譚博仁，李龍祥，王勇，齊濤

（1 中國科學(xué)院過程工程研究所，濕法冶金清潔生產(chǎn)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100190；3 河北工程大學(xué)，河北邯鄲056000）

溶劑萃取是一種重要的化工分離技術(shù)，萃取設(shè)備主要包括：混合澄清槽、萃取塔和離心萃取器等。萃取塔具有結(jié)構(gòu)簡單、密封好、生產(chǎn)能力大等優(yōu)點(diǎn)，在石油、化工、生物、醫(yī)藥和環(huán)境工程等諸多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1-2]。萃取塔根據(jù)內(nèi)構(gòu)件和外加能量形式不同可以分為填料萃取塔、篩板萃取塔、脈沖板環(huán)萃取塔、轉(zhuǎn)盤萃取塔、振動篩板塔、Kühni萃取塔等。

近年來，針對已有各種萃取塔在水力學(xué)、軸向擴(kuò)散與相間傳質(zhì)等方面開展了系統(tǒng)、深入的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)學(xué)模型研究，大量可靠的經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型得以建立。隨著計(jì)算模擬技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）因全面、直觀等優(yōu)點(diǎn)在萃取塔模擬中逐漸得到應(yīng)用，相關(guān)模擬也從單一體系向多相復(fù)雜體系發(fā)展。在萃取過程強(qiáng)化方面也有一系列新技術(shù)產(chǎn)生，包括內(nèi)構(gòu)件改進(jìn)、外加能量方式耦合、加入納米磁性顆粒等。本文作者將從萃取塔經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒘黧w力學(xué)模擬以及萃取過程強(qiáng)化三方面對近年來萃取塔研究進(jìn)展進(jìn)行闡述。

1 萃取塔模型

1.1 水力學(xué)模型

萃取塔的水力學(xué)性能包括分散相持液量、特征速度、液滴直徑等，這對萃取塔的指導(dǎo)生產(chǎn)操作有重要的意義。

（1）Karr往復(fù)篩板萃取塔 Stella[3]、Smith[4]等對Karr往復(fù)板篩板萃取塔進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)Karr萃取塔的水力學(xué)性能與塔徑無關(guān)，但受塔板的潤濕性影響較大，可分別采用Kumar 與Hartland[5-6]的模型對Karr 萃取塔的分散相持液量與液滴直徑進(jìn)行良好的預(yù)測。Christo 等[7]研究了不同材料的塔板對持液量的影響，結(jié)果表明水相為連續(xù)相時聚四氟乙烯板的特征速度最低，而有機(jī)相為連續(xù)相時，不銹鋼板的特征速度最低。因此，將潤濕特性參數(shù)引入到Kumar 與Hartland[6]的模型中，得到了較好的預(yù)測效果。

（2）脈沖篩板萃取塔 Yadav等[8]采用50年來不同脈沖篩板萃取塔的水力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了不同數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：Tribess 與Brunello[9]的液泛通量預(yù)測模型、Sreenivasulu等[10]的液滴直徑預(yù)測模型、Venkatnarsaiah與Verma[11]的持液量預(yù)測模型適用性最強(qiáng)。Sarkar 等[12]則在Venkatnarsaiah與Verma[11]模型的基礎(chǔ)上對參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，提高了預(yù)測準(zhǔn)確性。Sen 等[13]對脈沖篩板萃取塔與脈沖板環(huán)萃取塔的水力學(xué)性能進(jìn)行了比較，研究發(fā)現(xiàn)脈沖篩板萃取塔持液量受脈沖強(qiáng)度影響更大、持液量更低。

（3）脈沖板環(huán)萃取塔 Grabin 等[14]以水相為分散相，采用聚四氟乙烯、尼龍和不銹鋼材質(zhì)研究了內(nèi)構(gòu)件潤濕性對脈沖板環(huán)萃取塔水力學(xué)性能的影響（圖1）。在高脈沖強(qiáng)度下，特征速度隨板材料疏水性的增加而增大；低脈沖強(qiáng)度下，分散相持液量受內(nèi)構(gòu)件潤濕性能影響較大，不銹鋼材質(zhì)內(nèi)構(gòu)件的分散相持液量最大。

