環隙式離心萃取分離技術研究進展

徐 艷，張保棟，張艷紅，白志山*

(1.華東理工大學化工機械研究所，上海200237;2.中國石油化工股份有限公司齊魯分公司，山東 淄博255434)

環隙式離心萃取分離技術研究進展

徐 艷1，張保棟2，張艷紅1，白志山1*

(1.華東理工大學化工機械研究所，上海200237;2.中國石油化工股份有限公司齊魯分公司，山東 淄博255434)

綜述了國內外環隙式離心萃取分離技術的研究進展，包括環隙式離心萃取器的結構形式和參數、結構改進、流態及速度分布、水力學特性和傳質特性等;介紹了環隙式離心萃取分離技術在核燃料后處理、石油化工及濕法冶金領域的應用;指出環隙式離心萃取分離技術是未來萃取技術的發展方向，環隙間傳質因素及轉子和堰區域的分離因素等是其今后的研究方向。

環隙式離心萃取器 水力學特性 傳質分離 己內酰胺

離心萃取技術是借助離心力場實現液-液兩相的接觸傳質和相分離，其設備具有結構緊湊、處理能力大、運轉平穩、功耗低、清洗維護方便等特點，被廣泛應用于冶金、化工、石油、制藥以及核燃料后處理等領域。但是，早期開發的離心萃取器存在著結構復雜、加工要求高、制造成本高、維修清洗不方便等缺點，因此，其應用也受到了一定程度的限制［1］。

隨著核工業的發展，各國在離心萃取器研究方面也取得了很大進展。美國阿貢國家實驗室開發出了環隙式離心萃取器，無論從制造方面還是操作運行方面都公認是最簡單的，也是目前國內外研究最多的一種離心萃取器［2－3］，與其他離心萃取器相比，其集傳質和分離于一體，制造簡單，轉鼓上懸，解決了動密封問題，消除了液體的泄漏，適用性強。環隙式離心萃取分離器不僅具有一般離心萃取器的優點，而且在很大程度上克服了一般離心萃取器的不足，引起了萃取技術工作者越來越多的關注。

1 環隙式離心萃取器結構及特點

1.1 結構形式和結構參數

在環隙式離心萃取器工作過程中，互不相溶的兩相從各自入口進入環隙，借助轉鼓的旋轉產生的表面摩擦力而快速混合。混合液從轉筒底部的入口進入轉鼓內部，在離心力作用下分相。重相被甩至轉筒壁處，經過重相堰流入重相收集室，從重相出口流出。輕相則被擠至轉筒中心處，經輕相堰和水平通道流入輕相收集室，從輕相出口流出，其結構見圖1。

圖1 環隙式離心萃取器結構示意Fig.1 Schematic diagram of annular centrifugal contactor

1.2 結構改進

L.L.Macaluso［4］發明了帶原位清洗裝置的環隙式離心萃取器。該環隙式離心萃取器的軸為空心結構且軸上布置了高壓噴嘴，這些高壓噴嘴的清洗范圍覆蓋了整個轉筒以及轉筒上的重相通道。該裝置在清洗過程中可全自動進行，且不需要拆裝離心萃取器，使清洗更方便。還提出了適用于制藥業易于清洗的環隙式離心萃取器［5］。

由于在核工業的應用中需遠距離操作和維修，P.Rivalier［6］提出了模塊式設計。熱室實驗用環隙式離心萃取器可分為3個模塊，即外殼模塊、轉筒模塊、電機模塊，模塊之間采用磁力耦合驅動，無需螺釘和螺栓即可完成安裝。而之后的熱室實驗模塊化設計也出現了采用2個模塊結構，即外殼模塊、軸承座模塊(包括了轉筒和電機)［7］。模塊化設計使環隙式離心萃取器可以通過簡單的上下移動來實現快速拆裝，為遠距離安全操作提供了條件。

1.3 串聯方式

由于單級萃取的萃取率低且需要消耗大量的萃取劑，往往不能滿足實際工藝過程的要求，因此為了獲得較好的萃取效率和產品性能，洗滌、反應和萃取過程往往需要多級過程，因此需要把單級設備串聯成多級逆流萃取設備［8］。

國內外的研究者對多級逆流萃取進行了大量的實驗研究。D.H.Meikrantz等［9］研究了 φ 71 mm三級逆流串聯環隙式離心萃取器的萃取效率，在不同的流比下對含丙酮的有機溶液進行水洗，其中三級萃取效率高達99%，能有效地提高生產效率。于文東等［10］用環隙式離心萃取器連續逆流提取氫化可的松，用醋酸丁酯從發酵液中萃取氫化可的松，其萃取率可達到91% ～93%，降低了萃取劑耗量。

