新型脈沖萃取塔存留分?jǐn)?shù)與特性速度

王濤，王成習(xí)

（浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，浙江杭州310027）

溶劑萃取因能耗低、生產(chǎn)能力大和易于大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于石油化工、原子能化工、醫(yī)藥和環(huán)境工程等[1]領(lǐng)域。隨著生產(chǎn)需求的增加，萃取研究主要集中于開發(fā)傳質(zhì)效率高、經(jīng)濟(jì)成本低的萃取設(shè)備。

目前應(yīng)用于工業(yè)的萃取設(shè)備達(dá)三十多種[2]，主要以塔式設(shè)備為主。為了提高萃取塔的性能，研究者對其進(jìn)行了大量的改進(jìn)。在內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，如改變篩板的材質(zhì)與開孔率[3-4]，加入分散相易凝聚的聚并板[5]以及國內(nèi)外開發(fā)的板環(huán)型折流板[6]、QH-1型扁環(huán)散裝填料[7]和新型陶瓷復(fù)合塔板[8]等均體現(xiàn)出較好的性能；在改善兩相流體流動(dòng)方面，有采用輕重相交替進(jìn)料[9]、以重相為分散相[10-11]和同向環(huán)流萃取[12]等方式；在強(qiáng)化液滴分散方面，通常在塔內(nèi)引入外加能量，常見的有機(jī)械攪拌[13]、往復(fù)振動(dòng)[14]和脈沖等方式。而脈沖萃取塔因無運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部件、檢修方便和安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)已被廣泛使用。

本文提出了一種錐形穿流塔板，在內(nèi)徑為75mm的脈沖萃取塔中，探究存留分?jǐn)?shù)與特性速度的影響因素。存留分?jǐn)?shù)既可以得到萃取塔操作區(qū)域轉(zhuǎn)變的脈沖強(qiáng)度臨界值，確定萃取塔適宜操作的脈沖強(qiáng)度，又可以結(jié)合液滴直徑計(jì)算傳質(zhì)比表面積，而特性速度則可以計(jì)算萃取塔液泛通量，估計(jì)萃取塔的處理能力。因此可靠的工程經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式對設(shè)備設(shè)計(jì)與放大是非常重要的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程

脈沖萃取塔主要由萃取段、變徑段、擴(kuò)大段及脈沖腿組成，實(shí)驗(yàn)裝置及流程如圖1所示。每塊塔板下方均焊接有不銹鋼支桿，依次連接并固定在萃取段。為了增大停留時(shí)間，減小兩相的夾帶，塔頂與塔底均安裝有擴(kuò)大段。脈沖腿下端接在塔底擴(kuò)大段中下部，上端高于脈沖萃取塔分散相出料口，防止塔內(nèi)液體倒流進(jìn)入空氣管。萃取段和塔頂擴(kuò)大段為玻璃材質(zhì)，其余各段為不銹鋼材質(zhì)，玻璃與不銹鋼之間采用法蘭連接。

圖2 錐形穿流萃取塔板結(jié)構(gòu)

錐形穿流塔板[15]結(jié)構(gòu)呈四棱錐形，為不銹鋼材質(zhì)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于此塔板呈錐形結(jié)構(gòu)，可將開有篩孔的錐形面看作傳統(tǒng)篩板的有效傳質(zhì)區(qū)域，故開孔率的計(jì)算參照傳統(tǒng)篩板的定義方法，指錐面上開孔的總面積與錐面面積之比。而錐面設(shè)計(jì)則可使分散相液滴出孔方向呈斜向上，促進(jìn)塔內(nèi)液滴之間及液滴與塔內(nèi)壁的碰撞，強(qiáng)化液滴分散。其次，分散相與連續(xù)相為不同的流通通道，無降液管結(jié)構(gòu)，萃取塔空間利用率高。此外，分散相液滴上升到錐體內(nèi)，漸縮的通道能夠促進(jìn)液滴的聚并。萃取塔和塔板主要尺寸如表1所示。

表1 萃取塔與塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)

