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第6 2 卷第3 期 2010 年8 月 有色金属 N o n f 毫n U ⅡsM e t a l s V 0 1 .6 2 ,N o .3 A u g .2010 旋流式离心萃取器分析 袁惠新,刘婧,李中 常州大学分离工程研究所,江苏常州2 13 0 16 摘 要分析旋流式离心萃取器的结构特点,介绍旋流式离心荦取器的T 作原理,与传统萃取设备比较,表明旋流式离心萃 取器的主要优缺点和适用情况。 关键词冶金技术;旋流离心萃取器;综述;萃取 中图分类号T 0 0 5 l ;T F 8 0 4 .2文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1l 2 0 1 0 0 3 0 0 7 4 ~0 3 萃取是利用溶质在互不相溶两相之间分配系数 的不同而使其得到纯化或浓缩的一种单元操作,具 有选择性高,分离效果好和适应性强等特点,而且易 于实现大规模连续化的生产⋯。工业萃取设备已 有多种,但按照结构和原理,主要可以分为混合澄清 槽、塔 柱 式萃取器和离心萃取器三种。 1 各种萃取设备的优缺点嵋。3 J 液液萃取过程可以看作是三个阶段的循环。将 一相分散到另一相中,形成很大的相界面面积;分散 相和连续相有足够的接触时间以达到期望的传质效 果;分散相液滴聚合并与连续相分离。从这三个过 程和其他一些因素来分析各种萃取设备的优缺点, 如表1 所示。 表1常用萃取设备各种指标的比较 T a b l e1 C o m p a t r i s i o no fv a r i o u sf e a t u r e sa m o n gc o m m o ne x t r a c t o r s 注其余的如管线萃取器或L 述儿种设备的组合体此处不再一一比较 由表l 可以看出,单从技术的角度来讲,离心萃 取器无疑是最好的,但要考虑到工业生产的经济性, 则要根据不同的情况进行相应的选择。随着萃取技 术的不断发展和应用领域的不断扩大,现有的萃取 设备在某些场合不能很好的满足工业生产的需求, 所以新型萃取设备的研究很有必要。 收稿日期2 0 0 8 0 2 0 2 基金项目江苏省研究生科技创新计划基金资助项目 C X 0 7 S 一 0 2 5 Z 作者简介袁惠新 1 9 5 7 一 ,男,江苏无锡市人,教授,博士生导师, 主要从事分离工程与技术等方面的研究。 2 旋流式离心萃取器 2 .1 旋流式离心萃取器简介 旋流萃取器结构如图l 所示。重相由切向入口 1 以高速进入,轻相由2 进入。较大的压降使切向 进人的重相在腔内高速旋转产生离心力场。将轻相 经由多孔介质5 打入柱段以后,在向底流口方向运 动的同时,在离心力的作用下,轻相穿越重相向中心 迁移,在此过程中进行传质分离,然后轻相在中心内 漩涡处聚结向上运动最终由溢流口3 排出。密度大 的相发生离心沉降,迁移到四周,沿着壁面向下旋 动,最后作为底流排出,从而完成了两相分离过程。 万方数据 第3 期袁惠新等旋流式离心萃取器分析 Z 1 一原料人口;2 一萃取剂入订;3 一溢流r I ; 4 一底流口;5 一多孔介质 图1试验用旋流萃取器主体部分结构 F i g .1 S t r u c t u r eo fm a i np a r to fan o v e le x t r a c t o r 2 .2 旋流式离心萃取器的优点 与传统的离心萃取器相比较,旋流式离心萃取 器与其有着很大的不同。传统的离心萃取器依靠转 筒或搅拌浆的高速转动形成离心力场,而旋流萃取 器则是依靠液体自带的速度头通过切向人口形成离 心力场。在结构上,旋流萃取器没有任何的运动部 件,这一点远远的优于传统的离心萃取器。 2 .2 .1 液滴的分散。轻相由多孔介质以液丝的形 式进入,在旋流腔内被重相流体剪切破碎成液滴。 旋流场内任一点流体的速度都可以分解为切向、径 向和轴向三个分量,这三个分量的大小沿直径方向 始终是变化的,所以对于旋流场,在切向、径向和轴 向都是存在剪切应力r 。旋流场内的切向剪切应力 如式 1 所示,径向剪切应力或轴向剪切应力如式 2 所示,旋流器内的剪切力很大。强剪切的存在 使轻相液体剪切成很小的液滴,M a s t e r2 0 0 0 激光粒 度分析仪测试表明,其液滴最小可达到几十微米。 