填料萃取塔的研究现状及进展

朱璇雯，刘 成，张敏华

（天津大学绿色合成与转化教育部重点实验室，天津 300072；天津大学石油化工技术开发中心，天津 300072）

填料塔是化工、炼油、环保、医药、食品及生物工程等多行业生产过程中重要的单元设备。基于其结构简单、压降小、操作适应性好、轴向返混小等优点，填料塔在精馏、吸收、解吸、萃取、化学交换、洗涤、冷却等操作过程中都有广泛应用[1-3]。

填料萃取塔是填料塔的一种重要表现形式。相比其它传质分离设备，填料萃取塔具有在常温或较低温度下操作的优点，对于过程工业的节能降耗具有重要的意义。填料萃取技术经过多年发展，研究者开发、改良了多种适用于液液萃取过程的填料，并且采用更准确、适用面更广的理论模型与方法对填料萃取塔的传质及流体动力学特性进行了深入的研究。本文作者将对填料萃取塔的特点、填料的选择、开发及研究方法进行阐述。

1 填料萃取塔的特点

液液萃取是一种重要的化工传质分离手段，其过程多样，设备种类繁多[3]，常用的萃取设备及其特点如表1所示。选择萃取设备时要多因素综合考虑，包括体系物性、处理量大小、分离要求、占地面积、设备、操作、维修费用等因素。

表1 不同萃取设备的工作方式及特点[4-5]

对于液液萃取过程，两相的密度差小，黏度较大，萃取塔中流体流动状况比较复杂，易产生轴向返混，引起传质推动力的下降，降低传质效率，这对萃取塔的分离性能是十分不利的。通过表1中各萃取设备的比较，相对于转盘塔等萃取设备，填料萃取塔具有结构简单、操作方便、稳定性好等优点，能通过填料的选择和内部件的设计减小轴向返混，因而强化了传质，有利于分离效率的提高[1]。

2 填料萃取塔中填料的选择与开发

填料是填料萃取塔的核心元件，按照其形态可以分为散堆填料和规整填料[1]。一般进行萃取分离的液液两相密度差较小，界面张力较大，液滴易聚合不易分散，填料的存在能起到使液滴分散、减小返混的作用，同时还可能增加在萃取设备中的质量传递系数[2]，故选择一种高效的填料是十分关键的。

液液萃取过程填料类型的选择既与精馏过程有相似之处但又有别于精馏过程。首先，萃取和精馏对填料的要求有部分是一致的，它们都要求填料具有较高的传质效率，填料层要有较大的孔隙率，避免偏流和沟流等；然而精馏中液相沿着填料表面流动，填料起提供传质面积的作用，而萃取中传质是发生在液滴群和连续相之间，填料的作用是控制返混并实现液滴的破裂-聚并-再破裂的循环过程，影响分散相的停留时间，故在精馏中带毛刺的填料有助于传质而此种填料在萃取中却是不利的[1]。因而，萃取塔中填料的选择有其独特性，对填料在萃取过程中的作用、萃取塔专用填料的开发等内容开展深入细致的研究工作显得尤为必要。

清华大学费维扬院士课题组对填料萃取塔中填料的开发和改良做了大量的研究，自主开发了内弯弧形筋片扁环填料QH-1[[6-8]和挠性梅花扁环填料QH-2[4,6]，其结构高径比小，排列时能体现一定的有序性，降低填料层间的压力降，通量大，轴向返混小，抑制两相的非理想流动，提高整塔的萃取效率，并且此两种填料已广泛应用于国内化工行业。此外，在规整填料方面，清华大学开发了蜂窝状的格栅FG型规整填料[10]，该填料对分散相起到良好的切割破碎作用，具有通量大、压降小及传质效率高等优点，有良好的工业应用前景。

北京英诺威逊聚合技术有限公司开发了一种网架规整填料（专利申请号200510109295.7，公开日2006.05.17）。该网架填料比棱长大，有利于对液滴的切割作用，增大传质面积，而且其流通量大，流动阻力小[15]。天津大学李健[16-17]、杨芬芬[16,18]等对装填有该填料的萃取塔进行了实验研究，发现此填料对液液传质效率的提高非常有利。应用于萃取过程的散堆填料还有 Intalox填料、共轭环填料[19]、圆柱体状波纹板网散堆填料[20]等，规整填料还有 SMV[21]、SMVP[22]、Montz[23-24]、Optiflow[25]填料等，其中很多都表现出良好的液液传质性能。与此同时，组合式填料也越来越多的被研发出来应用于填料萃取塔，例如天津大学刘春江课题组[26]研究网架填料-板波纹填料构成的组合式规整填料应用于萃取塔，发现其比单纯的网架填料更有利于萃取效率的提高。

