2.2液泛通量

在一定篩板振動強度和相比下，增加兩相流速到某一值時，分散相滯存率會急劇增加，而分散相滯存率過大會破壞兩相正常的逆流狀態(tài)，導致連續(xù)相夾帶分散相液滴從出口一同流出，這樣的狀態(tài)叫作液泛，測定此時的分散相滯存率并記錄兩相的流量，就得到該操作下的液泛條件。

液泛條件的測定由于操作穩(wěn)定性差而難度較大，利用關(guān)聯(lián)式預(yù)測液泛條件是常用且有效的方法。預(yù)測關(guān)聯(lián)式中常引入特性速度。針對萃取操作處于分散區(qū)的情況，汪家鼎等提出的特性速度u0關(guān)聯(lián)式較準確，見式（2）。

表3不同操作條件下的特性速度與指數(shù)

將式（2）等號兩邊取對數(shù)對實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合得到指數(shù)n與特性速度u0值列于表3。

由表3中數(shù)據(jù)可以看出d→c的指數(shù)n在1.2左右，c→d的n在3.9左右，說明指數(shù)只與體系的物性有關(guān)，與操作條件無關(guān)，傳質(zhì)方向不同導致指數(shù)n不同主要是有機相和水相分別作分散相的緣故。而特性速度與相比有關(guān)。由表3實驗結(jié)果可以看出，正丁醇-丁二酸-水體系的特性速度同時受兩相流速、相比和傳質(zhì)方向的影響，它們都對液滴大小有影響。

利用式（3）～式（5）計算得到的液泛速率及液泛滯存率與實測值列于表4。

表4中的數(shù)據(jù)對比顯示液泛條件下實測值與預(yù)測值的相對誤差在±9%之內(nèi)，說明式（3）～式（5）能夠較為準確地預(yù)測低界面張力體系在往復(fù)振動篩板塔的流體力學性能。同時也證明達到液泛時的分散相滯存率xF取決于相比L和傳質(zhì)方向，與篩板的振動速率無關(guān)。

表4液泛點實測數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)的對比

2.3體積傳質(zhì)系數(shù)

考慮到萃取中軸向混合對傳質(zhì)影響較大，用軸向擴散模型描述萃取塔液-液兩相傳質(zhì)過程更接近于實際情況。雷夏等[18]在Miyauchi和Vermeulen[19]提出的擴散模型的基礎(chǔ)上利用濃度剖面最優(yōu)化擬合方法求取傳質(zhì)單元高度。本文借鑒該方法的分析思路得到傳質(zhì)單元數(shù)Nod的計算式，如式（6）；再利用數(shù)值積分中值定理求得Nod，進而計算傳質(zhì)單元高度Hod和體積傳質(zhì)系數(shù)Koda，如式（7）。

兩相流速、相比與傳質(zhì)方向?qū)w積傳質(zhì)系數(shù)的影響見圖6。圖中結(jié)果顯示：分別用有機相溶質(zhì)濃度和水相溶質(zhì)濃度表示傳質(zhì)推動力得到的體積傳質(zhì)系數(shù)Koda和Koca隨著連續(xù)相流速的增加而增大，傳質(zhì)方向相同（d→c）時，高相比的體積傳質(zhì)系數(shù)（Koda或Koca）大于低相比的體積傳質(zhì)系數(shù)。其原因主要還在于高流速和高相比的情況下，傳質(zhì)相界面積a更大。

d→c傳質(zhì)的體積傳質(zhì)系數(shù)大于c→d傳質(zhì)的體積傳質(zhì)系數(shù)，但差距并不大。這是因為液滴與連續(xù)相傳質(zhì)時存在的Marangoni效應(yīng)。d→c傳質(zhì)時，液滴一側(cè)會出現(xiàn)濃度局部降低區(qū)域，此處界面張力增大，液滴表面收縮抵抗液滴內(nèi)部溶質(zhì)進入連續(xù)相，分散相液滴一側(cè)傳質(zhì)速率降低。而c→d傳質(zhì)時，分散相一側(cè)則會出現(xiàn)濃度局部增大，界面張力減小，液滴表面擴張的趨勢促使溶質(zhì)更快進入液滴內(nèi)部，分散相液滴傳質(zhì)速率較快，即Kod(c→d)>Kod(d→c)。但c→d的傳質(zhì)相界面積a遠小于相反方向，兩種相反的效應(yīng)使得d→c的體積傳質(zhì)系數(shù)與c→d的體積傳質(zhì)系數(shù)相差并不大。

