填料萃取塔的研究現狀及進展

朱璇雯，劉 成，張敏華

（天津大學綠色合成與轉化教育部重點實驗室，天津 300072；天津大學石油化工技術開發中心，天津 300072）

填料塔是化工、煉油、環保、醫藥、食品及生物工程等多行業生產過程中重要的單元設備。基于其結構簡單、壓降小、操作適應性好、軸向返混小等優點，填料塔在精餾、吸收、解吸、萃取、化學交換、洗滌、冷卻等操作過程中都有廣泛應用[1-3]。

填料萃取塔是填料塔的一種重要表現形式。相比其它傳質分離設備，填料萃取塔具有在常溫或較低溫度下操作的優點，對于過程工業的節能降耗具有重要的意義。填料萃取技術經過多年發展，研究者開發、改良了多種適用于液液萃取過程的填料，并且采用更準確、適用面更廣的理論模型與方法對填料萃取塔的傳質及流體動力學特性進行了深入的研究。本文作者將對填料萃取塔的特點、填料的選擇、開發及研究方法進行闡述。

1 填料萃取塔的特點

液液萃取是一種重要的化工傳質分離手段，其過程多樣，設備種類繁多[3]，常用的萃取設備及其特點如表1所示。選擇萃取設備時要多因素綜合考慮，包括體系物性、處理量大小、分離要求、占地面積、設備、操作、維修費用等因素。

表1 不同萃取設備的工作方式及特點[4-5]

對于液液萃取過程，兩相的密度差小，黏度較大，萃取塔中流體流動狀況比較復雜，易產生軸向返混，引起傳質推動力的下降，降低傳質效率，這對萃取塔的分離性能是十分不利的。通過表1中各萃取設備的比較，相對于轉盤塔等萃取設備，填料萃取塔具有結構簡單、操作方便、穩定性好等優點，能通過填料的選擇和內部件的設計減小軸向返混，因而強化了傳質，有利于分離效率的提高[1]。

2 填料萃取塔中填料的選擇與開發

填料是填料萃取塔的核心元件，按照其形態可以分為散堆填料和規整填料[1]。一般進行萃取分離的液液兩相密度差較小，界面張力較大，液滴易聚合不易分散，填料的存在能起到使液滴分散、減小返混的作用，同時還可能增加在萃取設備中的質量傳遞系數[2]，故選擇一種高效的填料是十分關鍵的。

液液萃取過程填料類型的選擇既與精餾過程有相似之處但又有別于精餾過程。首先，萃取和精餾對填料的要求有部分是一致的，它們都要求填料具有較高的傳質效率，填料層要有較大的孔隙率，避免偏流和溝流等；然而精餾中液相沿著填料表面流動，填料起提供傳質面積的作用，而萃取中傳質是發生在液滴群和連續相之間，填料的作用是控制返混并實現液滴的破裂-聚并-再破裂的循環過程，影響分散相的停留時間，故在精餾中帶毛刺的填料有助于傳質而此種填料在萃取中卻是不利的[1]。因而，萃取塔中填料的選擇有其獨特性，對填料在萃取過程中的作用、萃取塔專用填料的開發等內容開展深入細致的研究工作顯得尤為必要。

清華大學費維揚院士課題組對填料萃取塔中填料的開發和改良做了大量的研究，自主開發了內彎弧形筋片扁環填料QH-1[[6-8]和撓性梅花扁環填料QH-2[4,6]，其結構高徑比小，排列時能體現一定的有序性，降低填料層間的壓力降，通量大，軸向返混小，抑制兩相的非理想流動，提高整塔的萃取效率，并且此兩種填料已廣泛應用于國內化工行業。此外，在規整填料方面，清華大學開發了蜂窩狀的格柵FG型規整填料[10]，該填料對分散相起到良好的切割破碎作用，具有通量大、壓降小及傳質效率高等優點，有良好的工業應用前景。

北京英諾威遜聚合技術有限公司開發了一種網架規整填料（專利申請號200510109295.7，公開日2006.05.17）。該網架填料比棱長大，有利于對液滴的切割作用，增大傳質面積，而且其流通量大，流動阻力小[15]。天津大學李健[16-17]、楊芬芬[16,18]等對裝填有該填料的萃取塔進行了實驗研究，發現此填料對液液傳質效率的提高非常有利。應用于萃取過程的散堆填料還有 Intalox填料、共軛環填料[19]、圓柱體狀波紋板網散堆填料[20]等，規整填料還有 SMV[21]、SMVP[22]、Montz[23-24]、Optiflow[25]填料等，其中很多都表現出良好的液液傳質性能。與此同時，組合式填料也越來越多的被研發出來應用于填料萃取塔，例如天津大學劉春江課題組[26]研究網架填料-板波紋填料構成的組合式規整填料應用于萃取塔，發現其比單純的網架填料更有利于萃取效率的提高。

