　　摘　要　在φ120的不銹鋼填料塔中，以φ16共軛環(huán)塔填料為研究對象，分別選用正丁醇-丁二酸-水和30%TBP(磷酸三丁酯)的煤油-醋酸-水2種不同界面張力的體系進行試驗，測定了該填料在不同兩相流速下的表觀傳質單元高度，和相同條件下測定的同尺寸鮑爾環(huán)、拉西環(huán)和θ環(huán)作了比較，θ環(huán)的表觀傳質單元高度(H_oxp)比共軛環(huán)小，但共軛環(huán)的(H_oxp)分別比鮑爾環(huán)小16%，比拉西環(huán)小25%.本文對影響傳質性能的因素也進行了分析.
　　關鍵詞　塔填料；傳質性能；傳質單元高度
　　中圖資料分類號　TQ028.32

STUDY ON MASSTRANSFER PERFORMANCE OF EXTRACTION
COLUMN PACKED WITH CONJUGATE RING

HuangHong　Deng Shuhua　YangZhuoru　Chen Huanqin
(Res. Inst. of Chemical Eng., South China Univ. of Tech.,Guangzhou 510640)

　　Abstract　Ina 120mm extraction column, two different extractionsystems, butanol-succinic-water and 30%(TBP) kerosene-aceticacid-water are chosen to examine the mass transfer performanceof φ16 conjugate ring under various continuous phase and disperse phase velocities, and compared with that of same size rashing ring, pall ring and θ ring under the same conditions. Results show that H_oxp (height of mass transfer unit based on plug flow and continuous flow) of conjugate ring is bigger than that of θ ring, but less than that of pall ring and rashing ring at a rate of 16% and 25% respectively. Factors of affecting mass transfer were discussed.
　　Key words　tower packing; mass transfer performance; height of mass transfer unit

　　拉西環(huán)、鮑爾環(huán)是兩種傳統(tǒng)的塔填料，在精餾、萃取等化工過程中都有應用，θ環(huán)是一種傳質效率較高的塔填料，共軛環(huán)^［1］填料是華南理工大學研制的一種高效散堆填料，在汽-液傳質過程中它與拉西環(huán)、鮑爾環(huán)相比，具有通量大、阻力小、傳質效率高等優(yōu)點，和θ環(huán)相比具有阻力小的優(yōu)點，已在精餾和吸收過程中得到廣泛應用，但在萃取過程中還未得到應用，主要由于缺少液-液傳質過程中的兩相流動和傳質數(shù)據(jù).

1.萃取塔； 2. 水相入口； 3. 有機相入口；
4. 水相出口； 5. 有機相出口；
6、7. 泵； 8. 流量計； 9、10. 儲罐
圖1　φ120mm填料萃取塔流程
　Fig.1　Flow chart of φ120mm　packed extractioncolumn

　　本文主要在φ120的不銹鋼填料塔中，選用兩種不同界面張力體系對這四種填料的傳質性能進行測試，并對傳質單元高度的影響因素進行了分析.

1　實驗裝置及實驗技術

1.1　實驗裝置與流程
　　圖1為φ120mm萃取塔流程圖.水相用耐腐磁力泵由塔頂入口送入，有機相用離心泵由塔下部進口送入，進出口流量用轉子流量計計量并調節(jié)，控制連續(xù)相(水相)出口流量以保持相界面恒定.
1.2　實驗體系與填料特性數(shù)據(jù)
　　(1)填料特性數(shù)據(jù)見表1.
　　(2)實驗體系

表1　填料特性數(shù)據(jù)
Table 1 Characteristic data of towerpackings

填料名稱	比表面積 a/m^2.m^-3	空隙率 e/m^3.m^-3	堆積密度 ρ/kg^.m^-3
φ16共軛環(huán)	313	0.96	340
φ16θ環(huán)	488	0.96	300
φ16鮑爾環(huán)	364	0.94	380
φ16拉西環(huán)	356	0.93	360

　　本文采用了兩種傳質體系，其中水相均為連續(xù)相，有機液體作為分散相.
　　體系1：正丁醇-丁二酸-水
　　體系2：30%TBP(磷酸三丁酯)的煤油-醋酸-水
　　體系1為低界面張力體系，在萃取過程中形成的液滴直徑較小，當用機械攪拌萃取裝置時易于乳化，是歐洲化學工程聯(lián)合會推薦的萃取傳質實驗標準體系之一^［2］. 體系2的界面張力比體系1的大，屬中低界面張力系，用機械攪拌萃取裝置也易乳化.中低界面強力體系有一定的工業(yè)生產(chǎn)背景，從界面張力方面來說和潤滑油糠醛抽提的體系相近，常用作萃取傳質試驗的體系，有利于和其它塔型的傳質試驗進行比較. 體系的物性參數(shù)見表2.

