多级离心萃取系统、用于多级萃取的离心萃取机的制作方法

1.本发明涉及离心萃取机，特别涉及多级离心萃取系统、用于多级萃取的离心萃取机。


背景技术：

2.离心萃取技术是一种借助离心力实现液-液两相的快速接触混合传质和分离的新型高效分离技术。相对于其他萃取技术，因其具有占地面积小、级效率高、萃取剂用量少、密封性好、自动化程度高和便于实现清洁生产等特点，已被广泛用于湿法冶金、废水处理、医药、化工和食品等多种领域。现有的离心萃取机如授权公告号为cn202638044u的中国实用新型专利公开的离心萃取机，包括壳体，壳体上设有轻相进料口和重相进料口，壳体内转动装配有转鼓并于转鼓顶部对应设置有轻相收集腔和重相收集腔，轻相收集腔和重相收集腔分别通过壳体上对应设置的轻相出料口和重相出料口通向外部。使用时，轻重两个液相分别自轻相进料口和重相进料口进入转鼓与壳体之间的环隙，借助转鼓的旋转而快速混合；混合后的液体通过转鼓底部的通道进入转鼓的内腔，在从下而上流动的过程中逐渐分离，分离开的液-液相分别通过轻相堰板、重相堰板之后汇集到轻相收集腔和重相收集腔，并分别由轻相出料口、重相出料口排出。现有技术中也有在转鼓底部设置具有混合叶轮的混合室，并在混合室上设置有轻相进料口和重相进料口的离心萃取机。
3.然而，离心萃取机有一个显著的特点，即两相接触传质的时间较短，甚至短至零点几秒，因此不利于萃取率的提高。为了提升传质效果，目前通常采用增加混合叶轮来增加混合强度、设置加热系统来提升料液混合温度，或者设置预混合装置进行离心萃取机外预混合的方案。但是，混合强度过强会导致料液出现乳化现象，设置加热系统会增加结构复杂性和使用能耗，设置预混合装置会增加占地面积和维护费用。
4.现有技术中还有通过增加传质路径来提高传质效果的方案，例如申请公布号为cn105013361a的中国发明专利申请公开的一种液液螺旋涡流混合器，由筒体、进料口、螺旋涡道、折流板、涡流导叶、底板、出料口部件构成；筒体的内壁上设有沿顺时针方向向下的螺旋涡道，底板上设置有涡流导叶。两相料液从进料口分别进入离心机的螺旋涡道开始预混合过程，沿着螺旋涡道进入涡流导叶，再沿涡流导叶螺旋进入混合室，完成离心机内无动力预混合过程，能够避免占地面积增加，并且不会增加能耗。
5.为了更好地实现传质，现有技术中还会将多台离心萃取机串联成多级离心萃取系统，实现多级传质。例如授权公告号为cn206715362u的中国实用新型专利公开的一种结构简单的工业化离心萃取机组的连接结构，包括多个离心萃取机，本级离心萃取机上的轻相进料口与下级离心萃取机上的轻相出料口连通，本级离心萃取机上的重相进料口与下级离心萃取机上的重相出料口连通，通过多级组合来增加传质次数以提高传质效果。授权公告号为cn203634857u的中国实用新型专利公开的一种多级逆流离心萃取机也采用了多级传质结构。
6.多级离心萃取系统能够通过增加传质次数来改善混合传质效果，但是对于一些混
合效果主要受传质时间影响的料液体系，由于单个离心萃取机的两相接触传质的时间有限，因此混合传质效果也会受限，而增加离心萃取机的级数会导致成本过高、场地占用面积过大。


技术实现要素：

7.本发明的一个目的是提供一种多级离心萃取系统，解决现有的多级离心萃取系统的混合传质效果受限的问题。本发明的另一个目的是提供一种用于多级萃取的离心萃取机，能够解决现有的多级离心萃取系统中的离心萃取机难以提高混合传质效果的问题。
8.本发明中多级离心萃取系统采用如下技术方案：
9.多级离心萃取系统，包括多级分级布置的离心萃取机，离心萃取机包括壳体，壳体内设有供转鼓中排出的第一相料液和第二相料液分别汇集的第一收集腔和第二收集腔；离心萃取机包括三台依次相邻的第n级萃取机、第n+1级萃取机、第n+2级萃取机；第n级萃取机的第一收集腔连接有供第n+2级萃取机的第二收集腔内的料液流入的跨级回流管路，或者，第n级萃取机的第一收集腔连接有第一相连接管路，第一相连接管路上连接有供第n+2级萃取机的第二收集腔内的料液流入的跨级出料管回流管路。
10.上述技术方案的有益效果是，通过设置跨级回流管路使第n级萃取机的第一收集腔与第n+2级萃取机的第二收集腔连通，能够利用第n级萃取机的第一收集腔和第n级萃取机的第一相连接管路作为两相料液的混合场所，从而能够有效地延长料液混合传质路径和时间，或者，通过设置跨级出料管回流管路使第n级萃取机的第一收集腔与第n+2级萃取机的第一出料口所连接的第一相连接管路连通，能够利用第n级萃取机的第一相连接管路作为两相料液的混合场所，从而能够有效地延长料液混合传质路径和时间；与现有技术中仅依靠离心萃取机中现有的混合室进行混合传质相比，能够更有效地提高混合传质效果。
