脈沖篩板萃取塔的研究現狀

孫廣垠，李龍祥，，譚博仁，王 勇

(1.河北工程大學 能源與環境工程學院，河北 邯鄲 056038；2.中國科學院 過程工程研究所 濕法冶金清潔生產技術國家工程實驗室，北京 100190；3.中國科學院大學 化工學院，北京 101408)

溶劑萃取是一種重要的分離技術，其分離效率高，選擇性好，條件溫和。萃取設備主要有混合澄清槽[1]、萃取塔和離心萃取器[2]等。脈沖篩板萃取塔具有傳質效率較高、處理能力較大、結構簡單、塔內無運動部件等特點，在處理腐蝕性和放射性溶液時具有明顯優點，因此，在濕法冶金、污水處理、制藥和核化工等領域有著廣泛應用[3]。

基于提高傳質效率，優化操作條件，提高設計、放大準確性等目的，近年來脈沖篩板萃取塔內構件及塔型式的開發及流體力學、軸向擴散和相間傳質性能方面得到了深入、系統研究，建立了大量可靠的數學模型。同時，隨著計算機模擬技術的發展，計算流體力學(CFD)因具有全面、直觀等眾多優點[4]，在脈沖篩板萃取塔的結構優化中也得到應用，其相關模擬從單一體系向多相復雜體系發展。本文介紹了脈沖篩板萃取塔的性能、數學模型研究、計算機模擬技術及應用研究現狀，以期為萃取分離工藝、設備設計的優化提供參考。

1 脈沖篩板萃取塔的性能及數學模型

1.1 水力學性能及模型

脈沖篩板萃取塔的水力學性能包括分散相持液量、特征速度、液泛通量、液滴直徑等。這些性能對脈沖篩板萃取塔的設計、放大及生產運行都有影響。近年來建立的相關水力學模型見表1[5-17]。

表1 脈沖篩板塔水力學模型

1)標準脈沖篩板萃取塔

Din等[18]研究了采用放射性示蹤劑法測量標準脈沖篩板萃取塔內的分散相持液量，結果表明：隨脈沖強度增大，持液量降低，直至最小。Xie T.L.等[19]選用煤油(分散相)-水(連續相)體系，采用三傳感器光纖探針研究標準脈沖篩板萃取塔的流體力學特性，考察液滴速度、液滴直徑、分散相持液量等局部水力學參數對萃取塔性能的影響。結果表明：脈沖強度對這些水力學參數的影響大于兩相表觀流速的影響；分別采用公式(1)、(5)[5-6]對液滴速度與液滴直徑進行預測，預測值與試驗值平均相對誤差分別為25%與6%。采用更先進的四傳感器光纖探針技術[20-21]，檢測到分散相液滴不是單純的豎直向上運動，而是以一定角度向上運動，其中絕大部分的運動方向與豎直方向呈30°～40°角，這對于研究分散相在脈沖篩板萃取塔內的流動行為有重要意義。

Usman等[22]采用煤油-苯甲酸-水體系在50 mm脈沖篩板萃取塔內研究了液滴直徑在不同操作區間(混合澄清區、分散區、乳化區)內的變化規律。結果表明：液滴直徑隨脈沖強度增大在混合澄清區快速減小，在分散區減小趨勢較為平緩；采用數學模型(公式(3))可對液滴直徑進行預測[7]。Somkuwar等[8]針對煤油-水體系的試驗結果表明：隨孔徑、板間距、開孔率減小，液滴直徑減小；分散相持液量隨分散相表觀速度增大而迅速提高，連續相表觀速度對持液量的影響可忽略不計；建立的分散相持液量和液滴直徑的數學模型(公式(4)、(7))，其試驗值與預測值誤差分別在20%和15%以內。

Yadav等[23]針對近50年來文獻發表的有關脈沖篩板萃取塔的水力學試驗數據，分析了不同數學模型的準確性。結果表明，液泛通量預測模型[6](公式(2))、液滴直徑預測模型[9](公式(5))、持液量預測模型[10](公式(6))的適用性最強。Khawaja等[11]針對5種不同表面張力的萃取體系研究了脈沖強度、表觀相流速和傳質方向對分散相持液量的影響，并用已有模型對試驗數據進行驗證。結果表明：持液量模型[10](公式(6))的預測效果優于Kumar提出的持液量模型[24]；在此基礎上對參數進行修正(公式(8))，實現了對持液量的良好預測，其試驗值與預測值的平均相對誤差為17.1%。

