含酚廢水高效萃取塔的開發(fā)與應(yīng)用研究

常旭

摘 ?要：系統(tǒng)的介紹了高效萃取塔及其內(nèi)構(gòu)件的研發(fā)過程，深入的探討了制約煤化工項目快速發(fā)展的含酚廢水問題。

關(guān)鍵詞：含酚廢水;現(xiàn)代測試技術(shù);流體力學(xué);高效萃取塔

1 ? 前言

煤化工項目在造氣過程中會產(chǎn)生大量高污染、高濃度的含酚廢水，其水質(zhì)成分極其復(fù)雜，包含大量的酚類、烴類、氰化物、雜環(huán)類有機(jī)物和氨氮化合物等有毒有害物質(zhì)，處理難度及處理成本較高，已成為制約煤化工項目快速發(fā)展的瓶頸。因此，以現(xiàn)代測試技術(shù)和計算流體力學(xué)模擬相結(jié)合為主要方法，開展多相流體流動和傳質(zhì)性能的研究，發(fā)展新型測試技術(shù)和方法，開發(fā)出高效萃取塔及其內(nèi)構(gòu)件，分離、回收了含酚廢水中的有毒有害物質(zhì)，減輕后續(xù)生化處理及深度處理裝置負(fù)荷，實現(xiàn)廢水循環(huán)回收利用即零排放，為含酚廢水高效萃取塔的工業(yè)化應(yīng)用以及煤化工項目快速發(fā)展提供了基礎(chǔ)和新途徑。

2 ? 含酚廢水高效萃取塔應(yīng)用的影響因素

為了防止自然環(huán)境的惡化，達(dá)到不亂排廢水的工業(yè)排放要求，實現(xiàn)廢水零排放標(biāo)準(zhǔn)，在近代煤化工項目中越來越多的采用了萃取塔處理含酚廢水，但影響萃取過程的因素有很多，至少需要滿足以下條件才能保證萃取效果。

2.1 萃取劑的選擇

在萃取劑的選擇上有烴類、醇類、醚類、酯類、酮類及絡(luò)合類等類別，對于一種優(yōu)秀的萃取劑，必須具備萃取分配系數(shù)高、在水中溶解度小、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、沸點低、易回收、毒性低、熱穩(wěn)定性好等特點。目前，國內(nèi)外煤化工項目選擇應(yīng)用較多的萃取劑是甲基異丁基酮和二異丙基醚，甲基異丁基酮對單元酚、多元酚的分配系數(shù)更高一些，而二異丙基醚的沸點低、溶劑回收時能耗低，因此需根據(jù)含酚廢水中單元酚及多元酚含量的占比情況及出水指標(biāo)要求選擇萃取劑。

2.2 溫度變化

萃取是利用各組分在萃取劑中溶解度的差異來達(dá)到組分分離目的。而溫度會影響物質(zhì)的溶解度，溫度升高導(dǎo)致溶解度增大，使萃取效率迅速下降。所以，對于已確定的萃取系統(tǒng)，萃取溫度應(yīng)盡量遠(yuǎn)離萃取劑的沸點以及共沸點（萃取劑與含酚廢水混合物的沸點）。通常，甲基異丁基酮（沸點118℃）的萃取操作溫度為60～80℃，而二異丙基醚（沸點68℃）的萃取溫度為35℃～45℃。

2.3 PH變化

含酚廢水在堿性條件下，酚類物質(zhì)會發(fā)生部分電離，從分子態(tài)變成離子態(tài)，形成酚鈉鹽，使萃取脫酚效果降低。隨著pH的增大，萃取劑對含酚廢水的萃取效率漸漸降低，當(dāng)pH>8.5時，萃取分配系數(shù)急劇下降，萃取后廢水中殘留的總酚含量迅速增加，為了獲得較好的脫酚效果，萃取前應(yīng)控制含酚廢水的pH小于7。

3 ? 含酚廢水高效萃取塔的研究依據(jù)

萃取塔是一種廣泛應(yīng)用于石化、環(huán)保等領(lǐng)域的傳質(zhì)分離設(shè)備，具有密閉性好、設(shè)備緊湊、體積效率高、類型多等優(yōu)點。常用的萃取塔型式主要有填料式、轉(zhuǎn)盤式、篩板式、噴淋式等。目前在國內(nèi)應(yīng)用較多的是填料萃取塔和轉(zhuǎn)盤萃取塔。

轉(zhuǎn)盤萃取塔的優(yōu)點為存留時間短、分相迅速、傳質(zhì)效率及萃取效率高、相平衡建立快，易于實現(xiàn)單級、多級串聯(lián)的逆流或錯流洗滌和萃取;缺點為處理水量小、不適用于物質(zhì)濃度差小、粘度大的兩相分離體系，傳質(zhì)效果會隨著溫度的升高而下降，且設(shè)備整體投資高、加工能力有限，因此其不適用于近代煤化工項目。

近代煤化工項目均采用填料萃取塔進(jìn)行萃取脫酚。在填料萃取塔內(nèi)，通過液體分布器讓含酚廢水與萃取劑均勻噴灑到連續(xù)相中，兩相呈逆流流動在填料中，經(jīng)過多次混合的連續(xù)微分接觸后，形成較大的相際接觸面并進(jìn)行傳質(zhì)，達(dá)到萃取脫除效果。