圖1 不同內(nèi)構(gòu)件潤濕性對液滴流動行為的影響［15］

Torab-Mostaedi 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，表面張力對脈沖板環(huán)萃取塔的分散相持液量有顯著影響，在不同操作區(qū)間建立了相應(yīng)的分散相持液量預(yù)測模型，Sarkar等[12]在此模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)直徑為50.8mm與76.0mm 的脈沖板環(huán)萃取塔分散相持液量數(shù)據(jù)，對模型參數(shù)進(jìn)行了修正。Liu 等[17]研究了水相或有機(jī)相為連續(xù)相時，帶中心柱的脈沖板環(huán)萃取塔水力學(xué)性能，并采用Kumar 與Hartland[6,18]分散相持液量、液滴直徑預(yù)測模型在不同操作區(qū)間建立了對應(yīng)的水力學(xué)模型。Wang等[19-20]研究了有脈沖與無脈沖條件下的板環(huán)萃取塔的水力學(xué)性能，分別建立了特征速度、分散相持液量以及Sauter液滴直徑的預(yù)測模型。

（4）Kühni 萃取塔 Buchbender 等[21]將Kühni 萃取塔每個艙室分為三部分（葉輪與下部塔板的下部區(qū)、葉輪所在的中部區(qū)、葉輪與頂部塔板的上部區(qū)）對液滴的平均停留時間進(jìn)行研究。結(jié)果表明：減少底部區(qū)可使萃取塔的高度降低20%而不會對液滴的停留時間有顯著影響。Rode等[22]利用現(xiàn)有的Sauter液滴直徑模型、液滴終端速度模型、液滴特征速度模型對液泛區(qū)域進(jìn)行了成功預(yù)測。Gomes等[23]研究發(fā)現(xiàn)，含有溶質(zhì)的液滴表面張力更小，破碎頻率更高，使液滴更小、停留時間更長、分散相持液量增加。Asadollahzadeh等[24-25]首先通過不同萃取體系、不同傳質(zhì)方向進(jìn)行研究，建立了Kühni萃取塔特征速度與滑移速度的預(yù)測模型，然后分別采用最大熵法、Gamma 法、逆高斯和Weibull 法對Kühni萃取塔的液滴直徑分布進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果表明最大熵法預(yù)測效果最為準(zhǔn)確。Arab等[26]發(fā)現(xiàn)由分散相到連續(xù)相傳質(zhì)會使持液量增大，而連續(xù)相到分散相則相反，這可能是受Marangoni效應(yīng)的影響。

對于其他攪拌萃取塔， Hemmati[27]、Asadollahzadeh[28]等分別采用三種不同的萃取體系對篩板轉(zhuǎn)盤塔、不對稱轉(zhuǎn)盤萃取塔的水力學(xué)進(jìn)行研究，建立了分散相持液量與液泛速度的預(yù)測模型。Asadollahzadeh 等[29]建立了Kühni 萃取塔、Oldshue-Rushton萃取塔分散相持液量的統(tǒng)一預(yù)測公式。

1.2 軸向擴(kuò)散和相間傳質(zhì)

Stella等[3]對Karr往復(fù)板篩板萃取塔的傳質(zhì)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，傳質(zhì)方向由連續(xù)相到分散相的傳質(zhì)系數(shù)高于從分散相到連續(xù)相，這是因?yàn)橛蛇B續(xù)相到分散相的傳質(zhì)過程中，液滴尺寸更小，提高了傳質(zhì)面積；同時，基于Harikrishnan 等[30]的關(guān)聯(lián)式提出了傳質(zhì)系數(shù)預(yù)測模型。Smith等[4]通過對模型中參數(shù)的修正，使該模型可以準(zhǔn)確預(yù)測堿性體系，同時提出了Karr 往復(fù)板篩板萃取塔的放大準(zhǔn)則。

Yadav 等[8]使用傳質(zhì)模型對近50 年來不同脈沖篩板萃取塔的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)測驗(yàn)證，結(jié)果表明模型均不能達(dá)到很好的預(yù)測效果。Torab-Mostaedi等[31]通過三種萃取體系的數(shù)據(jù)，對Johnson等[32]的傳質(zhì)模型中的增強(qiáng)因子進(jìn)行了修正，使預(yù)測結(jié)果更加準(zhǔn)確。Bahmanyar 等[33]利用Newman[34]的傳質(zhì)模型得到有效擴(kuò)散系數(shù)，并將有效擴(kuò)散系數(shù)與Reynolds數(shù)相關(guān)聯(lián)，建立了有效擴(kuò)散系數(shù)的預(yù)測模型，通過引入有效擴(kuò)散系數(shù)更準(zhǔn)確地預(yù)測了濃度隨塔高的變化規(guī)律。

