新型錐式泡罩萃取塔內(nèi)液滴的分散和液泛研究

楊秋月, 王成習(xí), 王 濤(浙江大學(xué) 化學(xué)工程與生物工程學(xué)院, 浙江 杭州 310027)

1 前 言

液液萃取是一種傳統(tǒng)的、通過相際傳遞實(shí)現(xiàn)分離目的的單元操作過程。連續(xù)逆流塔式萃取設(shè)備具有密閉性好、選擇性高、分離效果好、生產(chǎn)規(guī)模大、經(jīng)濟(jì)安全等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前已廣泛運(yùn)用于核能、石油、醫(yī)藥、生物、新材料及環(huán)保等領(lǐng)域[1-2]。隨著化工工業(yè)生產(chǎn)需求的不斷擴(kuò)大，開發(fā)具有良好性能的液液萃取塔受到了廣泛關(guān)注。

篩板塔是一種常用的塔式萃取設(shè)備，已被廣泛運(yùn)用于芳烴抽提、潤(rùn)滑油制備等石油化工領(lǐng)域。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于結(jié)構(gòu)所限，當(dāng)流量有較大變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致篩板塔內(nèi)凝聚層不穩(wěn)定，極易發(fā)生局部液泛，從而導(dǎo)致篩板塔操作彈性較低且設(shè)計(jì)要求較為苛刻。其次，雖然在篩板塔中因塔板的阻隔減小了軸向返混的影響，但對(duì)于大多數(shù)較難分散系統(tǒng)，篩板塔由于提供的有效相界面積有限，因而整體分離效率并不高。生產(chǎn)中可通過外加能量的方法改善分散效果，如加入脈沖、振動(dòng)、攪拌槳等方式所形成的脈沖萃取塔[3]、往復(fù)振動(dòng)篩板萃取塔、帶板間攪拌的脈沖篩板萃取塔[4]、帶離心攪拌的篩板萃取塔等。此外，改進(jìn)篩板塔自身結(jié)構(gòu)也是強(qiáng)化萃取性能的重要方式，如發(fā)展優(yōu)勢(shì)塔板材料[5-7]、改善塔板構(gòu)造(如篩孔孔徑、塔板間距、內(nèi)部結(jié)構(gòu))等[8-9]，這些改進(jìn)旨在改善萃取過程中“分散-聚并-分散”過程，提高傳質(zhì)效率。為了強(qiáng)化萃取過程，本文也做了一些探索研究，提出了內(nèi)有擋板的新型錐式泡罩這種萃取塔分散元件，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種無降液管的穿流萃取塔，并采用四種具有不同界面張力的萃取體系從分散相液滴直徑和液泛流速兩方面，對(duì)分散相液體在連續(xù)相中的分散特性展開研究，力求為化工分離領(lǐng)域提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有一定操作彈性及穩(wěn)定性、對(duì)工業(yè)放大生產(chǎn)具有實(shí)用價(jià)值的萃取塔設(shè)備。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)在內(nèi)徑為75 mm，高度為1 390 mm 的有機(jī)玻璃萃取塔中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。每塊塔板上安裝一個(gè)錐式泡罩，所有塔板(共5 塊)通過定距軸串聯(lián)起來，形成板間距為120 mm 的“板串”整齊地排列在萃取段內(nèi)。圖2 為錐式泡罩的二維及三維結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1 所示。錐式泡罩采取四棱錐結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示，4 個(gè)側(cè)面傾斜且開有6 排篩孔，可使分散相穿過錐形罩板時(shí)形成斜向上的噴流，增加分散相液滴互相撞擊的幾率，以便強(qiáng)化分散作用。泡罩內(nèi)逐漸縮小的錐體通道一定程度上可加快分散相液滴的聚并，以便快速形成凝聚層。其次，泡罩內(nèi)設(shè)置錐形擋板(見圖 2(a)中的 2)，與上層錐形罩板形成環(huán)隙通道。分散相流量較小時(shí)，可形成液封，防止連續(xù)相進(jìn)入錐式泡罩內(nèi)部；分散相流量較大時(shí)，可作為分散相通道讓分散相快速流過罩板，增大流量調(diào)節(jié)范圍。泡罩內(nèi)錐形擋板與底部的錐形導(dǎo)流板(見圖2(a)中的3)形成連續(xù)相通道，使得連續(xù)相穿過錐式泡罩即可進(jìn)入下一級(jí)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup 1. continuous phase inlet 2. dispersed phase inlet 3. continuous phase outlet 4. dispersed phase outlet 5. blow vent

