攪拌篩板萃取塔液泛特性研究

袁慎峰, 李志鵬, 尹 紅, 陳志榮

(浙江大學 化學工程與生物工程學院, 浙江省化工高效制造技術(shù)重點實驗室, 浙江 杭州 310027)

1 前 言

萃取塔(萃取柱)是重要的化工分離設(shè)備，在石化、核工業(yè)、冶金、化工、制藥、環(huán)保等多個領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[1]。工業(yè)萃取塔有多種類型，例如無外加能量的篩板塔、填料塔，帶脈沖運動的脈沖塔、振動塔，帶攪拌運動的轉(zhuǎn)盤塔、屈尼塔、Scheibel 萃取塔等[2-3]。其中Scheibel 萃取塔是一類具有攪拌段-澄清段交替結(jié)構(gòu)的攪拌萃取塔，最早由Scheibel 提出[4]，澄清段由填料構(gòu)成，主要用于減少級間返混[5]，且填料的潤濕性對分離效率影響較大[6]。本實驗室在前期工作中對Scheibel 萃取塔進行了改進[7]，在段與段之間增加了穿流式篩板，使其成為攪拌篩板型萃取塔，進一步減小了返混。

萃取塔內(nèi)兩相的流體力學性能，尤其是液泛特性是萃取塔設(shè)計時的重要依據(jù)，代表了萃取塔能承受的最大負荷。設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)是液泛特性的影響因素之一，例如篩板塔的篩孔直徑、開孔率[8]，脈沖塔的脈沖強度[9-10]，攪拌塔的攪拌速率[11-12]，填料塔內(nèi)填料的空隙率、潤濕性[10,12]等。操作條件也是液泛特性的影響因素，不同篩板萃取塔，其液泛特性與操作條件關(guān)系也不同，例如在傳統(tǒng)篩板塔內(nèi)[8]，液泛特性可用分散相流速與連續(xù)相流速的關(guān)系曲線表示，又稱為液泛曲線，是一個單調(diào)遞減曲線；在脈沖篩板萃取塔中[13]，液泛特性用兩相總空塔流速與脈沖能量的關(guān)系曲線表示，由于篩板是無溢流管的穿流式篩板，兩相過孔阻力大，故該曲線為上凸型曲線，在低脈沖區(qū)易發(fā)生篩孔堵塞型液泛；往復振動篩板塔的研究[2,14-15]表明，使用大孔隙率(大孔徑，高開孔率)穿流式篩板可以顯著提升流速操作上限，同時，改用溢流式篩板也會提升流速上限，且不會造成篩孔堵塞型液泛。

在改進型Scheibel 萃取塔中設(shè)計者[7,16]使用了10% 開孔率的穿流式篩板，研究表明，其返混得到有效抑制，萃取效率大于傳統(tǒng)的Scheibel 萃取塔，但后續(xù)實驗發(fā)現(xiàn)存在堵塞型液泛[17]，不利于萃取塔操作。為明確該攪拌篩板萃取塔的適應(yīng)性，需對其操作特性尤其是液泛特性進行探究。筆者利用若干不同物性的液液體系對該塔進行液泛實驗研究。

2 實驗部分

實驗在三級攪拌篩板萃取塔中進行，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。萃取塔塔身由無機玻璃制作，以便觀察實驗現(xiàn)象。所有內(nèi)構(gòu)件 (篩板、攪拌槳、攪拌軸)均由不銹鋼制作。萃取塔由攪拌段、澄清段交替排列構(gòu)成，段與段之間用穿流式篩板隔離，全塔共有3 個攪拌段和4 個澄清段，其中塔頂、塔底的澄清段也是進料段。萃取塔詳細結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。其中，塔內(nèi)徑Dc=50 mm，攪拌槳為六直葉圓盤渦輪攪拌槳，槳徑DI=40 mm，篩孔直徑dN=3 mm，攪拌槳上方的篩板開孔靠近中心軸，在直徑20 mm的圓周上均勻開12 個孔，直徑28 mm 的圓周上均勻開15 個孔，攪拌槳下方的篩板開孔靠近外圈，在直徑32 mm 的圓周上均勻開10 個孔，直徑40 mm的圓周上均勻開17 個孔。這種錯位開孔可以減少短路、溝流等非正常流動[16]。攪拌軸與篩板通過軸承固定。萃取塔外設(shè)有方形有機玻璃水箱，可通循環(huán)水使塔恒溫，同時可以矯正萃取塔曲面的光學扭曲效應(yīng)。