f m l 卫r O t o /O r 1 r , i z O v /O r 2 2 .2 .2 液滴的聚合。轻相进入旋流腔后被剪切成 液滴,然后由于离心力场的作用向中间迁移。由于 旋流场内的离心力一般是重力的几百到几千倍,所 以其分相速度远大于重力沉降。此外,旋流场是一 个动态平衡的流场,液滴在旋流场内的破碎和聚结 主要取决于韦伯数耽。当W e p 。秽门d /t r 1 2 时, 液滴将会发生破碎。当l r d 3 P 。一P 。 v , / 6 9 r C L 7 r ∥/4 p , M r 一“P /2 如d d 3 0 . 1 3 , o f d o /时,液滴 将会聚结。。不断的破碎聚结可以增加表面更新 率,提高传质系数,同时还可以细化液滴尺寸,均化 主体的浓差,从而可以大大的强化传质,并且聚结在 一定程度上也强化了相分离的过程。 其实,旋流场用于相分离已经有一百多年的历 史了。虽然其用于液液分离只有五十多年,但已取 得了巨大的成就,已有旋流器可分离微米级的液滴。 2 .2 .3 高湍流特性。旋流场内部的两相流各自进 行强烈湍流扩散并相互掺合是旋流场的又一个重要 物理现象。其内湍流的形成可以从几个方面考虑。 1 对于某一流体微元,流速大的流层给微元一个 顺流的切应力,流速小的流层给微元一个逆流的切 应力,所以切应力将构成力矩从而促使涡旋的产生。 由其剪切特性可以看出,各流层流速的不同势必会 造成强大的湍流涡旋。 2 旋流场并不是严格的轴 对称结构,所以其内的流层会出现波动,波动往往会 脱离原来的流层或流速冲入到邻近的流层,从而促 使涡旋的形成。当旋流场内为两相或多相流的时候 由于各相间粘性的不同,切应力将会有产生差异,此 时惯性力和切应力联合作用,将会大大促进这种涡 旋的产生和生长p 。。 湍流的存在提高了液滴的内循环流,大大增加 传质系数,从而为传质分离创造了一个很好的流体 力学环境。 2 .2 .4 其他方面的优点。旋流萃取器的结构简单, 制造容易,投资费用很低。同时,旋流萃取器还具有 很大的处理量,用直径为2 0 r a m 的旋流萃取器研究 表明,其处理量约1m 3 /h ,与混合澄清槽和塔式萃取 器相比,旋流萃取器的占地面积是相当小的,并且试 验室的结果可以直接应用于工业流程,不存在放大 问题。 由于内部没有转动的部件,旋流萃取器比传统 的离心萃取器使用维护方便,易于密封,克服了传统 离心萃取器的运动部件泄漏和腐蚀问题,将大大提 高设备运行的可靠性并改善了工作环境。 研究表明,两相的流比会对传质分离和相分离 有一定的影响,但不会造成类似液泛的问题。 莹 一 』o ~二二.,。一。 童 J 1 J 2 , J 3 , J 4 - , P 2 ▲ l p ,..一,i V 4 一≯{ 塑[ 一L _二一二_ 一一{ ∑二。 v l V 2 一 P 1 一螺杆泵;P 2 一离心泵;J 一网门;V 一物料容器; P 一压力表;F 一流量计;R 一旋流萃取器 图2 试验设备流程 F i g .2 F i o w s h e e to ft e s te q u i p m e n t 2 .3 旋流式离心萃取器的不足 旋流萃取器拥有众多的优点,但同时也有其自 身的局限,主要体现在停留时间上,旋流萃取器停留 万方数据 7 6 有色金属 第6 2 卷 时间很短,一般为2 ~3 s 。如果单独使用的话,可以 用于非平衡萃取来分离某些金属离子。但对于大多 数萃取体系,这个停留时间是不够的。 在同等的流体力学环境下,金属离子的萃取平 衡时间 达到平衡状态的9 8 % 一般是这个时间的 几倍,有机物的萃取平衡时间一般是它的十几倍,为 了满足停留时间的需要,通过停留时间调节系统,可 以随意地控制单级的停留时间,但同时也意味着操 作成本的增加。 2 .4 旋流萃取器实例 以含稀醋酸的废水为原料液,正辛醇、三正辛胺 和煤油的混合溶液为萃取剂进行试验。用螺杆泵输 送原料液,用离心泵打入萃取剂,具体流程见图2 。 初步的单级试验表明,将主相的压力控制在0 .2 ~ 0 .3 M P a 之间,将离心泵的压力控制在0 .3 M P a 左 右,其传质速度远远大于搅拌试验的效果,传质效率 达9 0 %以上,萃取效率最好时可达9 8 %以上,同时也 使两相间的夹带也很少。这表明新型的旋流式离心 萃取器是完全可行的。至于如何通过结构和操作的 改进来优化这个过程,则需要进一步的研究来确定。 