液液萃取是重要的化工分離手段，萃取塔因其密閉性強、占地面積小等優(yōu)點，在核化工、濕法冶金、廢水處理、石油化工領域得到廣泛應用。近日，中國科學院過程工程研究所在液液萃取塔的傳質強化理論和應用研究中取得進展。研究人員通過將徑向旋轉流場和軸向穿越流場進行耦合形成復合流場，強化了液-液相間傳質過程，開發(fā)出“攪拌-脈沖”新型萃取塔，每米傳質單元數(shù)高達10-15級，可將傳統(tǒng)萃取塔效率提高一倍以上，已在化學制藥、工業(yè)廢水處理和濕法冶金等領域應用。該新型萃取塔的基礎研究、開發(fā)與應用，對于推動我國溶劑萃取關鍵裝置的升級替代，以及相關行業(yè)的綠色、安全生產具有重要意義。

研究人員通過向萃取塔內同時引入高速徑向攪拌和軸向脈沖兩種外部能量，提高了分散相液滴的充分破碎-聚并頻率，強化了液液兩相間的物質傳遞；結合特定結構塔板，在保證液-液兩相的逆流流動的同時，抑制了軸向的返混程度。闡明復雜流場中分散相液滴的演化行為、液-液兩相的非均勻流動和傳質強化機制是實現(xiàn)萃取塔可靠量化設計的關鍵。研究人員從液滴的破碎與聚并角度出發(fā)，通過高速攝像技術獲取單液滴和液滴群行為的實驗數(shù)據(jù)，進一步建立了描述萃取塔內液滴直徑演化的群體平衡模型，與Coulaloglou & Tavlarides液滴聚并-破碎核函數(shù)相耦合，得到液滴直徑和分布隨塔高變化規(guī)律，破解了萃取塔內分散相液滴群隨塔高演變無法準確預測的難題。該研究成果發(fā)表在AIChE Journal上。

軸向返混是造成萃取塔效率下降的主要原因之一，傳統(tǒng)研究方法只能對連續(xù)相返混進行測量，而對分散相返混缺乏可靠的測量手段。研究人員創(chuàng)新性地將階躍示蹤劑法與自行設計的L-型取樣器相結合，克服了分散相因不連續(xù)而難以檢測的問題，對攪拌-脈沖萃取塔內的液-液兩相的軸向返混進行了測定。研究表明，攪拌脈沖萃取塔內，連續(xù)相軸向擴散系數(shù)是分散相軸向擴散系數(shù)的1-3倍。該研究成果發(fā)表在Industrial & Engineering Chemistry Research上。此外，研究人員進一步建立了攪拌脈沖萃取塔的分散相持液量、特征速度和操作區(qū)間，以及可靠的數(shù)學模型，為萃取塔的操作優(yōu)化提供了保障，該研究成果發(fā)表在Chemical Engineering & Technology上。

過程工程所擁有該技術完全自主知識產權，相關裝備已獲得2項專利授權。

圖1.攪拌脈沖萃取塔內液滴隨塔高分布及預測模型

圖2.萃取塔分散相軸向擴散系數(shù)測定裝置及結果

圖3.（a）含噻唑廢水萃取塔；（b）含苯酚廢水萃取塔；（c）烯草酮生產中酸洗、水洗塔; （d）含特戊酸廢水萃取塔