专利名称：液体-液体萃取单元、多级萃取设备及多级连续萃取系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种液体-液体萃取单元，该液体-液体萃取单元适于使水相与有机相接触，将它们分离，以及从被分离的水相和/或有机相中回收所需的萃取物，更具体地说，涉及:一种液体-液体萃取单元，适于萃取和分离稀土元素，所述稀土元素特别是包括钇的稀土元素和轻稀土元素(La、Ce、Pr、Nd、Sm以及Eu);使用该单元的一种多级液体-液体萃取设备和一种多级连续萃取系统。
背景技术：
现今，由Nd磁体代表的稀土磁体广泛地用在马达、传感器中，并且广泛地用于安装在硬盘驱动器、空调器、混合动力汽车等等中的其它零件中。
在稀土磁体中使用的典型稀土元素包括铈(Ce )、镨(Pr )、钕(Nd )、钐(Sm)、铽(Tb )及镝(Dy)。对于这些稀土元素的分离而言，已知的是离子交换树脂(或固体-液体萃取)法和溶剂萃取(或液体-液体萃取)法。溶剂萃取法常常用在稀土元素的工业分离和净化中，因为该方法由于连续步骤而能够进行高效大规模处理。在溶剂萃取法中，使包括水溶液(该水溶液包含待分离的金属元素)的水相与包括萃取剂(该萃取剂用来萃取感兴趣的金属元素)和有机溶剂(该有机溶剂用来稀释萃取剂)的有机相接触。然后感兴趣的金属元素用萃取剂萃取到有机相中以便分离。
在本技术领域中已知的、由溶剂萃取(或液体-液体萃取)法供萃取稀土元素使用的萃取设备包括多级连续萃取系统，该多级连续萃取系统包括多个混合澄清器，如图5所示(见专利文件1、2及3)。在图5中示出的是:萃取段A，用来将来自水相的选定稀土元素萃取到有机相中；洗涤段B，用来洗涤有机相；以及反萃取段C，用来将已被萃取在有机相中的稀土元素反萃取到水相中，以便回收。箭头I至9指示水相、有机相以及试剂进出混合澄清器的管线和流动。
含有稀土元素的水相从管线1、含有萃取剂的有机相从管线2、碱性水溶液从管线3分别进给到萃取段A的混合澄清器中，在该处，水相和有机相被混合、静止保持以及它们被再次分离的步骤按多级重复，借此将感兴趣的稀土元素从水相萃取到有机相中，该有机相进给到洗涤段B。水相经管线5排出，并且保持在水相中而未被萃取到有机相中的稀土元素从这个水相中回收。碱性水溶液从管线3进给，用来调整平衡酸浓度。
在洗涤段B中，酸性水溶液从管线4作为水相进给到混合澄清器中，在该处，酸性水溶液(水相)4与有机相(该有机相中具有在萃取段A中萃取的稀土元素)被混合、静止保持以及它们被再次分离的步骤按多级重复。有机相2被洗涤或清洗，因为只有稀土元素-它包含在有机相2中并且应该基本上保持在萃取段A中的水相中，被选择性地萃取到酸性水溶液(水相)4中，在这之后，将有机相2输送到反萃取段C。另一方面，酸性水溶液(水相)经线路9排出，并且送回萃取段A，该酸性水溶液(水相)仅具有稀土元素，该稀土元素应该基本上保持在萃取段A中的水相中，在其中被选择性地萃取。值得注意的是，酸性水溶液4被调整到一种酸浓度，使得只有按小量溶解在有机相2中并且应该保持在水相中的稀土元素可以被选择性地萃取。
在反萃取段C中，为了萃取感兴趣的稀土元素而被调整到足够浓度的酸性水溶液从管线6作为水相进给到混合澄清器，在该处，酸性水溶液(或水相)6与在洗涤段B中洗涤的有机相2相混合、静止保持以及它们被再次分离的步骤按多级重复，借此将在机相2中包含的感兴趣的稀土元素反萃取到酸性水溶液(水相)6中，该酸性水溶液(水相)6经管线7排出。感兴趣的稀土元素从这种酸性水溶液(水相)7中被回收。另一方面，已经通过反萃取从中除去稀土元素的有机相2从反萃取段C排出，并且经管线8送回萃取段A以便循环。
在现有技术中，混合澄清器用来建造多级连续萃取系统的萃取段A、洗涤段B以及反萃取段C中的每一个。例如，通常使用图6所示的布置的混合澄清器。