2 水力學特性和傳質特性

2.1 界面半徑

環隙式離心萃取器分相時輕重兩相之間的界面應位于澄清段頂部的輕相堰和重相堰上流通道口之間，否則會發生異常情況。界面控制是保證環隙式離心萃取器正常運轉的重要手段，因此，界面半徑的變化規律對解決相夾帶問題十分重要。

D.S.Webster［11］提出了空氣堰壓力調節界面的方法，即在第一重相堰處，通過重相與軸中心孔的壓縮空氣平衡來調節界面，另外設置第二個重相擋板和重相堰，使空氣堰的壓縮空氣在離心力的作用下密封。空氣堰壓力調節兩相界面是連續微分式的，在設備運轉過程中可以通過調節壓縮空氣壓力來連續改變相界面位置，而不需要停車和拆卸轉鼓。

趙百仁等［12］采用“快速放液法”擬合了φ 20 mm環隙式離心萃取器的界面半徑經驗公式，且計算值和實驗值吻合較好，平均誤差僅3.03%。

2.2 最大分離容量

環隙式離心萃取器的最大分離容量的影響因素主要有流比、轉速等。流比對最大分離容量的影響較為復雜，而提高轉速可提高分離因素，即提高了分離兩相混合液的能力，從而導致設備最大分離容量的提高。

B.D.Kadam［13］實驗研究了轉速、直徑和環隙大小等參數對分離容量的影響。其中分離容量的大小以分散數來表示。在φ 250 mm離心器中，實驗得出分離容量隨著轉速和環隙寬度以及密度差和界面張力的增加而增加，且在較低轉速下分離容量受界面張力的影響較大，而較高轉速下受密度差的影響較大。另外，由于黏度增加使液滴滑移速度減小，造成分離容量減小。

2.3 傳質特性

環隙式離心萃取器的傳質特性與設備的結構參數還有萃取過程的原理以及操作特點有關。結構參數對傳質效率的影響主要是由于其影響混合強度，這些結構參數包括轉筒和外筒之間的環隙、槳葉與轉鼓底部的間隙和槳葉厚度等。而兩相接觸面積直接影響擴散速度，對化學反應速度也有一定影響。增加攪拌強度，強化分散程度，減小液滴直徑，提高兩相接觸面積，就可以強化萃取過程，降低傳質達到平衡的時間。

早期的研究者測量了環隙式離心萃取器的傳質影響因素。研究了不同轉速、不同結構參數以及不同流量情況下傳質的變化以及他們和傳質系數的關系式，并得到了設備的特征速度和萃取效率公式。

G.Baier［14］通過在環隙式離心萃取器一相進口處添加追蹤劑，然后在兩相出口流體中測量其濃度來測量其傳質特性，研究表明當環隙間開始出現漩渦時，軸向擴散為最小值且界面傳質開始增加，萃取性能和傳質系數隨著泰勒(Taylor)渦的增強而提高，由滲透理論和漩渦速度與強度的非線性分析可知，傳質系數基本和轉速成線形比例關系。

3 流態和速度分布

在環隙式離心萃取器中，混合和傳質是在固定外筒和高速旋轉內筒之間的環隙中完成，環隙間的流動是一種典型的旋轉流動問題，環隙間的流動隨著泰勒數(Ta)的增大從穩態層流發展為湍流并表現出典型的非線性動力學行為。1923年 G.J.Taylor［15］采用實驗和理論分析相結合的方法研究了離心不穩定發生、發展的規律，他在實驗中觀察到了泰勒渦的存在并確定了渦距。Taylor用線性理論得到了無量綱數Ta，并定義Ta為離心力和粘滯力之比;發生離心不穩定時的Ta被稱為臨界泰勒數(Tacr);Taylor還發現由于粘性力抑制湍流，粘性流體的運動是相對穩定的。隨后，S.Chandrasekhar［16－17］給出了Ta和波數比值的穩定性曲線，曲線的最小值為Tacr，他還拓展了線性穩定性理論使之應用于寬間隙圓筒，并用伽遼金(Galerkin)法確定了軸向雷諾數(ReZ)到100 范圍內Tacr的變化。A.Davey［18］使用傅里葉變換研究了寬間隙的非線性軸對稱泰勒渦流，并根據漩渦波幅的變化推導出了Tacr的表達式。