2.2 實(shí)驗(yàn)體系

萃取過程受體系物性參數(shù)的影響較大，其中界面張力的影響尤為明顯。為全面考察錐式泡罩性能，實(shí)驗(yàn)在常壓、(22±2) ℃條件下，采用四種不同界面張力體系(由不同濃度的磷酸三丁酯(TBP)/煤油與水組成)，以水相為連續(xù)相、油相為分散相進(jìn)行萃取塔操作特性研究。四種萃取體系的物性參數(shù)如表2 所示。

圖2 錐式泡罩結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural sketch of the conical bubble cap

表1 錐式泡罩結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)Table 1 Structural dimensions of the conical bubble cap

3 結(jié)果與討論

表2 體系物性數(shù)據(jù)表Table 2 Physical properties of systems

3.1 篩孔有效利用率

由于分散相液體形成液滴的過程是在錐式泡罩最外層錐形罩板上進(jìn)行的，故實(shí)驗(yàn)中記錄了隨兩相流速變化，每個(gè)泡罩上有分散相溢出的篩孔個(gè)數(shù)變化情況，并對(duì)液滴形成動(dòng)態(tài)追蹤觀察。為了定量表示泡罩上篩孔的實(shí)際利用情況，定義了“篩孔有效利用率”這一概念，即有分散相溢出的篩孔數(shù)占所有篩孔數(shù)的百分比。

圖3 為測(cè)定得到的兩相流速變化對(duì)篩孔有效利用率ε 的影響趨勢(shì)。由圖可見，ε 隨連續(xù)相流速uc的變化波動(dòng)很小，可忽略，但隨分散相流速ud的增大而增大；當(dāng)ud增大到一定程度時(shí)，ε 增加幅度趨于平緩。此外，對(duì)比體系1 與3 可知，在相同ud下，界面張力較小體系(體系3)的ε 更高；但比較體系3 與4可見，兩相密度差?ρ 較低時(shí)(體系4)會(huì)減弱上述這種低界面張力的有益效果。

圖3 兩相流速對(duì)篩孔有效利用率的影響Fig.3 Effects of two phase flow rates on ε

上述現(xiàn)象說明低界面張力、高密度差以及高分散相流速更有利于促使分散相深入環(huán)隙下部而從下側(cè)的篩孔溢出。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果可得到實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的ε 關(guān)聯(lián)式如下：

3.2 分散相液滴直徑

對(duì)實(shí)驗(yàn)中的液滴大小進(jìn)行測(cè)量，可知該萃取塔分散相液滴直徑呈正態(tài)分布，工程計(jì)算中常采用索特平均直徑d32表示其直徑的平均值，d32的計(jì)算參考文獻(xiàn)[10]。

在塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)和萃取體系物性參數(shù)確定的情況下，萃取過程主要受兩相流速的影響。圖4 為4 種不同界面張力體系的分散相液滴d32隨兩相流速的變化規(guī)律。由圖可見，d32隨分散相流速的增大而減小，且減小幅度逐漸降低最終趨于平緩；d32隨連續(xù)相流速的變化波動(dòng)很小，可忽略。圖中結(jié)果還表明，在相同分散相流速時(shí)低界面張力體系得到的d32比高界面張力體系更小，這是因?yàn)椋趹T性力變化不大時(shí)界面張力起關(guān)鍵作用，液滴在上升過程中互相撞擊時(shí)低界面張力更有利于強(qiáng)化分散破碎過程，從而形成更小液滴。

圖4 兩相流速對(duì)分散相液滴平均直徑d32 的影響Fig.4 Effects of two phase flow rates on d32

將ε 引入液滴索特平均直徑的工程計(jì)算中，可得到式(2)，其計(jì)算偏差如圖5 所示，基本在±10.0%內(nèi)。

圖5 d32 實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的比較Fig.5 Comparison of d32,exp with d32,cal

由式(2)可見，分散相液滴的d32隨ε 增大而減小，符合實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況。如果ε 保持不變，d32就只與物性有關(guān)。此外，將式(1)代入式(2)可得