11.作为一种进一步限定的技术方案：跨级回流管路或跨级出料管回流管路为倾斜管路，靠近第n+2级萃取机的一端高于另一端，供料液靠重力自行输送。
12.上述进一步限定的技术方案的有益效果是，能够利用料液自身重力和料液从高速旋转的转鼓甩出时的离心力所形成的动能实现自行输送，不需设置泵送装置，结构简单，成本低，空间占用少。
13.作为一种进一步限定的技术方案：所述第n+2级萃取机的安装高度大于第n级萃取机的安装高度，使得跨级回流管路或跨级出料管回流管路呈倾斜状态。
14.上述进一步限定的技术方案的有益效果是，既能够便于离心萃取机上与跨级回流管路或跨级出料管回流管路相连的接口的灵活布置，又能够保证跨级回流管路或跨级出料管回流管路为倾斜管路。
15.作为一种进一步限定的技术方案：与跨级回流管路相连的第一收集腔的腔壁上设有用于增强料液混合程度的扰流结构；或者，与跨级出料管回流管路相连的第一相连接管路的管壁上设有用于增强料液混合程度的扰流结构。
16.上述进一步限定的技术方案的有益效果是，设置扰流结构能够进一步增强混合传质效果，进一步提高萃取率。
17.作为一种进一步限定的技术方案：所述扰流结构包括片状凸起结构和/或凸凹结构。
18.上述进一步限定的技术方案的有益效果是，片状凸起结构和/或凸凹结构便于加工，易于保证扰流效果。
19.作为一种进一步限定的技术方案：第一收集腔上供第一相料液排出的第一出料口与供跨级回流管路连接的跨级回流进料口沿壳体的周向具有间隔。
20.上述进一步限定的技术方案的有益效果是，能够利用周向的间隔进一步延长传质路径和传质时间。
21.作为一种进一步限定的技术方案：第n+1级萃取机上的第二进料口连接有供第n+2级萃取机的第二收集腔内的料液流入的第二相连接管路。
22.上述进一步限定的技术方案的有益效果是，能够充分利用现有的第二相连接管路实现一部分料液的输送，满足较大的流量需求。
23.作为一种进一步限定的技术方案：第n+2级萃取机的第二收集腔与第n+1级萃取机之间未设置供第二相料液流通的第二出料管路，仅与第n级萃取机之间连接有所述跨级回流管路或跨级出料管回流管路；沿第一相料液在多级离心萃取系统中的流动路径位于起始位置的离心萃取机连接有第二相连接管路，第二相连接管路与相邻级离心萃取机的第二收集腔连通。
24.上述进一步限定的技术方案的有益效果是，有利于减少管路数量，简化结构，降低成本。
25.本发明中用于多级萃取的离心萃取机采用如下技术方案：
26.用于多级萃取的离心萃取机，包括壳体，壳体内设有供转鼓中排出的第一相料液和第二相料液分别汇集的第一收集腔和第二收集腔；第一收集腔上设有两个以上外部连通口，其中一个外部连通口为出料口，另一个外部连通口为供与该离心萃取机相差一级的离心萃取机上的第二收集腔连通的跨级回流进料口；并且/或者，第二收集腔上设有两个以上外部连通口，其中一个外部连通口为出料口，另一个外部连通口为供与该离心萃取机相差一级的离心萃取机上的第一收集腔连通的跨级回流出料口。
27.上述技术方案的有益效果是，通过设置跨级回流进料口和/或跨级回流出料口能够连接跨级回流管路，使得第n级萃取机的第一收集腔与第n+2级萃取机的第二收集腔连通，进而能够利用第n级萃取机的第一收集腔和第n级萃取机的第一相连接管路作为两相料液的混合场所，从而有效地延长料液混合传质路径和时间；与现有技术中仅依靠离心萃取机中现有的混合室进行混合传质相比，能够更有效地提高混合传质效果。
28.作为一种进一步限定的技术方案：设有所述跨级回流进料口的第一收集腔的腔壁上设有用于增强料液混合程度的扰流结构。
29.上述进一步限定的技术方案的有益效果是，设置扰流结构能够进一步增强混合传质效果，进一步提高萃取率。
30.作为一种进一步限定的技术方案：所述扰流结构包括片状凸起结构和/或凸凹结构。
31.上述进一步限定的技术方案的有益效果是，片状凸起结构和/或凸凹结构便于加工，易于保证扰流效果。
32.作为一种进一步限定的技术方案：第一收集腔上供第一相料液排出的第一出料口与供跨级回流管路连接的跨级回流进料口沿壳体的周向具有间隔。