同心旋轉圓筒環隙間流場的測試最先是采用干擾式的測試方法進行。P.R.Fenstermacher［19］用激光多普勒技術(LDV)測量間隙比為0.877、Ta為幾十倍Tacr時的流體流動形式，發現徑向速度分量存在14個旋渦，且在Ta較高時的湍流狀態下仍能保持流動的環形結構。S.T.Wereley［20］用粒子圖像測速技術(PIV)測量了環隙式離心萃取器的軸流速度場，實驗發現軸向速度是內筒旋轉頻率的兩倍，證明了內筒轉速和渦流的軸向運動存在耦合關系。R.Oliver等［21］用LDV測出了波渦、調制波渦及湍流在子午面上周向速度的時均等值線圖。K.Kose等［22］用快速 NMR成像測試了波狀渦流徑向速度的二維空間特性;D.Jonathan等［23］采用激光誘導熒光(LIF)的方法，研究了雷諾數(Re)為330的非波狀泰勒渦流區域的混合特性。這些測試工作得到了環隙式離心萃取器環隙間的流場特性。

近年來，采用計算流體力學(CFD)方法對離心萃取器環隙間流場特性的研究也逐漸獲得重視，K.A.Meyer［24］對泰勒渦流的時間特性進行模擬研究。R.D.Moser等［25］將譜數值方法應用于同軸圓筒之間Navier-Stokes方程的流場研究。S.Vedantam等［26］在小間隙條件下用有限差分法模擬了有軸向流的軸對稱泰勒渦流的流場。B.Haut等［27］通過用CFD模擬波狀渦流區域和泰勒渦流區的流動研究了環隙式離心萃取分離器在生物工程中的應用，數值求解了湍流運動參數的標準κ-ε方程，模擬所得的兩種形式的速度剖面與實驗結果符合。S.H.Sandesh等［28］模擬了環隙式離心萃取器環隙內的流體流動狀況及停留時間分布。

4 應用

環隙式離心萃取分離技術廣泛用于不含固體或含少量固體體系的液-液萃取領域，特別適用于密度較小，易乳化，難分離的物料的連續萃取，在核工業、化工、冶金、制藥等有重要的應用。

4.1 核燃料后處理

核燃料后處理過程中會產生大量的高放廢液，由于環隙式離心萃取器萃取停留時間短，有利于核幾何臨界安全和減輕萃取劑的輻照降解，因此十分適用于核燃料后處理過程。目前，美國、日本、法國、中國等采用分離法處理高放廢液時一般采用環隙式離心萃取器，都取得了滿意的效果。

美國國立阿貢研究所曾設計了轉鼓直徑為90 mm的核用環隙式離心萃取器。還為薩凡那河工廠提供了處理輕水堆燃料環隙式離心萃取器，其轉鼓直徑為250 mm，處理量為10 t。

清華大學核能和新能源技術研究院研制了不同規格的環隙式離心萃取器，其中φ 10 mm和φ 50 mm微型離心萃取器已用于我國處理高放廢液的三烷基氧膦(TRPO)流程的熱實驗驗證，并取得了滿意效果［29］。段五華等［30］將 φ 70 mm 核用離心萃取器在TRPO流程冷實驗臺架上實驗，此次實驗實現了核用離心萃取器生產規模化。

4.2 石油化工

近年，環隙式離心萃取器在石油化工行業取得了很大進步。許金全等［31］用φ 20 mm的環隙式離心萃取器研究了處理含酚廢水時不同操作條件對夾帶量和傳質級效率的影響。在實驗的操作條件下，單機設備兩相出口液中的夾帶量低于0.3%，傳質級效率都高于90%。而多級串聯實驗的三級萃取試驗和反萃取試驗中酚的萃取率達到97%，反萃取率接近100%［32］。

蘇華等［33］用φ 570 mm的環隙式離心萃取器對己內酰胺裝置酰胺化液的兩相分離進行了研究，并與重力分離效果比較。結果表明采用環隙式離心萃取器應用于酰胺化液的分離是可行的，可提高分離效果，有效減少了環己烷羧酸和硫酸、三氧化硫發生磺化副反應的機會，提高裝置效率。其工業裝置已用于中國石油化工股份有限公司石家莊煉化分公司。

華東理工大學針對延遲焦化裝置汽油帶堿難題，將環隙式離心萃取器應用于中國石化股份有限公司齊魯分公司二焦化液化氣脫硫醇裝置的溶劑水洗水分離，可以將汽油中堿含量約從80 μg/g降低到5 μg/g 以下。