3结语 旋流式离心萃取器的主要特点为 1 旋流器 参考文献 结构简单,并且内部没有运动或旋转的部件,操作维 护方便,工作连续可靠,易于实现自动控制,使用寿 命长1 ; 2 成本低,包括制造、安装、运行、维护等 方面的费用都不高; 3 处理量大,设备占地小。由 于每级的停留时间仅2 ~3 s ,其处理量远远超过塔 槽设备,对于相同的处理量,旋流设备的占地面积远 远小于塔槽设备; 4 设备体积小,便于运输和安 装,不存在安全隐患,对于特定的生产流程,实验室 内可以直接用相同尺寸的旋流器获得相关数据,不 存在塔槽设备的放大问题; 5 适应性好,由于是静 态设备,不存在动密封和泄露问题,对于腐蚀性和挥 发性萃取体系都有很强的适应性; 6 既可以多级 联用,也可以单独使用,例如对铟铁的非平衡萃取问 题一1 ,其传质过程也就是在几秒内完成; 7 通用性 较差,旋流器是一种非标设备,对于不同的体系和不 同的处理要求可能要专门设计出与之配套的旋流 器,设计者素质对旋流器最终效果的影响较大; 8 理论上的研究太少,目前只能通过实验来探索最佳 结构尺寸和操作条件。 总之,新型的旋流式萃取器有诸多的优越性。 如何通过研究获得指导旋流萃取器尺寸和结构设计 的第一手资料,是目前亟待解决的问题。 [ 1 ] 费维扬.面向2 l 世纪的溶剂萃取技术[ J ] .化工进展,2 0 0 0 , 1 1 1 1 2 . [ 2 ] 李以圭,李洲,费维扬.液液萃取过程与设备[ M ] .北京原子能出版社,1 9 8 1 . [ 3 ] 公锡泰,鲍卫民,何培炯.稀土分离萃取设备的选择和应用[ J ] .稀土,1 9 9 5 ,1 6 2 6 5 6 8 . [ 4 ] 张敏,袁惠新.旋流聚结的机理及应用[ J ] .流体机械,2 0 0 3 ,3 1 5 2 9 3 2 . [ 5 ] 戴光清等.水力旋流器湍流特性研究[ J ] .流体机械,1 9 9 6 ,2 4 1 1 1 3 1 6 . [ 6 ] 袁惠新.分离工程[ M ] .北京中国石化出版社,2 0 0 1 1 4 4 1 4 5 . [ 7 ] 段五华,周秀珠,周嘉贞.离心萃取器在有色冶金中的应用[ J ] .有色金属,2 0 0 6 ,5 8 3 5 5 5 6 . A n a l y s i so nC y c l o n eC e n t r i f u g a lE x t r a c t o r Y U A NH u i x i n ,L I UJ i n g ,L IZ h o n g I n s t i t u t eo f S e p a r a t i o nE n g i n e e r i n g 。C h a n g z h o uU n i v e r s i t y ,C h a n g z h o u2 1 3 0 1 6 ,J i a n g s u ,C h i n a A b s t r a c t T h es t r u c t u r a lf e a t u r e so fac y c l o n ec e n t r i f u g a le x t r a c t o ra r ea n a l y z e d ,a n dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h e c y c l o n ec e n t r i f u g a le x t r a c t o ri sd e s c r i b e d ,a n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa n dt h ea p p r o p r i a t ea p p l i c a b i l i t y a r ee x p r e s s e db yc o m p a r i s o nw i t hc o n v e n t i o n a le x t r a c t o r s . K e y w o r d s m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g y ;c e n t r i f u g a lc y c l o n ee x t r a c t o r ;r e v i e w ;s o l v e n te x t r a c t i o n 万方数据