圖1 攪拌篩板萃取塔結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the agitated sieve plate extraction column

表1 攪拌篩板萃取塔結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of the agitated sieve plate extraction column

實驗在7 個不同的液液體系下進行 (見表2)。其中，體系1～5 涵蓋了從低到高不同的界面張力，體系6 為中等界面張力、兩相具有高密度差的體系，體系7 為中等界面張力、連續(xù)相高黏體系。體系1～5 的物性來自文獻[2,18]，體系6、7 的物性由實驗測得，連續(xù)相和分散相密度ρc和ρd均采用質(zhì)量體積法測量，界面張力σ用OCA 20 視頻光學接觸角測量儀測量，連續(xù)相和分散相黏度μc和μd使用RS6000 旋轉(zhuǎn)流變儀測量。表中，w為質(zhì)量分數(shù)。

表2 實驗體系物性Table 2 Physical properties of experimental systems

實驗全程在28～30℃下進行，實驗流程如圖2所示。重相為連續(xù)相，輕相為分散相。

圖2 實驗流程圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental process

液泛點通過觀察法判斷。實驗時首先固定兩相流速，緩慢增大攪拌槳轉(zhuǎn)速，每次增大轉(zhuǎn)速后運行一段時間，同時觀察萃取塔內(nèi)流動狀況。當轉(zhuǎn)速增加至分散相能順利過孔、篩板下不再聚集分散相液層時，記錄該轉(zhuǎn)速為過孔臨界轉(zhuǎn)速；當轉(zhuǎn)速增大至分散相過度分散，被連續(xù)相夾帶的液沫充滿澄清段，或攪拌段內(nèi)滯存率過大導致出現(xiàn)兩相倒置、分散相從攪拌段下方溢出等現(xiàn)象時，記錄該轉(zhuǎn)速為過度分散臨界轉(zhuǎn)速。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 攪拌篩板萃取塔的操作區(qū)域

攪拌篩板萃取塔有攪拌式和穿流式篩板兩種標志性結(jié)構(gòu)，它們對兩相流動的影響是不同的。對于攪拌式篩板，較大的攪拌轉(zhuǎn)速會使分散相過度分散，易造成返混及液泛，低界面張力、低密度差的體系尤其易發(fā)生此類現(xiàn)象；對于穿流式篩板，兩相在篩孔處對流的操作方式不利于分散相液滴的過孔，當轉(zhuǎn)速較低時攪拌段內(nèi)沒有足夠的湍動能，易使分散相在篩板下聚集，高界面張力體系尤其易發(fā)生此類現(xiàn)象。

用中等界面張力的代表體系3 (乙酸丁酯-水體系)進行液泛實驗，取分散相與連續(xù)相流速比R=1:1。實驗得到的液泛曲線 (兩相總空塔流速UT與攪拌轉(zhuǎn)速N的關(guān)系曲線)如圖3 所示。由圖可見，對于體系3 這種中等界面張力的體系，液泛曲線為一上凸型曲線。曲線將萃取塔的操作區(qū)間分為若干個區(qū)域：當N、UT數(shù)值適中時，萃取塔處于正常操作狀態(tài)，即曲線下方包圍區(qū)域。當N較低時，萃取塔處于攪拌不足液泛區(qū)，此時由于湍動不足以克服分散相的過孔阻力，易出現(xiàn)分散相在篩板下聚集現(xiàn)象，從而導致液泛，如圖4(a)所示。當N過高時，萃取塔處于攪拌過度液泛區(qū)，此時體系易乳化并出現(xiàn)過量液沫夾帶現(xiàn)象，如圖4(c)所示。在正常操作狀態(tài)上方，UT過高時，聚集與夾帶現(xiàn)象并存，分散相在攪拌段內(nèi)不斷聚集，最終出現(xiàn)兩相倒置、分散相從攪拌段下方溢出的現(xiàn)象，如圖4(b)所示。

