2.2液泛通(tong)量

在一(yi)(yi)定篩(shai)板(ban)振動強度和(he)相(xiang)比下，增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)兩(liang)相(xiang)流速到(dao)某一(yi)(yi)值時，分散(san)相(xiang)滯存(cun)率(lv)會急劇增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)，而分散(san)相(xiang)滯存(cun)率(lv)過大會破(po)壞兩(liang)相(xiang)正常的(de)逆流狀(zhuang)(zhuang)態，導致(zhi)連續相(xiang)夾(jia)帶分散(san)相(xiang)液滴從出口一(yi)(yi)同流出，這樣的(de)狀(zhuang)(zhuang)態叫作液泛，測定此時的(de)分散(san)相(xiang)滯存(cun)率(lv)并記錄兩(liang)相(xiang)的(de)流量，就得到(dao)該操作下的(de)液泛條件(jian)。

液(ye)泛(fan)條(tiao)件(jian)的測(ce)定由于操作穩定性(xing)(xing)差(cha)而難度(du)較大(da)，利用關(guan)聯式預(yu)測(ce)液(ye)泛(fan)條(tiao)件(jian)是(shi)常用且有效的方法。預(yu)測(ce)關(guan)聯式中常引入特性(xing)(xing)速(su)度(du)。針(zhen)對萃取操作處于分(fen)散區的情況，汪家鼎等(deng)提出的特性(xing)(xing)速(su)度(du)u0關(guan)聯式較準確，見(jian)式（2）。

表3不同操作條(tiao)件下的(de)特(te)性(xing)速度與指數

將式（2）等號兩邊取對數(shu)(shu)對實(shi)驗(yan)數(shu)(shu)據進行線性擬合得到指數(shu)(shu)n與特性速度(du)u0值列于表(biao)3。

由表(biao)3中數(shu)據可以(yi)看出(chu)d→c的(de)(de)指(zhi)數(shu)n在(zai)(zai)1.2左右(you)，c→d的(de)(de)n在(zai)(zai)3.9左右(you)，說明指(zhi)數(shu)只與體系的(de)(de)物性有(you)關，與操作條件無關，傳(chuan)質(zhi)方(fang)(fang)向不同(tong)導致(zhi)指(zhi)數(shu)n不同(tong)主(zhu)要是有(you)機相(xiang)和水相(xiang)分別作分散相(xiang)的(de)(de)緣故。而特性速度(du)與相(xiang)比(bi)有(you)關。由表(biao)3實(shi)驗(yan)結果可以(yi)看出(chu)，正丁醇-丁二酸-水體系的(de)(de)特性速度(du)同(tong)時(shi)受兩相(xiang)流速、相(xiang)比(bi)和傳(chuan)質(zhi)方(fang)(fang)向的(de)(de)影(ying)響(xiang)，它們都對(dui)液(ye)滴大小有(you)影(ying)響(xiang)。

利(li)用式（3）～式（5）計算得到的(de)液泛(fan)速率(lv)及液泛(fan)滯(zhi)存率(lv)與(yu)實(shi)測值(zhi)列于(yu)表4。

表4中的數(shu)據對(dui)比顯示液泛條(tiao)件下實測值與預(yu)測值的相對(dui)誤差在±9%之內(nei)，說明(ming)式(shi)（3）～式(shi)（5）能夠(gou)較為準(zhun)確地(di)預(yu)測低界面張力體系在往復振動篩(shai)板(ban)塔的流體力學性能。同時也證明(ming)達到液泛時的分散(san)相滯存率xF取決于相比L和(he)傳(chuan)質方向，與篩(shai)板(ban)的振動速率無關。

表(biao)4液泛點實測數據與計算數據的對比

2.3體(ti)積傳質系數

考慮(lv)到萃(cui)取(qu)中軸(zhou)(zhou)向混合(he)對(dui)傳(chuan)質(zhi)(zhi)影響較(jiao)大，用(yong)軸(zhou)(zhou)向擴散模型描述萃(cui)取(qu)塔(ta)液-液兩相傳(chuan)質(zhi)(zhi)過(guo)程更接近于實際情況。雷夏等[18]在(zai)Miyauchi和Vermeulen[19]提(ti)出的(de)擴散模型的(de)基礎上利用(yong)濃度剖面最優化擬合(he)方法求取(qu)傳(chuan)質(zhi)(zhi)單(dan)元(yuan)高度。本(ben)文(wen)借(jie)鑒該方法的(de)分析思(si)路得到傳(chuan)質(zhi)(zhi)單(dan)元(yuan)數Nod的(de)計算(suan)式，如式（6）；再利用(yong)數值積(ji)分中值定理求得Nod，進而計算(suan)傳(chuan)質(zhi)(zhi)單(dan)元(yuan)高度Hod和體積(ji)傳(chuan)質(zhi)(zhi)系數Koda，如式（7）。