如图6所示，混合澄清器包括流体连通地相连接的多个液体-液体萃取单元k，每个单元具有一个混合腔室f (该混合腔室f中安装有螺旋桨e)和串联连接的四个澄清腔室g至j。在图6的实施例中，四个液体-液体萃取单元k按四级连接。采用这种混合澄清器，萃取操作按如下过程进行。水相流动由实线箭头描绘，而有机相流动由虚线箭头描绘。在混合腔室f中的水相和有机相由转动的螺旋桨e搅拌和混合，然后流入澄清腔室g，在该处它们驻留一定时间，也就是说，混合物保持基本静止，继而再次逐渐分离成水相和有机相。这些水相和有机相依次地并且适度地从澄清腔室g传送到j，同时在水相和有机相之间的分离继续进行。在最后的澄清器j中，有机相和水相分离，并且排出，随后它们流到后续级的液体-液体萃取单元k的混合腔室f中。类似操作在多个级(在图6中的四个级)中重复。如在图6中由实线箭头(水相)和虚线箭头(有机相)所示的那样，水相和有机相按逆流方式流动，由此提闻在水相和有机相之间的萃取传送率，并且实现闻萃取率。
使用这样的混合澄清器的多级连续萃取系统，实现超过99%的非常高的分离效率，能够以非常高的效率实现稀土元素的分离和回收。在使用单-2-乙基己基2-乙基己基憐酸酯(Daihachi Chemical Industry C0., Ltd.的 PC-88A)分离和回收镨(Pr)和钦(Nd)的例子中，系统应该包括32级的萃取段A、32级的洗涤段B以及8级的反萃取段C，总共72级。就是说，将液体-液体萃取单元k (这些液体-液体萃取单元k各具有五个腔室:一个混合腔室f、和四个澄清腔室g至j)按总共72级连接，以建造成多级连续萃取系统。
结果，用来分离和萃取稀土元素的多级连续萃取系统成为规模非常大的装备，需要非常大的占地面积。为了填充系统的全部腔室，需要体积非常大的液体。因而，减小系统的尺寸，对于降低成本将具有重大贡献。希望的是，减小系统的尺寸，而不对分离效率造成任何损失。
引用清单
专利文件I JP-A2011-001583
专利文件2 JP-A2011-001584
专利文件3 JP-A2011-001586
专利文件4:JP-A2008-289975发明内容
本发明的目的是提供一种液体-液体萃取单元、一种使用所述单元的多级液体-液体萃取设备以及一种包括多个所述多级液体-液体萃取设备的多级连续萃取系统，该液体-液体萃取单元尺寸能被减小，而不牺牲稀土元素的萃取和分离效率。
本发明人已经发现如下情况。通过将水相和有机相进给到箱中、使它们接触、将它们分离以及从被分离的水相和/或有机相回收所需的萃取物，而进行液体-液体萃取。气泡形式的水相从箱的上部部分进入到箱中，并且气泡形式的有机相从箱的下部部分进入到箱中。从箱的下部内部向上部内部运动的有机相，与从箱的上部内部向下部内部运动的水相接触,用来在水相和有机相之间传送所需的物质。有机相从箱的上部内部排出，并且水相从箱的下部内部排出。所需的萃取物从排出的有机相和/或水相中回收。当起泡水相和起泡有机相竖向向上和向下地交换它们的位置时，它们彼此有效地接触，从而借助于界面反应而发生有效萃取，并且同时进行相分离(phase s印aration)。从而，可以在小体积、小面积箱中进行萃取，而无需如在混合澄清器中所需的大体积澄清腔室，并且效率没有任何损失。
然而，在现有技术方法中——该现有技术方法中使用在萃取单元中使用的已知喷雾塔或竖向圆柱形箱，基于乳剂流动，使水相和有机相仅经竖向向上和向下运动而接触和分离，如在专利文件4中描述的那样——在与在上述混合澄清器中可得到的流量等效的大流量下，反应赶不上需要。因而，反应必须在小流量下进行，以便保持可接受的效率，这导致处理效率的损失。
