撞擊流萃取技術的應用研究進展

佘啟明 (黃山學院化學化工學院，安徽 黃山 245041)

撞擊流萃取技術的應用研究進展

佘啟明 (黃山學院化學化工學院，安徽 黃山 245041)

介紹了萃取的概念和目前我國工業萃取技術的發展現狀，指出撞擊流技術應用于萃取工藝的優勢，并對基于撞擊流技術設計的萃取反應器的應用研究進行了總結，為研究撞擊流萃取技術研究提供參考。

萃??；撞擊流；反應器

萃取是指利用化合物在2種互不相溶(或微溶)的溶劑中溶解度或分配系數的不同，使被萃取組分從一種溶劑向另一種溶劑轉移的分離過程，其方式包括固-液萃取和液-液萃取。固-液萃取又稱浸取，是用溶劑分離固體混合物中的組分，如用水浸取甜菜中的糖類等；液-液萃取是指用選定的萃取劑分離液體混合物中的某種組分，如用CCl4萃取水中的Br2、用苯分離煤焦油中的酚等。萃取技術因其具有節約能源，操作方便等優點，在工業生產中得到了廣泛的應用。萃取過程的基本要求是使原本互不相溶的液體達到充分混合，混合效果的優劣直接影響著傳質過程，所以微觀混合效果在萃取傳質過程中起著至關重要的作用。目前，工業萃取設備普遍存在裝置體積過大、級效率低等缺陷，而撞擊流作為一種過程強化技術，在強化相際接觸和微觀混合方面具有獨特的優勢，因此將撞擊流技術應用于萃取過程以促進液相的微觀混合具有巨大的潛力。下面，筆者對撞擊流萃取技術的應用研究進展進行闡述?黃山學院校級科研項目(2011xkj016)。。

1 撞擊流基本原理

撞擊流是一種新型的過程強化技術，由Elperin[1]首先提出，隨后Tamir.A等[2-4]、Mahajan A等[5]、Denshchiliov V A等[6]將其應用于多種化工單元操作過程，結果表明，撞擊流能夠有效強化相間傳遞過程和極大地促進混合，傳遞系數比普通相際強化過程提高數倍甚至數十倍，微觀混合效果提升明顯。

圖1 撞擊流基本原理圖

撞擊流基本原理如圖1所示。從圖1可以看出，2股氣固兩相流相向高速流動撞擊，在加速管間形成高度湍動的撞擊區，撞擊面附近顆粒由于慣性和摩擦阻力的作用在兩股相向流體間往復穿梭滲透。在此過程中，相間傳遞由于下列因素得以顯著強化：①撞擊面附近極高的相間相對速度；②顆粒藉慣性在兩股相向流體間往復滲透的振蕩運動；③撞擊區中高度湍動。

綜上所述，撞擊流是一種特殊的流動結構，具有促進相間傳質和微觀混合的特點，適合需要高相間相對速度以強化傳遞的過程，目前已應用于超細粉體制備、濕法脫硫、萃取、干燥、結晶、吸收等多種化工單元操作過程。

2 撞擊流萃取技術的研究

2.1國外研究現狀

早在1951年，Carver等[7]就將撞擊流應用于萃取過程并獲得專利，他們使用煤油作為萃取劑，在撞擊流條件下從水和乙醇的混合溶液中萃取乙醇，最大萃取效率達到96%，明顯優于傳統方法。

注：1—待處理溶液；2—萃取劑；3—輕相；4—重相；5—液體霧化噴嘴。

注：1—反應器；2—沉降槽；3—同軸噴嘴；4—薄膜；5、6—流量計。

1994年， Tamir.A[8]設計了一種將撞擊流用于液-液萃取的基本裝置(見圖2)，其工作原理如下：待處理溶液1和萃取劑2通過同軸對置的噴嘴5噴射霧化，通過撞擊流使微液滴在中部撞擊區高速湍動，并在反應器內壁上合并聚集，在相對短的時間內強化相與相之間的傳質過程，從而提高萃取效率。

