旋流式离心萃取器分析.pdf

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