中合匯萃講述離心萃取機設(shè)備設(shè)計原理及選擇

液-液萃取過程的平衡關(guān)系一般都比較復(fù)雜，又存在一些部分互溶等特殊問題。因此有關(guān)萃取設(shè)備的理論級數(shù)或傳質(zhì)單元數(shù)的計算也比較復(fù)雜，我們在這里僅討論給定倫理級數(shù)（或傳質(zhì)單元數(shù)）的萃取設(shè)備主要尺寸的計算。

萃取設(shè)備的設(shè)計需要根據(jù)給定的處理能力和分離要求來計算和確定萃取設(shè)備的主要尺寸，并對一些附屬設(shè)備如攪拌器或液態(tài)分布器等內(nèi)構(gòu)件的設(shè)計提出要求。

（1）設(shè)計條件的確定

根據(jù)原料的組成、處理量和選定的溶劑，需確定下列設(shè)計條件：

①溶劑的用量和選定分散相   在選擇分散相時，需要考慮多方面的因素。例如，為了獲得最大的相界面面積，物料通過量大的液相應(yīng)該是分散相，分散相的粘度不能過高而分子擴散系數(shù)應(yīng)該較高，面從防止乳化等一些特殊要求出發(fā)，有時又需要選擇有機相為連續(xù)相等。這些要求有時是互相矛盾的，需要因地制宜，綜合考慮。

②操作穩(wěn)定和壓力下兩相的物性如密度、粘度、界面張力和分子擴散系數(shù)等。它們對萃取設(shè)備的性能有重要的影響。例如界面張力是影響分散相液滴平均直徑的關(guān)鍵因素，因此對塔的處理能力和傳質(zhì)效率起著決定性的影響。工業(yè)上常用萃取體系的界面張力變化范圍很大。潤滑油酚精制的界面張力很低，約為1.0mN/m，而液化氣脫H₂S等工業(yè)體系的界面張力則很高。因此不同體系的液泛速度和傳質(zhì)性能往往有很大的差別。

③選定萃取設(shè)備的類型。可以根據(jù)本節(jié)已介紹的方法進行比較和選擇。

④體系的穩(wěn)定性、腐蝕性和毒性等工程設(shè)計所需的信息。

（2）萃取設(shè)備設(shè)計的特點

液-液萃取過程兩相密度差小，連續(xù)相粘度較大、兩相軸向返混嚴(yán)重、界面現(xiàn)象復(fù)雜，因而設(shè)計計算比較困難。影響萃取過程的因素非常多，而其中很多因素尚未被充分理解。大多數(shù)可用的數(shù)據(jù)是在小型實驗設(shè)備中測量的，通常實驗設(shè)備只有幾英寸直徑和幾英尺高。因而，所得關(guān)系式只能用于粗略的估算，設(shè)計時必須留有充分的余地。與精餾和吸收等液-液傳質(zhì)過程相比，萃取設(shè)備的設(shè)計方法不夠成熟，而且有一些不同的特點：

①體系物性是影響設(shè)計的重要因素    體系的物性如界面張力、兩相的密度和粘度等對萃取設(shè)備的性能具有重要的影響。界面張力主要影響分散相的液滴平均直徑。因而，它對設(shè)備的處理能力和相際傳質(zhì)比表面積具有決定性的影響。兩相的密度差對體系的分散特性和萃取設(shè)備的液泛速度具有重要的影響，也影響分散相的聚合速度。連續(xù)相的粘度不僅影響設(shè)備的處理能力，也影響連續(xù)相的分傳質(zhì)系數(shù)；而分散相的粘度影響滴內(nèi)的傳質(zhì)，往往是整個傳質(zhì)過程的控制步驟。

由于萃取設(shè)備往往在高溫、高壓、強腐蝕、強放射性或易燃、易爆等條件下操作的。因此操作條件下的體系物性難以測定或估算。因此取得可靠的體系物體數(shù)據(jù)往往是萃取設(shè)備設(shè)計過程中的一項重要面困難的工作。