Charton 等[35]對脈沖板環(huán)萃取塔的軸向擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了深入研究，基于Buratti[36]所建立的模型，擴(kuò)大了軸向擴(kuò)散系數(shù)模型的預(yù)測范圍（脈沖強(qiáng)度＜0.075m/s，0.17＜板間距/塔徑＜1.33），對于板間距/塔徑＜1 的小型萃取塔，其預(yù)測誤差由143%降到了21%，對于工業(yè)型萃取塔，其預(yù)測誤差由95%降到了27%。Liu 等[17,37]通過50mm、70mm 與90mm內(nèi)徑的萃取塔對此模型進(jìn)行了驗(yàn)證，預(yù)測效果良好，同時，在Kumar 與Hartland[38]模型的基礎(chǔ)上，提出了新的模型，實(shí)現(xiàn)了對不同塔徑板環(huán)萃取塔傳質(zhì)系數(shù)的準(zhǔn)確預(yù)測。Jahya 等[39]結(jié)合孔隙率提出了脈沖板環(huán)萃取塔的幾何放大方法，如式(1)～式(3)所示。

在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，無脈沖的板環(huán)萃取塔也得到了廣泛的應(yīng)用，Wang等[40-41]研究了板環(huán)萃取塔在有脈沖與無脈沖條件下的軸向擴(kuò)散與傳質(zhì)性能，并分別建立了統(tǒng)一的預(yù)測模型，對于軸向擴(kuò)散與傳質(zhì)系數(shù)的預(yù)測精度分別在20%與22%以下。

Safari 等[42]研究發(fā)現(xiàn)，采用更精確的軸向擴(kuò)散模型計(jì)算的傳質(zhì)系數(shù)低于采用平推流模型計(jì)算結(jié)果的20%，表明了軸向擴(kuò)散對萃取塔性能影響的重要性。同時，發(fā)現(xiàn)液滴直徑的分布是影響填料脈沖萃取塔軸向擴(kuò)散的重要原因，分別提出了分散相、連續(xù)相的軸向擴(kuò)散系數(shù)預(yù)測模型與傳質(zhì)系數(shù)預(yù)測模型。

Torab-Mostaedi 等[43]研究了非對稱轉(zhuǎn)盤萃取塔的傳質(zhì)性能，結(jié)果表明，傳質(zhì)系數(shù)受轉(zhuǎn)速的影響較大，而受連續(xù)相流速的影響較??；在傳質(zhì)由連續(xù)相到分散相的過程中，分散相流速的影響對傳質(zhì)系數(shù)影響較小，而相反的傳質(zhì)方向影響則較大；結(jié)合Sherwood數(shù)、Reynolds 數(shù)和分散相持液量，建立了非對稱轉(zhuǎn)盤萃取塔的傳質(zhì)系數(shù)預(yù)測模型。Asadollahzadeh 等[44]對該模型參數(shù)進(jìn)行修正，成功地預(yù)測了不同傳質(zhì)方向下Kühni 萃取塔的傳質(zhì)系數(shù)，同時發(fā)現(xiàn)降低萃取體系的表面張力可有效地提高傳質(zhì)性能。

2 萃取塔流體力學(xué)模擬

2.1 CFD模擬

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)模擬方法逐漸應(yīng)用于萃取設(shè)備的流體力學(xué)預(yù)測中，為萃取塔設(shè)備的設(shè)計(jì)、放大提供了新的方法。

Bardin-Monnier[45]、Modes[46]等分別對脈沖板環(huán)萃取塔與轉(zhuǎn)盤塔中單液滴的流動行為進(jìn)行了模擬，研究發(fā)現(xiàn)由于液滴-壁面的相互作用的影響，液滴在一個板間距內(nèi)的停留時間呈現(xiàn)出多峰分布。Sarkar 等[47]對脈沖板環(huán)萃取塔中單相流場與軸向擴(kuò)散進(jìn)行模擬，結(jié)果表明隨著板間距增加和孔隙率減小，軸向擴(kuò)散與塔內(nèi)壓降逐漸減小，而隨著板環(huán)的外徑和內(nèi)徑之比的增加，軸向擴(kuò)散與塔內(nèi)壓降逐漸增大。Tang等[48]采用CFD對三種不同結(jié)構(gòu)的脈沖篩板萃取塔內(nèi)的單相流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了比標(biāo)準(zhǔn)篩板結(jié)構(gòu)傳質(zhì)性能更好的分散-聚并型篩板結(jié)構(gòu)。