33.上述进一步限定的技术方案的有益效果是，能够利用周向的间隔进一步延长传质路径和传质时间。
附图说明
34.图1是本发明中多级离心萃取系统的实施例1的结构示意图；
35.图2是图1的俯视图；
36.图3是图1中第三级萃取机的左视图(按照图纸自身的左右方向)；
37.图4是本发明中多级离心萃取系统的另一实施例的结构示意图；
38.图5是本发明中用于多级萃取的离心萃取机的另一实施例的结构示意图。
39.图中相应附图标记所对应的组成部分的名称为：11、第一级萃取机；12、第二级萃取机；13、第三级萃取机；14、第四级萃取机；15、第五级萃取机；21、壳体；22、第一进料口；23、第二进料口；24、第一出料口；25、第二出料口；26、第一收集腔；27、第二收集腔；281、跨级回流进料口；282、跨级回流出料口；291、第一相连接管路；292、第二相连接管路；210、跨级回流管路；211、螺旋涡道。
具体实施方式
40.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
41.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.需要说明的是，本发明的具体实施方式中，可能出现的术语如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，可能出现的术语如“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，可能出现的语句“包括一个
……”
等限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
43.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“设有”应做广义理解，例如，“设有”的对象可以是本体的一部分，也可以是与本体分体布置并连接在本体上，该连接可以是可拆连接，也可以是不可拆连接。对于本领域技术人员而言，可以通过具
体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
45.以下结合实施例对本发明进一步地详细描述。
46.本发明中多级离心萃取系统的实施例1：
47.如图1和图2所示，多级离心萃取系统包括五台分级布置的离心萃取机，五台离心萃取机分别为第一级萃取机11、第二级萃取机12、第三级萃取机13、第四级萃取机14、第五级萃取机15，形成了五级离心萃取结构，用于将第五级萃取机15通入的重相料液中的目标物质萃取到第一级萃取机11通入的轻相料液中。下文中，将轻相料液称为第一相料液，将重相料液称为第二相料液。作为本领域的公知常识，根据壳体21内轻相堰板和重相堰板的布置结构，第一收集腔26和第一出料口24也可以供重相料液排出，第二收集腔27和第二出料口25也可以供轻相料液排出。
48.如图3，离心萃取机包括壳体21，壳体21的高度方向中部设有法兰管形式的第一进料接头和第二进料接头，第一进料接头和第二进料接头分别在壳体21的腔壁上形成第一进料口22和第二进料口23。第一进料口22和第二进料口23分别供第一相料液和第二相料液进料。壳体21的上部设有法兰管形式的第一出料接头和第二出料接头，第一出料接头和第二出料接头分别在壳体21的腔壁上形成第一出料口24和第二出料口25，第一出料口24和第二出料口25分别供第一相料液和第二相料液出料。壳体21内设有分别与第一出料口24和第二出料口25对应的第一收集腔26和第二收集腔27(可参考图5，为多级萃取的离心萃取机的另一实施例)，供从转鼓中排出的经过离心分离后的轻重两相料液分别汇集。第二收集腔27位于第一收集腔26的上方，第一出料口24和第二出料口25分别设置在第一收集腔26和第二收集腔27的腔侧壁上。第一收集腔26上还连接有跨级回流进料口281，跨级回流进料口281供与该离心萃取机相差一级的离心萃取机上的第二收集腔27连通，使得第二相料液能够在第一收集腔26内即与第一相料液进行混合。