圖6不同相比和傳質(zhì)方向下連續(xù)相流速對體積傳質(zhì)系數(shù)Koda、Koca的影響

圖7不同相比和傳質(zhì)方向下篩板振動速率對體積傳質(zhì)系數(shù)Koda、Koca的影響

圖7給出了篩板振動速率對體積傳質(zhì)系數(shù)的影響。如圖所示，隨著篩板振動速率的增加，相比L=2.0的體積傳質(zhì)系數(shù)Koda有小幅度的增大，而體積傳質(zhì)系數(shù)Koca隨Af增加的變化規(guī)律卻與前者不同。主要原因在于篩板振動強度的加大使傳質(zhì)相界面積a增大的同時，也使塔內(nèi)兩相的軸向混合加劇，傳質(zhì)系數(shù)降低。兩種反向效應(yīng)的影響對以有機相溶質(zhì)濃度為傳質(zhì)推動力的體積傳質(zhì)系數(shù)Koda相互抵消，所以Koda的變化幅度不大。而對以水相為傳質(zhì)推動力的體積傳質(zhì)系數(shù)Koca影響卻差別較大，從圖中相比L=2.0的Koca變化規(guī)律中可以明顯看出，Af小于2.0cm/s，a的增大起主導作用；當Af大于2.0cm/s時，軸向混合的影響突出。由此也可以看出，萃取過程中的軸向混合主要在于連續(xù)相。

當相比L=2.8，體積傳質(zhì)系數(shù)Koda和Koca都隨著Af的增大而升高，說明相比L較大時，連續(xù)相的軸向混合對傳質(zhì)的影響程度在減小。

此外，c→d的傳質(zhì)過程連續(xù)相體積傳質(zhì)系數(shù)幾乎不變，部分原因是由于此時有機相作連續(xù)相，且正丁醇的黏度大。

2.4與固定篩板萃取塔的對比

圖8給出了正丁醇-丁二酸-水體系分別在振動篩板塔與固定篩板塔中的分散相滯存率和分散相“真實”傳質(zhì)單元高度的對比。圖中顯示振動篩板塔中分散相滯存率x明顯高于固定篩板塔中的x，傳質(zhì)單元高度Hod遠低于固定篩板塔的Hod，而且振動篩板塔的x受連續(xù)相流速影響大，固定篩板塔的x受流速的影響微乎其微。這是由于兩種塔的萃取狀態(tài)不同（圖9），固定篩板塔的操作處于混合-澄清區(qū)[圖9(a)]，振動篩板塔的操作處于分散區(qū)[圖9(b)]。

表5振動篩板塔與固定篩板塔的液泛條件與效率因數(shù)對比

表5給出振動篩板塔與固定篩板塔液泛速度與效率因數(shù)的對比情況。從表中數(shù)據(jù)得到，振動篩板的液泛通量比固定篩板塔的液泛通量提高近4.3倍，這是由于振動篩板塔外界機械能產(chǎn)生的慣性力能夠克服流體的部分重力、黏性力作用，使兩相流動阻力減小，液泛通量要高些。振動篩板塔的效率因數(shù)高于固定篩板塔約12倍。

3結(jié)論

低界面張力體系正丁醇-丁二酸-水在振動篩板萃取塔中萃取的兩相相比在高于2.8時接近液泛，篩板振動速率高于3.5 cm/s容易發(fā)生乳化。適宜操作范圍內(nèi)分散相滯存率高、液滴分布情況好、兩相流速和相比較大時，傳質(zhì)的效率較高。

溶質(zhì)丁二酸從有機相到水相的傳質(zhì)過程中，正丁醇作分散相的總體積傳質(zhì)系數(shù)大于水作分散相的總體積傳質(zhì)系數(shù)。就單個液滴而言，正丁醇作分散相的傳質(zhì)速率小于水相作分散相的傳質(zhì)速率，但是就整個塔而言，傳質(zhì)相界面積對于傳質(zhì)性能的影響更占據(jù)主導。

相比固定篩板萃取塔，振動篩板塔的分散相滯存率更高，兩相流動阻力更小，最大允許處理量高于固定篩板萃取塔近4.3倍，分散相“真實”傳質(zhì)單元高度降低約50%，效率因素高于固定篩板萃取塔近12倍。

符號說明

A——篩板振幅，cm

Af——振動速率，cm/s

a——傳質(zhì)相界面積,m2/m3

Dc——塔內(nèi)徑，mm

d——篩孔徑，mm

E——擴散系數(shù)，m2/s

f——篩板振動頻率，Hz

H1——實驗運行穩(wěn)定時兩相界面位置，m

H2——分散相液滴完全聚合后相界面位置，m

Hod——分散相“真實”傳質(zhì)單元高度，m

h——萃取有效高度，m

hc——板間距，mm

Koca——連續(xù)相體積傳質(zhì)系數(shù)，s-1

Koda——分散相體積傳質(zhì)系數(shù)，s-1

L——相比ud/uc，量綱為1

m——溶解平衡常數(shù)，量綱為1

Nod——傳質(zhì)單元數(shù)，量綱為1

t——溫度，℃

u——表觀流速，cm/s

x——分散相滯存率，量綱為1

Zc——篩板段高度，mm

γ——界面張力，mN/m

δ——篩板厚度，mm

?——篩板開孔率，%

μ——黏度，Pa/s

ρ——密度，kg/m3

下角標

c——連續(xù)相

d——分散相