含酚废水高效萃取塔的开发与应用研究

常旭

摘  要：系统的介绍了高效萃取塔及其内构件的研发过程，深入的探讨了制约煤化工项目快速发展的含酚废水问题。

关键词：含酚废水;现代测试技术;流体力学;高效萃取塔

1   前言

煤化工项目在造气过程中会产生大量高污染、高浓度的含酚废水，其水质成分极其复杂，包含大量的酚类、烃类、氰化物、杂环类有机物和氨氮化合物等有毒有害物质，处理难度及处理成本较高，已成为制约煤化工项目快速发展的瓶颈。因此，以现代测试技术和计算流体力学模拟相结合为主要方法，开展多相流体流动和传质性能的研究，发展新型测试技术和方法，开发出高效萃取塔及其内构件，分离、回收了含酚废水中的有毒有害物质，减轻后续生化处理及深度处理装置负荷，实现废水循环回收利用即零排放，为含酚废水高效萃取塔的工业化应用以及煤化工项目快速发展提供了基础和新途径。

2   含酚废水高效萃取塔应用的影响因素

为了防止自然环境的恶化，达到不乱排废水的工业排放要求，实现废水零排放标准，在近代煤化工项目中越来越多的采用了萃取塔处理含酚废水，但影响萃取过程的因素有很多，至少需要满足以下条件才能保证萃取效果。

2.1 萃取剂的选择

在萃取剂的选择上有烃类、醇类、醚类、酯类、酮类及络合类等类别，对于一种优秀的萃取剂，必须具备萃取分配系数高、在水中溶解度小、化学性质稳定、沸点低、易回收、毒性低、热稳定性好等特点。目前，国内外煤化工项目选择应用较多的萃取剂是甲基异丁基酮和二异丙基醚，甲基异丁基酮对单元酚、多元酚的分配系数更高一些，而二异丙基醚的沸点低、溶剂回收时能耗低，因此需根据含酚废水中单元酚及多元酚含量的占比情况及出水指标要求选择萃取剂。

2.2 温度变化

萃取是利用各组分在萃取劑中溶解度的差异来达到组分分离目的。而温度会影响物质的溶解度，温度升高导致溶解度增大，使萃取效率迅速下降。所以，对于已确定的萃取系统，萃取温度应尽量远离萃取剂的沸点以及共沸点（萃取剂与含酚废水混合物的沸点）。通常，甲基异丁基酮（沸点118℃）的萃取操作温度为60～80℃，而二异丙基醚（沸点68℃）的萃取温度为35℃～45℃。

2.3 PH变化

含酚废水在碱性条件下，酚类物质会发生部分电离，从分子态变成离子态，形成酚钠盐，使萃取脱酚效果降低。随着pH的增大，萃取剂对含酚废水的萃取效率渐渐降低，当pH>8.5时，萃取分配系数急剧下降，萃取后废水中残留的总酚含量迅速增加，为了获得较好的脱酚效果，萃取前应控制含酚废水的pH小于7。

3   含酚废水高效萃取塔的研究依据

萃取塔是一种广泛应用于石化、环保等领域的传质分离设备，具有密闭性好、设备紧凑、体积效率高、类型多等优点。常用的萃取塔型式主要有填料式、转盘式、筛板式、喷淋式等。目前在国内应用较多的是填料萃取塔和转盘萃取塔。

转盘萃取塔的优点为存留时间短、分相迅速、传质效率及萃取效率高、相平衡建立快，易于实现单级、多级串联的逆流或错流洗涤和萃取;缺点为处理水量小、不适用于物质浓度差小、粘度大的两相分离体系，传质效果会随着温度的升高而下降，且设备整体投资高、加工能力有限，因此其不适用于近代煤化工项目。

近代煤化工项目均采用填料萃取塔进行萃取脱酚。在填料萃取塔内，通过液体分布器让含酚废水与萃取剂均匀喷洒到连续相中，两相呈逆流流动在填料中，经过多次混合的连续微分接触后，形成较大的相际接触面并进行传质，达到萃取脱除效果。

填料萃取塔的优点为处理水量大、能耗低、劳动强度低、设备整体投资低、便于安装制造等;缺点为运行通量偏低、液滴分散不好、存在轴向返混，导致传质效率较低，在实际应用中主要表现为萃取效率较低及萃取级数不够。

