混合澄清槽研究进展.docx

机械与密封混合澄清槽研究进展邹洋，王运东，费维扬（清华大学化学工程国家重点实验室，北京 100084）混合澄清槽是应用最早、使用最广泛的逐级接触式萃取设备，具有级效率高、适应性强、放大简摘 要单及操作性强等优点。文章综述了近年来研究者们普遍关注的新型混合澄清槽形式，介绍其工作原理，剖析了不同槽体的优缺点，总结了当前混合澄清槽的三大研究方向分别是高混合效率、低搅拌转速和小 占地面积。此外，随着对混合澄清槽的研究不断深入，国内外学者利用先进的技术深入地剖析设备内部 的流体力学特性，如桨叶的抽吸效应、分散相液滴直径分布等，文中对此也进行了介绍，提出计算流体 力学方法是改进混合澄清槽混合与澄清性能的重要手段。液液萃取；混合澄清槽；流体力学；研究进展关键词中图分类号：TQ 051.7；TH 13文献标识码：A文章编号：1009-3281（2014）05-0040-007混合澄清槽（或混合澄清器）是最早被人们使用的逐级接触式萃取设备，在每一级设备内不互溶 的两种液相都会进行搅拌混合和澄清分相两个过程， 从而实现目标溶质在不同液相间的传质与分离。混合澄清槽具有以下特点 1 ：（1）级效率高。在每一级设备内，通过调节搅 拌和澄清参数，待萃物的萃取效率可达 90% 以上。（2）适应性强。当物料中目标溶质浓度或相比 变化较大时仍可实现设备的稳定操作和高效萃取。（3）放大简单。 混合澄清槽的体积可从小逐步 放大至立方米级， 不同尺寸设备遵循相似放大的 原理。（4）可操作性强。当设备内流体发生液泛或乳 化等生产事故时，可通过停车静置的方法解决，恢复 正常后重新开车即可迅速恢复运行。（5）占地面积大。混合澄清槽通常采用多级串 联的方式运行，当物料所需萃取级数较大时，整个萃 取工艺的占地面积较大。（6）物料存留量大。在多级串联的运行方式下， 需要在开车运行前向槽内加入充足的料液，对于级 数较大的萃取工艺过程，设备内存留的料液量巨大， 萃取分离企业的一次性投资成本较高。混合澄清槽虽然出现时间较早，但当前其仍然在石油、化工、冶金、核工业等领域具有广泛的应用，是当前使用最普遍的萃取设备。因此，国内外研究者不断致力于开发更高效、节能、简单的混合澄清槽形 式，以提高混合澄清槽的综合性能。本文综述了当前研究者们普遍关注的混合澄清 槽形式，介绍其工作原理，对其优缺点进行剖析。随 着对混合澄清槽研究的不断深入，国内外学者利用 先进的手段和技术深入地剖析设备内部的流体力学 特性，如桨叶的抽吸效应、分散相液滴直径分布等，本文对此也进行了介绍。1混合澄清槽形式前人在开发新型混合澄清槽方面早已有了很多成绩，本文不再列举那些工艺成熟、应用广泛的混 合澄清槽，主要介绍近年来被普遍关注的几种新型 设备。1.1 MSPI（Mixing-settler based on phase inversion）混合澄清槽为了减小混合澄清槽占地面积，研究者将占地 面积较大的澄清槽放置在混合槽底部的做法并不少见，Hadjiev 等 2 提出的反相槽是其中较有特色的一收稿日期 ：2014-05-26基金项目 ：国家重点基础研究计 划（973） 课题资助项目 （2012CBA01203）。作者简介 ：邹洋（1988），男，江西赣州人，博士研究生。主 要从事过程强化研究。2014 年 10 月邹洋，等.混合澄清槽研究进展 41 种，其工艺流程如图 1 所示 3。因此其工业应用可行性还需进一步研究。1.2 无潜室混合澄清槽搅拌槽的计算流体力 学（Computational Fluid Dynamics，CFD）模拟和实验研究表明 5-7，要达到 较好的搅拌混合效果，通常需要设定搅拌桨安装高度 与搅拌槽高度比值在 0.20.5 间取值。而常见的箱式 混合澄清槽中，搅拌桨一般安装在混合室底部紧挨着 潜室出口的位置，搅拌效果较差。