萃取塔內(nèi)液體的脈沖運(yùn)動(dòng)由壓縮空氣實(shí)現(xiàn)。壓縮空氣由減壓閥減壓、穩(wěn)壓后，經(jīng)過三通電磁閥進(jìn)入脈沖腿。電磁閥通電時(shí)，進(jìn)氣通道打開，萃取塔內(nèi)液體上升；電磁閥斷電時(shí)，排氣通道打開，萃取塔內(nèi)液體下降。通過時(shí)間繼電器控制電磁閥周期性地通電與斷電，便可實(shí)現(xiàn)塔內(nèi)液體的脈沖運(yùn)動(dòng)。脈沖頻率由時(shí)間繼電器調(diào)節(jié)，脈沖振幅由氣壓和頻率共同調(diào)節(jié)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在室溫常壓下進(jìn)行，以高界面張力煤油-水（kerosene-water，K-W）和中等界面張力10%磷酸三丁酯/煤油-水（10% tributylphosphate in kerosene-water，TK-W）為實(shí)驗(yàn)體系，其物性數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 體系物性數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)操作以水相為連續(xù)相，有機(jī)相為分散相。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，調(diào)節(jié)連續(xù)相流量至設(shè)定值，待連續(xù)相充滿萃取塔后打開連續(xù)相出口閥，并逐步增大分散相流量和脈沖強(qiáng)度至設(shè)定值，然后調(diào)節(jié)連續(xù)相出口閥，使相界面基本保持穩(wěn)定，則可認(rèn)為脈沖萃取塔達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)變量為兩相表觀流速（實(shí)際流量與塔截面積之比）與脈沖強(qiáng)度（脈沖振幅與頻率乘積）。兩相實(shí)際流量由校正后的轉(zhuǎn)子流量計(jì)測定，萃取塔內(nèi)振幅由脈沖腿振幅換算得到，各操作變量范圍如表3所示。

表3 操作參數(shù)范圍

分散相存留分?jǐn)?shù)由體積置換法測定，即在脈沖萃取塔運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定后，同時(shí)關(guān)閉兩相進(jìn)出口閥門并切斷空氣脈沖，待塔內(nèi)分散相液滴全部上升凝聚到塔頂后，存留分?jǐn)?shù)計(jì)算如式(1)所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 分散相存留分?jǐn)?shù)

針對高界面張力K-W體系和中等界面張力TK-W體系，分別在3組不同的兩相流速下探究脈沖強(qiáng)度對存留分?jǐn)?shù)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3。

圖3 脈沖強(qiáng)度對存留分?jǐn)?shù)的影響

從圖3可以看出，當(dāng)Af＜(Af)t時(shí)，存留分?jǐn)?shù)隨著脈沖強(qiáng)度的增大而減小，這是由于脈沖強(qiáng)度較小時(shí)，分散相液滴較大（如K-W體系，d32=1.03～1.36d0），穿孔阻力大，分散相在塔板錐體內(nèi)發(fā)生了聚集，而聚集量與脈沖強(qiáng)度有關(guān)，在(Af)t時(shí)降為最低，因此存留分?jǐn)?shù)在(Af)t達(dá)到最小值，此時(shí)萃取塔操作區(qū)域?yàn)榛旌铣吻鍏^(qū)；當(dāng)Af＞(Af)t時(shí)，分散相液滴開始變得細(xì)?。ㄈ鏚-W體系，d32=0.54～1.03d0），在萃取塔內(nèi)停留時(shí)間增大，存留分?jǐn)?shù)也隨之增大，此時(shí)萃取塔操作區(qū)域?yàn)榉稚^(qū)。存留分?jǐn)?shù)曲線最低點(diǎn)對應(yīng)脈沖強(qiáng)度(Af)t，稱為塔內(nèi)混合澄清區(qū)與分散區(qū)轉(zhuǎn)變時(shí)的脈沖強(qiáng)度臨界值。由于萃取塔在分散區(qū)操作時(shí)存留分?jǐn)?shù)較大而液滴直徑較小，能夠獲得更大的比表面積，有利于傳質(zhì)，脈沖萃取塔應(yīng)在此區(qū)域內(nèi)操作。不同操作區(qū)域液滴直徑如表4所示。

表4 液滴直徑d32數(shù)據(jù)

由圖3還可以看出，K-W體系與TK-W體系(Af)t不同，其值分別為10.2mm/s和5.1mm/s，且這種差異與兩相流速無關(guān)，主要是由于兩體系界面張力的差異，界面張力越大，臨界值越大，萃取塔操作區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚^(qū)時(shí)所需的脈沖強(qiáng)度越大。

將本實(shí)驗(yàn)錐形穿流塔板(Af)t與文獻(xiàn)[16]中脈沖篩板塔(Af)t進(jìn)行對比，結(jié)果如表5所示?？梢钥闯?，錐形穿流塔板(Af)t較脈沖篩板塔(Af)t低，兩種體系分別減小約9.7%和41.4%，說明錐形穿流塔板操作區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚^(qū)時(shí)所需的脈沖強(qiáng)度較脈沖篩板塔低。

表5 不同萃取設(shè)備(Af)t對比

固定脈沖強(qiáng)度，研究兩相流速對存留分?jǐn)?shù)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。