通过继续研究，本发明人已经发现如下情况。具有一对沿水平方向相对的侧壁的萃取/分离箱设有:水相进口，在一个侧壁的上部部分处；有机相进口，在一个侧壁的下部部分处；有机相出口，在相对侧壁的上部部分处；以及水相出口，在相对侧壁的下部部分处。有机相和水相从水平的一个侧壁侧引入，在竖向向上和向下交换它们的位置的同时水平地运动，并且从另一个侧壁侧排出。在这种布置中，能够实现与在现有技术混合澄清器中可得到的流量相当的大流量，同时能够保持可接受的效率。与现有技术混合澄清器相比，可以显著地减小尺寸。当建造用来萃取和分离稀土元素的多级连续萃取系统时，可以显著地减小占地面积。可以显著地减小萃取所需的液体体积。这些有助于大大地降低成本。本发明以这些发现为基础。
在一个方面，本发明提供一种液体-液体萃取单元，该液体-液体萃取单元适于使水相与有机相接触，分尚所述水相与有机相，以及从被分尚的水相和/或有机相回收所需的萃取物，该液体-液体萃取单元包括:
萃取/分离箱，其用来接纳水相和有机相，具有一对沿水平方向相对的侧壁，
水相进口，其布置在一个侧壁的上部部分处，用来引入气泡形式的水相，
有机相进口，其布置在一个侧壁的下部部分处，用来引入气泡形式的有机相，
有机相出口，其布置在另一个侧壁的上部部分处，用来排出分离后的有机相，以及
水相出口，其布置在另一个侧壁的下部部分处，用来排出分离后的水相。
气泡形式的水相从水相进口引入到箱的上部内部，气泡形式的有机相从有机相进口引入到箱的下部内部，从箱的下部内部向上部内部运动的有机相与从箱的上部内部向下部内部运动的水相接触，接触之后的有机相通过有机相出口而被排出并被回收，接触之后的水相通过水相出口而被排出并被回收。
液体-液体萃取单元还可以包括:隔板，其布置在沿水平方向相对的侧壁之间，用来将箱划分成接触腔室和分离/回收腔室，接触腔室面对水相进口和有机相进口，分离/回收腔室面对有机相出口和水相出口 ；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、用来提供在接触腔室与分离/回收腔室之间的流体连通的装置。
在一个优选实施例中，萃取/分离箱是平行六面体箱，该平行六面体箱具有矩形底部和一对沿纵向相对的侧壁，所述一对沿纵向相对的侧壁作为所述一对沿水平方向相对的侧壁。
在另一个方面，本发明提供一种多级液体-液体萃取设备，该多级液体-液体萃取设备包括多个以上所定义的液体-液体萃取单元，其中，一个单元的有机相出口连接到另一个单元的有机相进口，并且一个单元的水相出口连接到另一个单元的水相进口，从而接触和分离按多级进行。
在又一个方面，本发明提供一种用来萃取稀土元素的多级连续萃取系统，该多级连续萃取系统包括:
萃取段，用来使呈水溶液形式并且包含稀土元素的水相与包含萃取剂的有机相接触、并且将它们分离，由此将至少一种稀土元素萃取到有机相中，以及
反萃取段，用来使含有被萃取的至少一种稀土元素的有机相与呈酸性水溶液形式的水相接触、并且将它们分离，由此将稀土元素反萃取到水相中以便回收，
其中，在反萃取之后的有机相从反萃取段排出、并且送回到萃取段以便循环，萃取段和反萃取段中的一者或两者是以上所定义的多级液体-液体萃取设备。
优选地，在萃取之后的水相从萃取段排出并被回收，从而能够回收保持在水相中而未被萃取到有机相中的稀土元素。
在又一个方面，本发明提供一种用来萃取稀土元素的多级连续萃取系统，该多级连续萃取系统包括:
萃取段，其用来使呈水溶液形式并且包含稀土元素的水相与包含萃取剂的有机相接触、并且将它们分离，由此将第一稀土元素萃取到有机相中，
反萃取段，其用来使含有被萃取的稀土元素的有机相与呈酸性水溶液形式的水相接触、并且将它们分离，由此将第一稀土元素反萃取到水相中以便回收，以及
洗涤段，其布置在萃取段与反萃取段之间，用来通过使有机相与具有预定酸浓度并且呈酸性水溶液形式的水相接触、并且将它们分离，而洗涤从萃取段排出的有机相，由此选择性地将偶然包含在有机相中并且应该保持在萃取段的水相中的第二稀土元素萃取到水相中，并且用来将洗涤之后的有机相输送到反萃取段，