对于不同的工业过程，物系、分离要求与操作条件等的差异导致所使用的填料也不同，表2所示为部分工业填料萃取塔所使用的填料。

表2 国内常用填料在化工及炼油行业中的应用举例

3 填料萃取塔的研究方法

3.1 实验方法及经验公式方法在填料萃取塔研究中的应用

传质特性和流体动力学特性研究是液液萃取填料选择与开发、填料萃取塔设计与优化的重要方法和关键途径。目前，已基本形成了实验手段与经验公式相结合的较为行之有效的方法。

填料萃取塔的一个重要特征参数为传质比表面积，见式（1）。

由式（1）可见，液滴直径与分散相体积分数的确定对于表现填料萃取塔的传质特性是十分重要的。

萃取塔中液滴直径可以通过一定手段测量得到，具体测量方法[18,27]有图像法、毛细管法、光导纤维法。其中图相法是通过照相或摄影等手段测定液滴在萃取设备中的分布情况和平均直径。该方法简单、直观，数据真实可靠，测量方便，应用也较为普遍。分散相体积分数的测量方法有体积置换法、压差法、混合密度法。在实验室研究中，前两者应用得更为广泛。

Kumar[28-30]、Seibert[31]、Streiff[32]、Mackowiak[33]等研究者通过实验方法对不同体系、不同传质方向及不同填料类型（散堆填料和规整填料）的实验室小型填料萃取塔进行了研究，并分别对液滴直径、分散相体积分数、液泛速度与滑移速度提出了经验公式。此外，Anubis Pérez等[22]采用实验的方法研究了装填有SMVP规整填料的填料萃取塔的流体动力学特性，并与用上述经验公式得到的计算值进行比较，发现用Mackowiak等[33]的经验公式计算的分散相持液量与实验值吻合效果最好，进行常数修正后的 Kumar经验公式则非常适用于此实验液泛速度的估算。

清华大学费维扬院士课题组[10]采用实验的方法对装填有FG型填料的萃取塔的流体动力学特性进行研究，采用高速摄影拍摄不同分散相流量下的液滴群照片，得到液滴的平均直径计算公式，如式（2）。

式（2）中，当无传质或传质方向为c（连续相）→d（分散相）时，实验拟合出的常数η=1.42；当传质方向为d→c时，η=1.72。式（2）与Seibert等[31]所提出的液滴平均直径计算公式相似，差别在于Seibert等[31]所提液滴平均直径计算公式中，当无传质或传质方向为 c→d时，η=1.0；当传质方向为 d→c时，η=1.0～1.8。与液滴平均直径一起决定传质比表面积大小的另一重要参数是分散相体积分数，在此实验中也拟合了一关于分散相体积分数的关系式。

实验方法是一种比较传统的研究方法，所得的结果真实可靠；经验公式方法也是一种比较传统的方法，具有简单快捷、资源消耗少等优点，而且经验公式多是从大量的实验中拟合得到的。实验与经验公式的有效结合已成为传质与流体动力学特性研究中广泛采用、快捷准确的途径。

3.2 计算机模拟方法在填料萃取塔研究中的应用

当今世界计算机技术迅速发展，填料塔的理论模型也不断创新和完善，促进了填料塔研究的不断深入。计算机模拟方法为更加准确、直观描述填料萃取塔中流体流动与质量传递行为和塔设备的设计和改良提供了新的可能。

3.2.1 流程模拟

Aspen Plus是目前世界上性能最佳、适用面最广的流程模拟软件之一[34]。使用Aspen Plus可以对萃取操作进行设计，确定理论级数；或者在以一定方法（如实验测定、公式计算）获得有关填料萃取塔的等板高度或理论级数的数据之后，对萃取操作进行校核，或对操作条件进行优化[35]。鲁金辉等[36]使用Aspen Plus软件对环己酮装置中的萃取填料塔进行了模拟，在萃取剂用量和理论级数之间找到一个较优点，以达到萃取所要达到的要求。

流程模拟对复杂工艺过程的设计、优化，填料萃取塔设备的设计、改造，设备内的液泛速度及内部构件的校核等方面有突出的优势，现已广泛应用于工业工程领域。

3.2.2 计算流体力学模拟

对于研究填料萃取塔单元操作的传质和流体动力学特性，一些计算流体力学的模拟方法也渐渐应用起来，并且与实验值相比较，得到了吻合度很好的结果。

计算流体力学（CFD）方法已广泛应用于化学工业设备的局部流体力学细节预测中[37-38]，例如在转盘塔、混合澄清槽[39]等设备的研究中，运用CFD方法对设备进行模拟计算，以了解流体在设备中流动情况。与此同时，CFD方法对于表征填料床中的单相流和两相流是非常有用的，并且运用此方法可以评价填料尺寸与结构对超临界流体填料萃取塔的流体力学特性和质量及热量传递速率的影响。João Fernandes等[40-41]使用Fluent模拟软件（有限体积法思想）研究Sulzer EX金属丝网规整填料中的干塔压降和湿塔压降，并与实验数据进行比较。模拟采用对于全塔具有代表性的两个几何模型：2片填料和13片填料，运用了层流模型和多个湍流模型，模拟了不同CO2流速下的塔压降情况，模拟值与实验值吻合较好。