表2　體系的物性數(shù)據(jù)
Table 2　Data of physical properties of thesystems

體　系	ρ_d/kg^.m^-3	ρ_c/kg^.m^-3	μ_d/10^-3kg^.(m^.s)^-1	μ_c/10^-3kg^.(m^.s)^-1	r/10^-3 N^.m^-1	D_d/10^-10 m^2.s^-1	D_c/10^-10 m^2.s^-1
體系1	846	987	3.10	1.20	1.6	2.80	6.8
體系2	829	1035	2.07	0.90	10.8	4.35	10.4

1.3　實驗技術
　　實驗中分散相和連續(xù)相中的溶質濃度采用滴定法測定，用酚酞作指示劑. 分別測定兩相的進出口濃度.
　　實驗體系的平衡關系由實驗標定，回歸后得到如下關系式：
　　體系1：

(1)

　　線性相關系數(shù)r=0.996.標準方差0.04.
　　體系2：

(2)

　　線性相關系數(shù)r=0.998.標準方差0.04.
　　兩條平衡曲線在低濃度范圍內呈良好的線性關系.

2　實驗結果與分析

　　根據(jù)實驗中測定的每種填料每種體系的進出口分散相和連續(xù)相的濃度，求出表觀傳質單元高度H_oxp^［3］來進行比較.
　　表觀傳質單元高度的計算如圖2：

圖2　柱塞流模型示意圖
Fig.2　Diagram of plug flow model

(3)

N_oxp=hK_oxpa/v_x

(4)

H_oxp=H/N_oxp

(5)

　　邊界條件：

(6)

　　X表示連續(xù)相濃度，X^*表示平衡濃度，x_F表示連續(xù)相進口濃度，x_R表示連續(xù)相出口濃度，y_E表示分散相出口濃度，y_S表示分散相進口濃度．X^*由平衡關系式(1)、(2)求得，可算得H_oxp.圖3、4是四種填料在兩種體系中的傳質單元高度比較結果.

圖3　體系1四種填料表觀傳質單元高度比較
Fig.3　Comparison of height of mass transfer unit (four packings,system 1)

圖4　體系2四種填料表觀傳質單元高度比較
Fig.4　Comparison of height of mass transfer unit (four packings,system 2)

　　從圖中可看出，相同的兩相流速下，共軛環(huán)填料的表觀傳質單元高度比θ環(huán)稍大，但分別比鮑爾環(huán)、拉西環(huán)小16%和25%.與鮑爾環(huán)和拉西環(huán)相比，共軛環(huán)填料具有較好性能，其主要原因如下：(1)共軛環(huán)的獨特結構集中了環(huán)形和鞍形填料的優(yōu)點，流體在兩相間不易造成屏蔽作用.在萃取塔中促進了兩相界面的接觸.(2)共軛環(huán)填料在堆填時，相互間主要形成點接觸，所以不但單個填料具有均勻性，在全塔中也具有均勻的空隙.使分散相在全塔中具有良好的分布. 塔填料的不均勻分布可能會使局部傳質系數(shù)增大，但肯定不足以彌補其它地方的傳質系數(shù)的下降.
　　和θ環(huán)相比，共軛環(huán)的表觀傳質單元高度略大，但共軛環(huán)塔填料的阻力遠小于θ環(huán)，也小于鮑爾環(huán)和拉西環(huán).^［4］
　　從圖中也可以看出，相同填料、相同兩相流速下，體系2的表觀傳質單元高度遠大于體系1，這是由于體系2的界面張力大于體系1.因為體系2的分散相液滴直徑大于體系1，所以對于低界面張力體系宜采用填料萃取塔.

3　結　論

　　共軛環(huán)填料在萃取塔中具有優(yōu)良的傳質性能，共軛環(huán)填料的表觀傳質單元高度分別比鮑爾環(huán)、拉西環(huán)小16%和25%.和鮑爾環(huán)、拉西環(huán)相比，使用共軛環(huán)塔填料在萃取過程中將具有廣闊的應用前景.對于低界面張力體系宜采用填料萃取塔.

符　號　說　明

D—擴散系數(shù)，m²/s	v—表觀速度，m/s	K_oxa—基于連續(xù)相的“真實”體積傳質系數(shù)，1/s
H—無因次填料高度	N_ox—“真實”傳質單元數(shù)	K_oxpa—基于連續(xù)相的表觀體積傳質系數(shù)，1/s
N_oxp—表觀傳質單元數(shù)	Pe—Peclect準數(shù)	X—平推流下連續(xù)相濃度，mol/L
x—真實的連續(xù)相濃度，mol/L	y—真實的分散相濃度，mol/L	Y—平推流下分散相濃度，mol/L
ρ—密度，kg/m³	μ—粘度，kg/(m^.s)
下標
c,x—連續(xù)相	d,y—分散相	S—溶劑相	R—萃余相
F—水相進口	E—溶劑相出口	0—塔頂	1—塔底

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共軛環(huán)填料萃取塔的傳質性能研究