具有在洗涤段中从有机相萃取的第二稀土元素的水相被送回到萃取段，在反萃取之后的有机相从反萃取段排出、并且送回到萃取段以便循环；从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机相中的第三稀土元素；萃取段、反萃取段以及洗涤段中的至少一者是以上所定义的多级液体-液体萃取设备。
本发明的有益效果
本发明的液体-液体萃取单元具有小尺寸，并且保持足够的萃取效率。当建造多级萃取设备和多级连续萃取系统时，可以显著地减小占地面积，并且可以显著地减小对于萃取所需的液体体积，该多级萃取设备包括为了流体连通连接的多个单元，在该多级连续萃取系统中，为了流体连通连接多个段，这些多个段每个包括多级萃取设备，并且分配给不同步骤。这些有助于大大地降低稀土元素的萃取和分离所需的成本。
图1是在本发明的一个实施例中的一个例示性液体-液体萃取单元的部分剖视立体示意图。
图2是在本发明的一个实施例中的另一个例示性液体-液体萃取单元的部分剖视立体示意图。
图3是在本发明的一个实施例中的又一个例示性液体-液体萃取单元的部分剖视立体示意图。
图4是在本发明的另一个实施例中的用于稀土元素的萃取和分离的一个例示性多级连续萃取系统的方块图，该多级连续萃取系统包括液体-液体萃取单元。
图5是用于稀土元素的萃取和分离的现有技术多级连续萃取系统的方块图。
图6示意性地示出一种混合澄清器，该混合澄清器构成现有技术多级连续萃取系统。
具体实施方式
图1示意性地示出在本发明的一个实施例中的一个例示性液体-液体萃取单元。单元包括用来接收水相和有机相的萃取/分离箱10。具体地说，箱10是平行六面体容器，该平行六面体容器具有矩形底部、敞开顶部、一对沿水平方向和纵向相对的侧壁11和12以及一对沿水平方向和横向方向相对的侧壁。
箱10的一个侧壁11设有在其上部部分中的水相进口 20、和在其下部部分中的有机相进口 30。水相进口 20和有机相进口 30包括突出到箱10中的喷雾嘴21和31。喷雾嘴21和31延伸穿过侧壁11，并且分别连接到水相进给管线22和有机相进给管线32上。水相由泵(未示出)通过进给管线22泵送，并且经上部喷雾嘴21引入到箱10中。类似地，有机相由泵(未示出)通过进给管线32泵送，并且经下部喷雾嘴31引入到箱10中。
喷雾嘴21和31在远侧圆周表面中具有多个孔口，穿过这些孔口，水相和有机相以气泡形式注射到箱10的内部中。当需要高注射速度时，喷雾嘴的远侧形状优选地是锥形的(如喷雾嘴21、31在图1和2中描绘的那样)。喷雾嘴的远侧形状并非仅限于锥形形状，当希望在宽广区域上喷出水相和有机相时，可以是喇叭口形的。
箱10的另一个侧壁12设有在其上部部分中的有机相出口 40、和在其下部部分中的水相出口 50。有机相出口 40和水相出口 50包括排出端口(未示出)，这些排出端口透过侧壁12，并且分别连接到有机相排出管线41和水相排出管线51上。由在有机相排出管线41中连接的泵(未示出)，将有机相从箱10的上部内部排出到有机相排出管线41。类似地，由在水相排出管线51中连接的泵(未示出)，将水相从箱10的下部内部排出到水相排出管线51。在单独使用箱10的情况下，可以省略用来通过有机相排出管线41和水相排出管线51排出水相和有机相的泵，并且有机相和水相可以作为在重力下的流动通过有机相排出管线41和水相排出管线51排出。
尽管不是关键的，优选的是，有机相出口 40布置在比相对的水相进口 20稍高的位置处。如此,水相进口 20定位在液体表面下面，从而水相被注射到液体中。这保证水相更有效地起泡、并且与有机相更有效地接触。也希望的是，进给到箱10的水相和有机相的总体积与从箱10排出的水相和有机相的总体积相等。作为防止引入和排出的平衡被临时打破的情况的预防措施，另一个侧壁12可以设有挡板或L形板70，该挡板或L形板70包围有机相出口 40，并且有机相出口 40定位在水相进口 20下面，如图3所示。