Duan[49]、Bujalski[50]等結(jié)合粒子圖像測速技術(shù)（PIV）分別對篩板萃取塔與脈沖板環(huán)萃取塔內(nèi)單相流進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明實(shí)測流場與CFD 模擬結(jié)果吻合較好，Duan 等[49]發(fā)現(xiàn)篩板之間存在較大的逆流區(qū)，通過改變降液管結(jié)構(gòu)可優(yōu)化連續(xù)相的流動狀態(tài)。Amokrane等[15]則結(jié)合PIV對轉(zhuǎn)盤萃取塔內(nèi)的單相流動進(jìn)行模擬，比較了不同湍流模型對預(yù)測效果的影響（圖2），結(jié)果表明，如果是完全湍流，標(biāo)準(zhǔn)k-ε（或者RNG k-ε）湍流模型與一階迎風(fēng)格式相結(jié)合可達(dá)到足夠的預(yù)測精度；當(dāng)需考局部湍流時，應(yīng)優(yōu)先采用RNG k-ε紊流模型和乘方格式。

CFD 模擬研究也逐漸應(yīng)用于萃取塔的液-液兩相流動體系。Yadav[51]、Din[52]、Saini[53]等分別基于雙歐拉模型，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型通過FLUENT 軟件模擬成功地預(yù)測了兩相逆流流動的脈沖篩板塔與脈沖板環(huán)萃取塔的持液量。Saini等[53]研究發(fā)現(xiàn)，液滴直徑對板環(huán)塔內(nèi)持液量影響較小，但會影響分散相在塔內(nèi)的分布，脈沖頻率對分散相持液量影響較大，而振幅影響較小。Retieb 等[54]利用ASTRID 軟件對脈沖板環(huán)萃取塔的持液量進(jìn)行了成功的預(yù)測，誤差在12%以內(nèi)。

圖3 CFD模擬值與PIV測量值的結(jié)果比較［55］

研究者們還采用CFD 對塔內(nèi)的流場情況進(jìn)行了研究。Drumm等[55]對轉(zhuǎn)盤塔內(nèi)單相以及兩相的流體力學(xué)進(jìn)行模擬，并利用PIV 對流場進(jìn)行了測量（如圖3），模擬結(jié)果與測量結(jié)果吻合較好。Sarkar等[56-57]通過模擬考察了操作條件、幾何尺寸對脈沖板環(huán)萃取塔持液量的影響，同時引入運(yùn)輸方程對軸向擴(kuò)散進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，持液量與軸向擴(kuò)散的預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)值之間的誤差分別在8%與5%以內(nèi)，具有良好的一致性。Yi等[58]對液滴的曳力系數(shù)進(jìn)行修正，利用CFD 對無脈沖的板環(huán)萃取塔內(nèi)軸向擴(kuò)散進(jìn)行了預(yù)測?？紤]工業(yè)萃取塔內(nèi)流體流動的非對稱性，Yu[59]、Laitinen[60]等分別對脈沖板環(huán)萃取塔與Kühni塔的流體力學(xué)進(jìn)行了三維模擬，結(jié)果表明較小的塔徑不存在明顯的徑向分量，可用二維模擬代替。

2.2 CFD-PBM模擬

分散相中液滴尺寸的分布對兩相流動行為的準(zhǔn)確預(yù)測起關(guān)鍵性作用，群體平衡模型（PBM）能夠描述離散相實(shí)體的分布特性以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(yīng)力、相間作用力和相間傳質(zhì)至關(guān)重要[61]，將PBM 和CFD 相結(jié)合建立CFD-PBM耦合模型，可提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。

