含酚廢水高效萃取塔的開發與應用研究

常旭

摘 ?要：系統的介紹了高效萃取塔及其內構件的研發過程，深入的探討了制約煤化工項目快速發展的含酚廢水問題。

關鍵詞：含酚廢水;現代測試技術;流體力學;高效萃取塔

1 ? 前言

煤化工項目在造氣過程中會產生大量高污染、高濃度的含酚廢水，其水質成分極其復雜，包含大量的酚類、烴類、氰化物、雜環類有機物和氨氮化合物等有毒有害物質，處理難度及處理成本較高，已成為制約煤化工項目快速發展的瓶頸。因此，以現代測試技術和計算流體力學模擬相結合為主要方法，開展多相流體流動和傳質性能的研究，發展新型測試技術和方法，開發出高效萃取塔及其內構件，分離、回收了含酚廢水中的有毒有害物質，減輕后續生化處理及深度處理裝置負荷，實現廢水循環回收利用即零排放，為含酚廢水高效萃取塔的工業化應用以及煤化工項目快速發展提供了基礎和新途徑。

2 ? 含酚廢水高效萃取塔應用的影響因素

為了防止自然環境的惡化，達到不亂排廢水的工業排放要求，實現廢水零排放標準，在近代煤化工項目中越來越多的采用了萃取塔處理含酚廢水，但影響萃取過程的因素有很多，至少需要滿足以下條件才能保證萃取效果。

2.1 萃取劑的選擇

在萃取劑的選擇上有烴類、醇類、醚類、酯類、酮類及絡合類等類別，對于一種優秀的萃取劑，必須具備萃取分配系數高、在水中溶解度小、化學性質穩定、沸點低、易回收、毒性低、熱穩定性好等特點。目前，國內外煤化工項目選擇應用較多的萃取劑是甲基異丁基酮和二異丙基醚，甲基異丁基酮對單元酚、多元酚的分配系數更高一些，而二異丙基醚的沸點低、溶劑回收時能耗低，因此需根據含酚廢水中單元酚及多元酚含量的占比情況及出水指標要求選擇萃取劑。

2.2 溫度變化

萃取是利用各組分在萃取劑中溶解度的差異來達到組分分離目的。而溫度會影響物質的溶解度，溫度升高導致溶解度增大，使萃取效率迅速下降。所以，對于已確定的萃取系統，萃取溫度應盡量遠離萃取劑的沸點以及共沸點（萃取劑與含酚廢水混合物的沸點）。通常，甲基異丁基酮（沸點118℃）的萃取操作溫度為60～80℃，而二異丙基醚（沸點68℃）的萃取溫度為35℃～45℃。

2.3 PH變化

含酚廢水在堿性條件下，酚類物質會發生部分電離，從分子態變成離子態，形成酚鈉鹽，使萃取脫酚效果降低。隨著pH的增大，萃取劑對含酚廢水的萃取效率漸漸降低，當pH>8.5時，萃取分配系數急劇下降，萃取后廢水中殘留的總酚含量迅速增加，為了獲得較好的脫酚效果，萃取前應控制含酚廢水的pH小于7。

3 ? 含酚廢水高效萃取塔的研究依據

萃取塔是一種廣泛應用于石化、環保等領域的傳質分離設備，具有密閉性好、設備緊湊、體積效率高、類型多等優點。常用的萃取塔型式主要有填料式、轉盤式、篩板式、噴淋式等。目前在國內應用較多的是填料萃取塔和轉盤萃取塔。

轉盤萃取塔的優點為存留時間短、分相迅速、傳質效率及萃取效率高、相平衡建立快，易于實現單級、多級串聯的逆流或錯流洗滌和萃取;缺點為處理水量小、不適用于物質濃度差小、粘度大的兩相分離體系，傳質效果會隨著溫度的升高而下降，且設備整體投資高、加工能力有限，因此其不適用于近代煤化工項目。

近代煤化工項目均采用填料萃取塔進行萃取脫酚。在填料萃取塔內，通過液體分布器讓含酚廢水與萃取劑均勻噴灑到連續相中，兩相呈逆流流動在填料中，經過多次混合的連續微分接觸后，形成較大的相際接觸面并進行傳質，達到萃取脫除效果。

填料萃取塔的優點為處理水量大、能耗低、勞動強度低、設備整體投資低、便于安裝制造等;缺點為運行通量偏低、液滴分散不好、存在軸向返混，導致傳質效率較低，在實際應用中主要表現為萃取效率較低及萃取級數不夠。