49.五台离心萃取机形成的多级离心萃取系统与现有技术中的多级离心萃取系统相同的是：如图1、图2和图3，第一级萃取机11的第一进料口22和最后一级萃取机(即第五级萃取机15)的第二进料口23分别供待处理的第一相料液和第二相料液通入，第一级萃取机11的第二进料口23与第二级萃取机12的第二出料口25通过第二相连接管路292连通，第一级萃取机11的第一出料口24与第二级萃取机12的第一进料口22通过第一相连接管路291连通，第一级萃取机11的第二出料口25为系统第二相料液的最终出料口；第二级萃取机12的第二进料口23与第三级萃取机13的第二出料口25连通，第二级萃取机12的第一出料口24与第三级萃取机13的第一进料口22连通；第三级萃取机13、第四级萃取机14的第一、二进料口和第一、二出料口的连接方式与第二级萃取机12、第三级萃取机13相同；第四级萃取机14的第一出料口24与第五级萃取机15的第一进料口22连通，第四级萃取机14的第二进料口23与第五级萃取机15的第二出料口25连通；第五级萃取机15的第一出料口24为系统第一相料液的最终出料口。
50.与现有技术中的多级离心萃取系统不同的是，第一级萃取机11、第二级萃取机12、第三级萃取机13的第一收集腔26上设有两处外部连通口，两处外部连通口中除了与现有技术中相同的第一出料口24外，还包括如图1、图2、图3所示的跨级回流进料口281；第三级萃取机13、第四级萃取机14、第五级萃取机15的第二收集腔27上也设有两处外部连通口，两处外部连通口中除了与现有技术中相同的第二出料口25外，还包括如图1、图2、图3所示的跨
级回流出料口282。第三级萃取机13、第四级萃取机14、第五级萃取机15的第二收集腔27上设置的跨级回流出料口282的轴线垂直于第二出料口25的轴线。第一级萃取机11、第二级萃取机12、第三级萃取机13上的跨级回流进料口281通过相应的跨级回流管路210分别跨级连接至相隔一级的离心萃取机的跨级回流出料口282上。此时相应收集腔中能够汇入跨级输送过来的另一相料液，自带高速动能的分散料液对收集腔已存料液进行撞击扰动和混合，充分利用了料液的动能、分散状态以及收集腔的空间，达到预先混合、提升传质效果。同时此种混合方式为中弱强度混合，避免出现通过混合叶片高速搅拌达到增强混合时的乳化现象。
51.跨级回流出料口282的高度大于相应离心萃取机上的跨级回流进料口281的高度，能够使跨级回流管路210呈倾斜状态，从而能够供料液依靠自身重力和料液从高速旋转的转鼓甩出时的离心力所形成的动能自行输送，不需额外设置泵送装置，并且高度差不是主要动力源，即使同样的高度，利用离心力所形成的动能也能够自行输送，有利于简化结构、降低成本、减小空间占用。
52.为了进一步提高混合传质效果，第一级萃取机11、第二级萃取机12、第三级萃取机13的第一收集腔26的腔壁上设有鳞片形式的片状凸起(图中未示出，可以参考背景技术中申请公布号为cn105013361a的中国发明专利申请公开的一种液液螺旋涡流混合器的螺旋涡道(可以参考图5中的螺旋涡道211)上设置的折流板)，形成扰流结构，用于增强料液混合程度。
53.工作时，待处理的第一相料液和第二相料液分别从第一级萃取机11的第一进料口22和第五级萃取机15的第二进料口23通入，萃取过程中，第二相料液中的目标物质能够通过五级萃取过程实现五次混合传质，并且能够通过第三级萃取机13、第四级萃取机14、第五级萃取机15上的第一收集腔27的跨级回流出料口282分别通向第一级萃取机11、第二级萃取机12、第三级萃取机13的第一收集腔26上的跨级回流进料口281，在第一收集腔26内与已经经过了萃取过程的第一相料液进行混合传质，并继续共同通过第一级萃取机11、第二级萃取机12、第三级萃取机13的第一出料口24所连接的第一相连接管路291，在第一相连接管路291内进行混合传质，从而显著延长混合传质路径和混合传质时间，有效地提升混合传质效果。
54.本发明中多级离心萃取系统的实施例2：
55.本实施例与实施例1的不同之处在于：实施例1中，多级离心萃取系统包括五台分级布置的离心萃取机，形成了五级离心萃取结构。而本实施例中，多级离心萃取系统仅设置了三台分级布置的离心萃取机，相当于除去了实施例1中的第四级萃取机14、第五级萃取机15，并且除去了第二级萃取机12、第三级萃取机13上的跨级回流进料口281。
56.本发明中多级离心萃取系统的实施例3：
57.本实施例与实施例1的不同之处在于：实施例1中，跨级回流出料口282的高度大于相应跨级回流进料口281的高度，能够使供料液依靠自身重力自行输送。而本实施例中，跨级回流出料口282在相应心萃取机上的设置高度小于跨级回流进料口281在相应离心萃取机上的高度，但是设有跨级回流出料口282的萃取机的整机安装高度大于设有跨级回流进料口281的萃取机的整机高度，使得跨级回流出料口282的绝对高度大于跨级回流进料口281的绝对高度，仍然能够使供料液依靠自身重力自行输送。