Sen 等[62]對Kumar-Hartland 阻力模型的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，采用CFD-PBM 耦合模擬使分散相持液量預(yù)測誤差減小到了5.6%；Hlawitschka等[63]基于雙膜理論，并采用CFD-PBM 耦合對轉(zhuǎn)盤塔的傳質(zhì)過程進(jìn)行模擬，較好地預(yù)測了溶質(zhì)在塔內(nèi)的濃度分布。Amokrane等[64]首先通過攪拌槽反應(yīng)器中測量的液滴粒徑分布數(shù)據(jù)，對群體平衡方程（PBE）的破碎模型參數(shù)與進(jìn)行了擬合，再通過CFD模擬方法，選取k-ε湍流模型研究了脈沖板環(huán)萃取塔內(nèi)的單相流動，并用PIV 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，最后利用CFDPBM耦合模型，對脈沖板環(huán)萃取塔內(nèi)Sauter液滴直徑進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)測。Attarakih 等[65]提出了一種基于簡化二元群體平衡模型模的流體力學(xué)與傳質(zhì)層次化模擬的方法，該方法利用一維CFD 模型和的二元種群平衡模型相耦合，在顆粒群平衡實(shí)驗(yàn)室（PPBLAB）軟件中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

液滴破碎實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏是群體平衡模型應(yīng)用的局限性之一，F(xiàn)ang等[66]利用高速相機(jī)研究了脈沖板環(huán)萃取塔內(nèi)親水性內(nèi)構(gòu)件對液滴破碎聚并行為的影響，提出了新的破碎頻率、聚并頻率與破碎子液滴尺寸分布模型。Korb 等[67]用二(2-乙基己基)磷酸與硫酸鋅體系，在內(nèi)徑為32mm 的Kühni 萃取塔中進(jìn)行了單液滴破碎實(shí)驗(yàn)，提出了新的滴破碎概率和子液滴尺寸分布模型。Zhou等[68]測量了脈沖板環(huán)萃取塔內(nèi)的液滴破碎行為，提出了新的破碎頻率、子液滴尺寸分布經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。Yu 等[69]利用Zhou 等[68]提出的新的破碎模型，對脈沖板環(huán)萃取塔內(nèi)的兩相流動進(jìn)行模擬，研究了液滴粒徑范圍和分散相入口初始液滴粒徑分布的影響，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

2.3 其他模擬方法

基于簡化的群體平衡模型，液液萃取模塊（LLECMOD）、ReDrop 程序等相關(guān)模擬軟件因計(jì)算負(fù)荷低、速度快等優(yōu)點(diǎn)，在不同類型萃取塔的模擬中有一定的應(yīng)用。

Jaradat 等[70-71]利用LLECMOD 模擬了不同脈沖條件、流比下，填料萃取塔和篩板萃取塔的穩(wěn)定性。結(jié)果表明：脈沖強(qiáng)度對高界面張力體系的影響顯著，而流量的變化對分散相持液量、液滴直徑和低界面張力體系的溶劑濃度剖面有很大影響。

Hlawitschka等[72-73]通過激光誘導(dǎo)熒光（LIF）與PIV分別測量兩相分布與速度場，同時使用LLECMOD與FLUENT 對Kühni 塔內(nèi)的水力學(xué)進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，LLECMOD 使用一維計(jì)算的預(yù)測準(zhǔn)確度高；FLUENT對持液量的預(yù)測值稍低于實(shí)驗(yàn)值，并需要較高的計(jì)算負(fù)荷，但可給出液滴、兩相分布、湍動能損耗和兩相流速等詳細(xì)信息。Buchbender等[74]采用單液滴實(shí)驗(yàn)測量了Kühni 萃取塔內(nèi)分散相持液量、Sauter平均直徑等水力學(xué)參數(shù)，并基于蒙特卡洛法，利用ReDrop 程序中的群體平衡模型對其水力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。

3 萃取塔的過程強(qiáng)化

3.1 新型萃取塔內(nèi)構(gòu)件

3.1.1 復(fù)合陶瓷內(nèi)構(gòu)件脈沖萃取塔

在鹽湖提鋰和稀土元素的分離過程中，氯化物對不銹鋼萃取塔內(nèi)構(gòu)件有很強(qiáng)的腐蝕性，Yi等[75-76]分別用陶瓷篩板與新型復(fù)合陶瓷內(nèi)構(gòu)件對篩板萃取塔（圖4）進(jìn)行了改進(jìn)。

