撞击流萃取技术的应用研究进展

佘启明 (黄山学院化学化工学院，安徽 黄山 245041)

撞击流萃取技术的应用研究进展

佘启明 (黄山学院化学化工学院，安徽 黄山 245041)

介绍了萃取的概念和目前我国工业萃取技术的发展现状，指出撞击流技术应用于萃取工艺的优势，并对基于撞击流技术设计的萃取反应器的应用研究进行了总结，为研究撞击流萃取技术研究提供参考。

萃取；撞击流；反应器

萃取是指利用化合物在2种互不相溶(或微溶)的溶剂中溶解度或分配系数的不同，使被萃取组分从一种溶剂向另一种溶剂转移的分离过程，其方式包括固-液萃取和液-液萃取。固-液萃取又称浸取，是用溶剂分离固体混合物中的组分，如用水浸取甜菜中的糖类等；液-液萃取是指用选定的萃取剂分离液体混合物中的某种组分，如用CCl4萃取水中的Br2、用苯分离煤焦油中的酚等。萃取技术因其具有节约能源，操作方便等优点，在工业生产中得到了广泛的应用。萃取过程的基本要求是使原本互不相溶的液体达到充分混合，混合效果的优劣直接影响着传质过程，所以微观混合效果在萃取传质过程中起着至关重要的作用。目前，工业萃取设备普遍存在装置体积过大、级效率低等缺陷，而撞击流作为一种过程强化技术，在强化相际接触和微观混合方面具有独特的优势，因此将撞击流技术应用于萃取过程以促进液相的微观混合具有巨大的潜力。下面，笔者对撞击流萃取技术的应用研究进展进行阐述❶黄山学院校级科研项目(2011xkj016)。。

1 撞击流基本原理

撞击流是一种新型的过程强化技术，由Elperin[1]首先提出，随后Tamir.A等[2-4]、Mahajan A等[5]、Denshchiliov V A等[6]将其应用于多种化工单元操作过程，结果表明，撞击流能够有效强化相间传递过程和极大地促进混合，传递系数比普通相际强化过程提高数倍甚至数十倍，微观混合效果提升明显。

图1 撞击流基本原理图

撞击流基本原理如图1所示。从图1可以看出，2股气固两相流相向高速流动撞击，在加速管间形成高度湍动的撞击区，撞击面附近颗粒由于惯性和摩擦阻力的作用在两股相向流体间往复穿梭渗透。在此过程中，相间传递由于下列因素得以显著强化：①撞击面附近极高的相间相对速度；②颗粒藉惯性在两股相向流体间往复渗透的振荡运动；③撞击区中高度湍动。

综上所述，撞击流是一种特殊的流动结构，具有促进相间传质和微观混合的特点，适合需要高相间相对速度以强化传递的过程，目前已应用于超细粉体制备、湿法脱硫、萃取、干燥、结晶、吸收等多种化工单元操作过程。

2 撞击流萃取技术的研究

2.1国外研究现状

早在1951年，Carver等[7]就将撞击流应用于萃取过程并获得专利，他们使用煤油作为萃取剂，在撞击流条件下从水和乙醇的混合溶液中萃取乙醇，最大萃取效率达到96%，明显优于传统方法。

注：1—待处理溶液；2—萃取剂；3—轻相；4—重相；5—液体雾化喷嘴。

注：1—反应器；2—沉降槽；3—同轴喷嘴；4—薄膜；5、6—流量计。

1994年， Tamir.A[8]设计了一种将撞击流用于液-液萃取的基本装置(见图2)，其工作原理如下：待处理溶液1和萃取剂2通过同轴对置的喷嘴5喷射雾化，通过撞击流使微液滴在中部撞击区高速湍动，并在反应器内壁上合并聚集，在相对短的时间内强化相与相之间的传质过程，从而提高萃取效率。