有时有机相进口 30设计成使得有机相可以从喷雾嘴31在向上和横向方向上注射。优选地，有机相进口 30与底部稍微间隔开，如图1所示，从而有机相可以从喷雾嘴31在全部竖向和横向方向上注射。这保证有机相更有效地起泡、并且与水相更高效地接触。
上文述及的液体-液体萃取单元用来萃取和分离例如稀土元素。包含稀土元素的水相从水相进口 20以气泡形式引入到箱10的上部内部中。包含萃取剂的有机相从有机相进口 30以气泡形式引入到箱10的下部内部中。有机相和水相一旦引入，就从箱10的一个侧壁侧到相对侧壁侧水平地(或纵向地)运动，同时将它们的位置向上和向下交换。由于比重的差别，水相从上面向下运动，而有机相从下面向上运动。在有机相和水相将它们的位置向上和向下交换的同时，它们有效地相互接触，借此将选定的稀土元素从水相萃取到有机相中。在有机相和水相适度地向箱10的相对侧壁12运动的同时，有机相和水相向上和向下分离。有机相(该有机相具有萃取在其中的选定稀土元素)从有机相出口 40排出，而水相从水相出口 50排出。如果水相包含多种稀土元素-这些多种稀土元素的至少一种不可由有机相萃取，那么不可萃取的稀土元素留在水相中，并且从水相出口 50排出。
在另一个实施例中，液体-液体萃取单元包括隔板60，该隔板60布置在萃取/分离箱10中的水平方向(或纵向)的中间位置处，如图2所示。隔板60将箱10的内部划分成接触腔室13和分离/回收腔室14，该接触腔室13包括水相进口 20和有机相进口 30，该分离/回收腔室14包括有机相出口 40和水相出口 50。为了对于在底部附近的水相的连通，隔板60的下边缘与箱10的底部之间留有空隙。隔板60的高度也比箱10的侧壁低，从而有机相可以跨过隔板60从接触腔室13流到分离/回收腔室14。隔板60的上边缘优选地在与水相进口 20的喷雾嘴21相同或比其稍高的位置处，并且也优选地在比有机相出口 40的排出端口稍低的位置处。
在设有隔板60以将箱10的内部划分成接触腔室13和分离/回收腔室14的实施例中，可以获得更高的萃取/分离效率。具体地说，在水相和有机相从喷雾嘴21和31射出后，隔板60阻挡它们，并且防止它们直接向出口 40和50运动；在接触腔室13中，水相和有机相将它们的位置向下和向上交换，使萃取反应发生；水相经在底部附近的最下部空隙运动到分离/回收腔室14中，而有机相溢过隔板60的顶部，到达分离/回收腔室14中。在分离/回收腔室14中，在水相和有机相之间发生进一步的分离运动，而来自喷嘴21和31的射流的影响基本上由隔板60消除。因而能够获得很高的萃取/分离效率。
隔板60的位置不被具体地限制，并且依据箱10的体积、水平长度及高度、水相和有机相的流量等而确定。在萃取/分离箱10具有如图1和2所示的矩形底部的情况下，隔板60优选地布置在箱10的底部的纵向中心与一个侧壁(液体进口侧)之间的任何位置处，从而分离/回收腔室14具有的体积可以等于或大于接触腔室13的体积。这样，呈现几乎静止状态的分离/回收腔室14，使得驻留时间更长，从而实现在水相和有机相之间的更有效的分离。
注意，尽管在图1和2的实施例中用喷雾嘴21和31来以气泡形式射出水相和有机相，但可以使用将水相和有机相的气泡引入到箱10中的任何装置来代替喷雾嘴。而且，尽管在图2的实施例中为了流体连通，在隔板60下面和上面设置空隙，但可以接受的是，隔板60从箱10的顶部到底部延伸，并且在其下部和上部部分中开孔有用于流体连通的孔口。此外，箱10的形状不限于图1和2。任何箱形状都是可接受的，只要液体相就像喷雾塔那样竖向地上下运动，或者水相和有机相竖向地上下运动和水平地运动，借此在上部和下部部分处从一个侧壁侧引入的水相和有机相，从在颠倒(下部和上部)位置处的相对侧壁侧排出。