對于不同的工業過程，物系、分離要求與操作條件等的差異導致所使用的填料也不同，表2所示為部分工業填料萃取塔所使用的填料。

表2 國內常用填料在化工及煉油行業中的應用舉例

3 填料萃取塔的研究方法

3.1 實驗方法及經驗公式方法在填料萃取塔研究中的應用

傳質特性和流體動力學特性研究是液液萃取填料選擇與開發、填料萃取塔設計與優化的重要方法和關鍵途徑。目前，已基本形成了實驗手段與經驗公式相結合的較為行之有效的方法。

填料萃取塔的一個重要特征參數為傳質比表面積，見式（1）。

由式（1）可見，液滴直徑與分散相體積分數的確定對于表現填料萃取塔的傳質特性是十分重要的。

萃取塔中液滴直徑可以通過一定手段測量得到，具體測量方法[18,27]有圖像法、毛細管法、光導纖維法。其中圖相法是通過照相或攝影等手段測定液滴在萃取設備中的分布情況和平均直徑。該方法簡單、直觀，數據真實可靠，測量方便，應用也較為普遍。分散相體積分數的測量方法有體積置換法、壓差法、混合密度法。在實驗室研究中，前兩者應用得更為廣泛。

Kumar[28-30]、Seibert[31]、Streiff[32]、Mackowiak[33]等研究者通過實驗方法對不同體系、不同傳質方向及不同填料類型（散堆填料和規整填料）的實驗室小型填料萃取塔進行了研究，并分別對液滴直徑、分散相體積分數、液泛速度與滑移速度提出了經驗公式。此外，Anubis Pérez等[22]采用實驗的方法研究了裝填有SMVP規整填料的填料萃取塔的流體動力學特性，并與用上述經驗公式得到的計算值進行比較，發現用Mackowiak等[33]的經驗公式計算的分散相持液量與實驗值吻合效果最好，進行常數修正后的 Kumar經驗公式則非常適用于此實驗液泛速度的估算。

清華大學費維揚院士課題組[10]采用實驗的方法對裝填有FG型填料的萃取塔的流體動力學特性進行研究，采用高速攝影拍攝不同分散相流量下的液滴群照片，得到液滴的平均直徑計算公式，如式（2）。

式（2）中，當無傳質或傳質方向為c（連續相）→d（分散相）時，實驗擬合出的常數η=1.42；當傳質方向為d→c時，η=1.72。式（2）與Seibert等[31]所提出的液滴平均直徑計算公式相似，差別在于Seibert等[31]所提液滴平均直徑計算公式中，當無傳質或傳質方向為 c→d時，η=1.0；當傳質方向為 d→c時，η=1.0～1.8。與液滴平均直徑一起決定傳質比表面積大小的另一重要參數是分散相體積分數，在此實驗中也擬合了一關于分散相體積分數的關系式。

實驗方法是一種比較傳統的研究方法，所得的結果真實可靠；經驗公式方法也是一種比較傳統的方法，具有簡單快捷、資源消耗少等優點，而且經驗公式多是從大量的實驗中擬合得到的。實驗與經驗公式的有效結合已成為傳質與流體動力學特性研究中廣泛采用、快捷準確的途徑。

3.2 計算機模擬方法在填料萃取塔研究中的應用

當今世界計算機技術迅速發展，填料塔的理論模型也不斷創新和完善，促進了填料塔研究的不斷深入。計算機模擬方法為更加準確、直觀描述填料萃取塔中流體流動與質量傳遞行為和塔設備的設計和改良提供了新的可能。

3.2.1 流程模擬

Aspen Plus是目前世界上性能最佳、適用面最廣的流程模擬軟件之一[34]。使用Aspen Plus可以對萃取操作進行設計，確定理論級數；或者在以一定方法（如實驗測定、公式計算）獲得有關填料萃取塔的等板高度或理論級數的數據之后，對萃取操作進行校核，或對操作條件進行優化[35]。魯金輝等[36]使用Aspen Plus軟件對環己酮裝置中的萃取填料塔進行了模擬，在萃取劑用量和理論級數之間找到一個較優點，以達到萃取所要達到的要求。

流程模擬對復雜工藝過程的設計、優化，填料萃取塔設備的設計、改造，設備內的液泛速度及內部構件的校核等方面有突出的優勢，現已廣泛應用于工業工程領域。

3.2.2 計算流體力學模擬

對于研究填料萃取塔單元操作的傳質和流體動力學特性，一些計算流體力學的模擬方法也漸漸應用起來，并且與實驗值相比較，得到了吻合度很好的結果。

計算流體力學（CFD）方法已廣泛應用于化學工業設備的局部流體力學細節預測中[37-38]，例如在轉盤塔、混合澄清槽[39]等設備的研究中，運用CFD方法對設備進行模擬計算，以了解流體在設備中流動情況。與此同時，CFD方法對于表征填料床中的單相流和兩相流是非常有用的，并且運用此方法可以評價填料尺寸與結構對超臨界流體填料萃取塔的流體力學特性和質量及熱量傳遞速率的影響。Jo?o Fernandes等[40-41]使用Fluent模擬軟件（有限體積法思想）研究Sulzer EX金屬絲網規整填料中的干塔壓降和濕塔壓降，并與實驗數據進行比較。模擬采用對于全塔具有代表性的兩個幾何模型：2片填料和13片填料，運用了層流模型和多個湍流模型，模擬了不同CO2流速下的塔壓降情況，模擬值與實驗值吻合較好。

