撞擊流萃取技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)展

佘啟明 (黃山學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，安徽 黃山 245041)

撞擊流萃取技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)展

佘啟明 (黃山學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，安徽 黃山 245041)

介紹了萃取的概念和目前我國工業(yè)萃取技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，指出撞擊流技術(shù)應(yīng)用于萃取工藝的優(yōu)勢，并對基于撞擊流技術(shù)設(shè)計的萃取反應(yīng)器的應(yīng)用研究進(jìn)行了總結(jié)，為研究撞擊流萃取技術(shù)研究提供參考。

萃取；撞擊流；反應(yīng)器

萃取是指利用化合物在2種互不相溶(或微溶)的溶劑中溶解度或分配系數(shù)的不同，使被萃取組分從一種溶劑向另一種溶劑轉(zhuǎn)移的分離過程，其方式包括固-液萃取和液-液萃取。固-液萃取又稱浸取，是用溶劑分離固體混合物中的組分，如用水浸取甜菜中的糖類等；液-液萃取是指用選定的萃取劑分離液體混合物中的某種組分，如用CCl4萃取水中的Br2、用苯分離煤焦油中的酚等。萃取技術(shù)因其具有節(jié)約能源，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。萃取過程的基本要求是使原本互不相溶的液體達(dá)到充分混合，混合效果的優(yōu)劣直接影響著傳質(zhì)過程，所以微觀混合效果在萃取傳質(zhì)過程中起著至關(guān)重要的作用。目前，工業(yè)萃取設(shè)備普遍存在裝置體積過大、級效率低等缺陷，而撞擊流作為一種過程強(qiáng)化技術(shù)，在強(qiáng)化相際接觸和微觀混合方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，因此將撞擊流技術(shù)應(yīng)用于萃取過程以促進(jìn)液相的微觀混合具有巨大的潛力。下面，筆者對撞擊流萃取技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行闡述?黃山學(xué)院校級科研項目(2011xkj016)。。

1 撞擊流基本原理

撞擊流是一種新型的過程強(qiáng)化技術(shù)，由Elperin[1]首先提出，隨后Tamir.A等[2-4]、Mahajan A等[5]、Denshchiliov V A等[6]將其應(yīng)用于多種化工單元操作過程，結(jié)果表明，撞擊流能夠有效強(qiáng)化相間傳遞過程和極大地促進(jìn)混合，傳遞系數(shù)比普通相際強(qiáng)化過程提高數(shù)倍甚至數(shù)十倍，微觀混合效果提升明顯。

圖1 撞擊流基本原理圖

撞擊流基本原理如圖1所示。從圖1可以看出，2股氣固兩相流相向高速流動撞擊，在加速管間形成高度湍動的撞擊區(qū)，撞擊面附近顆粒由于慣性和摩擦阻力的作用在兩股相向流體間往復(fù)穿梭滲透。在此過程中，相間傳遞由于下列因素得以顯著強(qiáng)化：①撞擊面附近極高的相間相對速度；②顆粒藉慣性在兩股相向流體間往復(fù)滲透的振蕩運(yùn)動；③撞擊區(qū)中高度湍動。

綜上所述，撞擊流是一種特殊的流動結(jié)構(gòu)，具有促進(jìn)相間傳質(zhì)和微觀混合的特點(diǎn)，適合需要高相間相對速度以強(qiáng)化傳遞的過程，目前已應(yīng)用于超細(xì)粉體制備、濕法脫硫、萃取、干燥、結(jié)晶、吸收等多種化工單元操作過程。

2 撞擊流萃取技術(shù)的研究

2.1國外研究現(xiàn)狀

早在1951年，Carver等[7]就將撞擊流應(yīng)用于萃取過程并獲得專利，他們使用煤油作為萃取劑，在撞擊流條件下從水和乙醇的混合溶液中萃取乙醇，最大萃取效率達(dá)到96%，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

注：1—待處理溶液；2—萃取劑；3—輕相；4—重相；5—液體霧化噴嘴。

注：1—反應(yīng)器；2—沉降槽；3—同軸噴嘴；4—薄膜；5、6—流量計。

1994年， Tamir.A[8]設(shè)計了一種將撞擊流用于液-液萃取的基本裝置(見圖2)，其工作原理如下：待處理溶液1和萃取劑2通過同軸對置的噴嘴5噴射霧化，通過撞擊流使微液滴在中部撞擊區(qū)高速湍動，并在反應(yīng)器內(nèi)壁上合并聚集，在相對短的時間內(nèi)強(qiáng)化相與相之間的傳質(zhì)過程，從而提高萃取效率。

為了在獲得高傳質(zhì)系數(shù)的同時降低能耗，Tamir.A等[8]在2000年又提出一種新型的薄膜萃取裝置(見圖3)。該裝置的基本原理是，以穩(wěn)定流量將待分離的混合物和萃取劑通過圓筒形同軸噴嘴相向噴出，液體在撞擊面上撞擊，形成厚度約10～500μm的薄膜，并在垂直于軸線的初始平面上流動。采用2個萃取體系：①鹽酸溶液；②水-碘-煤油。研究結(jié)果表明，這種新型撞擊流薄膜萃取裝置的分離速率大約是傳統(tǒng)攪拌容器分離速率的10倍。

