（化学工程专业论文）液滴破碎现象及其对液液传质影响的实验研究.pdf

摘要 液滴破碎过程对液液萃取过程的传质效率有重要影响，针对液滴破碎强化进 行深入的研究对于开发新型液液萃取设备具有重要意义，为此本文对振动和气体 扰动两种强化液滴破碎的过程进行了研究。 在本课题组以往研究的基础上，本文提出了一种液液萃取振动规整填料塔， 并在5 0 的填料萃取塔中对其萃取性能进行了测试。实验体系为3 0 磷酸三丁酯 ( 简称t b p ) ( 煤油) 一醋酸一水。测定了不同操作条下的表观传质单元高度、 分散相存留分数和液泛负荷等传质性能和流体力学性能数据，结果表明：液液萃 取振动规整填料塔的表观传质单元高度平均比振动筛板塔低l8 左右，分散相存 留分数平均比振动筛板塔高3 0 左右，液泛负荷平均比振动筛板塔高2 0 。 针对气体扰动可以强化液滴破碎的现象，本文在以往工作的基础上提出了一 种气液液萃取设备。通过拍照观察了气泡在规整填料塔内的破碎情况，发现由于 填料的作用，破碎后的气泡直径约为2 3 m m ，且分布均匀，远低于普通筛板塔 内的气泡直径( 6 7 m m ) 。利用该设备首先考察了中等界面张力体系的传质效率， 结果表明采用气体扰动强化时设备的传质单元高度较没有气体扰动时低1 5 ； 另外，以葸醌工作液反应萃取过程为具体研究对象，测试了该设备的传质效率， 结果表明：在相同的操作条件下，气体扰动下的规整填料萃取塔的表观传质单元 高度比筛板萃取塔低6 5 左右，分散相存留分数比筛板萃取塔高2 5 。 关键词：液液萃取；振动填料塔；规整填料；传质单元高度；分散相存留分数；气体扰 动；气泡破裂 a b s t r a c t d r o p l e t sb r e a k a g eh a s 锄i m p o n a n ti m p a c t 0 nm a s st r 锄s f e re 币c i e n c yf o r l i q u i d l i q u i d e x t r a c t i o n p m c e s s f u n d a m e n t a lr e s e a r c ho nd m p l e t sb r e a k a g e p h e n o m e n ai so fg r e a ti m p o r t a n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to f n e wl i q u i d l i q u i de x t r a c t i o n e q u i p m e n t f o rt h i sr e a s o n ，v i b r a t i o na n dg a sd i s t u r b a n c e ，w h i c hc a ns t r e n g t h e nt h e d r o p l e t sb r o l ( e np r o c e s s ，w e r ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r b a s e do no u rp r e v i o u sw o r k ，an o v e le x t r a c t i o n c o i u m n ，l i q u i d l i q u i de x t r a c t i o n r e c i p r o c a t i n gs t r u c t u r e dp a c k i n gc o l u m n ，w a sd e v e l o p e d m a s st r a n s f - e rp e r 】f 0 n n a n c e o ft h i se q u i p m e n tw a st e s t e di na 5 0m mp a c k i n ge x t r a c t i o nc o l u m n 3 0 t b p ( k e r o s e n e ) a c e t i ca c i d w a t e rw a ss e l e c t e da st h et e s ts y s t e m t h ea p p a r e n th e i g h to f m a s st m n s f e ru n i t ( h t u ) ，h o l d u po fd i s p e r s e dp h a s ea n df l o o d i n gh o l d u pw e r e m e a s u r e dw i t hd i 仟e r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o n s r e s u l t ss h o wt h a tt h eh t uo f l i q u i d - l i q u i de x t r a c t i o nr e c i p r o c a t i n gs t m c t u r e dp a c k i n