4   含酚废水高效萃取塔的过程研发

传质效率是提高萃取效率及萃取级数的关键。通过研究萃取塔内连续相流速、分散相流速与运行通量、存留分数、流动特性、液泛通量、传质单元高度等之间的对应影响关系，进一步提高填料萃取塔的传质效率是国内外科技研究的发展趋势，因此针对水力学特性和传质性能模型的研究受到了越来越多的关注。

4.1 运行通量

运行通量是衡量萃取塔处理能力的重要指标，运行通量的大小取决于液泛通量，而液泛通量主要取决于填料。在保持较高传质效率的同时，为提高运行通量，含酚废水高效萃取塔采取在填料主体板片上开设导向孔，利用导向孔外缘对分散相液滴较强的切割作用，可有效的将大液滴破碎成小液滴，提高两相接触传质面积;同时，利用导向孔对液滴的扰动，也能促进液滴的表面更新，这两点都有利于提高传质效率;并且，导向孔在一定程度上有利于分散相的通过而减少连续相的过孔流动，降低连续相对过孔分散相的阻碍作用，从而有利于提高运行通量。

4.2 存留分数

在萃取塔内分散相总是在填料孔隙的连续相中占有一定的体积分数，通常称之为存留分数或持液量。存留分数反映了液液萃取塔内两相间传质面积的大小以及分散相液滴的分散程度，存留分数的大小在一定程度上反映了萃取塔的性能，影响存留分数大小的主要因素有物系性质，如表面张力、传质方向、填料特性及两相流速等。

连续相流速对存留分数的影响不大，分散相流速对存留分数影响很大，随分散相流速增加，存留分数接近于线性增长，直至破坏两相正常的逆流流动，使某一相夹带在另一相中流出，出现“液泛”。为防止液泛的出现，进一步提高萃取塔内存留分数，含酚废水高效萃取塔采用格册规整填料，该填料主体采用一定倾斜度的平行板交错排列，通过平行板引导两相沿格栅板片表面流动，抑制无序流动，使两相整体趋于平推流，有利于减小返混.提高传质效率。经实验室验证，当两相流速比LR为1：5时，含酚废水高效萃取塔的两相液泛通量约为150 m3·m-2·h-1，与其它传统典型填料相比，液泛通量有明显提高。例如鲍尔环的液泛通量约为30-50 m3·m-2·h-1，蜂窝格栅填料的液泛通量约为70-100 m3·m-2·h-1。

4.3 传质单元高度

随连续相流速的增加，传质单元高度初始增长较快，而后增速减缓。主要是因为当连续相流速较高时，分散相存留分数增大，停留时间变长，液滴变小，接触面积增大，这两方面的因素都促进了传质，使得传质高度的增速降低。

随分散相流速的增加，传质单元高度降低。主要是因为当分散相流速增加时，由于分散相存留分数随分散相流速显著增大，而液滴直径变化不大，这使得两相接触面积增大，促进了传质，因此传质单元高度降低。

含酚废水高效萃取塔因拥有较高的两相液泛通量及分散相流速，其传质单元高度远远低于与其它传统典型填料萃取塔。经实验室验证，传质单元高度最低达0.6m。说明在相同条件下达到同样吸收要求所需的填料层高度非常小，具有较高的传质效率。

5   结论

通过上述水力学特性和传质性能研究及实验室验证，开发出了一种新型含酚废水高效萃取塔及其格册规整填料，该塔在两相流速比LR为1：5时，具有较高的运行通量、存留分数、液泛通量和较小的传质单元高度，其传质效率远远高于其它传统典型填料萃取塔，特别适用于处理煤化工项目在造气过程中产生的大量高污染、高浓度的含酚废水，可应用于新建项目的萃取塔及现有萃取塔的产能提升改造，拥有较好的工业应用前景。

参考文献：

[1]刘庆欣《填料萃取塔的操作性能及设计计算》，辽宁化工

[2]范召运，蔡卫滨，杨蕴辉，王玉琪，王玉军，朱慎林《导向格栅规整填料萃取塔的操作性能》，化工学报