2.2液泛通量

在一定篩板振動(dòng)強(qiáng)度和相比下，增加兩相流速到某一值時(shí)，分散相滯存率會(huì)急劇增加，而分散相滯存率過(guò)大會(huì)破壞兩相正常的逆流狀態(tài)，導(dǎo)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(cè)定此時(shí)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(cè)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(cè)液泛條件是常用且有效的方法。預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式中常引入特性速度。針對(duì)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(zhǔn)確，見(jiàn)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(hào)兩邊取對(duì)數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)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(shuō)明指數(shù)只與體系的物性有關(guān)，與操作條件無(wú)關(guān)，傳質(zhì)方向不同導(dǎo)致指數(shù)n不同主要是有機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，正丁醇-丁二酸-水體系的特性速度同時(shí)受兩相流速、相比和傳質(zhì)方向的影響，它們都對(duì)液滴大小有影響。

利用式（3）～式（5）計(jì)算得到的液泛速率及液泛滯存率與實(shí)測(cè)值列于表4。

表4中的數(shù)據(jù)對(duì)比顯示液泛條件下實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差在±9%之內(nèi)，說(shuō)明式（3）～式（5）能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)低界面張力體系在往復(fù)振動(dòng)篩板塔的流體力學(xué)性能。同時(shí)也證明達(dá)到液泛時(shí)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(dòng)速率無(wú)關(guān)。

表4液泛點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比

2.3體積傳質(zhì)系數(shù)

考慮到萃取中軸向混合對(duì)傳質(zhì)影響較大，用軸向擴(kuò)散模型描述萃取塔液-液兩相傳質(zhì)過(guò)程更接近于實(shí)際情況。雷夏等[18]在Miyauchi和Vermeulen[19]提出的擴(kuò)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(jì)算式，如式（6）；再利用數(shù)值積分中值定理求得Nod，進(jìn)而計(jì)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(jiàn)圖6。圖中結(jié)果顯示：分別用有機(jī)相溶質(zhì)濃度和水相溶質(zhì)濃度表示傳質(zhì)推動(dòng)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(shí)，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?yàn)橐旱闻c連續(xù)相傳質(zhì)時(shí)存在的Marangoni效應(yīng)。d→c傳質(zhì)時(shí)，液滴一側(cè)會(huì)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(jìn)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(shí)，分散相一側(cè)則會(huì)出現(xiàn)濃度局部增大，界面張力減小，液滴表面擴(kuò)張的趨勢(shì)促使溶質(zhì)更快進(jìn)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(yuǎn)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(duì)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(dòng)速率對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)Koda、Koca的影響

圖7給出了篩板振動(dòng)速率對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)的影響。如圖所示，隨著篩板振動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度的加大使傳質(zhì)相界面積a增大的同時(shí)，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(duì)以有機(jī)相溶質(zhì)濃度為傳質(zhì)推動(dòng)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(duì)以水相為傳質(zhì)推動(dòng)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(dǎo)作用；當(dāng)Af大于2.0cm/s時(shí)，軸向混合的影響突出。由此也可以看出，萃取過(guò)程中的軸向混合主要在于連續(xù)相。

當(dāng)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(shuō)明相比L較大時(shí)，連續(xù)相的軸向混合對(duì)傳質(zhì)的影響程度在減小。

此外，c→d的傳質(zhì)過(guò)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(shí)有機(jī)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(duì)比

圖8給出了正丁醇-丁二酸-水體系分別在振動(dòng)篩板塔與固定篩板塔中的分散相滯存率和分散相“真實(shí)”傳質(zhì)單元高度的對(duì)比。圖中顯示振動(dòng)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(yuǎn)低于固定篩板塔的Hod，而且振動(dòng)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(dòng)篩板塔的操作處于分散區(qū)[圖9(b)]。

表5振動(dòng)篩板塔與固定篩板塔的液泛條件與效率因數(shù)對(duì)比

表5給出振動(dòng)篩板塔與固定篩板塔液泛速度與效率因數(shù)的對(duì)比情況。從表中數(shù)據(jù)得到，振動(dòng)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(dòng)篩板塔外界機(jī)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(dòng)阻力減小，液泛通量要高些。振動(dòng)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(dòng)篩板萃取塔中萃取的兩相相比在高于2.8時(shí)接近液泛，篩板振動(dòng)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(shí)，傳質(zhì)的效率較高。

溶質(zhì)丁二酸從有機(jī)相到水相的傳質(zhì)過(guò)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(gè)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(gè)塔而言，傳質(zhì)相界面積對(duì)于傳質(zhì)性能的影響更占據(jù)主導(dǎo)。

相比固定篩板萃取塔，振動(dòng)篩板塔的分散相滯存率更高，兩相流動(dòng)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(shí)”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(hào)說(shuō)明

A——篩板振幅，cm

Af——振動(dòng)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(kuò)散系數(shù)，m2/s

f——篩板振動(dòng)頻率，Hz

H1——實(shí)驗(yàn)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)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(shí)”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(kāi)孔率，%

μ——黏度，Pa/s

ρ——密度，kg/m3

下角標(biāo)

c——連續(xù)相

d——分散相