gc o l u m n i sl o w e rt h a n r e c i p r o c a t i n gs i e v ep l a t ec o l u m nb y18 a v e r a g e l y ，t h eh o l d u p so fd i s p e r s e dp h a s e a n dn o o d i n gh o l d u pa r eh i g h e rt h a nr e c i p i ? o c a t i n gs i e v ep l a t ec o l u m n ，b y3 0 a n d 2 0 ，r e s p e c t i v e l y f o rt h ep h e n o m e n o nt h a tg a sd i s t u r b a n c ec a ns t r e n 舒h e nd r o p l e t sb r o k e np r o c e s s ， an e w 够p eo fg a s - l i q u i d - l i q u i de x t r a c t i o ne q u i p m e n t 、v a sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r b u b b l e sb r e a k a g ei ns t r u c t u r e dp a c k i n gc o l u m nw a so b s e r v e db yt a k i n gp h o t o s t h e b u b b l ed i a m e t e ri s2 3 m md i s t r i b u t i n gu n i f o r m l y 1 ti sm u c hs m a l l e rt h a nt h a ti np l a t e c o l u m n ，w h i c hi s6 7 m m t h em a s st r a n s f e re 衔c i e n c yo fm e d i u mi n t e a c i a lt e n s i o n s y s t e mw a sr e s e a r c h e di n t h i se q u i p m e n t r e s u l t ss h o wt h a tt h eh t uo fg a s d i s t u r b a n c es t l l j c t u r e dp a c k i n gc 0 1 u m ni sl o w e rt h a nn og a sd i s t u r b a n c es t r u c t u r e d p a c k i n gc o l u m nb y15 i na d d i t i o n ，t h em a s st r a n s f e re f n c i e n c yo fh i 曲i n t e r f a c i a l t e n s i o ns y s t e mw a st e s t e d a n t h r a q u i n o n ew o r k i n gs o l u t i o nw a ss e l e c t e da st h et e s t s y s t e m r e s u i t ss h o wt h a tt h eh t u o fg a sd i s t u r b a n c es t r u c t u r e dp a c k i n ge x t r a c t i o n c o l u m ni sl o w e rt h a ns i e v ep l a t ee x t r a c t i o nc o l u m nb y6 5 ，w h i i et h eh o l d u p so f d i s p e r s e dp h a s ei sh i g h e rt h a ns i e v ep l a t ec o l u m nb y2 5 u n d e rt h es a m eo p e r a t i o n c o n di t i o n s k e yw o r d s ： l i q u i d l i q u i de x t r a c t i o n ； r e c i p r o c a t i n gp a c k i n gc o l u m n ； s t r u c t u r e dp a c k i n g ；a p p a r e n th e i g h to fm a s st r a n s f e ru n i t ；h o l d u po fd i s p e r s e dp h a s e ； g a sd i s t u r b a n c e ；b u b b l eb r e a k a g e 符号说明 以) ，甜矿 觇) ，叼 符号说明 分散相传质比相界面积；m 2 