在本发明的一个实施例中的液体-液体萃取单元可以用来建造多级液体-液体萃取设备。设有多个液体-液体萃取单元,这些多个液体-液体萃取单元这样连接，从而一个单元的有机相排出管线41连接到另一个单元的有机相进给管线32上，并且一个单元的水相排出管线51连接到另一个单元的水相进给管线22上。然后按多级进行萃取操作。当将在水相中的稀土元素萃取到有机相中的步骤、洗涤有机相的步骤以及为了回收从有机相反萃取稀土元素的步骤连续地进行时，萃取段、洗涤段及反萃取段中的至少一者(一者、两者或全部)，可以是包括多个液体-液体萃取单元的多级液体-液体萃取设备。
如上文述及的那样，在本发明的一个实施例中的液体-液体萃取单元包括萃取/分离箱10、在一个侧壁的上部部分中的水相进口 20、在一个侧壁的下部部分中的有机相进口 30、在相对侧壁的上部部分中的有机相出口 40以及在相对侧壁的下部部分中的水相出口 50，其中，有机相和水相以气泡形式从一个侧壁引入，水平地(或纵向地)运动，同时将它们的位置向上和向下交换，继而从相对侧壁排出。在起泡水相和起泡有机相将它们的位置向上和向下交换的同时，在它们之间发生有效的相互接触。然后由于界面反应而发生有效萃取，并且同时进行相分离。萃取和分离操作可在小体积和小面积中进行，而没有效率损失，并且无需如在现有技术混合澄清器中所需的大体积澄清腔室。
在本发明的液体-液体萃取单元中，不仅有机相和水相将它们的位置向上和向下交换，并且在它们排出之前，它们也竖向和水平地运动。单元保持可接受的效率，并且实现与在现有技术混合澄清器中的流量相当的大流量。单元的尺寸与现有技术混合澄清器相比显著地减小。当建造多级萃取设备(该多级萃取设备包括多个单元)和多级连续萃取系统(在该多级连续萃取系统中，为了流体连通而连接多个多级萃取设备)时，可以显著地减小占地面积，并且可以显著地减小萃取所需的液体体积。这些有助于大大地降低稀土元素的萃取和分离所需的成本。
例子
下面给出的本发明的例子仅仅用以例示，并非作为限制。
比较例
如图5和6所示的现有技术多级逆流混合澄清器用来进行稀土元素(镨和钕)的萃取和分离。
图5的多级逆流混合澄清系统包括32级的萃取段A、32级的洗涤段B以及8级的反萃取段C。一级由图6的混合澄清器建造，在该混合澄清器中，混合腔室f的尺寸设定成80_ (W) X80mm (D) X200mm (H),包括四个腔室g至j的澄清器的尺寸设定成320_(W) X 80mm (D) X 200mm (H)，并且因而一级的尺寸设定成 400mm (W) X 80mm (D) X 200mm(H)。具有连接的32级的萃取段A，与具有连接的32级的洗涤段B相结合，以建造64
级的萃取段加洗漆段A+B,它的尺寸设定成400mmX 5120mmX 200mm (H)。填充萃取段加洗漆段A+B所需的液体体积是328L。
溶液通过将萃取剂PC-88A (单_2_乙基己基2_乙基己基磷酸酯)按0.5mol/L的浓度溶解在煤油中而制备，并且用作有机相。制备混合水溶液1000L，并且用作水相，该混合水溶液按1:1的摩尔比值Pr:Nd和Pr+Nd的0.lmol/L的浓度包含镨和钕。
在图5中，来自管线I的水相按6L/hr的流量进给，来自管线2的有机相按19L/hr的流量进给，而来自管线3的4mol/L氢氧化钠水溶液按1.5L/hr的流量进给到萃取段A，在该处，在水相中的钕被萃取到有机相中。有机相被进给到洗涤段B，同时水相通过管线5按8.4L/hr的流量排出，并被回收。在洗涤段B中，来自管线4的5.5mol/L盐酸水溶液按0.9L/hr的流量作为水相进给，借此洗涤有机相2，因为镨(它包含在有机相中，并且它应该基本上保持在萃取段A中的水相中)被选择性地萃取到盐酸溶液(水相)4中。有机相2进给到反萃取段C。另一方面，将盐酸溶液(水相)通过管线9排出，并且送回管线1，该盐酸溶液(水相)中具有选择性地萃取的镨(以保持在萃取段A中的水相中)。接下来，来自管线6的5.5mol/L盐酸水溶液按1.2L/hr的流量作为水相进给到反萃取段C，在该处，将钕从有机相中反萃取到盐酸水溶液(水相)，该盐酸水溶液(水相)通过管线7按1.2L/hr的流量排出，并被回收。另一方面，有机相从反萃取段C通过管线8排出，并且送回萃取段A，完成循环。从萃取段A到反萃取段C的萃取和分离操作在温度35°C的环境下进行。