箱式混合澄清槽这 种结构设计是为了利用搅拌桨的抽吸作用将前后级 的油水两相分别吸入混合室中进行搅拌混合，从而提 高设备的处理能力。为此，俞志春等 8 提出一种无潜室的混合澄清槽，结构如图 3 所示。1、2.泵；3.混合室；4.搅拌桨；5、8.阀门；6、9.流量计；7.有机相储槽；10.澄清段；11.多孔板；12.相界面；13.水相储槽图1 MSPI混合澄清槽工艺图Fig.1 Process flow chart of MSPI mixer-settler该设备的工作原理是将油水两相通入到顶部的混合室中进行接触传质，充分混合后通过一个多孔板 形成大量的混合相液滴并进入澄清段，由于混合相液 滴的密度比澄清室顶部的油相密度大，因此会缓慢向 下沉降，沉降过程中混合相液滴内的细小油滴逐渐从 液滴内部扩散到油相主体，经过充分澄清后液滴中只 剩水相，并最后进入到底部的水相中。此 外，Hadjiev 等 3-4 对 MSPI 混合澄清槽的工 作原理和设备设计也进行了细致的研究，其具体的工 作原理图如图 2 所示 2。1.澄清室；2.油相堰；3.水相入口；4.混合室出口；5.水相堰；6.搅拌桨图3 无潜室混合澄清槽结构示意Fig.3 Structure of non-buffer-chamber mixer-settler无潜室混合澄清槽中通常采用大直径桨叶，叶 片旋转形成涡流，促使油水两相直接进入混合室，经 搅拌混合后流体从混合相出口进入澄清室中分相，混 合相出口设置在远离两液相入口的位置，两相分相完 成后分别进入下一级设备。无潜室混合澄清槽无需考虑潜室对桨叶安装高 度和转速的约束，可根据需要选择搅拌桨安装位置并 设定相应的搅拌转速，使物料充分混合而又不会过度 搅拌产生乳化现象。但这种无潜室混合澄清槽物料可能未经充分混合便已流出混合室，发生流体的短路现象，同时此设备中物料的级间流动能力较弱，相同体积的设备对物料的处理能力比有潜室槽小。1.3 双混浅层槽箱式混合澄清槽中搅拌桨主要起抽吸作用，搅 拌混合效果较弱。为了使料液进行充分混合，王春 花等 9 提出一种双混合室浅层澄清室的结构，如图 4 所示。1.混合相；2.多孔分散装置；3.有机相；4.油水界面；5.水相；6.液滴图2 MSPI混合澄清槽工作原理图Fig.2 Principle of MSPI mixer-settler由于采用管式澄清结构，MSPI 型混合澄清槽具 有占地面积小，压槽量低的优点，但是该设备需要将 物料通过泵输送到高位混合槽中，消耗大量的电能， 42 化 工 设备与 管 道第 51 卷第 5 期相经过第一混合室打碎成小液滴后可能会在两混合室间进行初步聚并，此时第一混合室对液滴的破碎效 果减弱，要达到较好的搅拌效果则需增大第二混合室 的搅拌转速，因此该过程做了无用功。此外，双混浅 层混合澄清槽每一级设备需要用到两个搅拌桨，需要 的电机数量增加，功率消耗也会有所增大。1.4 Hanson立式槽针对卧式混合澄清槽占地面积大的问题，研究 者们考虑开发塔型的立式混合澄清槽，Hanson 槽就 是其中之一，近年来 Hanson 槽的研究和开发得到广 泛关注 10-14。Hanson 混合澄清槽的工艺流程及工作原理如图 5 和图 6 所示 11-12。每一级混合澄清槽垂直排列于“塔” 内，对每一级混合澄清槽，低密度的油相从底部进入 混合室，高密度的水相从顶部进入混合室，两相在搅拌作用下充分接触传质并进入澄清段进行分相，分相 后水相进入下一层，而油相则进入上一层。1.第一混合室搅拌；2.第二混合室搅拌；3.第一混合室；4.第二混合室；5.三通潜室；6.挡流板；7.浅层澄清室；8.有机溢流 堰；9.水相溢流堰图4 双混浅层槽结构示意Fig.4 Structure of mixer-settler with double mixer and shallow settler双混浅层槽由两个混合室和一个浅层澄清室组 成，第一个混合室用于抽吸，第二个混合室用于搅拌 传质，随后流体在浅层澄清室中进行分相。