m 3 填料比表面积；m 2 m 3 塔径；m 萃取分率 界面张力公式中仪器校正因子 重力加速度；n m 3 微纤维孔道萃取设备孔壁厚度；m 填料层高度；m 理论级当量高度；m 真实传质单元高度；m 分散传质单元高度；m 表观传质单元高度；m 连续相和分散相侧的分传质系数；m o l ( m 2 s ) 传质系数和按连续相计算的总传质系数； m o l ( m 2 s ) 液相负荷；m 3 “m 2 h r ) 分配系数，质量( 埏) 传质速率；m o l ( m 2 s ) 表观传质单元数 p e c l e t 准数 液滴半径，m ；液滴破碎率 线型相关系数 液滴在填料中的停留时间；s 液滴通过填料层的垂直速度( 特性速度) ；m s 连续相流速和连续相液泛点流速；n l s 分散相流速和分散相液泛点流速；m s 两相滑动速度；m s 气相负荷；m 3 ( m 2 h r ) 分散相存留分数 ， s ， 聃 k 丐 幻k ， r 年 j ， e 1 z z ， a 邳队e f g n h哪魄鼬b b 认 加 r j j f 川 币 o 地 x l m m凡r r l 砌如蚴跏v b 符号说明 xax x f x f ，x r f y a ya 儿幸，y 幸，y 枣 希腊字母： 6 丫p 入 p p g 上标 球 下标 c x d ，y f m 连续相主体和界面的溶质浓度；m 0 1 l 液泛时分散相存留分数 水相出口和进口的溶质浓度；m o l l 分散相主体和界面的溶质浓度；m 0 1 l 与连续相成平衡的分散相溶质浓度；m o l l 波纹板网板厚；m m 填料堆积密度；k g m 3 填料空隙率；量纲为1 萃取因子( = 缸d 掰掰。) 粘度；c p 密度；k m 3 界面张力；m n m 1 液液两相平衡 连续相( 水相) 分散相( 油相) 液泛 最优 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得：鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 偏军 l 签字日期：o 叼年月喈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 懒霉 i n 签字日期：跏( ) ) 年月五字日 导师签名：j 睁江 ， 签字日期：瑚of 年f 月酩日 第一章文献综述 第一章文献综述 液液萃取过程在石化、冶金、和制药等领域有着广泛的应用，其中液液两相 宏观流动、液滴的破碎和聚并、液液界面的湍动及传质等不同尺度的传递行为对 液液萃取效率有着重要的影响作用，深入研究不同尺度的传递现象对开发新型萃 取设备有着非常重要的作用，为此本文对如何强化液滴破碎过程进行了分析，提 出两种新型萃取设备，研究了新型设备的传质性能。 1 1 概述：液滴破碎及其强化 液滴的破碎包括两层意思：其一是分散相在萃取设备内部由连续的液层通过 设备内件的作用分散为液滴，以得到较大的传质面积；其二是大液滴受到连续相 的冲击剪切或塔内件的切割时发生的液滴破碎。液滴的聚并也包括两个方面的内 容：其一是在萃取塔主相界面上液滴与自己的主体相合并；其二是在液滴群中多 个液滴相互作用发生的聚并。 如何强化液滴的破碎行为是萃取设备创新的研究热点之一，传统的强化液滴 破碎方式包括：振动、脉冲、转盘等，以上三种方式均可以在不同程度上对分散 相液滴的破碎起到强化作用。 以振动方式强化液滴破碎过程的代表性萃取设备为振动筛板塔，该设备虽可 大幅度增加相际接触面积和提高液体的湍动程度，但受塔板开孔率和开孔大小的 限制，筛板上下往复运动时分散相液滴以及连续相的轴向返混均比较严重，另外， 操作通量小，直接影响萃取效率和生产能力的提高。为克服振动筛板塔的上述缺 点，本课题组在前期研究的基础上提出了一种振动规整填料塔，由于所采用的填 料为板网波纹规整填料，该填料孔隙率大，对流体的阻力作用非常小，且能够对 分散相液滴起到有效的切割破碎作用。定量分析该设备内填料对液滴的破碎作用 对于设备的精确设计有重要参考价值。 通过脉冲加入气体的方式即气体扰动也可以强化液滴破碎，为此，我们提出 了一种针对高表面张力物系萃取过程的气液液萃取设备，由于该设备所采用的填 料为新开发填料，针对这种萃取专用规整填料，考察气体扰动对液滴破碎及传质 的影响作用的文献尚未见报道。 第一章文献综述 1 2 萃取设备简介 萃取设备可以按不同的方法来分类。例如，可以根据它们的操作方式分为两 大类：逐级接触式萃取设备和微分接触式萃取设备。也可以根据所采用的两相混 合或产生逆流的方法进行分类，即不搅拌和搅拌的萃取设备或借重力产生逆流的 萃取设备和借离心力产生逆流的萃取设备等类别。下面介绍几种典型的萃取设备 及操作特性。 1 2 1 混合澄清槽 混合澄清槽是使两相在混合室中充分混合，传质过程接近平衡，再进入另一 个澄清区进行两相分离的设备。由于混合澄清槽具有传质效率高，操作方便，处 理量大和结构简单等优点，因此广泛用于对稀土和重元素物质的分离领域。但 它占地面积大，每级间设有搅拌装置，能量消耗较多，在一定程度上限制了它的 使用范围。 