计算流体力学模拟方法能得到诸如流场、温度场、浓度场等微观详细信息，而这些又是反映传质、产量和效率的关键因素。这些信息的获得，对于填料和设备的优化有很好的指导作用。

3.2.3 其它模拟手段

国内外一些课题组自主开发了一些软件用于填料萃取塔研究，使计算过程更为快捷，结果更为准确。

中国石油大学[42-43]开发了塔设备设计软件CUP-Tower，该软件既能设计新塔，也能校核旧塔；既可以用于板式塔，也可以用于填料塔，并且此软件现已应用于填料萃取塔设计和校核。该软件计算模型先进，填料数据库齐全，操作简单，计算快捷方便。用户只要输入设计所必需的参数：两相流量、两相的物性参数（包括密度、黏度、扩散系数），CUP-Tower就能自动给出塔径、塔高、液滴平均直径、液泛速度、操作速度、传质系数、分散相体积分数等参数。此外，CUP-Tower还具有结果输出便利的优点，用户可以任意选择以Excel 文件形式或Word文件形式保存结果。

Outili等[44]应用基于Galerkine有限元方法的二维模型和Mathcad代码对填料萃取塔中复杂的传质行为进行模拟研究。有限元方法是依赖近似法的数值计算方法，将计算域的差分形式离散为代数形式。将填料塔离散为线性三角形元，半径用3个三角元代表，高度用7个三角元代表，得到的径向与轴向浓度分布与Seibert and Humphrey的实验数据进行比较，研究了分散相体积分数随塔高和塔径的变化情况。

Hans-Jörg Bart等[23-24,45]开发了 LLECMOD 软件，该软件设计初期是针对转盘萃取塔开发，使用visual digital FORTRAN语言，研究萃取塔中的两相传质行为和流体动力学行为。现此课题组也运用该软件对填料萃取塔中的两相行为进行研究，分别对甲苯/丙酮/水和乙酸正丁酯/丙酮/水体系的稳态萃取过程进行了模拟，考察了填料萃取塔的持液量、平均直径和质量传递行为。该软件不仅考虑两相的质量传递行为，而且将液滴的聚并和破碎也考虑在内，使结果更真实可信。

在填料萃取塔中液滴破裂频率如式（3）。

式（3）中，C1、C2、C3、C4为常数[46]，其值随体系而变。

聚并可能性如式（5）。

式（5）中，标准EFCE实验体系（欧洲化学工程师协会推荐的典型液液萃取体系）甲苯-丙酮-水的ξ8（实验参数）是 2500，乙酸正丁酯-丙酮-水的ξ8是1500，哈梅克常数Hcd是 10−9N·m[23]，哈梅克常数是表征物质之间范德华吸引能大小的参数。

从模拟结果可见，液滴直径、持液量和溶质浓度开始时都随塔高的增加而增加，增加到一定程度后不再增加而保持恒定值，其结果与Garthe的实验结果吻合效果很好。

近年来，运用计算机模拟手段对填料萃取塔的研究正在逐渐推广，同时，研究者也致力于研究新的数学模型并且开发新的模拟软件，希望能在考虑两相间作用力和液滴的聚并及破裂速率前提下，准确得到填料萃取塔的传质特性及流体动力学特性，使填料萃取塔的设计计算更为快捷和合理。

4 结 语

填料萃取塔有广泛的应用与发展前景，目前，填料萃取塔的设计、校核、优化，填料的开发等研究得到了相当大的重视。近年来，液液萃取填料的开发卓有成效，对填料萃取塔的研究方法以实验及经验公式相结合的方法为主，计算机模拟方法为辅。随着计算机技术的发展，理论模型的更为完善，计算机模拟方法将同实验方法及经验公式更为紧密的结合而应用到填料萃取塔的研究中，做到宏观研究与微观研究相结合，对塔内部信息了解得更为透彻，使填料萃取塔的设计更为合理，研究也更为快捷、方便，结果也更为准确、可靠。

符 号 说 明

a——脉动振幅，m

ac——传质比表面积，m2/m3

d——液滴直径，m

d100——100%破碎频率的特征液滴直径，m

dstab——稳态液滴直径，m

dvs——液滴平均直径，m

f—— 脉动频率，s−1

g——重力加速度，其值为9.81m/s2

PB(d) ——液滴的破碎频率

Pc(d) ——液滴聚合频率

Δt——时间间隔，s

ε——能量耗散率，m2/s3

εp——填料孔隙率

μc—— 连续相黏度，Pa·s

ρc——连续相密度，kg/m3

Δρ——两相密度差，kg/m3

σ——界面张力，N/m

Φ——分散相体积分数

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