圖3 體系3 的液泛曲線和操作區(qū)域Fig.3 Flooding curve and operation area of system 3

圖4 實驗中的液泛現(xiàn)象Fig.4 Digital images of flooding happened in the experiment

萃取塔的泛點轉(zhuǎn)速并不是一個確定值，而是存在一定范圍，因此，液泛曲線上存在一個不穩(wěn)定區(qū) (見圖3)，代表體系從正常操作向液泛的轉(zhuǎn)變。由圖可見，對于體系3，當N小于(150±10) r·min-1時，萃取塔將始終處于攪拌不足液泛區(qū)，此即體系3 的操作轉(zhuǎn)速下限；當N大于(610±30) r·min-1時，萃取塔始終處于過度攪拌液泛區(qū)，此即體系3 的操作上限。由圖還可見，液泛流速的最大值即液泛曲線最高點對應(yīng)的UT約為2 mm·s-1，即體積流量通量約為7.2 m3·m-2·h-1，當UT超過該值時，萃取塔始終不能正常操作。

兩相流速大小對液泛特性的影響不完全相同，圖5 為體系3 在不同分散相與連續(xù)相流速比R下的液泛曲線。由圖可見，在相同N下，隨著R增大，液泛流速值下降，正常操作區(qū)范圍縮小，這表明，增大分散相流速比增大連續(xù)相流速更易導致液泛，因此，分散相流速對操作的限制性大于連續(xù)相流速。

圖5 體系3 不同流速比下的液泛曲線Fig.5 Flooding curves of system 3 under different flow rate ratios

3.2 不同界面張力體系的液泛特性

圖6 為不同界面張力體系的液泛曲線。由圖可見，當σ減小時，正常操作區(qū)左移；對于低界面張力體系 (見體系1)，已不存在N下限，同時N上限也變小、液泛流速的最大值較低，意味著無攪拌條件下體系1 依然可以正常操作，這是因為低界面張力體系易分散、乳化、易出現(xiàn)夾帶液泛現(xiàn)象，當UT增大時，高度分散的液滴大量滯留在攪拌段，易出現(xiàn)兩相倒置、溢出現(xiàn)象，導致液泛流速的最大值相比于中等界面張力體系有所減小。

圖6 不同界面張力體系的液泛曲線Fig.6 Flooding curves of different interfacial tension systems

反之，當σ增大時，分散相需要的N下限較高，否則難以過孔；同時由于不易分散，轉(zhuǎn)速上限得以增大。高界面張力體系操作時，由于過孔阻力大，攪拌段內(nèi)滯留量大，易出現(xiàn)兩相倒置與溢出現(xiàn)象，致使液泛流速的最大值比中等界面張力體系的小。

相同操作條件下，中、低界面張力體系的操作區(qū)液滴群密度低、分散較好，如圖7(a)所示；高界面張力體系滯留量偏大、液滴群密度較高、分散狀況較差，如圖7(b)所示。將圖6 的結(jié)果繪在N～σ關(guān)系圖上，如圖8 所示。由圖可見，σ越大的體系，其正常操作所需的N也越高，也就是說，低界面張力體系適應(yīng)較低的攪拌轉(zhuǎn)速范圍，高界面張力體系適應(yīng)較高的攪拌轉(zhuǎn)速范圍。隨著UT增大，正常操作區(qū)逐漸縮??；當UT達到一定值后，攪拌篩板萃取塔由于過孔阻力過大不再適應(yīng)于高界面張力體系；而對于低界面張力體系，由于過度分散也無法正常操作；對于中等界面張力體系，N值范圍較小。