双混合室的结构充分考虑了抽吸和搅拌混合的要求，同时浅层澄清室的设计可以减少料液的压槽 量，对于多级操作可有效降低一次性投资成本。分散1.混合段；2.澄清段；3.上部澄清区；4.底部澄清区；5.搅拌桨；6.搅拌电机轴；7.电机；8.光学传感器；9、12、13、14.阀门；10.泵；11.流量计；15、17.水相储槽；16、18.有机储槽图5 Hanson槽工艺图Fig.5 Process flow chart of Hanson mixer-settler1.5 微混合澄清器微化工以其高效的传质控制能力而成为近年来的 热点研究领域，在微尺度下混合澄清器的开发也得到 研究者的关注 15，微混合澄清器的工艺如图 7 所示 16， 实物图见图 8。油水两相分别被泵抽入盘绕了几圈的 微管混合器中，由于微管混合器内径较小而长度较大，当两股液相被泵入管状混合器后将获得较小的液滴直通过将多级混合澄清过程垂直排列，Hanson 槽很好地解决了箱式混合澄清槽占地面积大的问题，在 单一设备内就可以完成多级混合与澄清过程，所需的 电机数量少。但是，立式槽的设计难度较大，可操 作范围要比卧式槽窄，控制不当时易发生液泛现象， 造成较大的损失，目前仍处于探索开发阶段，尚无工 业应用的实例。2014 年 10 月邹洋，等.混合澄清槽研究进展 43 径和较大的接触面积，从而有效地促进待萃物在相间的传质。传质结束后混合相进入澄清器中进行分相。2设备内部流体力学研究在考察设备的性能时较早的研究者通常关注混合澄清槽油水相进出口处物料浓度、总体积传质系 数、板效率等宏观参数的变化 12,20-21，随着近年来对 流体流动的认识和研究的深入，研究者们开始关注桨 叶抽吸效应、分散相液滴直径分布和流场结构，以下 对这些内容分别进行讨论。2.1 抽吸效应混合澄清槽中桨叶的抽吸使相邻澄清段中的油 相和水相进入混合室，抽吸能力越强，进入混合室的 流体流量就越大，物料的级间流动能力则越强，对于 相同体积的混合澄清槽，抽吸能力强的设备能处理的 料液流量也越大。因此，抽吸能力是评价设备对物料 处理能力的重要指标。Singh 等 22 研究了半开式直叶桨 TSTRTB 在工 业混合澄清槽中的单相抽吸特性和功率消耗状况，分 析了桨叶直径、安装高度、叶片宽度、叶片数、物 料流量和转速对抽吸压头和功率消耗的影响，结果表 明，桨叶直径和安装高度对抽吸压头的影响最明显， 抽吸压头的增大会消耗更多的搅拌功率。Singh 等 23 随后又研究了不同类型桨叶的抽吸 能力，如图 9 所示 23。在固定功率输入的条件下， 他们通过模拟计算和实验测量对比了不同桨叶的单 相抽吸压头、功率消耗和流量准数等特性，结果表明， BSTRTB 型桨叶具有最大的抽吸压头，功率消耗也最 小，但是对流体的搅拌性能也是最弱的 ；RT 型桨叶 抽吸能力最弱，功率消耗最大，但是搅拌性能最强 ； 其他类型桨叶的性能皆在两者之间。此外，Srilatha 等 24 研究了桨叶形式、安装位置、 抽吸孔口大小和桨叶直径对混合槽抽吸特性的影响， 结果表明，随着抽吸孔口直径增大，桨叶抽吸能力将 呈现先增大后减小的趋势，上升式 PBT 桨和水翼桨 比圆盘桨具有更高的抽吸压头和流量准数。上述研究者们对混合澄清槽中桨叶抽吸能进行了 较系统的研究，但不足的是，上述研究中采用的叶片 转速均较小，范围均在 100200 r/min，而实际的稀 土分离混合澄清槽中转速可达到 300 甚至 400 r/min。 此外， 这些研究均采用圆形混合槽， 这种槽体结构 在搅拌过程中很常见，但是稀土分离过程通常采用的 是方形槽，方形槽在设备加工上更具有优势。因此， 在大转速范围内研究方形混合槽的抽吸特性依然很有必要。