2)新型脈沖篩板萃取塔

為了解決從鹽湖鹵水中提取鋰和稀土元素分離過程中氯化物對不銹鋼萃取塔內構件的腐蝕性，Yi H.等[12-13]在標準脈沖篩板萃取塔基礎上設計了2種新型防腐篩板內構件，即陶瓷篩板與新型復合陶瓷篩板內構件,并對其水力學性能進行了研究。結果表明：隨脈沖強度增大，液滴直徑逐漸減小，持液量先減小后增大，兩相流量對液滴直徑影響不大；與陶瓷篩板內構件相比，新型復合陶瓷內構件持液量升高50%，液滴直徑減小30%；基于Kumar等[25-26]提出的模型建立了這2種塔的持液量和液滴直徑預測模型(公式(9)、(10))，模型預測效果良好，其中新型復合陶瓷篩板內構件與陶瓷篩板內構件持液量的試驗值與預測值的平均相對誤差分別為5.9%和9.3%，液滴直徑的平均相對誤差分別為13.6%和4.2%。

在高度受限情況下，臥式萃取柱具有一定空間優勢。Panahinia等[14]利用臥式脈沖篩板塔研究了脈沖強度和兩相流量等參數對液滴直徑和分散相持液量的影響。結果表明：隨脈沖強度增大，持液量先減小后增大；分散相速度增大會導致持液量增大，液滴直徑隨脈沖強度增大而減小，兩相流量對液滴直徑的影響不明顯；此外，傳質的存在顯著影響塔的液滴直徑和持液量，由分散相向連續相的傳質使得液滴直徑更小，持液量更高，而連續相到分散相的傳質作用效果相反；提出了液滴直徑和持液量的數學預測模型(公式(11)、(12))，其試驗值與預測值的平均相對誤差分別為6.83%和15.38%。

相同條件下，臥式萃取柱與立式萃取柱的傳質效率大致相同，但處理量要小的多。為了解決這一問題，Amani等[15-16]設計了一種L型(垂直-水平)脈沖篩板萃取塔，并用于有高度空間限制且處理量要求較大的萃取領域；建立了塔的液滴直徑模型(公式(13)、(14))。Mohammadi等[17]針對3種不同體系研究了在有、無傳質情況下，運行參數和體系的物理性質對萃取塔持液量的影響。結果表明：兩相流量增加會導致持液量增加；在塔的水平部分，持液量隨脈沖強度增大而減小；在垂直部分，持液量隨脈沖強度增大而增大；高界面張力體系的持液量大于低界面張力體系的持液量，且脈沖強度對高界面張力體系持液量的影響更加顯著；最后針對塔的垂直和水平2個區域分別建立了持液量預測模型(公式(15)、(16))。

1.2 軸向擴散和相間傳質性能及模型

軸向擴散與相間傳質是萃取塔設計放大和應用的關鍵步驟。當互不相容的2種液體在塔內作逆向連續流動時，塔內部分液體的流動滯后于主體，或者產生不規則的旋渦運動，造成液體的前混和返混，影響傳質效果。近年來，針對萃取塔內返混建立的軸向擴散與相間傳質模型見表2。

表2 軸向擴散和相間傳質模型

1)標準脈沖篩板萃取塔

Jiao C.S.等[27]采用30%磷酸三丁酯(TBP)-煤油-硝酸-去離子水體系研究了標準脈沖篩板塔的傳質性能；基于軸向擴散模型(ADM)與濃度剖面法，計算了總傳質系數Koca。結果表明：隨連續相和分散相表觀速度及流比增大，Koca先增大后減小；當脈沖強度增大時，Koca增大；同時，基于Eguchi等[33]提出的傳質系數模型建立了Koca數學預測模型(公式(17))，其預測值與試驗值誤差在20%以內。

Ebrahimi等[28]借助2種萃取體系試驗數據研究了脈沖強度、分散相和連續相流量對標準脈沖篩板塔不同高度處兩相傳質系數的影響。結果表明：Koca隨塔高增大先增大后減小；同時，在Newman[34]傳質模型中加入傳質增強因子使試驗值與預測值更加吻合(公式(18))，使其平均相對誤差減小到12.45%。Torab-Mostaedi等[29]采用3種萃取體系試驗數據，對Johnson等[35]提出的傳質模型中的增強因子進行修正(公式(19))，其預測平均相對誤差減小到10.67%。Bahmanyar等[36]采用Newman傳質模型[34]得到有效擴散系數，將有效擴散系數與Reynolds數相關聯，成功建立了有效擴散系數預測模型，通過引入有效擴散系數更準確地預測了濃度隨塔高的變化規律。

