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)式預測液泛條件是常用且有效的方法。預測關(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）能夠較為準確地預測低界面張力體系在往復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。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