計算流體力學模擬方法能得到諸如流場、溫度場、濃度場等微觀詳細信息，而這些又是反映傳質、產量和效率的關鍵因素。這些信息的獲得，對于填料和設備的優化有很好的指導作用。

3.2.3 其它模擬手段

國內外一些課題組自主開發了一些軟件用于填料萃取塔研究，使計算過程更為快捷，結果更為準確。

中國石油大學[42-43]開發了塔設備設計軟件CUP-Tower，該軟件既能設計新塔，也能校核舊塔；既可以用于板式塔，也可以用于填料塔，并且此軟件現已應用于填料萃取塔設計和校核。該軟件計算模型先進，填料數據庫齊全，操作簡單，計算快捷方便。用戶只要輸入設計所必需的參數：兩相流量、兩相的物性參數（包括密度、黏度、擴散系數），CUP-Tower就能自動給出塔徑、塔高、液滴平均直徑、液泛速度、操作速度、傳質系數、分散相體積分數等參數。此外，CUP-Tower還具有結果輸出便利的優點，用戶可以任意選擇以Excel 文件形式或Word文件形式保存結果。

Outili等[44]應用基于Galerkine有限元方法的二維模型和Mathcad代碼對填料萃取塔中復雜的傳質行為進行模擬研究。有限元方法是依賴近似法的數值計算方法，將計算域的差分形式離散為代數形式。將填料塔離散為線性三角形元，半徑用3個三角元代表，高度用7個三角元代表，得到的徑向與軸向濃度分布與Seibert and Humphrey的實驗數據進行比較，研究了分散相體積分數隨塔高和塔徑的變化情況。

Hans-J?rg Bart等[23-24,45]開發了 LLECMOD 軟件，該軟件設計初期是針對轉盤萃取塔開發，使用visual digital FORTRAN語言，研究萃取塔中的兩相傳質行為和流體動力學行為。現此課題組也運用該軟件對填料萃取塔中的兩相行為進行研究，分別對甲苯/丙酮/水和乙酸正丁酯/丙酮/水體系的穩態萃取過程進行了模擬，考察了填料萃取塔的持液量、平均直徑和質量傳遞行為。該軟件不僅考慮兩相的質量傳遞行為，而且將液滴的聚并和破碎也考慮在內，使結果更真實可信。

在填料萃取塔中液滴破裂頻率如式（3）。

式（3）中，C1、C2、C3、C4為常數[46]，其值隨體系而變。

聚并可能性如式（5）。

式（5）中，標準EFCE實驗體系（歐洲化學工程師協會推薦的典型液液萃取體系）甲苯-丙酮-水的ξ8（實驗參數）是 2500，乙酸正丁酯-丙酮-水的ξ8是1500，哈梅克常數Hcd是 10?9N·m[23]，哈梅克常數是表征物質之間范德華吸引能大小的參數。

從模擬結果可見，液滴直徑、持液量和溶質濃度開始時都隨塔高的增加而增加，增加到一定程度后不再增加而保持恒定值，其結果與Garthe的實驗結果吻合效果很好。

近年來，運用計算機模擬手段對填料萃取塔的研究正在逐漸推廣，同時，研究者也致力于研究新的數學模型并且開發新的模擬軟件，希望能在考慮兩相間作用力和液滴的聚并及破裂速率前提下，準確得到填料萃取塔的傳質特性及流體動力學特性，使填料萃取塔的設計計算更為快捷和合理。

4 結 語

填料萃取塔有廣泛的應用與發展前景，目前，填料萃取塔的設計、校核、優化，填料的開發等研究得到了相當大的重視。近年來，液液萃取填料的開發卓有成效，對填料萃取塔的研究方法以實驗及經驗公式相結合的方法為主，計算機模擬方法為輔。隨著計算機技術的發展，理論模型的更為完善，計算機模擬方法將同實驗方法及經驗公式更為緊密的結合而應用到填料萃取塔的研究中，做到宏觀研究與微觀研究相結合，對塔內部信息了解得更為透徹，使填料萃取塔的設計更為合理，研究也更為快捷、方便，結果也更為準確、可靠。

符 號 說 明

a——脈動振幅，m

ac——傳質比表面積，m2/m3

d——液滴直徑，m

d100——100%破碎頻率的特征液滴直徑，m

dstab——穩態液滴直徑，m

dvs——液滴平均直徑，m

f—— 脈動頻率，s?1

g——重力加速度，其值為9.81m/s2

PB(d) ——液滴的破碎頻率

Pc(d) ——液滴聚合頻率

Δt——時間間隔，s

ε——能量耗散率，m2/s3

εp——填料孔隙率

μc—— 連續相黏度，Pa·s

ρc——連續相密度，kg/m3

Δρ——兩相密度差，kg/m3

σ——界面張力，N/m

Φ——分散相體積分數

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