2)新型脈沖篩板萃取塔

Yi H.等[12-13]研究了陶瓷篩板與新型復合陶瓷篩板內構件萃取塔的軸向擴散及傳質性能。結果表明：這兩種內構件的軸向擴散系數均隨脈沖強度和連續相速度的增大而略有增大，而分散相速度對軸向擴散系數的影響可忽略不計；傳質單元高度均隨脈沖強度和分散相速度增大而減小；與陶瓷篩板內構件相比，新型復合陶瓷篩板內構件的軸向擴散系數減小了50%，傳質單元高度減小了40%，而總傳質系數增大了50%，最優條件下，其傳質單元高度僅為0.2 m，具有良好的傳質性能。采用軸向擴散系數模型[37]、總傳質系數模型[38]，通過修正其參數，實現了新型復合陶瓷篩板內構件與陶瓷篩板內構件軸向擴散系數的預測，平均相對誤差分別為6.0%和6.9%，總傳質系數預測平均相對誤差分別為12%和7%(公式(20)、(21))。

Panahinia等[30]研究發現：脈沖強度和兩相流量增大會使臥式脈沖篩板萃取塔的傳質性能增強；文獻中報道的連續相總傳質系數(Koca)和軸向擴散系數數學模型對該塔均不能達到滿意預測效果。因此，提出了基于操作變量和系統物理性質的Koca及軸向擴散系數數學模型，其試驗值與預測值吻合較好(公式(22)、(23))。

Raiei等[31]采用甲苯-丙酮-水和乙酸正丁酯-丙酮-水體系研究了L型脈沖篩板萃取塔的傳質性能。結果表明：液滴直徑和分散相持液量的變化決定總傳質系數大小；將Reynolds數、Schmidt數和持液量相關聯，成功建立了Sherwood數的預測模型(公式(24)、(25))。Rafiei等[32]研究發現：隨脈沖強度增大，水平段總傳質系數增大，垂直段總傳質系數略有減小；各相軸向擴散系數主要受相本身的脈沖強度和流量影響，連續相軸向擴散明顯高于分散相軸向擴散；同時，針對該塔分別提出了水平區和垂直區的總傳質系數和軸向擴散系數模型(公式(26)～(31))。

2 脈沖篩板萃取塔的計算機模擬研究

2.1 CFD模擬

隨著計算機技術的迅速發展，計算流體力學(CFD)方法逐漸應用于萃取設備局部流體力學預測中[39]，如萃取塔內分散相持液量的預測，基于群體平衡模型(PBM)的液滴直徑分布預測，萃取塔內軸向擴散系數的預測等，其與試驗值相比較有很好的吻合度，為脈沖篩板萃取塔結構的優化設計、工程放大提供了新的方法。

Tang X.J.等[40]采用CFD模擬了3種不同篩板結構的脈沖篩板萃取塔內的單相流場。結果表明：分散-聚并型篩板結構比標準篩板結構的傳質性能更好；這與文獻[41]相同條件和相同體系的分散-聚并型脈沖篩板塔傳質效率相一致，較標準脈沖篩板塔有大幅度提高。

CFD模擬技術也逐漸用于研究萃取塔液-液兩相流動體系。Yadav等[42]、Din等[43]分別基于雙歐拉模型，適用于湍流的標準k-e模型，通過Fluent軟件模擬成功地預測了兩相逆向流動的標準脈沖篩板塔的持液量。Saini等[44]研究了不同操作條件下，連續相與分散相密度比對持液量的影響，當連續相與分散相密度比小于1時，脈沖強度對持液量影響不大，這與試驗結果有一定差異。

Yi H.等[45]建立了復合陶瓷篩板與陶瓷篩板萃取塔的兩相CFD模型，利用該模型得到了包括兩相分布和速度場在內的流體力學性能。結果表明，CFD技術可以成功預測復合陶瓷篩板與陶瓷篩板萃取塔的軸向擴散系數，其預測平均相對誤差分別為12.0%和14.3%，持液量的預測誤差分別在23.3%和31.4%以內。其中，在低脈沖強度下，CFD模擬得到的持液量與試驗值偏差較大，預測結果遠小于試驗結果。Khatir等[46]分別基于標準的k-e湍流模型和湍流大渦模型(LES)進行了CFD模擬，得到兩相逆向流動的脈沖篩板塔的平均液滴直徑及分布狀況，其模擬結果與數學經驗模型的預測結果吻合得較好，并發現湍流大渦模型對柱內的湍流動能損耗的預測效果更為準確。