A,B混合相口C重相堰 D轻相口图6 Hanson槽工作原理图Fig.6 Principle of Hanson mixer-settler微混合澄清器可以形成直径可控的液 - 液分散体 系，混合和澄清效果较好，同时没有传统的搅拌混合 过程，可大大减少投资和操作成本。但微混合澄清器 的研究还只是一种初步探索，离真正的工业利用还有很长的路要走。图7 微混合澄清器工艺图Fig.7 Process flow chart of micro mixer-settler图8 微混合澄清器实物图16Fig.8 Photo of micro mixer-settler以上是近年来被普遍关注的混合澄清槽形式， 除此之外还有很多其他的结构 16-19，在此不再详述。 总体而言，新型混合澄清槽的开发主要以高混合效 率、低搅拌转速和小占地面积为方向。 44 化工设备 与 管 道第 51 卷第 5 期以上采用的实验设备得到的经验方程随设备结构的变化也会发生改变，而实际生产所用有出入，因 此，Huang 等 27 人具体研究了混合澄清槽中 2- 乙基己基磷酸单 2- 乙基己基酯溶于 2- 乙基 -5- 壬基苯乙 酮肟萃取水中镍的过程，同样回归了一组经验方程， 发现回归方程有所变化，但总体趋势是一致的。由于在液液分散过程并不是形成统一直径的分 散相，液滴的直径呈范围分布，且该范围有可能较大， 平均直径并不能很好地反映液滴直径的真实分布状 况，因此利用数值计算方法分析液滴直径分布的研 究也是近年来的研究热点之一，其中群体平衡模型（Population Balance Model，PBM）就是一个较有应 用前景的方法 28。PBM 模型充分考虑了分散体系中分散相的破碎 和聚并效应、晶核生长效应等因素的影响，可以有效 地预测分散相的直径分布，其较早应用于气液体系和 固液体系的研究 29-30。PBM 模型可以较好地预测液液体系的液滴直径 分布状况，且已经有了部分的实验验证数据 31，对 于液滴直径分布范围较宽的情况非常有指导意义。但 是，该模型在 CFD 模拟中计算量较大，需要进行大 量的反复迭代运算，耗时较长，而工业混合澄清槽搅 拌速率较高，液滴破碎较剧烈，因此产生的液滴相对 较均匀，因此，将均一液滴直径应用于 CFD 流场模 拟的方法依然具有现实意义。2.3 流场结构为了深入地分析流场结构与设备性能宏观参数 的内在联系，本文采用 CFD 模拟的方法，研究了图 9 中 RT、BSTRTB 和 TSTRTB 三种桨叶结构在相同 操作参数下的流场结构，结果如图 11 所示。从图中 可以看出，BSTRTB 和 RT 型桨叶均产生轴向型流场， 流体离开桨叶端面后朝槽底运动，受到阻挡后转向上 运动，混合室上部流体在搅拌轴附近向桨叶区流动， 形成单个循环回路。TSTRTB 型桨叶产生典型的径向 双循环流场，叶片旋转带动周边的流体一起运动，并 形成高速射流，流体从叶片端流出后朝槽壁流动，受 到阻挡后分为上下两股流体，一股沿槽壁向上部液面 运动，经过搅拌轴再进入桨叶区，从而形成上循环回 路 ；另一股流体沿槽壁向槽体底部运动，经过槽底最 终进入桨叶区，从而形成下循环回路。进一步分析三种桨叶的抽吸能力和功率消耗， 发现轴向型流场结构产生的抽吸效应强，其功率消耗小，但是流量准数较低，对流体的搅拌效果较差 ；图9 桨叶结构示意Fig.9 Structure of different impellers2.2 液滴直径分布在混合室中，随着搅拌桨的转动，原本连续流动 的油相被破坏成较小的液滴散布于水相中，油水两相 间的传质和反应也均发生在油水的界面处，而分散相 液滴直径直接影响着油水界面的面积。当液滴直径太 大时，传质反应不充分导致萃取效率低下，而液滴直 径太小，又容易发生分相困难甚至乳化的问题。因此， 研究者们开始探索液滴尺寸分布的规律，探索影响液 滴直径的内在因素，努力实现液滴直径分布的可控性。