1 2 2 转盘萃取塔 转盘萃取塔是在塔体壁面上按一定间距设置若干个环形挡板( 称为固定环) ， 在中心轴上按同样间距安装若干个转盘，转盘随中心轴作高速旋转对两相起到搅 拌作用的萃取设备。转盘塔具有结构简单、通量大、造价低、操作维修方便等优 点，但由于转速的影响易导致轴向混合严重和液泛，为此开发出许多改进型萃取 塔，如闭式涡轮转盘塔( c t r d c ) 【2 1 、m r d c 【3 1 在一定程度上提高了效率。 1 2 3 脉冲筛板萃取塔 脉冲筛板萃取塔是指由于外力作用使液体在塔内产生脉冲运动的筛板萃取 塔。它传质效率高，处理能力大，而且结构简单，塔内无运动部件，工作可靠。 在体系中若有固体颗粒，脉冲筛板塔可以进行萃取而旋转搅拌装置则不行。在标 准板段( 孔径3 2 m m ，开孔率2 3 ) 内插入带有导向孔的聚合板，可以控制塔 内液滴群的分散一聚合循环，提高了整塔的处理能力和传质效率【4 1 。 1 2 4 往复振动筛板萃取塔 往复振动筛板萃取塔是将若干层筛板按一定间距固定在中心轴上，由塔顶的 传动机构驱动而作往复运动的萃取设备，它可较大幅度地增加相际接触面积和提 高液体的湍动程度。此外，该塔还具有结构简单、通量大、理论级当量高度( h e t s ) 低、可处理易乳化或含固体颗粒的物料等优点，目前已广泛应用于石油、化工、 第一章文献综述 食品、制药和湿法冶金工业中。随着对该塔传质放大模型的建立，为该塔的工业 应用提供了依据1 5 】。 1 2 5 萃取填料塔 用于萃取的填料塔与用于气液传质过程的填料塔结构上基本相同，即在塔内 支撑板上填充一定高度的填料层。相对于有外加能量和搅拌的设备，无机械搅拌 的重力萃取设备主要有三类：喷淋塔、填料塔和筛板塔。其中填料萃取塔是石油 炼制、化学工业和环境保护等工业部门广泛应用的一种萃取设备，具有结构简单， 无需外加能量，适用物系广，易于操作，便于制造和安装等优点。与喷淋塔相比， 塔内的填料抑制了轴向混合，改善了两相接触，使传质性能有所提高。大型机械 搅拌萃取塔的轴向返混严重，使得萃取塔效率明显下降，特别是对中低界面张力 的体系，严重的返混会引起乳化现象；而使用填料萃取塔既能防止乳化又能保证 适当的萃取效率【6 】。7 0 年代以前，在大型塔器中，板式塔占有绝对优势，出现过 许多新型塔板。7 0 年代初能源危机的出现，突出了节能问题。随着石油化工的 发展，填料塔日益受到人们的重视，此后的2 0 多年间，填料塔技术有了长足的 进步，涌现出不少高效填料与新型塔内件。特别是新型高效规整填料的不断开发 与应用，冲击了以板式塔为主的局面，且大有取代板式塔的趋势【7 j 。所以填料萃 取塔是这类工艺过程的优选塔型。 1 2 6 其他萃取设备 固相萃取( s p e ) 是利用固体吸附剂将液体样品中的目标化合物吸附，与样 品的基体和干扰化合物分离，再用洗脱液洗脱或加热解吸附，达到分离和富集目 标化合物的目的。其装置图如图1 1 ( 1 柱管2 烧结垫3 固定相) 。它具有安全、 回收率高、重现性好、操作简便、快速、应用范围广、易实现自动化操作等特点， 显示出良好的发展前景【8 。0 1 。 图1 1s p e 柱结构图 f i g 1 - ls p ec o l u m ns 廿1 l c t u r e 第一章文献综述 微纤维孔道萃取技术( 或膜萃取技术) 是一种新型高效的萃取技术，它使两 相通过几微米厚的孔道并经膜或孔板发生传质。图1 2 是微孔道萃取设备结构示 意图，图中接触板就是两相发生接触传质的界面。由于孔壁( 图中h 。和h f ) 很薄， 降低了传热和传质阻力，两相停留时间和制造成本，而且两相接触面积一定，不 随相比改变，大大减少了液泛和返混对萃取效率的制约。如果将设备孔道的宽度 加大，还可以增加处理能力，因此是一种有发展潜力的萃取技术【1 1 1 。 s o h n li n f e e d i l l 器l h f 下 。 图1 2 微纤维孔道萃取设备示意图 f i g 1 - 2s c h e m a t i c ( 1 r a w i n go fm i c r o c h a n n e id e v i c e sf b re x 仃a c t i o n 1 3 萃取体系及络合萃取介绍 1 3 1 萃取体系 表1 1 列出国际推荐的三种萃取体系及其物性，这三种体系( 1 ，2 ，3 ) 分 别对应高、中、低界面张力的代表体系【1 2 】。 表l l 三种标准萃取体系及物性汇总表 t a b 1 - 1p h y s i c sp r o p e r 哆a b o u tt m e es t a n d a r de x t r a c t i o ns y s t e m 第一章文献综述 本实验采用同样是中等界面张力且被广泛应用于萃取领域的3 0 t b p ( 磷酸 三丁酯) ( 煤油) 一醋酸一水体系，醋酸经水相络合萃取进油相。该体系的界面张 力与润滑油糠醛抽提体系相近，属中低界面张力体系，有一定的工业生产背景， 常用做萃取传质实验的体系，有利于和其他传质实验进行比较。