圖4 復(fù)合陶瓷脈沖萃取塔［76］

研究表明，與陶瓷篩板內(nèi)構(gòu)件相比，新型復(fù)合陶瓷內(nèi)構(gòu)件的持液量升高50%，液滴直徑減小40%，軸向擴(kuò)散系數(shù)降低50%，傳質(zhì)單元高度降低50%，最優(yōu)操作條件下傳質(zhì)單元高度可低至0.2m，采用脈沖篩板萃取塔模型可以對陶瓷篩板與復(fù)合陶瓷內(nèi)構(gòu)件的水力學(xué)性能、軸向擴(kuò)散以及傳質(zhì)性能進(jìn)行滿意預(yù)測。

圖5 Tenova脈沖萃取塔與內(nèi)構(gòu)件［77］

3.1.2 Tenova脈沖萃取塔

Li 等[77]對板環(huán)塔的內(nèi)構(gòu)件進(jìn)行了改進(jìn)（Tenova脈沖萃取塔），如圖5 所示，板的邊緣與環(huán)的內(nèi)部為鋸齒狀波紋，以強(qiáng)化液滴在內(nèi)構(gòu)件邊緣的破碎，增加比表面積、提高傳質(zhì)系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與脈沖板環(huán)萃取塔相比，Tenova 脈沖萃取塔的持液量更低、液滴直徑更小、軸向擴(kuò)散系數(shù)更小[78-79]。將該萃取塔分別應(yīng)用于萃取反應(yīng)速率較快的體系（硫酸-叔胺-異癸醇，一級動力學(xué)反應(yīng)速率為1.4s-1）和萃取反應(yīng)速率相對較慢的體系（硫酸銅-1-(2-羥基-5-壬苯基)乙酮肟，一級動力學(xué)反應(yīng)速率為2.1×10-2s-1），結(jié)果表明對于萃取反應(yīng)速率較快的體系，Tenova脈沖萃取塔傳質(zhì)效果與傳統(tǒng)板環(huán)塔一致；對于萃取速率較慢的體系，Tenova脈沖萃取塔可以更好地消除兩相流量對傳質(zhì)效果的影響，增大傳質(zhì)系數(shù)[80]。

3.1.3 新型填料萃取塔柱

張敏卿等[81]通過對板波結(jié)構(gòu)紋填料的不同齒度的網(wǎng)孔（網(wǎng)孔3.5×5.9，網(wǎng)孔1.7×3.4，網(wǎng)孔1.6×2.6）研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)孔越小，切割出的分散相液滴的直徑越小，分散相液滴群總表面積越大，傳質(zhì)效率越高，與鮑爾環(huán)相比傳質(zhì)單元高度低15%到45%。

為了解決化工溶劑脫瀝青，潤滑油精制，含酚廢水處理等高運(yùn)行通量的分離過程，清華大學(xué)化工系在VKB 型規(guī)整填料的基礎(chǔ)上又開發(fā)了SBW 新型的舌形板波紋規(guī)整填料，在FG 系列蜂窩格柵規(guī)整填料的基礎(chǔ)上開發(fā)了新型DFG導(dǎo)向格柵規(guī)整填料。蔡衛(wèi)濱等[82-83]分別對SBW 舌形板波紋規(guī)整填料與DFG導(dǎo)向格柵規(guī)整填料（圖6）萃取塔的水力學(xué)性能和傳質(zhì)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明SBW 舌形板波紋規(guī)整填料萃取塔的傳質(zhì)單元高度為0.6～1.4m，優(yōu)于舌形格柵及蜂窩格柵等規(guī)整填料，液泛通量為90～150m3·m-2·h-1；DFG導(dǎo)向格柵規(guī)整填料萃取塔的傳質(zhì)單元高度為2.2～3.1m，液泛通量為123～154m3·m-2·h-1。

圖6 2種新型填料的照片

在化工分離領(lǐng)域，磁場[84]、電磁場[85-86]強(qiáng)化具有清潔、高效等優(yōu)點(diǎn)，是最具發(fā)展?jié)摿Φ倪^程強(qiáng)化技術(shù)之一。Amani 等[87]考察了磁性納米顆粒和磁場對傳質(zhì)效果的影響。在規(guī)整填料中，用四個相同的鋅鐵氧磁芯體棒產(chǎn)生磁場（圖7），在有機(jī)相（分散相）中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001%～0.005%的尖晶石型錳鐵氧體納米粒子。結(jié)果表明在磁場的影響下，磁性納米粒子布朗運(yùn)動加強(qiáng)，使得顆粒與周圍媒介相對速度增大，提高了甲苯-乙酸水體系的傳質(zhì)效果。