4 ? 含酚廢水高效萃取塔的過程研發

傳質效率是提高萃取效率及萃取級數的關鍵。通過研究萃取塔內連續相流速、分散相流速與運行通量、存留分數、流動特性、液泛通量、傳質單元高度等之間的對應影響關系，進一步提高填料萃取塔的傳質效率是國內外科技研究的發展趨勢，因此針對水力學特性和傳質性能模型的研究受到了越來越多的關注。

4.1 運行通量

運行通量是衡量萃取塔處理能力的重要指標，運行通量的大小取決于液泛通量，而液泛通量主要取決于填料。在保持較高傳質效率的同時，為提高運行通量，含酚廢水高效萃取塔采取在填料主體板片上開設導向孔，利用導向孔外緣對分散相液滴較強的切割作用，可有效的將大液滴破碎成小液滴，提高兩相接觸傳質面積;同時，利用導向孔對液滴的擾動，也能促進液滴的表面更新，這兩點都有利于提高傳質效率;并且，導向孔在一定程度上有利于分散相的通過而減少連續相的過孔流動，降低連續相對過孔分散相的阻礙作用，從而有利于提高運行通量。

4.2 存留分數

在萃取塔內分散相總是在填料孔隙的連續相中占有一定的體積分數，通常稱之為存留分數或持液量。存留分數反映了液液萃取塔內兩相間傳質面積的大小以及分散相液滴的分散程度，存留分數的大小在一定程度上反映了萃取塔的性能，影響存留分數大小的主要因素有物系性質，如表面張力、傳質方向、填料特性及兩相流速等。

連續相流速對存留分數的影響不大，分散相流速對存留分數影響很大，隨分散相流速增加，存留分數接近于線性增長，直至破壞兩相正常的逆流流動，使某一相夾帶在另一相中流出，出現“液泛”。為防止液泛的出現，進一步提高萃取塔內存留分數，含酚廢水高效萃取塔采用格冊規整填料，該填料主體采用一定傾斜度的平行板交錯排列，通過平行板引導兩相沿格柵板片表面流動，抑制無序流動，使兩相整體趨于平推流，有利于減小返混.提高傳質效率。經實驗室驗證，當兩相流速比LR為1：5時，含酚廢水高效萃取塔的兩相液泛通量約為150 m3·m-2·h-1，與其它傳統典型填料相比，液泛通量有明顯提高。例如鮑爾環的液泛通量約為30-50 m3·m-2·h-1，蜂窩格柵填料的液泛通量約為70-100 m3·m-2·h-1。

4.3 傳質單元高度

隨連續相流速的增加，傳質單元高度初始增長較快，而后增速減緩。主要是因為當連續相流速較高時，分散相存留分數增大，停留時間變長，液滴變小，接觸面積增大，這兩方面的因素都促進了傳質，使得傳質高度的增速降低。

隨分散相流速的增加，傳質單元高度降低。主要是因為當分散相流速增加時，由于分散相存留分數隨分散相流速顯著增大，而液滴直徑變化不大，這使得兩相接觸面積增大，促進了傳質，因此傳質單元高度降低。

含酚廢水高效萃取塔因擁有較高的兩相液泛通量及分散相流速，其傳質單元高度遠遠低于與其它傳統典型填料萃取塔。經實驗室驗證，傳質單元高度最低達0.6m。說明在相同條件下達到同樣吸收要求所需的填料層高度非常小，具有較高的傳質效率。

5 ? 結論

通過上述水力學特性和傳質性能研究及實驗室驗證，開發出了一種新型含酚廢水高效萃取塔及其格冊規整填料，該塔在兩相流速比LR為1：5時，具有較高的運行通量、存留分數、液泛通量和較小的傳質單元高度，其傳質效率遠遠高于其它傳統典型填料萃取塔，特別適用于處理煤化工項目在造氣過程中產生的大量高污染、高濃度的含酚廢水，可應用于新建項目的萃取塔及現有萃取塔的產能提升改造，擁有較好的工業應用前景。

參考文獻：

[1]劉慶欣《填料萃取塔的操作性能及設計計算》，遼寧化工

[2]范召運，蔡衛濱，楊蘊輝，王玉琪，王玉軍，朱慎林《導向格柵規整填料萃取塔的操作性能》，化工學報