在萃取和分离操作之后，由ICP原子发射光谱仪测量在从管线5回收的水相和从管线7回收的盐酸溶液中镨和钕的浓度。从管线7回收的盐酸溶液具有0.03mol/L的钕浓度、和99.5%的钕纯度(Nd/(Pr+Nd))。从管线5回收的水相具有0.03mol/L的镨浓度、和99.5% 的镨纯度(Pr/ (Pr+Nd))。
例子
如图4所示地建造多级连续萃取系统。系统结构与在比较例中在图5中的相同，不同之处在于，使用如图2所示的液体-液体萃取单元建造萃取段A和洗涤段B，并且将碱混合段D布置在萃取段A的上游，该碱混合段D用来将氢氧化钠水溶液3与有机相2相混合。如在比较例中那样，使用混合澄清器建造8级的反萃取段C。碱混合段D是容器，该容器的尺寸设定成80mmX 80mmX 200mm,并且装有螺旋桨，其中，在液体排出或进给到萃取段A之前，来自管线3的氢氧化钠水溶液与有机相2均匀地混合。
在图2中所示的液体-液体萃取单元的尺寸设定成120mm (W)X80mm (D)X 200mm(H)。5mmX80mmX 170mm (H)的隔板60布置在离一个侧壁60mm的距离处，并且与底部间隔开5mm，以将箱10划分成体积大致相同的接触腔室13和分离/回收腔室14。喷雾嘴21和31都是具有封闭末端的锥形管，该锥形管具有在其圆周表面上开孔的30个孔口(直径lmm)0通过连接32个液体-液体萃取单元而建造32级的萃取段A,并且通过连接32个液体-液体萃取单元而建造32级的洗涤段B。
由多级液体-液体萃取设备建造的萃取段A-该多级液体-液体萃取设备包括连接的32个液体-液体萃取单元，与由多级液体-液体萃取设备建造的洗涤段B-该多级液体-液体萃取设备包括连接的32个液体-液体萃取单元,相结合，以建造64级的萃取段加洗涤段A+B，它的尺寸设定成120mmX5120mmX200mm (H)。这个萃取段加洗涤段A+B的占地面积是比较例的3/10。填充萃取段加洗涤段A+B所需的液体体积是98L。所需的液体体积也是比较例的3/10。
接下来，使用图4的多级连续萃取系统，如在比较例中那样进行镨和钕的萃取和分离。由于从管线进给的溶液和引入和排出流量与比较例相同，所以在图4中使用与比较例(图5)相同的附图标记，并且省略对于萃取/分离操作的描述。
由ICP原子发射光谱仪测量在从管线5回收的水相和从管线7回收的盐酸溶液中镨和钕的浓度。从管线7回收的盐酸溶液具有0.03mol/L的钕浓度、和99.5%的钕纯度(Nd/(Pr+Nd))。从管线5回收的水相具有0.03mol/L的镨浓度、和99.6%的镨纯度(Pr/(Pr+Nd))。业已证实，与比较例相等的分离和萃取率是可得到的。
已经证明，使用本发明的液体-液体萃取单元，可以减小多级液体-液体萃取设备和系统的尺寸，同时保持满意的萃取效率。可以显著地减小占地面积。可以显著地减小过程所需的液体体积。可以显著地降低稀土元素的萃取和分离所需的成本。
权利要求
1.一种液体-液体萃取单元，适于使水相与有机相接触、分离所述水相与有机相以及从被分离的水相和/或有机相回收所需的萃取物，该液体-液体萃取单元包括: 萃取/分离箱，其用来接纳水相和有机相，具有一对沿水平方向相对的侧壁， 水相进口，其布置在一个侧壁的上部部分处，用来引入气泡形式的水相， 有机相进口，其布置在一个侧壁的下部部分处，用来引入气泡形式的有机相， 有机相出口，其布置在另一个侧壁的上部部分处，用来排出分离后的有机相，以及 水相出口，其布置在另一个侧壁的下部部分处，用来排出分离后的水相， 其中，气泡形式的水相从所述水相进口引入到所述箱的上部内部，气泡形式的有机相从所述有机相进口弓I入到所述箱的下部内部， 从所述箱的所述下部内部向所述上部内部运动的有机相与从所述箱的所述上部内部向所述下部内部运动的水相接触， 接触之后的有机相通过所述有机相出口而被排出并被回收，接触之后的水相通过所述水相出口而被排出并被回收。