此外，醋酸是一 种重要的化工原料，具有广泛的用途，但是在工业生产中，凡使用醋酸的过程中， 如生产醋酸纤维素等过程都会产生含醋酸废水，因此利用上述体系研究如何用萃 取方法提高醋酸的回收率具有很强的现实意义。 1 3 2 络合萃取 络合萃取是基于可逆络合反应的化学萃取分离方法，它对于极性有机物稀溶 液的分离具有高效性和高选择性，是分离工程领域的一项新技术。t b p 对醋酸的 萃取能力在不同稀释剂中按甲苯 苯 环己烷 煤油 四氯化碳 氯仿 甲基异丁基 酮的顺序变化1 1 3 。本实验选定t b p 具有中等萃取能力的煤油作为稀释剂。 络合萃取的工艺过程是：溶液中的待分离物质与含有络合剂的萃取溶剂相接 触，络合剂与待分离的溶质形成络合物，使其转移到萃取相中达到分离的目的， 这一步是萃取过程。第二步则是进行逆向反应使萃取溶剂再生以循环使用，可以 称为反萃过程。这类过程中，相间发生的络合反应可用下述简单的平衡反应式 ( 1 1 ) 加以描述： 溶质+ n 络合剂、7 络合物 ( 1 1 ) 络合萃取具有高效性、高选择性、反萃及溶质再生简单和二次污染小，操作 成本低等优点，非常适合工业环境保护和溶剂的回收。本实验t b p 对醋酸的萃取 就是络合萃取，反萃用纯水洗去油相中的醋酸，操作比较方便1 1 4 。引。 1 4 萃取填料塔传质及流体力学性能测试 1 4 1 流体力学性能 1 4 1 1 液滴直径的测试和计算 分散相液滴直径不仅决定了它在连续相中的运动速度，而且对传质系数和轴 向混合有着重要影响。填料萃取塔内液滴群的直径分布是不均一的，其运动状况 也非常复杂，可用液滴平均直径( 九) 来表示。这样，若已知萃取塔内的液滴平 均直径与分散相存留分数，就可以根据公式 第一章文献综述 口= 6 懿d 僻 ( 1 2 ) 得到单位塔体积液滴群的传质比表面积口，它是一个重要的特征参数，通过 传质比表面和体系物性数据可以得到特性速度和液泛速度( 见式( 1 1 0 ) 和式 ( 1 1 1 ) ) ，从而可以对萃取塔进行理论设计。其中，妫填料的空隙率，x 为分散 相存留分数，如为液滴平均直径。 一般工业和实验操作流量在湍流范围内，液滴在剧烈的搅拌下成为湍流时， 不再依靠重力差形成，而转为依靠湍流脉动能量形成，液滴的大小和数目可以用 统计分布来描述。最常用的液滴平均直径是s a u t e r 液滴平均直径以2 ：它的计算公 式是： d ，：= 刃d ? ，= l，- 1 ( 1 - 3 ) 1 液滴直径的测试方法 对于液滴直径的测试方法主要有以下几种： ( 1 ) 照相法：虽费时，但数据可靠，测试方便。 ( 2 ) 光散射法：操作范围较窄。 ( 3 ) 毛细管光电检测法：仪器调试很费力，且对t b p 煤油体系不很灵敏。 ( 4 ) 光纤法：测量过程复杂，且费用较高。 2 液滴直径的关联 ( 1 ) 由于不同物系的密度、粘度和界面张力的不同，液滴在填料塔内上升时 的受力是不同的，这就造成了分散相在塔内的存留分数和液滴平均直径是不同 的。液滴平均直径的大小是影响传质效率的重要因素。 文献中的计算公式很多，通常，s e i b e r t 等人提出的下列公式【1 7 】比较简单、实 用： 巩- 1 1 5 7 7 赤 ( 1 1 4 ) 式中常数印由传质方向和有无传质来确定，当无传质或传质方向为连续相向 分散相时( c _ d ) ，刁= 1 0 ；当传质方向为分散相向连续相时( d _ c ) ，7 = 1 4 。 ( 2 ) 单液滴喷嘴生成液滴的最大直径为： 一 l 2 炉1 3 8 赤】 m 5 1 大于此峰值的液滴由于不稳定而破碎，小于此峰值的液滴可以稳定存在或互 相合并。液滴破碎遵循能量守恒的原理，而且存在一个临界直径以，只有液滴直 径大于这个值时，液滴才会发生破碎现象。 第一章文献综述 ( 3 ) l e w i s e t a l ( 1 9 5 1 ) 【1 9 1 是最先对填料塔中的液滴直径进行系统实验研究的，他 们发现，如果初始液滴大于某一最小尺寸，且填料尺寸大于临界填料直径如仃堕， 液滴通过一小段高度的填料层将得到一个恒定的平均尺寸。 如- 2 4 互毒 ( 1 - 6 ) 1 4 1 2 分散相存留分数的测试和计算 通常把萃取设备有效操作容积内分散相所占的体积分数称为分散相存留分 数。分散相存留分数的大小决定了塔内两相的相传质界面积，进而影响填料的传 质效率。 k u m e r 等根据体系物性、两相流速和填料特性对文献列举的数据进行了关 联，可对分散相存留分数进行估算【2 0 1 ，但是估算结果对于不同的填料误差较大。 所以最好还是在填料塔中进行实验测定。分散相存留分数的测试方澍2 1 】有： ( 1 ) 体积置换法( 分界面下降法) ：较准确，但不很方便，测定一个数据需中断 一次操作。 ( 2 ) 压差法：根据静力学平衡计算，较为方便，但实际应用中误差较大。 ( 3 ) 混合密度法：用y 射线或超声波测定塔内的平均密度，这种方法用于测定 局部的分散相存留分数；或者应用伯努利方程计算出整体的平均密度。 1 4 1 3 液泛速度的测试和计算 液泛速度的测试可以根据观察法进行，在一定的水相流速下，缓慢提高有机 相的流速，直到界面无法稳定，水相中有严重夹带，此时即为液泛速度。 