為了在獲得高傳質系數的同時降低能耗，Tamir.A等[8]在2000年又提出一種新型的薄膜萃取裝置(見圖3)。該裝置的基本原理是，以穩定流量將待分離的混合物和萃取劑通過圓筒形同軸噴嘴相向噴出，液體在撞擊面上撞擊，形成厚度約10～500μm的薄膜，并在垂直于軸線的初始平面上流動。采用2個萃取體系：①鹽酸溶液；②水-碘-煤油。研究結果表明，這種新型撞擊流薄膜萃取裝置的分離速率大約是傳統攪拌容器分離速率的10倍。

Yuli.Berman等[9]通過實驗研究得到了新型薄膜萃取裝置與常規萃取裝置傳質系數對比值。研究表明，新型薄膜萃取裝置對于相對理想功率輸入情況下，傳質系數提高10～200倍。另外，由于在不互溶薄膜間的擴散較小，這種新型萃取裝置的平均停留時間較短，但由薄膜湍動產生的質量傳遞卻非常強烈，具備良好的萃取效果，現已應用于磷酸清洗過程中。

在前人研究的基礎上，Asghar等[10-13]于2002年將撞擊流應用于萃取金屬離子，結果表明，其自行設計的軸向撞擊流萃取反應器在同等條件下萃取效率比常規的連續攪拌反應器效率高。

2.2國內研究現狀

國內關于撞擊流技術的應用研究始于上世紀90年代，伍沅等[14]研發了立式撞擊流反應器、撞擊流結晶器、浸沒循環撞擊流反應器等，并研究了不同類型撞擊流反應器在各種化工單元操作中的特性，包括萃取過程中的性質等。

1)撞擊流增強萃取反應器 張聯節等[15]在伍沅設計的浸沒循環撞擊流反應器(SCISR)基礎上，將攪拌與水平撞擊流相結合，設計出撞擊流增強的萃取反應器(見圖4)，以磷酸三丁酯(TBP)為萃取劑，NaOH作反萃劑，煤油作稀釋劑，對模擬含鉻廢水中的Cr6+進行了萃取脫除的試驗研究。結果表明，撞擊流反應器形成的流動結構在兩流體對撞的撞擊區內獲得了高傳質系數，有效強化了相際傳質過程，提高了液液萃取效率(與同等條件下的傳統單級化學萃取過程相比，單級萃取率約提高20%)。

2) 撞擊流-旋轉填料床萃取反應器 撞擊流-旋轉填料床萃取反應器是劉有智等[16]在撞擊流-旋轉填料床反應器研究的基礎上研發的一種新型萃取設備(見圖5)，其特點在于以撞擊流為預混合方式改變了旋轉填料床的進料方式，旋轉填料床內側的強烈剪切使撞擊流周圍湍動程度較低的區域(如回流區等) 得以強化，同時具備超重力反應器和撞擊流反應器的優勢，具有傳質強度高、通過強度高、停留時間短等優點，在萃取工藝方面具有廣闊應用的前景。

圖4 撞擊流增強萃取反應器主體結構 圖5 撞擊流-旋轉填料床萃取反應器主體結構

在隨后的研究中，劉有智等[17-19]采用撞擊流- 旋轉填料床萃取反應器, 選用磷酸三丁酯(TBP) 為萃取劑(稀釋于煤油中)，分別對絡合萃取法分離苯酚稀溶液和醋酸稀溶液的過程進行了研究。結果表明，在適宜的操作條件下, 撞擊流旋轉填料床對于磷酸三丁酯與醋酸的絡合萃取過程具有良好的萃取傳質性能, 萃取級效率高達98%以上。

3 結 語

隨著我國經濟的快速發展，能源問題日趨嚴峻，節能降耗逐漸成為工業生產的首要問題。將撞擊流技術應用于萃取工藝，可以改變傳統工業萃取裝置能耗高、維護費用高、適應性差的缺陷，對于節能生產意義重大。基于撞擊流技術設計的各種新型撞擊流萃取反應器與傳統萃取反應器相比，傳質系數更高，萃取裝置體積更小，因而具有廣闊應用前景。但就工業應用來說，仍需對多種萃取體系進行深入研究，以期在國民生產中更好地發揮節能降耗的作用。

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[編輯] 李啟棟

TQ027.1

A

1673-1409(2013)25-0035-03

2013-06-12

佘啟明(1984-)，男，碩士，助教，現主要從事化學工程方面的教學與研究工作。