2.如权利要求1所述的单元，还包括: 隔板，其布置在所述沿水平方向相对的侧壁之间，用来将所述箱划分成接触腔室和分离/回收腔室，所述接触腔室面对所述水相进口和所述有机相进口，所述分离/回收腔室面对所述有机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、用来提供在所述接触腔室与所述分离/回收腔室之间的流体连通的装置。
3.如权利要求1所述的单元，其中，所述萃取/分离箱是平行六面体箱，该平行六面体箱具有矩形底部和一对沿纵向相对的侧壁，所述一对沿纵向相对的侧壁作为所述一对沿水平方向相对的侧壁。
4.一种多级液体-液体萃取设备，包括多个如权利要求1所述的液体-液体萃取单元，其中，一个单元的有机相出口连接到另一个单元的有机相进口，并且一个单元的水相出口连接到另一个单元的水相进口，从而接触和分离按多级进行。
5.一种用来萃取稀土元素的多级连续萃取系统，包括: 萃取段，用来使呈水溶液形式并且包含稀土元素的水相与包含萃取剂的有机相接触、并且将它们分离，由此将至少一种稀土元素萃取到有机相中，以及 反萃取段，用来使含有被萃取的至少一种稀土元素的有机相与呈酸性水溶液形式的水相接触、并且将它们分离，由此将稀土元素反萃取到水相中以便回收， 其中，在反萃取之后的有机相从所述反萃取段排出、并且送回到所述萃取段以便循环，所述萃取段和所述反萃取段中的一者或两者是如权利要求4所述的多级液体-液体萃取设备。
6.如权利要求5所述的系统，其中，在萃取之后的水相从所述萃取段排出并被回收，从而能够回收保持在水相中而未被萃取到有机相中的稀土元素。
7.一种用来萃取稀土元素的多级连续萃取系统，包括: 萃取段，其用来使呈水溶液形式并且包含稀土元素的水相与包含萃取剂的有机相接触、并且将它们分离，由此将第一稀土元素萃取到所述有机相中， 反萃取段，其用来使含有被萃取的稀土元素的有机相与呈酸性水溶液形式的水相接触、并且将它们分离，由此将所述第一稀土元素反萃取到水相中以便回收，以及 洗涤段，其布置在所述萃取段与所述反萃取段之间，用来通过使有机相与具有预定酸浓度并且呈酸性水溶液形式的水相接触、并且将它们分离，而洗涤从所述萃取段排出的有机相，由此选择性地将偶然包含在有机相中并且应该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，并且用来将洗涤之后的有机相输送到所述反萃取段， 其中，具有在所述洗涤段中从有机相萃取的第二稀土元素的水相被送回到所述萃取段，在反萃取之后的有机相从所述反萃取段排出、并且送回到所述萃取段以便循环， 从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机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涤段中的至少一者是如权利要求4所述的多级液体-液体萃取设备。
全文摘要
一种液体-液体萃取单元，包括萃取/分离箱(10)，气泡形式的水相从在一个侧壁中的上部进口(20)引入到该萃取/分离箱(10)中，而气泡形式的有机相从在这一个侧壁中的下部进口(30)引入到该萃取/分离箱(10)中。向上运动的有机相与向下运动的水相接触。在接触之后，有机相从在相对侧壁中的上部出口(40)排出，而水相从在相对侧壁中的下部出口(50)排出。
文档编号C22B59/00GK103203120SQ20131001088
公开日2013年7月17日 申请日期2013年1月11日 优先权日2012年1月13日
发明者须原泰人, 美浓轮武久 申请人:信越化学工业株式会社