液泛速度的计算是填料萃取塔设计和核算的一个重要内容。对于运行中的填 料萃取塔，液泛速度决定了它的最大处理量。对于新设计的填料萃取塔，液泛速 度确定了给定负荷所需的塔径。通常有两类计算液泛速度的方法。一类是根据体 系物性、填料特性和操作条件直接计算液泛速度。另一类是根据特性速度的概念 来计算液泛速度。前者计算方法比较直接，但是影响因素比较复杂；后者从液滴 的运动规律着眼，基本概念比较清楚，计算方法比较合理。 g r a l e r e t a l 【2 2 1 和t h o m t o n l 2 3 1 提出了利用特性速度“d 来关联萃取柱内两相表观 流速和分散相存留分数的基本关系式： 丝+ 二丝l _ = 扰，= “。( 1 一x ) 一十一= ，= ，i i x - 翻 s ( 1 一x ) r 1 7 、 其中，玩为两相滑动速度，咖为特性速度，其物理意义是当连续相流速等于 零，分散相流速趋于零时，分散相液滴在操作条件下的终端速度，因此在一定条 第一章文献综述 件下，砌为一常数，而与“。和蚴无关。z 为分散相存留分数，8 为萃取塔的空隙率。 严格地讲，上式是从固体粒子受阻沉降的关系得出的，仅适用于液滴之间不 发生聚并的情况，汪家鼎【2 4 】提出了下述修正式： 丝+ 去= “。= 甜。( 1 一x ) 一 夏+ 石了= 铲甜。卜川 ( 1 - 8 ) 特性速度可以通过单液滴实验直接测定，或者先测定s a u t e r 平均直径西2 的 值，再按照l a d d h a 矧提出的特性速度和体系物性的关系计算： 黝。= c f ，生丛严5 砜邓( 寿参厂m 5 m 9 ， s 2 p、 其中肚是连续相密度，p 为两相密度差，c 为待定常数，可通过按式( 1 9 ) 作图求得特性速度。 确定了特性速度后，可以利用下列式子确定液泛速度： “矽= “。( 圪+ 1 ) x 厂2 ( 1 一x 厂) 圩 ( 1 1 0 ) 铭= 钇。( 1 一x “ 1 一( 刀+ 1 ) x 厂】 ( 1 - 1 1 ) 矿而百可万丽 m 其中，叼为连续相液泛速度，呦为分散相液泛速度，衲液泛操作时的分散 1 4 2 填料传质性能 1 4 2 1 传质相界面积与填料比表面积的区别 萃取设备单位晃面的传质通量公式【2 6 】： n a = 厩硝口“ ( 1 - 1 3 ) 由公式( 1 - 1 3 ) 得，影响传质的因素主要由传质系数k 和传质界面积口，以及传 质推动力白。但是如果温度和物系，以及物系的溶质浓度确定后，那么决定传 质速率的因素就是相界面积了。 第一章文献综述 萃取塔中填料的作用就是降低连续相严重的对流或轴向返混，并提供表面积 来促进分散相的破碎和聚合以强化传质。但是，并非比表面积越大的填料萃取效 果越好，关键看它对分散相的切割破碎能力如何，是否能够促进液滴的分散一聚 并，这样才能更好的实现液滴的表面更新和传质。所以口指的是传质相界面积一 液滴群的表面积，而非填料的比表面积。 1 4 2 1 传质系数的计算 传质系数是表征传质速率快慢的参数，是体系物性的参数，测定传质系数有 助于我们了解体系的主要传质阻力所在，确定传质模型，改善传质条件和流动条 件，增加传质效率。 总传质系数k 可以用双阻力模型来计算【2 7 】： l聊l 一= + k 后。后d 4 ) 其中乜和幻为连续相和分散相侧的分传质系数，聊为分配系数，如为按连续 相计算的总传质系数。为在以上两相流体力学计算的基础上，可以选择适当的模 型来计算两相的分传质系数( 岛和幻) 。通常假设，与液滴上升阶段的传质相比较， 液滴形成阶段和聚合阶段的质量传递可以忽略不计。 这样可以通过式( 1 2 ) 和( 1 1 4 ) 计算总的体积传质系数亿阳。 还可以根据单液滴实验测定传质系数从而确定哪一种理论传质模型( 如膜模 型或穿透模型) 更合适。根据单液滴的对流传质速率方程： 确= 锄魄叫) = 恕屏一而) = k 锄魄一e ) ( 1 1 5 ) 三d ： 式( 1 1 5 ) 中瑚为传质速率。假定是球形液滴在连续相中下降，其体积为6 ， 表面积为蒯；，d p 为等体积液滴当量直径。因此4 时间内由单个液滴传递至连续 相的溶质量应等于液滴溶质的减少量，即： k 砌梯一虬渺2 吾岛奶 ( 1 - 1 6 ) 将上式由下降开始时的少爿：积分至碰到凝聚面时的浓度y 彳，而对应的时间 为f = 0 和f = f ! 焘= m m 第一章文献综述 由于k 耐与传质时间f 的关系不大，可近似认为是常数，积分上式得 _ l n 臣监) = 鳖 耽一嘭 ( 1 一l8 ) 稳定f 降阶段的萃取分翠为： f y 怒一y 也 j 一 一一 代入式( 卜1 8 ) 得 k 耐= 一鲁l n ( 1 咽 ( 1 1 9 ) ( 1 2 0 ) 将对应的e 值代入式( 1 2 0 ) ，从而得出以分散相浓度为推动力的总传质系数 k 耐的实验值【2 8 】。 1 4 2 2 填料萃取塔轴向扩散系数的计算或测定 液一液萃取过程中两相密度差小、粘度大，逆流中两相流动状态比较复杂， 无论是连续相还是分散相，都存在轴向扩散。