1.液−液抽出

1.1概要

液−液抽出は溶媒抽出とも呼ばれ、液体混合物にそれと不完全に相溶した液体を加えて溶媒とし、第二相をもたらし、原液体中のある成分の2液相間の異なる分配関係を利用して有効成分を分離する。これは液-液間の物質移動プロセスです。

液−液抽出は処理能力が大きく、分離効果がよく、回収率が高く、連続操作ができ、自動制御が容易であるなどの特徴がある。石油化学工業、湿式冶金、原子力工業、生物化学、環境保護、食品と医薬工業などの分野で広く応用されている。現在の抽出技術の発展は実験室の研究にも依存しており、試験規模から技術条件を模索し、それから工業装置に拡大する。海外には抽出設備を専門に生産する会社があり、実験可能な小型実験装置を提供し、実験に設計パラメータを提供し、ユーザーに技術サービスを提供している。我が国にはこれまで抽出設備を専門に製造する企業は1社もなく、抽出設備は依然として専門研究機関の特殊な設計に依存して特定のシステムに応用されている。

1.2抽出応用の場合

蒸留と抽出の違い：蒸留：混合液中の各成分の揮発度の違いを利用して分離の目的を達成すること、抽出：ある成分の異なる溶媒中の溶解度の違いを利用して分離の目的を達成する。

液−液抽出は主に以下のいくつかの場合に用いられる：

A.溶液中の各成分の沸点は非常に近く、すなわち各成分の相対揮発度は1に近く、蒸留方法では経済的ではない、

B.溶液中に大量の低沸点の物質が含まれているか、または低沸点成分の気化潜熱が大きく、蒸留方法で回収する場合、消費する大量の熱エネルギー、

C.溶液中のいくつかの成分は定沸物に形成され、蒸留方法で分離しにくい、

D.溶液中で回収する成分は、感熱性物質に属し、蒸留時に分解、重合またはその他の化学変化が発生しやすい、

E.抽出液中のウラン、エフェドリン浸漬煮液中のエフェドリンなどの希薄溶液中の有価物質を抽出する。

F.ジルコニウムとハフニウム、タンタルとニオブなどの極めて分離しにくい金属を分離する。

1.3抽出に影響する主な要因

A.溶媒の選択、

溶媒の選択は一般的に以下の要素を考慮する：

(1).溶媒の選択性：蒸留中の相対揮発性に類似した溶媒の分離能力を特徴づける。選択係数は1に等しく、分離効果はありません。選択係数は1より大きくなければなりません。

(2).分配係数：分配係数は溶質濃度、温度と関係がある。

(3).抽出容量：抽出容量が大きく、溶媒の循環量を減らすことができる。

(4).溶媒の溶解度：溶媒の溶解度を小さくして、溶媒の損失を低減する。

(5).溶媒の物性：主に密度と界面張力である。適切な密度差と界面張力が必要である。

B.抽出装置の選択

抽出過程は実際には相間平衡の過程である。

(1).1相を別の相に分散して、大きな相界面面積を形成する、

(2).分散相液滴と連続相接触時に、物質移動が発生し、物質移動過程を平衡に近い程度に行う、

（3）分散相液滴の凝集。

抽出過程における液滴のこのような「分散−凝集−再分散」の過程は、「分散−物質移動−凝集」、「再分散−物質移動−凝集」過程を絶えず循環させる。物質移動機構プロセスは抽出装置の性能に重要な影響を与える。

2.抽出装置の選択

1つの液抽出過程にとって、適切な物質移動設備を選択することは、比較的重要な仕事であるが、比較的難しい仕事でもある。各種の物質移動装置は異なる特性を持ち、抽出過程及び抽出システムにおける各種要素の影響も複雑である。

設備の選択はシステムの性質と設計特性を考慮しなければならない：

(1).システムに必要な理論級数：

一定の分離要件を達成するために、抽出装置は必要な理論級数を持たなければならない。必要な理論段数は2〜3段のように少なく、一般的に機械的に攪拌されていない装置は、フィラー塔、スクリーン塔などを選択することができる。

必要な理論段数は多く、例えば5級以上であれば、回転盤塔、振動塔などの追加エネルギーを持つ抽出装置を選択しなければならない。より多くの理論級数が必要な場合、希土類抽出プロセスのように数十段、さらには数百段が必要になることが多く、この場合は一般的に混合清澄器しか選択できない。

(2).処理量：

設備の処理量は生産任務によって決定されることが多い。要求される処理量は大きく、ターンテーブル塔、スクリーン塔、Kuhni塔を選択することができる、処理量が小さく、フィラー塔、パルススクリーン塔、パルスフィラー塔などを選択することができる。

(3).滞留時間：

抽出操作においてシステムが滞留時間に要求がある場合、例えば抗生物質生産において、発酵液の抽出には、抽出装置に滞留時間が短いことが要求されることが多く、その場合は遠心抽出器を選択することができる。システムが遅い化学反応を伴う場合、十分な滞留時間が必要な場合は、混合清澄器を使用することも適切である。