②軸向返混的影響嚴(yán)重    液-液萃取過程中兩相密度差小、粘度大，逆流過程中兩相流動狀況比較復(fù)雜。例如連續(xù)相在流動方向上速度分布不均勻，連續(xù)相的湍動和漩渦引起分散相液滴的返混和夾帶，分散相液滴直徑分布不均所造成的大液滴運動速度過快，即前混以及分散相液滴的尾流引起連續(xù)相的返混等。通常把這些導(dǎo)致兩相非理想流動和兩相停留時間分布的各種現(xiàn)象統(tǒng)稱為軸向混合，它包括返混、前混等各種混合現(xiàn)象。

軸向混合隊萃取塔的性能產(chǎn)生極為不利的影響，它不僅降低了傳質(zhì)推動力，而且降低了萃取塔的處理能力。因此，軸向混合的不利影響是設(shè)計計算時必須考慮的問題。目前的主要困難時，盡管提出多種描述軸向混合隊傳質(zhì)影響的數(shù)學(xué)模型，但可以用工業(yè)裝置設(shè)計計算的軸向混合參數(shù)仍然十分缺乏。

③界面現(xiàn)象的影響有待進一步研究    液-液兩相的界面現(xiàn)象十分復(fù)雜。在萃取設(shè)備實驗中往往發(fā)現(xiàn)，由于微量的表面活性物質(zhì)污染了實驗體系，結(jié)果使體系的液體力學(xué)和傳質(zhì)性能發(fā)生了極大的變化。

在單液滴傳質(zhì)過程中也經(jīng)常觀察到界面擾動現(xiàn)象。這種現(xiàn)象總是和傳質(zhì)過程聯(lián)系在一起的。當(dāng)傳質(zhì)速率很快時，界面擾動較為明顯，而當(dāng)存在強烈的界面擾動時，傳質(zhì)速率也特別高。一般認(rèn)為界面現(xiàn)象是由于傳質(zhì)過程中各點濃度變化所起的界面張力無規(guī)則變化的結(jié)果。即通常稱為的Marangoni效應(yīng)。按熱力學(xué)原理分析。這種現(xiàn)象是通過擴展界面張力較低的表面面積，使整個表面趨于表面能最低的穩(wěn)定狀態(tài)的復(fù)雜、無序的過程。

實驗表明，Marangoni效應(yīng)可能使傳質(zhì)速率提高數(shù)倍，而表面上微量表面活性物質(zhì)的存在，將大大降低甚至抑制界面擾動的發(fā)展。

這樣，在計算萃取設(shè)備的傳質(zhì)過程中，應(yīng)該考慮此過程是否存在Marangoni效應(yīng)以及體系被雜質(zhì)（特別是表面活性物質(zhì)）污染的程度。

④適度分散式保證萃取設(shè)備性能的技術(shù)關(guān)鍵   在液-液萃取過程中，由于兩液相的密度差小而粘度大，因而兩相的混合和分離比汽-液傳質(zhì)過程困難得多。為了加速相際傳質(zhì)過程，需采用機械攪拌、空氣脈沖或分布器等手段使一相在另一相中分散成細(xì)小的液滴群，形成較大的相際傳質(zhì)表面。但是過度的攪拌和液滴群的過度分散不僅使分散相的聚合過程變得非常困難既增加溶劑損失，又會使萃余液中夾帶大量溶劑，造成二次污染。有時還會造成乳化現(xiàn)象，破壞萃取設(shè)備的穩(wěn)定操作。液滴群的過度分散還可能使液滴群的平均直徑過小，使傳質(zhì)進入剛性球的區(qū)域，傳質(zhì)系數(shù)大幅度下降。

因此，無論從降低溶劑損失或提高傳質(zhì)速度的角度來看，保持體系的適度分散和促進兩相的分散-聚合-再循環(huán)都是十分重要的。在環(huán)保要求日益提高的今天，這一問題顯得尤為重要。

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