为了在获得高传质系数的同时降低能耗，Tamir.A等[8]在2000年又提出一种新型的薄膜萃取装置(见图3)。该装置的基本原理是，以稳定流量将待分离的混合物和萃取剂通过圆筒形同轴喷嘴相向喷出，液体在撞击面上撞击，形成厚度约10～500μm的薄膜，并在垂直于轴线的初始平面上流动。采用2个萃取体系：①盐酸溶液；②水-碘-煤油。研究结果表明，这种新型撞击流薄膜萃取装置的分离速率大约是传统搅拌容器分离速率的10倍。

Yuli.Berman等[9]通过实验研究得到了新型薄膜萃取装置与常规萃取装置传质系数对比值。研究表明，新型薄膜萃取装置对于相对理想功率输入情况下，传质系数提高10～200倍。另外，由于在不互溶薄膜间的扩散较小，这种新型萃取装置的平均停留时间较短，但由薄膜湍动产生的质量传递却非常强烈，具备良好的萃取效果，现已应用于磷酸清洗过程中。

在前人研究的基础上，Asghar等[10-13]于2002年将撞击流应用于萃取金属离子，结果表明，其自行设计的轴向撞击流萃取反应器在同等条件下萃取效率比常规的连续搅拌反应器效率高。

2.2国内研究现状

国内关于撞击流技术的应用研究始于上世纪90年代，伍沅等[14]研发了立式撞击流反应器、撞击流结晶器、浸没循环撞击流反应器等，并研究了不同类型撞击流反应器在各种化工单元操作中的特性，包括萃取过程中的性质等。

1)撞击流增强萃取反应器 张联节等[15]在伍沅设计的浸没循环撞击流反应器(SCISR)基础上，将搅拌与水平撞击流相结合，设计出撞击流增强的萃取反应器(见图4)，以磷酸三丁酯(TBP)为萃取剂，NaOH作反萃剂，煤油作稀释剂，对模拟含铬废水中的Cr6+进行了萃取脱除的试验研究。结果表明，撞击流反应器形成的流动结构在两流体对撞的撞击区内获得了高传质系数，有效强化了相际传质过程，提高了液液萃取效率(与同等条件下的传统单级化学萃取过程相比，单级萃取率约提高20%)。

2) 撞击流-旋转填料床萃取反应器 撞击流-旋转填料床萃取反应器是刘有智等[16]在撞击流-旋转填料床反应器研究的基础上研发的一种新型萃取设备(见图5)，其特点在于以撞击流为预混合方式改变了旋转填料床的进料方式，旋转填料床内侧的强烈剪切使撞击流周围湍动程度较低的区域(如回流区等) 得以强化，同时具备超重力反应器和撞击流反应器的优势，具有传质强度高、通过强度高、停留时间短等优点，在萃取工艺方面具有广阔应用的前景。

图4 撞击流增强萃取反应器主体结构 图5 撞击流-旋转填料床萃取反应器主体结构

在随后的研究中，刘有智等[17-19]采用撞击流- 旋转填料床萃取反应器, 选用磷酸三丁酯(TBP) 为萃取剂(稀释于煤油中)，分别对络合萃取法分离苯酚稀溶液和醋酸稀溶液的过程进行了研究。结果表明，在适宜的操作条件下, 撞击流旋转填料床对于磷酸三丁酯与醋酸的络合萃取过程具有良好的萃取传质性能, 萃取级效率高达98%以上。

3 结 语

随着我国经济的快速发展，能源问题日趋严峻，节能降耗逐渐成为工业生产的首要问题。将撞击流技术应用于萃取工艺，可以改变传统工业萃取装置能耗高、维护费用高、适应性差的缺陷，对于节能生产意义重大。基于撞击流技术设计的各种新型撞击流萃取反应器与传统萃取反应器相比，传质系数更高，萃取装置体积更小，因而具有广阔应用前景。但就工业应用来说，仍需对多种萃取体系进行深入研究，以期在国民生产中更好地发挥节能降耗的作用。

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[19]刘有智，祁贵生，焦纬洲. 撞击流-旋转填料床萃取传质性能与微观混合效果的关系[J].化学工程, 2009,37(4):4-7.

[编辑] 李启栋

TQ027.1

A

1673-1409(2013)25-0035-03

2013-06-12

佘启明(1984-)，男，硕士，助教，现主要从事化学工程方面的教学与研究工作。