3.2 新型萃取塔型式

3.2.1 攪拌-脈沖萃取塔

近些年，Kockmann 團(tuán)隊(duì)[88]對不同類型萃取塔的效率進(jìn)行了總結(jié)，將攪拌萃取塔與脈沖萃取塔相結(jié)合，設(shè)計(jì)了內(nèi)徑為15mm 的攪拌-脈沖萃取塔（APC），如圖8所示。葉輪通過高速攪拌增強(qiáng)液滴的破碎，由底部產(chǎn)生的脈沖使得分散相和連續(xù)相可以順利地逆流通過板間隙，液滴在塔板處聚結(jié)并進(jìn)入下一個單元艙室，保證液滴的破碎聚并區(qū)域不斷更新。

圖7 填料塔內(nèi)四極磁場圖［87］

圖8 攪拌-脈沖萃取塔［89］

通過實(shí)驗(yàn)分析，在高轉(zhuǎn)速下（＞900r/min）該萃取塔內(nèi)分散相持液量接近50%，每米傳質(zhì)單元數(shù)高達(dá)17～25級。該萃取塔已被成功應(yīng)用于芳香酸、3,5-二硝基苯甲酰-(R,S)-亮氨酸等手性物質(zhì)的分離與5-羥甲基糠醛的富集，收率高、分離效果好[89-90]。

Soboll 團(tuán)隊(duì)[91-94]對直徑為32mm 的攪拌-脈沖萃取塔的水力學(xué)、傳質(zhì)單元高度進(jìn)行了研究，并與直徑為15mm 的同型攪拌-脈沖萃取塔進(jìn)行比較，以研究該強(qiáng)化萃取塔的放大效應(yīng)。結(jié)果表明：相比于直徑15mm 的萃取塔，將直徑擴(kuò)大到32mm 后，液泛通量增大，每米傳質(zhì)單元數(shù)有所下降，但仍是傳統(tǒng)攪拌萃取塔的兩倍。對于該類型萃取塔的數(shù)學(xué)模型還比較缺乏，本文作者團(tuán)隊(duì)目前正在結(jié)合模型方法與CFD 模擬對該萃取塔的性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)研究，為工業(yè)設(shè)計(jì)放大與應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

3.2.2 L-型脈沖萃取塔

Amani 等[95-96]設(shè)計(jì)了一種L-型（垂直-水平）脈沖篩板萃取塔，并研究了不同物系、脈沖強(qiáng)度對萃取塔中能量耗散、特征速度、軸向擴(kuò)散與傳質(zhì)系數(shù)的影響，建立了預(yù)測公式。Mohammadi[97]、Panahinia[98]等分別研究了萃取塔的持液量、不同傳質(zhì)方向?qū)S向擴(kuò)散與傳質(zhì)系數(shù)的影響，并建立了相應(yīng)的預(yù)測模型；Rafie 等[99-100]將內(nèi)構(gòu)件改為填料，考察了不同操作條件對軸向返混與傳質(zhì)性能的影響。

4 結(jié)語

萃取塔作為溶劑萃取的一種重要單元設(shè)備被廣泛應(yīng)用。目前萃取塔的研究主要是圍繞著液-液兩相的流體力學(xué)、液滴群行為、傳質(zhì)過程模擬、設(shè)備強(qiáng)化等方面開展。近年來，針對不同類型的萃取塔，研究者們相繼建立了更完善、準(zhǔn)確的經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型，廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)模擬方法的出現(xiàn)為萃取塔的研究提供了為更豐富的理論基礎(chǔ)，適用性較寬，可為萃取塔內(nèi)復(fù)雜流場的研究提供支持，也為萃取塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工業(yè)放大提供可靠保證。

符號說明

da,dd,d—— 分別為圓環(huán)內(nèi)徑、圓盤直徑、圓環(huán)外徑，m

hc—— 連續(xù)相表觀傳質(zhì)單元高度，m

ε—— 孔隙率