Yuli.Berman等[9]通過實(shí)驗(yàn)研究得到了新型薄膜萃取裝置與常規(guī)萃取裝置傳質(zhì)系數(shù)對比值。研究表明，新型薄膜萃取裝置對于相對理想功率輸入情況下，傳質(zhì)系數(shù)提高10～200倍。另外，由于在不互溶薄膜間的擴(kuò)散較小，這種新型萃取裝置的平均停留時間較短，但由薄膜湍動產(chǎn)生的質(zhì)量傳遞卻非常強(qiáng)烈，具備良好的萃取效果，現(xiàn)已應(yīng)用于磷酸清洗過程中。

在前人研究的基礎(chǔ)上，Asghar等[10-13]于2002年將撞擊流應(yīng)用于萃取金屬離子，結(jié)果表明，其自行設(shè)計的軸向撞擊流萃取反應(yīng)器在同等條件下萃取效率比常規(guī)的連續(xù)攪拌反應(yīng)器效率高。

2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)關(guān)于撞擊流技術(shù)的應(yīng)用研究始于上世紀(jì)90年代，伍沅等[14]研發(fā)了立式撞擊流反應(yīng)器、撞擊流結(jié)晶器、浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器等，并研究了不同類型撞擊流反應(yīng)器在各種化工單元操作中的特性，包括萃取過程中的性質(zhì)等。

1)撞擊流增強(qiáng)萃取反應(yīng)器 張聯(lián)節(jié)等[15]在伍沅設(shè)計的浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器(SCISR)基礎(chǔ)上，將攪拌與水平撞擊流相結(jié)合，設(shè)計出撞擊流增強(qiáng)的萃取反應(yīng)器(見圖4)，以磷酸三丁酯(TBP)為萃取劑，NaOH作反萃劑，煤油作稀釋劑，對模擬含鉻廢水中的Cr6+進(jìn)行了萃取脫除的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，撞擊流反應(yīng)器形成的流動結(jié)構(gòu)在兩流體對撞的撞擊區(qū)內(nèi)獲得了高傳質(zhì)系數(shù)，有效強(qiáng)化了相際傳質(zhì)過程，提高了液液萃取效率(與同等條件下的傳統(tǒng)單級化學(xué)萃取過程相比，單級萃取率約提高20%)。

2) 撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床萃取反應(yīng)器 撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床萃取反應(yīng)器是劉有智等[16]在撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床反應(yīng)器研究的基礎(chǔ)上研發(fā)的一種新型萃取設(shè)備(見圖5)，其特點(diǎn)在于以撞擊流為預(yù)混合方式改變了旋轉(zhuǎn)填料床的進(jìn)料方式，旋轉(zhuǎn)填料床內(nèi)側(cè)的強(qiáng)烈剪切使撞擊流周圍湍動程度較低的區(qū)域(如回流區(qū)等) 得以強(qiáng)化，同時具備超重力反應(yīng)器和撞擊流反應(yīng)器的優(yōu)勢，具有傳質(zhì)強(qiáng)度高、通過強(qiáng)度高、停留時間短等優(yōu)點(diǎn)，在萃取工藝方面具有廣闊應(yīng)用的前景。

圖4 撞擊流增強(qiáng)萃取反應(yīng)器主體結(jié)構(gòu) 圖5 撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床萃取反應(yīng)器主體結(jié)構(gòu)

在隨后的研究中，劉有智等[17-19]采用撞擊流- 旋轉(zhuǎn)填料床萃取反應(yīng)器, 選用磷酸三丁酯(TBP) 為萃取劑(稀釋于煤油中)，分別對絡(luò)合萃取法分離苯酚稀溶液和醋酸稀溶液的過程進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在適宜的操作條件下, 撞擊流旋轉(zhuǎn)填料床對于磷酸三丁酯與醋酸的絡(luò)合萃取過程具有良好的萃取傳質(zhì)性能, 萃取級效率高達(dá)98%以上。

3 結(jié) 語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源問題日趨嚴(yán)峻，節(jié)能降耗逐漸成為工業(yè)生產(chǎn)的首要問題。將撞擊流技術(shù)應(yīng)用于萃取工藝，可以改變傳統(tǒng)工業(yè)萃取裝置能耗高、維護(hù)費(fèi)用高、適應(yīng)性差的缺陷，對于節(jié)能生產(chǎn)意義重大。基于撞擊流技術(shù)設(shè)計的各種新型撞擊流萃取反應(yīng)器與傳統(tǒng)萃取反應(yīng)器相比，傳質(zhì)系數(shù)更高，萃取裝置體積更小，因而具有廣闊應(yīng)用前景。但就工業(yè)應(yīng)用來說，仍需對多種萃取體系進(jìn)行深入研究，以期在國民生產(chǎn)中更好地發(fā)揮節(jié)能降耗的作用。

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[編輯] 李啟棟

TQ027.1

A

1673-1409(2013)25-0035-03

2013-06-12

佘啟明(1984-)，男，碩士，助教，現(xiàn)主要從事化學(xué)工程方面的教學(xué)與研究工作。