環隙式離心萃取器還可以用在人造絲工廠的含鋅廢水，不銹鋼的酸洗廢水，含油有機廢水等。

4.3 濕法冶金

在濕法冶金采用萃取工藝時，特別是當需要級數很多或可以采用非平衡萃取時，環隙式離心萃取器的應用也有良好前景。

周嘉貞等［34］對19級環隙式離心萃取器逆流串聯裝置進行實驗，并與19級分液漏斗的串級試驗進行比較，結果表明在相同的工藝條件下，兩種串級方法稀土濃度隨級號的變化規律基本相同，而總的傳質效果也基本一致，而離心萃取器從啟動到平衡只需3 h時間，而分液漏斗實驗所需時間40 h。可知，環隙式離心萃取器可較快地獲得工藝方面的數據，并顯著提高工作效率。

Zhou Xiuzhu等［35］采用非平衡萃取法進行了銦和鐵的分離研究。首先采用兩臺φ 230 mm的環隙式離心萃取器進行了工業試驗。試驗結果顯示銦的萃取率為95.6%，而鐵的萃取率低于5%，實現了銦和鐵的有效分離。此項技術已經應用于廣西某工廠，創造了良好的經濟效益。

從實驗效果看，已試驗過的幾種元素級效率都大于90%，環隙式離心萃取器用于濕法冶金具有較好的前景，其在國內的濕法冶金萃取過程中發揮著越來越重要的作用。

5 結語

環隙式離心萃取技術是一種高效的溶劑萃取技術，具有結構簡單、處理能力大、兩相停留時間短、功耗低、適應范圍廣、占地面積小、投入低等優點，是未來萃取技術的發展方向，在未來核工業、冶金、化工、制藥等行業中有良好的應用前景。相信隨著對環隙間傳質因素以及轉子和堰區域的分離因素進行微觀尺度的深入研究，其應用領域將會不斷擴大。針對環隙式離心萃取技術的研究現狀及存在問題，今后的研究方向集中起來主要可歸納為以下3個方面:

(1)研究轉子和堰區域的流體動力學。轉筒的分離區影響分界面的形成和位置，而分界面的位置對分離性能有很大的影響。現有的文獻中沒有關于此區域的流態圖以及速度圖等流體動力學的研究。因此，有必要對轉筒和堰區域內的流體進行動力學研究。

(2)測量分界面的有效面積和壓力，并研究其對分離性能的影響。雖然已經測量出了界面半徑并得出了經驗公式，但是界面的有效面積和壓力對兩相的分離也有非常重要的影響，因此有必要對此進行研究。

(3)研究液滴的傳質行為和湍流狀態控制等細觀尺度。氣液和氣固分離還沒有受到足夠的重視，但又在工業上有廣泛的應用，因此仍需要更深入的研究。需要確定液滴的傳質行為、液滴-界面的聚合，確定流場中顆粒的受力與運動，湍流狀態控制等微觀尺度。

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Research progress in annular centrifugal extract separation technology

Xu Yan1，Zhang Baodong2，Zhang Yanhong1，Bai Zhishan1
(1.State Key Laboratory of Chemical Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai200237;2.SINOPEC Qilu Branch，Zibo255434)

The research progress of annular centrifugal extract separation technology was reviewed in China and abroad，including the structure and parameters of annular centrifugal contactor，structure modification，flow state and speed distribution，hydraulic characteristics and mass transfer characteristics.The application of annular centrifugal extract separation technology was introduced in the fields of nuclear fuel reprocessing，petrochemical industry and hydrometallurgy.It was pointed out that the future trend of extract technology development should be annular centrifugal extract separation technology，and the research focus in the future should be the annular mass transfer factor and the separation factor of rotors and weir region.

annular centrifugal contactor;hydraulic characteristics;mass transfer separation;caprolactam

TQ342.2

A

1001-0041(2012)04-0049-05

2011-12-09;修改稿收到日期:2012-05-13。

徐艷(1988—)，女，碩士研究生.研究方向為非均相傳遞與分離。E-mail:demi.yxu@gmail.com。

中央高校基本科研業務費專項基金、高等學校博士學科點專項科研基金(20100074120005);上海市青年科技啟明星計劃(10QA1401700);上海市教育委員會科研創新項目(12ZZ055)。

* 通訊聯系人。E-mail:fbaizs@yahoo.com.cn。