因此，Khakpay 和 Gharehbagh 等 25-26 人采用如 图 10 所示的实验装置 23-24，分别测定了煤油 - 水体 系和醋酸丁酯 - 水体系中分散相液滴的直径分布状 况，比较了搅拌速率、滞留量、桨叶尺寸、水相密度、 油相表面张力、油相黏度等参数对液滴平均直径的影 响，回归了经验的数学方程。结果表明，当设备参数、 两相体系确定时，液滴平均直径随搅拌转速的增大而减小、随滞留量的增加而线性增加。图10 液滴直径测量实验装置Fig.10 Experimental setup for measurement of drop size2014 年 10 月邹洋，等.混合澄清槽研究进展 45 径向型流场结构产生的抽吸效应弱，其功率消耗大，但流量准数较高，对流体的搅拌效果较好。 除桨叶结构外，桨叶高度的影响同样重要。本文对比了 BSTRTB 型桨叶安装于不同高度时形成的流场结构，发现当桨叶位置较高时，形成典型的径向型流场，此时抽吸能力弱，功率消耗高 ；当桨叶位置 靠近槽底的物料入口处时，产生典型的轴向型流场， 此时抽吸能力强且功率消耗低，如图 12 所示。图11 不同桨叶形成的流场结构Fig.11 Flow Structure generated by different impellersbased on phase inversion at low velocities in the nozzlesJ. 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Mass 3 4 5 图12 桨叶高度对流场结构的影响Fig.12 Effect of impeller height on flow structure 6 3结束语国内外研究者们近年来开发的不同混合澄清槽结构各具特色，既包括 MSPI、Hanson、无潜室槽、双混浅层槽等日趋成熟的工艺设备，也包含微混合澄 清器这种利用热点研究方向设计的新兴设备。总体而 言，新型混合澄清槽的开发主要以高混合效率、低搅 拌转速和小占地面积为方向。随着对流体流动的认识和研究不断深入，研究 者们在桨叶抽吸效应、分散相液滴直径分布和流场结 构等领域开展了大量工作，研究结果表明，设备内部 的流体力学特性与宏观性能参数关系密切，利用先进 的 CFD 技术研究流体力学特性是当前改进混合澄清槽性能的重要手段。 7 8 9 1011参考文献 1 汪焰台 . 混合澄清器的研究和展望 J. 湿法冶金 , 1994, 13(3): 6-13. 2 Hadjiev D, Limousy L, Sabiri N E. The design of separators1213 46 化 工 设备与管 道第 51 卷第 5 期transfer coefficients in a Hanson mixer-settler extraction columnJ. Brazilian Journal of Chemical Engineering, 2008, 25(3): 473-481.Hashtochahar E, Safdari S J, Haghighi-Asl A, et al. Prediction of slip velocity in a Hanson mixer- settler extraction columnJ. Canadian Journal of Chemical Engineering, 2010, 88(5): 808-817.Kumar S, Kumar B, Sampath M, et al. Development of a micro-mixer-settler for nuclear solvent extractionJ. 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