圖7 液滴分散狀況Fig.7 Dispersion profiles of droplets

圖8 不同UT 時的操作區(qū)域Fig.8 Operation areas at different flow rates

3.3 不同密度差、黏度體系的液泛特性

圖9 為體系3、6、7 的液泛曲線對比圖，圖中Δρ為兩相密度差，kg·m-3。由圖可見，體系6 的液泛曲線在體系3 之上，這是因為，體系6 與體系3 相比兩相具有較大密度差，而高密度差有利于兩相對流，在相同條件下不易發(fā)生液泛。由圖還可見，體系7 的液泛曲線在體系6 之下，大體與體系3 的液泛曲線在同一水平，這是因為，體系7 與體系6、體系3 相比，雖具有高密度差，但體系7 連續(xù)相黏度更大，而連續(xù)相黏度高不利于兩相對流，使液泛更容易發(fā)生。

圖9 不同密度差、黏度體系的液泛曲線Fig.9 Flooding curves of systems with different density difference and viscosities

3.4 不同溶質(zhì)濃度的液泛特性

萃取過程常見溶質(zhì)為有機溶質(zhì)，而有機溶質(zhì)能夠改變體系物性尤其是界面張力[19]。在體系3 的原料液乙酸丁酯中添加有機溶質(zhì)正丙醇，配成不同溶質(zhì)濃度的原料液，以水為萃取劑，該體系的液泛實驗曲線如圖10 所示。正丙醇對體系3 有界面活性作用，故其濃度越高，體系界面張力越低，得到的液泛曲線向左移，即向低界面張力體系曲線變化，N的上、下限均變??；當正丙醇質(zhì)量分數(shù)為30%時，σ降至3.8 mN·m-1，此時N下限減小至零，表明低流速無攪拌條件下萃取塔仍能正常操作。

圖10 體系3 不同有機溶質(zhì)濃度下的液泛曲線Fig.10 Flooding curves of system 3 at different organic solute concentrations

綜合以上實驗結(jié)果，攪拌篩板萃取塔的操作特性為：

(1) 穿流式篩板的過孔阻力和過度攪拌是造成液泛的兩個原因，因此N不宜過大也不宜過小，應(yīng)結(jié)合體系特點合理選取N的操作范圍；

(2) 攪拌篩板萃取塔對不同界面張力體系的適應(yīng)性不同，差異較大。從分散相來看，該塔更適合中、低界面張力體系。

(3) 本研究的攪拌篩板萃取塔屬低通量設(shè)備。UT增大，N范圍縮小，萃取塔的適應(yīng)性下降。實驗中乙酸丁酯-水體系在R=1：1 下的最大體積流量通量約為7.2 m3·m-2·h-1。

4 結(jié) 論

對7 個具有不同物性特點的體系在開孔率為10%、開孔孔徑為3 mm 的三級攪拌篩板萃取塔內(nèi)進行液泛實驗，繪制了液泛曲線，得到如下結(jié)論：

(1) 液泛曲線為一上凸型曲線，曲線左側(cè)為攪拌不足液泛區(qū)，主要現(xiàn)象為聚集式堵塞，受較大的過孔阻力主導；曲線右側(cè)為攪拌過度液泛區(qū)，主要現(xiàn)象為乳化式夾帶，較高轉(zhuǎn)速以及強滯留力起主導作用；曲線下方為正常操作區(qū)；當流速過快時，攪拌段內(nèi)分散相不斷積累直至出現(xiàn)兩相倒置、溢出等液泛現(xiàn)象。

(2) 低界面張力體系適應(yīng)較低的攪拌轉(zhuǎn)速，高界面張力體系適應(yīng)較高的攪拌轉(zhuǎn)速。兩相具有高密度差能增大液泛流速，高連續(xù)相黏度則會減小液泛流速。引入有機溶質(zhì)會改變界面張力，從而影響適宜的攪拌轉(zhuǎn)速范圍。

(3) 本實驗所研究的攪拌篩板萃取塔的操作彈性不大，適合中、低界面張力體系在低流速下操作。