(4).比較：

分散相と連続相の流量比を指し、タワー抽出装置では、大きな接触面積を生成するために、通常、流量の大きい相を分散相とする。大きすぎるに比べて、非攪拌型の塔は選択すべきではなく、攪拌型の塔を選択すべきであり、混合清澄器は基本的に比較する大きさの影響を受けない。

(5).システムの物理的性質：

システムの物理的性質は抽出装置の選択に密接な関係がある。2相密度差が大きい場合はタワー抽出器を選択することができ、逆に遠心抽出器を選択しなければならない、システムの界面張力が大きく、粘度が高い場合は、大きな接触面積を保証するために、エネルギーを加えた抽出装置を考慮しなければならない。界面張力が小さく、フィラー塔を選択することができ、もしシステムが腐食性を持っている場合、フィラー塔を優先的に考慮しなければならない。

(6).設備と操作、修理費用：

抽出設備を選択する場合、設備の製造費用のほか、設備の操作と修理費用を考慮する必要がある。設備内の材料貯蔵量、特に溶媒の貯蔵量、溶媒の回収費用及び溶媒の損失を含む。

(7).設備の設置場所：

設備の設置場所は実際の状況に基づいて確定しなければならず、敷地面積が限られている場合はタワー設備を選択しなければならない。場所の高さに制限がある場合は、混合清澄器を考慮することができます。

3.タービン攪拌抽出塔

タービン攪拌抽出塔は多孔板を備えた機械攪拌型抽出装置である。Kühni塔は典型的なタービン抽出塔であり、現在成功しているタービン抽出塔でもある。この塔は1960年代にスイスのKühni社から提案され、70～80年代にヨーロッパで広範な工業応用を得た。

タービン塔の構造

攪拌室の主要部品：

A.中心軸に取り付けられたタービンミキサー。

B.各区画を垂直方向に仕切るための固定孔板。

タービン混合器は、タービン抽出塔区画の特徴的な流れを生成するための二重入口の半径方向流れインペラである。

タービン攪拌抽出塔の利点：

A.レベル効率が高い、

B.より大きい、

C.構造が簡単である、

D.操作が便利である、

E.処理量が大きい、

F.適応性が高い。

タービン抽出塔は液−液抽出における重要な設備であり、分離要求が高い場合に使用することができ、特にその構造が簡単で、操作が便利で、処理量が大きく、適応性が高いことを特徴として、人々の普遍的な関心を集めている。タービン攪拌抽出塔はすでに抽出工業に広く応用されている。世界にはすでに3000個以上のターボ攪拌抽出塔が実験室の研究、プロセスの開発と工業生産に使用されており、直径6 cmの小型実験塔から5.4 mの工業塔まで使用されている。

タービン抽出塔の応用の工業分野は以下の通りである：

石油化学工業は芳香族炭化水素の抽出と原油留分からの潤滑油の抽出に用いられる、

製薬業及び化学工業において水溶液からビタミン、グリコシド、アルカロイド及びその他の有機物を抽出するために用いられる、

水溶液から酢酸を抽出する、N，N−ジメチル安息香酸アミン、ピリジン、ジメチルスルホキシド、ジクロロベンゼンなどの溶媒の回収と浄化、

ハーブ系化合物の抽出やシロップからのクエン酸の抽出など、

湿式冶金工業はニッケル、コバルトから亜鉛を回収し、浸出液と粗リン酸液からウランを回収するために用いられる、

環境工学廃水処理工業は廃水からフェノールやニトロベンゼンなどの有機物を抽出除去するために使用され、化繊は廃水の亜鉛除去などを生産する。

4.研究成果の実施

華東理工大学化学工業学院は長期にわたり抽出技術及び装置の研究に従事し、相前後して充填材抽出塔、ターンテーブル塔、改良型ターンテーブル塔、偏心ターンテーブル塔、縦型混合清澄塔、タービン攪拌抽出塔などの多種の抽出設備を研究し、そして多くの成果を得た。現在、国内ではすでに複数の異なる直径の抽出塔が石油化学工業、精密化学工業、医薬工業に応用されている。

実験室抽出塔：Φ75 mm-300 mm処理量：10 kg/h-200 kg/h

工業抽出塔の設計規模：

Ф500 mm-1.8 m処理量：500 kg/h-1600 kg/h

現在の抽出技術の発展は実験室の研究にも依存しており、試験規模から技術条件を模索し、それから工業装置に拡大する。抽出システムが関与する分野の範囲が広いため、これまで実験データに依存せずに増幅できる完全な設計方法はなかった。このような高効率タービン攪拌抽出塔の応用が進むにつれて、私たちはこの塔に対して大量かつ徐々に深く研究を行った。塔の幾何構造、塔内の流体流動と物質移動特性の研究を含む。研究を通じて、タービン攪拌抽出塔の設計方法及び塔内部材の幾何寸法パラメータを基本的に把握した。物質移動と逆混合の汎用性数学モデルを構築し、工業装置の設計に信頼性のある実験データと数学モデルを提供した。