例如连续相在流动方向上速度分布 不均匀，连续相的湍动和旋涡引起分散相液滴的返混和夹带，分散相液滴直径分 布不均所造成的大液滴运动速度过快，以及分散相液滴的尾流引起连续相的返混 等。通常把这些导致两相非理想流动和两相停留时间分布不均匀的各种现象统称 为轴向混合。测定传质效率是为了了解体系的传质性能，而测定轴相扩散系数是 为了综合评价包括前混和返混等不利因素对传质效率的影响，为改善两相的流体 力学状况和传质性能提供指导。 轴向混合对塔的传质效率存在严重的影响，对萃取柱的性能产生极为不利的 情况，不仅降低了传质推动力，而且限制了萃取柱的处理能力。使得两相间的浓 度梯度降低，为完成某一分离任务，需要增加塔高。 ( 1 ) 可以利用关联式对轴向扩散系数进行预测计算，但关联式都是一些经验 式，有一定的应用条件限制，对于不同填料误差较大。 ( 2 ) 进行实验测定，传统的方法有三种【2 9 】： 稳态示踪剂注射法； 非稳态示踪剂注射法； 溶质浓度剖面测定法。 第一章文献综述 示踪剂在两相中不存在传质，方法是通过测定示踪剂浓度剖面，来测定轴 向混合情况；方法是测定示踪剂的停留时间分布来测定轴向混合情况。前两种 方法示踪剂在两相中不存在传质。清华大学的雷夏、费维扬等人，根据m i y a u c h i 等人的扩散模型和r o d 引入的辅助变量，提出了一种数据处理的新方法i3 0 】。即采 用浓度剖面的最优化拟合方法，由浓度剖面同时求得轴向混合系数和“真实传质 单元高度”。 1 5 本课题主要研究内容 通过对萃取过程和设备的全面了解，本文认为研究液滴破碎现象对开发新型 专用于萃取过程的新型设备具有很大的参考价值。为此，本文对液液萃取过程中 最基本的现象液滴破碎和聚并现象进行了比较深入的分析，提出了采用振动 和气体扰动的两种方式强化液液传质过程的新型萃取设备，进行了相关的传质及 流体力学性能实验。 第二章液液萃取振动规整填料塔的实验研究 第二章液液萃取振动规整填料塔的实验研究 采用振动的方法可以强化液滴的破碎，如振动筛板塔，在本课题组杨芬芬、 李健等开发的萃取专用规整填料的基础上，我们又提出了一种液液萃取振动规整 填料塔，本章对该设备内的液滴破碎现象进行了研究并对其传质性能进行了测 试。 李健【3l 】通过单液滴实验对液滴的破碎及聚并过程进行了观测分析。通过实验 观测发现：萃取专用规整填料( 简称新萃取填料) 的棱角对液滴有较强的破碎作 用。而丝径应在保证填料强度的前提下随着液滴直径的变化尽量选择较细的，这 样可以有更强的切割破碎效果，而且降低填料的成本，增加孔隙率和通量。对萃 取填料进行传质性能的测试表明，新萃取填料的表观传质单元高度平均比鲍尔环 低2 0 3 0 左右，分散相存留分数平均比鲍尔环高3 0 ，液泛负荷平均比鲍尔 环高1 4 。在此基础上，李健等又开发了一种萃取专用复合式规整填料1 32 | ，传 质实验表明，复合式规整填料的表观传质单元高度平均比新型萃取填料低1 1 ， 比鲍尔环填料低4 9 。 在以上研究的基础上，我们提出了采取振动的方式强化液滴破碎，进而强化 液液传质过程。本章主要对能够强化液滴破碎作用的一种振动规整填料i3 3 j 塔进行 了研究。 2 1 实验装置及流程 萃取实验采用本课题组自己设计的萃取装置，实验装置流程图见图2 1 ，其 中水相( 连续相) 由塔顶部水相分布器送入塔内；油相( 分散相) ( 3 0 磷酸三 丁酯( 简称t b p ) 煤油) 由塔底部油相分布器送入塔内。油相在振动填料段破 碎为液滴群与水相进行逆流传质操作，并在上澄清段油相聚集为油层，由油相出 口返回油出口储罐，水相经下澄清段和水相出口由兀型管排出，通过调节兀型管 的高度来调节两相界面高度至上澄清段中间的位置。 其中主设备振动规整填料萃取塔总高3 0 0 0 m m 。塔体内从塔顶至塔底依次 为：澄清段高7 0 0 m m ，内径1 0 0 m m ，内设重相分布器和轻相出口，轻相出口位 置距塔顶15 0 m m ，分布器采用喷淋头式压力型，喷淋头圆盘直径3 5 m m ，布2 6 个直径1 5 m m 小孔；萃取段高1 0 0 0 m m ，内径5 0 m m ，内装由1 5 0 片直径为4 8 m m 、 第二章液液萃取振动规整填料塔的实验研究 峰高为6 3 m m 、峰宽1 6 m m 的圆盘状板网波纹片组成的填料段，填料段高度 9 5 0 m m ：沉降段高7 0 0 m m ，内径1 0 0 m m ，内设放液口、重相出口和轻相分布器， 重相出口位置距塔底1 5 0 m m ，分布器采用喷淋头式压力型，喷淋头圆盘直径 3 5 m m ，布2 6 个直径1 5 m m 小孔。放液口采用直径1 5 m m 的钢管，其余进出口 管路均采用直径2 5 m m 的钢管。轻相和重相进口管路分别通过磁力驱动离心泵与 油相和水相储罐相连。填料段通过振动杆由塔体顶部之外的驱动机构驱动，在萃 取段内进行上下运动。其他设备见表2 1 。 