群體平衡模型(PBM)能夠描述離散相實體的分布特性及引起分布變化的離散相微觀行為，對雙流體模型的湍流應力、相間作用力和相間傳質至關重要[47]。將PBM和CFD相結合建立CFD-PBM耦合模型，可有效提高預測的準確性。Sen等[48]對Kumar-Hartland曳力系數模型參數進行了優化，采用CFD-PBM耦合模擬使脈沖篩板萃取塔的分散相持液量預測誤差減小至5.6%，液滴直徑預測誤差在8.5%以內。Attarakih等[49]提出了一種基于簡化二元群體平衡模型的萃取塔內流體力學與傳質層次化模擬的方法，利用一維CFD模型和二元群體平衡模型相耦合，在顆粒群體平衡實驗室(PPBLAB)軟件中進行模擬。

2.2 其他模擬手段

基于簡化的群體平衡模型，液-液萃取模塊(LLECMOD)[50]模擬軟件因計算負荷低、速度快等優點，在脈沖篩板萃取塔模擬中有一定應用。

Jaradat等[51-53]采用visual digital fortran語言編程，并集成到整個LLECMOD程序中，利用LLECMOD模擬了不同脈沖強度、流比下，脈沖篩板萃取塔的穩定性。結果表明：脈沖強度對高界面張力體系的影響較為顯著；流量變化對液滴直徑、分散相持液量及低界面張力體系的溶質濃度剖面有很大影響，模型預測結果與試驗數據吻合良好。

3 脈沖篩板萃取塔的應用

Gameiro等[54]研究了將標準脈沖篩板萃取塔應用在從氨水溶液中去除銅。用Shellsol D-70稀釋劑、LIX84-I(2-羥基-5-壬基乙酮肟)萃取劑配制有機相，銅去除率在90.5%～99.5%之間。Ferreira等[55]研究了以10%醛肟(Acorga M5640)+2.5%異十三烷醇+87.5%Shellsol D-70為有機相，用標準脈沖篩板萃取塔從酸性溶液中萃取銅，當料液pH=1.35、銅質量濃度為1.2 g/L時，標準脈沖篩板萃取塔可有效地從酸性溶液中分離銅。

Amani等[56]采用臥式脈沖篩板萃取塔，以二(2-乙基己基)磷酸酯(DEPHA)和磷酸三丁酯(TBP)為萃取劑從硫酸浸出液中協同萃取鈷，當脈沖強度為1.30 cm/s時，鈷萃取率達95.3%。

Khanramaki等[57]研究了在臥式脈沖篩板萃取塔中用Alamine336從硫酸浸出液中萃取鈾，結果表明：鈾萃取效率與脈沖強度和分散相流量增加有直接關系，萃取率最高達99%。Amani等[58]用臥式脈沖篩板萃取塔，以5%三正辛胺(TOA)萃取劑+90%煤油稀釋劑+5%癸醇改性劑從0.25 mol/L硫酸溶液中萃取鈾，結果表明：提高脈沖強度和相流量可以提高傳質性能，其傳質單元總高度小于0.2 m。該萃取塔對于放射性金屬元素的萃取，特別是在有高度限制的地方是一個很好的選擇。

4 結束語

目前，脈沖篩板萃取塔的研究主要圍繞液-液兩相流體力學、軸向擴散及傳質性能、計算機模擬及應用等方面，針對生產需要，篩板材質、結構及塔型式也逐漸成為研究熱點。近年來，針對不同塔內構件及塔型式的脈沖篩板萃取塔，更完善、準確的數學預測模型得以建立，且被廣泛用于工程領域。計算機模擬技術為脈沖篩板萃取塔的研究提供了有利手段，詳細的流場、溫度場、濃度場等微觀信息得以獲得，使得塔內復雜流場的研究得以實現，為塔結構優化、設計及工業放大提供了可靠保證。

可以預見，先進的試驗檢測方法、準確的數學預測模型及計算機模擬技術的有機結合將成為脈沖篩板萃取塔性能研究的有效手段。隨著對其更加深入與全面的研究，脈沖篩板萃取塔的設計、放大及優化將更加準確、合理，未來將會有更廣闊的應用前景。

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