填料萃取塔的優(yōu)點為處理水量大、能耗低、勞動強(qiáng)度低、設(shè)備整體投資低、便于安裝制造等;缺點為運行通量偏低、液滴分散不好、存在軸向返混，導(dǎo)致傳質(zhì)效率較低，在實際應(yīng)用中主要表現(xiàn)為萃取效率較低及萃取級數(shù)不夠。

4 ? 含酚廢水高效萃取塔的過程研發(fā)

傳質(zhì)效率是提高萃取效率及萃取級數(shù)的關(guān)鍵。通過研究萃取塔內(nèi)連續(xù)相流速、分散相流速與運行通量、存留分?jǐn)?shù)、流動特性、液泛通量、傳質(zhì)單元高度等之間的對應(yīng)影響關(guān)系，進(jìn)一步提高填料萃取塔的傳質(zhì)效率是國內(nèi)外科技研究的發(fā)展趨勢，因此針對水力學(xué)特性和傳質(zhì)性能模型的研究受到了越來越多的關(guān)注。

4.1 運行通量

運行通量是衡量萃取塔處理能力的重要指標(biāo)，運行通量的大小取決于液泛通量，而液泛通量主要取決于填料。在保持較高傳質(zhì)效率的同時，為提高運行通量，含酚廢水高效萃取塔采取在填料主體板片上開設(shè)導(dǎo)向孔，利用導(dǎo)向孔外緣對分散相液滴較強(qiáng)的切割作用，可有效的將大液滴破碎成小液滴，提高兩相接觸傳質(zhì)面積;同時，利用導(dǎo)向孔對液滴的擾動，也能促進(jìn)液滴的表面更新，這兩點都有利于提高傳質(zhì)效率;并且，導(dǎo)向孔在一定程度上有利于分散相的通過而減少連續(xù)相的過孔流動，降低連續(xù)相對過孔分散相的阻礙作用，從而有利于提高運行通量。

4.2 存留分?jǐn)?shù)

在萃取塔內(nèi)分散相總是在填料孔隙的連續(xù)相中占有一定的體積分?jǐn)?shù)，通常稱之為存留分?jǐn)?shù)或持液量。存留分?jǐn)?shù)反映了液液萃取塔內(nèi)兩相間傳質(zhì)面積的大小以及分散相液滴的分散程度，存留分?jǐn)?shù)的大小在一定程度上反映了萃取塔的性能，影響存留分?jǐn)?shù)大小的主要因素有物系性質(zhì)，如表面張力、傳質(zhì)方向、填料特性及兩相流速等。

連續(xù)相流速對存留分?jǐn)?shù)的影響不大，分散相流速對存留分?jǐn)?shù)影響很大，隨分散相流速增加，存留分?jǐn)?shù)接近于線性增長，直至破壞兩相正常的逆流流動，使某一相夾帶在另一相中流出，出現(xiàn)“液泛”。為防止液泛的出現(xiàn)，進(jìn)一步提高萃取塔內(nèi)存留分?jǐn)?shù)，含酚廢水高效萃取塔采用格冊規(guī)整填料，該填料主體采用一定傾斜度的平行板交錯排列，通過平行板引導(dǎo)兩相沿格柵板片表面流動，抑制無序流動，使兩相整體趨于平推流，有利于減小返混.提高傳質(zhì)效率。經(jīng)實驗室驗證，當(dāng)兩相流速比LR為1：5時，含酚廢水高效萃取塔的兩相液泛通量約為150 m3·m-2·h-1，與其它傳統(tǒng)典型填料相比，液泛通量有明顯提高。例如鮑爾環(huán)的液泛通量約為30-50 m3·m-2·h-1，蜂窩格柵填料的液泛通量約為70-100 m3·m-2·h-1。

4.3 傳質(zhì)單元高度

隨連續(xù)相流速的增加，傳質(zhì)單元高度初始增長較快，而后增速減緩。主要是因為當(dāng)連續(xù)相流速較高時，分散相存留分?jǐn)?shù)增大，停留時間變長，液滴變小，接觸面積增大，這兩方面的因素都促進(jìn)了傳質(zhì)，使得傳質(zhì)高度的增速降低。

隨分散相流速的增加，傳質(zhì)單元高度降低。主要是因為當(dāng)分散相流速增加時，由于分散相存留分?jǐn)?shù)隨分散相流速顯著增大，而液滴直徑變化不大，這使得兩相接觸面積增大，促進(jìn)了傳質(zhì)，因此傳質(zhì)單元高度降低。

含酚廢水高效萃取塔因擁有較高的兩相液泛通量及分散相流速，其傳質(zhì)單元高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于與其它傳統(tǒng)典型填料萃取塔。經(jīng)實驗室驗證，傳質(zhì)單元高度最低達(dá)0.6m。說明在相同條件下達(dá)到同樣吸收要求所需的填料層高度非常小，具有較高的傳質(zhì)效率。

5 ? 結(jié)論

通過上述水力學(xué)特性和傳質(zhì)性能研究及實驗室驗證，開發(fā)出了一種新型含酚廢水高效萃取塔及其格冊規(guī)整填料，該塔在兩相流速比LR為1：5時，具有較高的運行通量、存留分?jǐn)?shù)、液泛通量和較小的傳質(zhì)單元高度，其傳質(zhì)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它傳統(tǒng)典型填料萃取塔，特別適用于處理煤化工項目在造氣過程中產(chǎn)生的大量高污染、高濃度的含酚廢水，可應(yīng)用于新建項目的萃取塔及現(xiàn)有萃取塔的產(chǎn)能提升改造，擁有較好的工業(yè)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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