式中的校正因子η 值與是否有傳質(zhì)以及傳質(zhì)方向有關(guān)。該式與文獻(xiàn)[11-12]的結(jié)果對(duì)比如表3 所示。由表可見，新型錐式泡罩的校正因子值與填料塔的相當(dāng)，但小于大孔篩板(孔徑大于2.5 mm)，表明得到的平均液滴直徑與填料塔的相當(dāng)、比大孔篩板更小，說明該種結(jié)構(gòu)有利于強(qiáng)化分散過程。

表3 校正因子結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of correction factors

3.3 液泛流速

在實(shí)際應(yīng)用中，常需要計(jì)算兩相液泛流速來表征萃取塔負(fù)荷能力的高低。圖6 為新型錐式泡罩萃取塔4 種不同界面張力體系的連續(xù)相和分散相實(shí)測(cè)液泛流速關(guān)系曲線，由圖可見，從體系1 到體系4，塔內(nèi)液泛流速依次增大，說明新型錐式泡罩對(duì)中等界面張力的體系適用性更強(qiáng)，操作彈性更大。

若在圖6 中做一條過坐標(biāo)原點(diǎn)的、斜率為k 的直線(y=kx)，該直線與某一體系液泛流速關(guān)系曲線相交，其交點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)之和稱為兩相流比為k 時(shí)的液泛流速Bf(Bf= ucf+ udf)。以體系4 為例，當(dāng)k 分別為1 和2 時(shí)，本文與φ16 mm 鮑爾環(huán)填料塔、篩板塔的Bf值對(duì)比結(jié)果如表4 所示。由表可見，采用新型錐式泡罩的液泛流速與φ16mm 鮑爾環(huán)填料塔的結(jié)果相近，但明顯優(yōu)于篩板塔，即在較寬的兩相流速范圍內(nèi)均可達(dá)到穩(wěn)定操作效果。

圖6 體系液泛曲線圖Fig.6 Flooding characteristic profilesof different systems

表4 液泛流速結(jié)果對(duì)比Table 4 Comparison of flooding velocities

圖7 液泛流速實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的比較Fig.7 Comparison of Bf,exp with Bf,cal

通過工程關(guān)聯(lián)可得到如下液泛流速計(jì)算式。

圖7 為4 種體系液泛流速的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比圖，由圖可見，兩者偏差均在±10.0%以內(nèi)。

4 結(jié) 論

新型錐式泡罩的篩孔有效利用率反映了該萃取塔的結(jié)構(gòu)特征，其大小能根據(jù)負(fù)荷高低自動(dòng)調(diào)節(jié)，與分散相的Weber 數(shù)有關(guān)。

(1) 篩孔有效利用率隨分散相流速的增大而增大、界面張力減小而增大，索特平均直徑隨分散相流速增大和界面張力減小而減小，兩者均基本上與連續(xù)相流速無關(guān)。

(2) 新型錐式泡罩萃取塔對(duì)于中、高界面張力的萃取體系在較寬的兩相流速范圍內(nèi)均可達(dá)到穩(wěn)定的操作效果，且對(duì)中等界面張力的體系適用性更強(qiáng)，操作彈性更大。

(3) 本文獲得了索特平均直徑與液泛流速之間的工程關(guān)聯(lián)式，可作為工業(yè)放大參考依據(jù)。

符號(hào)說明：

Bf— 液泛流速，m?s-1

d32— 索特平均直徑，m

g — 重力加速度，m?s-2

k — 兩相流比

L — 泡罩底部通道長(zhǎng)度，m

uc— 連續(xù)相流速，m?s-1

ud— 分散相流速，m?s-1

ucf— 連續(xù)相液泛流速，m?s-1

udf— 分散相液泛流速，m?s-1

σ — 界面張力，N?m-1

ε — 篩孔有效利用率

η — 校正因子

μc— 連續(xù)相黏度，Pa?s

μd— 分散相黏度，Pa?s

?ρ — 兩相密度差，kg?m-3

ρc— 連續(xù)相密度，kg?m-3

ρd— 分散相密度，kg?m-3

下標(biāo)

c — 連續(xù)相

cal — 計(jì)算值

d — 分散相

exp — 實(shí)驗(yàn)值