58.在其他实施例中，对于无法依靠料液自身重力进行自行输送的情况，也可以以泵送的方式实现跨级回流料液的输送。
59.本发明中多级离心萃取系统的实施例4：
60.本实施例与实施例1的不同之处在于：实施例1中，设有所述跨级回流进料口281的第一收集腔26的腔壁上设有鳞片形式的片状凸起作为用于增强料液混合程度的扰流结构。而本实施例中，扰流结构由第一收集腔26的腔壁上的凹槽形成。在其他实施例中，扰流结构也可以替换为其他形式，例如凸点。
61.本发明中多级离心萃取系统的实施例5：
62.本实施例与实施例1的不同之处在于：实施例1中，通过在收集腔上设置跨级回流进料口281实现了回流。而本实施例中，第一级萃取机11、第二级萃取机12、第三级萃取机13的第一出料口24所连接的第一相连接管路291上设有跨级管路回流口，第三级萃取机13、第四级萃取机14、第五级萃取机15的跨级回流出料口282分别通向相应级萃取机的跨级回流进料口281。具体地，第一级萃取机11的第一出料口24所对应的法兰管为三通形式，三通形成了两个外部连通口，其中一个外部连通口为跨级回流出料口282，另一个外部连通口为第一出料口24，相应的第三级萃取机13、第四级萃取机14、第五级萃取机15的第二出料口25排出的料液一部分通过跨级出料管回流管路通入三通形成的跨级回流出料口282上。
63.本发明中多级离心萃取系统的实施例6：
64.本实施例与实施例1的不同之处在于：实施例1中，第三级萃取机13、第四级萃取机14、第五级萃取机15的跨级回流出料口282独立于第二出料口25设置。而本实施例中，第三级萃取机13、第四级萃取机14、第五级萃取机15未设置独立的跨级回流出料口282，而是在第二出料口25的位置设有三通接头，三通接头的其中一个端口形成了跨级回流出料口282，另一个端口为第二出料口25。
65.本发明中多级离心萃取系统的实施例7：
66.本实施例与实施例1的不同之处在于：实施例1中，第三级萃取机13、第四级萃取机14、第五级萃取机15的第二收集腔27上均设有两个外部连通口，分别为第二出料口25和跨级回流出料口282。而本实施例中，如图4，第三级萃取机13、第四级萃取机14、第五级萃取机15的第二收集腔27上仅设有一个外部连通口，构成跨级回流出料口282，第三级萃取机13、第四级萃取机14和第五级萃取机15的第二收集腔27内的全部料液分别通过相应跨级回流管路210注入相应的第一级萃取机11、第二级萃取机12、第三级萃取机13的第一收集腔26。同时，第一级萃取机11为各级离心萃取机中沿第一相料液的流向位于起始位置的离心萃取机，仅第一级萃取机11与第二级萃取机12设有第二相连接有第二相连接管路292，供第二相料液最终进入第一级萃取机11中，进而通过第一级萃取机11的第二出料口25排出。
67.在其他实施例中，第一级萃取机11的第一相连接管路上也可以设置管道混合器或加热器，第一相连接管路的内壁上还可以设置折流板、凸点，以进一步增加混合传质效果。另外，在其他实施例中，离心萃取机的转鼓内壁上除了设置螺旋涡道211还可以设置涡流导叶(可以参考背景技术中的申请公布号为cn105013361a的中国发明专利申请公开的一种液液螺旋涡流混合器中采用的螺旋涡道和涡流导叶)，构成预混合通道。螺旋涡道211可根据不同的料液体系的传质特性设置螺距大小，难传质料液体系可减小螺距，增加螺旋圈数以提升料液的混合路径。
68.本发明中用于多级萃取的离心萃取机的实施例：用于多级萃取的离心萃取机的实施例即上述多级离心萃取系统的任一实施例中记载的设有跨级回流进料口281和/或跨级管路回流口的离心萃取机，具体结构此处不再赘述。
69.本发明中用于多级萃取的离心萃取机的另一实施例：如图5，与上述多级离心萃取系统的实施例1中记载的第一级萃取机11、第二级萃取机12、第三级萃取机13相比，主要不同之处在于，跨级回流进料口281的朝向与第一出料口24的朝向相同，均沿壳体21相应部位的切向布置，且壳体21的形状不同，此处不再详细说明。
70.以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。