также центробежные аппараты, построенные по типу молочного сепаратора (рис. 8.17). Такие аппараты получили название экстракторов Лувеста.

На одном из урановых заводов Бельгии успешно используется трехступенчатый центробежный экстрактор для извлечения урана с помощью трибутилфосфата из водных растворов.

Очевидно, центробежные экстракторы в ближайшее время появятся на целом ряде других заводов, использующих процессы жидкостной экстракции.