表2 1 主要设备仪器表 1 h b 2 - 1p r i m a 拶i n s t r u m e n t su s e di ne x p e r i m e n t 名称生产厂 l z b 型玻璃转子流量计( 量程6 6 0 l l l ，1 0 1 0 0l 1 1 ) 天津流量仪表厂 c q 一8 型磁力驱动泵 ( 2 5 公升分，8 米，2 8 0 0r m i n ，3 8 0v )上海鸿龙泵业制造有限公司 第二章液液萃取振动规整填料塔的实验研究 1 一w a 衙p u m p2 一w o l p r 1 0 n k3 一w o 旧f i o w m e 旧4 一m 。i 。r5 一| i ( 】 1 p f l o s e 酬 6 一w n l e rp h a s ed i s i f i b u o r7 一g l a s sc o l u m n 8 一e y fr a c o nd i s c r i c ( 9 一o i i p h 。s ed i s fr i b u i o r 1 0 d r a i nh o l e1 1 一n y p e u b e12 一w o i e f | o w m e e r 13 一o i id u m d14 一e n i e 。i ii a n l1 5 一酬l 。i li a n k 图2 1 液液萃取振动规整填料塔实验装置与流程图 f i g 2 1e x p e r i m e n t a le q u i p m e n ta n dn o wd i a g r a mf o rl i q u i d - l i q u i de x n a c t i o nr e c i p r o c a t i n g s 仃u c t u r e dp a c k i n gc o l 啪n 第二二章液液萃取振动规整填料塔的实验研究 振动规整填料塔填料段的安装方式分为三种：第一种为振动杆上全部装满规 整填料；第二种为规整填料分段安装在振动杆上，每盘规整填料高为1 0 0 m m ， 填料盘间距5 0 m m ：第三种与第二种类似，只是填料盘间距为】0 0 m m 。为与振 动填料塔对比，我们还对振动筛扳塔的传质效率进行了测试，填料和塔板的具体 安装方式见图2 2 。 图2 - 2 规整填料和筛板安装示意图 啦2 。2 眦t 呲dp a c k ga n ds i e v ep 】a i e i n s 圳n l o nd a g “m 在萃取实验中，传质方向的不同会影响传质效率和通量。一般选择流量较大 的一相为分散相，另外当传质方向为分散相至连续相时( d c ) ，平均液滴直径 比较大，液滴易滞留在填料内部而液泛，大液滴也不利于传质表面的更新和破碎 因此传质效率低】。本实验的传质方向为连续相至分散相( c d ) 。 2 2 实验体系及物性测定 22 1 实验体系 如上所述本章实验采用具有广泛工业生产背景的萃取体系：3 0 t b p ( 煤 油) 一醋酸一水。体系的物性数据和实验所用药品规格见表2 2 。 第二章液液萃取振动规整填料塔的实验研究 表2 23 0 t b p ( 煤油) 一醋酸一水体系物性数据表 ! 坐：兰：三! y 墅里垒! 巳翌巳呈! 壁丛三q 墅! 旦塑鉴呈翌! 曼竺) 二墼呈! i 里堑i 垒：型丝呈! 型塾曼里 温度 p c k m 3p d k m 3印“印 耐m n m 1 注：角标c ，d 分别代表水相和油相 2 2 2 物性测定 2 2 2 1 密度测定： 用比重瓶测定物系的密度，根据相同体积下液体的质量比等于密度比来计 算。 已知一定温度下水的密度，以此可以来计算其他液体的密度。 聊l 户1 - 一- 一_ _ 一 朋2 p 2 ( 2 1 ) 其中，聊为液体质量( k g ) ，肭液体密度( k g m 3 ) 。 平时为了简便操作，也可以直接用密度计直接测量液体的密度。 2 2 2 2 粘度测定： 根据液体在乌式粘度计一定体积的管子中流动的时间与流体的粘度成正比， 与密度成反比的原理。可以在相同条件下，分别测出水和未知液体的密度，以及 流过管子的时间，已知该温度下水的粘度，根据比值求出未知液体的粘度。 已知2 0 时，水的粘度为1 0 0 2c p ，本次实验所用管子内径为o 4 0 5m m 。 丑：盟 ( 2 2 ) 刁2 岛f 2 其中，7 为流体粘度( c p ) ，肭流体密度( k g m 3 ) ，f 为流体流过管子的时间( s ) 。 注意：每次实验前应将粘度计用蒸馏水洗净烘干，然后用测试液润洗2 3 次，方可使用，实验过程中应保证恒温，可以在恒温槽中进行。 2 2 2 3 界面张力测定1 3 6 】： 本实验采用德国的d c a t l l 型表面界面张力测定仪进行测定。为了保证实 验数据的准确性，在进行实验前可以用蒸馏水和无水乙醇对仪器进行校正。分别 用该仪器测定水和乙醇的表面张力，并与文献值进行比较。校正后再测定体系的 第二章液液萃取振动规整填料塔的实验研究 界面张力。 2 2 2 4 航空煤油沸程测剧3 刀 由于实验物系中煤油是混合物，且所买煤油的各项具体指标厂家销售代理都 未提供，所以在实验室范围内对其各项物性进行了测定。本实验使用蒸馏法测定 了煤油的沸程，沸程是液体在规定条件下( 1 0 1 3 2 5 k p a ，0 ) 蒸馏，第一滴馏出 物从冷凝管末端落下的瞬间温度( 初馏点) 至蒸馏瓶底最后一