可以發(fā)現(xiàn)，存留分?jǐn)?shù)與分散相流速近似成正比，而與連續(xù)相流速無關(guān)。這是由于脈沖存在條件下且兩相流速遠(yuǎn)小于液泛流速時(shí)，隨著分散相流速增大，液滴直徑基本不變（如圖6所示），即分散相液滴在萃取塔內(nèi)停留時(shí)間基本不變。而萃取塔內(nèi)分散相體積為分散相流速、萃取塔截面積及停留時(shí)間之積，故存留分?jǐn)?shù)與分散相流速近似成正比。

圖4 分散相流速對存留分?jǐn)?shù)的影響

圖5 連續(xù)相流速對存留分?jǐn)?shù)的影響

圖6 分散相流速對液滴直徑的影響

存留分?jǐn)?shù)與物性、脈沖強(qiáng)度和兩相流速有關(guān)，參考Kumar等[16]對脈沖篩板塔提出的存留分?jǐn)?shù)關(guān)聯(lián)式，將脈沖強(qiáng)度對存留分?jǐn)?shù)的影響以指數(shù)因子ek|Af-(Af)t|表示，其他變量化為量綱為1數(shù)群，結(jié)果如式(2)。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到存留分?jǐn)?shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，如式(3)所示，預(yù)測平均相對誤差為8.3%，其預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值對比如圖7所示。

圖7 存留分?jǐn)?shù)實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值對比

2.2 特性速度

特性速度u0是萃取塔非常重要的流體力學(xué)參數(shù)，指連續(xù)相流速為0，分散相流速趨近于0時(shí)塔內(nèi)液滴的速度[17]，其與兩相流速及存留分?jǐn)?shù)關(guān)系如式(4)所示。

圖8 特性速度擬合結(jié)果

由于脈沖萃取塔適宜操作區(qū)域?yàn)榉稚^(qū)，本節(jié)主要探究不同體系在分散區(qū)時(shí)特性速度與脈沖強(qiáng)度的關(guān)系，結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，特性速度隨著脈沖強(qiáng)度的增大而減小。對比兩種體系，中等界面張力TK-W體系減小幅度更大，說明錐形穿流塔板更適用于高界面張力體系。

圖9 脈沖強(qiáng)度對特性速度影響

在設(shè)備條件不變時(shí)，特性速度與脈沖強(qiáng)度和物性有關(guān)，得到特性速度關(guān)聯(lián)式如式(6)所示，兩種體系預(yù)測平均相對誤差為5.2%。

式(6)適用于脈沖萃取塔在分散區(qū)操作時(shí)特性速度的預(yù)測。

3 結(jié)論

（1）分散相存留分?jǐn)?shù)隨著脈沖強(qiáng)度增大先減小后迅速增大，存留分?jǐn)?shù)曲線最低點(diǎn)對應(yīng)脈沖強(qiáng)度值為萃取塔操作區(qū)域轉(zhuǎn)變時(shí)的臨界值(Af)t，此值與物性有關(guān)，與兩相流速無關(guān)。

（2）脈沖萃取塔適宜操作區(qū)域?yàn)榉稚^(qū)[Af＞(Af)t]，而高界面張力體系達(dá)到分散區(qū)所需脈沖強(qiáng)度更大。

（3）分散相存留分?jǐn)?shù)與分散相流速近似成線性關(guān)系，連續(xù)相流速對存留分?jǐn)?shù)的影響可以忽略不計(jì)。

（4）脈沖萃取塔在分散區(qū)操作時(shí)，特性速度隨著脈沖強(qiáng)度的增大而減小，且界面張力相對較低的體系下降幅度更大。

（5）存留分?jǐn)?shù)和特性速度經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值較吻合，相對誤差均小于20%，可以作為脈沖萃取塔設(shè)計(jì)計(jì)算的參考依據(jù)。

符號說明

Af——脈沖強(qiáng)度，m/s

(Af)t——操作區(qū)域轉(zhuǎn)變脈沖強(qiáng)度臨界值，m/s

d32——液滴索特平均直徑，mm

d0——篩孔直徑，mm

g——重力加速度，m2/s

l——特征長度，m

u——流體表觀流速，m/s

u0——特性速度，m/s

V1——穩(wěn)態(tài)時(shí)塔頂分散相層體積，m3

V2——液滴凝聚后新分散相層體積，m3

V0——兩相接觸區(qū)體積，m3

φ——分散相存留分?jǐn)?shù)

ρ——流體密度，kg/m3

Δρ——兩相流體密度差，kg/m3

μ——流體黏度，Pa·s

σ——界面張力，N/m

下角標(biāo)

c——連續(xù)相

d——分散相