兩相(xiang)流(liu)速(su)(su)、相(xiang)比與(yu)傳(chuan)(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)向對體積(ji)傳(chuan)(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)系數(shu)(shu)的(de)(de)影響見圖(tu)6。圖(tu)中結果顯示：分別用有(you)機相(xiang)溶質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)濃度和(he)(he)水相(xiang)溶質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)濃度表示傳(chuan)(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)推(tui)動力得(de)到的(de)(de)體積(ji)傳(chuan)(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)系數(shu)(shu)Koda和(he)(he)Koca隨(sui)著連續相(xiang)流(liu)速(su)(su)的(de)(de)增加而增大(da)，傳(chuan)(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)向相(xiang)同(tong)（d→c）時，高(gao)相(xiang)比的(de)(de)體積(ji)傳(chuan)(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)系數(shu)(shu)（Koda或Koca）大(da)于(yu)低相(xiang)比的(de)(de)體積(ji)傳(chuan)(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)系數(shu)(shu)。其原(yuan)因主要還在于(yu)高(gao)流(liu)速(su)(su)和(he)(he)高(gao)相(xiang)比的(de)(de)情況(kuang)下，傳(chuan)(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)相(xiang)界(jie)面積(ji)a更大(da)。

d→c傳(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)的(de)體(ti)積傳(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)系數(shu)大于(yu)c→d傳(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)的(de)體(ti)積傳(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)系數(shu)，但(dan)差距并不大。這(zhe)是因為(wei)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)與連(lian)續(xu)相(xiang)(xiang)(xiang)傳(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)時存在(zai)的(de)Marangoni效應(ying)。d→c傳(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)時，液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)一側(ce)會(hui)出(chu)現濃度(du)局(ju)部(bu)降低(di)區域，此(ci)處界面(mian)張力增(zeng)大，液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)表面(mian)收縮抵(di)抗(kang)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)內部(bu)溶(rong)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)進入連(lian)續(xu)相(xiang)(xiang)(xiang)，分(fen)(fen)散相(xiang)(xiang)(xiang)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)一側(ce)傳(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)速(su)率降低(di)。而c→d傳(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)時，分(fen)(fen)散相(xiang)(xiang)(xiang)一側(ce)則會(hui)出(chu)現濃度(du)局(ju)部(bu)增(zeng)大，界面(mian)張力減小，液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)表面(mian)擴張的(de)趨勢促使溶(rong)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)更(geng)快進入液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)內部(bu)，分(fen)(fen)散相(xiang)(xiang)(xiang)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)傳(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)速(su)率較快，即Kod(c→d)>Kod(d→c)。但(dan)c→d的(de)傳(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)相(xiang)(xiang)(xiang)界面(mian)積a遠小于(yu)相(xiang)(xiang)(xiang)反(fan)方向，兩種(zhong)相(xiang)(xiang)(xiang)反(fan)的(de)效應(ying)使得d→c的(de)體(ti)積傳(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)系數(shu)與c→d的(de)體(ti)積傳(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)系數(shu)相(xiang)(xiang)(xiang)差并不大。

圖6不同相比和傳質(zhi)(zhi)方(fang)向(xiang)下連(lian)續相流(liu)速對體積傳質(zhi)(zhi)系數(shu)Koda、Koca的影響

圖7不(bu)同相比和傳(chuan)質方向下篩板(ban)振動速率對(dui)體積(ji)傳(chuan)質系數(shu)Koda、Koca的影響

圖(tu)(tu)7給(gei)出(chu)了篩板(ban)(ban)振(zhen)動(dong)速(su)率(lv)(lv)對(dui)體積傳(chuan)質(zhi)系(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)影(ying)響(xiang)。如圖(tu)(tu)所示，隨著篩板(ban)(ban)振(zhen)動(dong)速(su)率(lv)(lv)的(de)(de)增(zeng)加(jia)，相(xiang)比L=2.0的(de)(de)體積傳(chuan)質(zhi)系(xi)數(shu)(shu)Koda有(you)小幅(fu)度(du)的(de)(de)增(zeng)大，而(er)體積傳(chuan)質(zhi)系(xi)數(shu)(shu)Koca隨Af增(zeng)加(jia)的(de)(de)變化規律(lv)卻與(yu)前者(zhe)不同。主要原(yuan)因在于篩板(ban)(ban)振(zhen)動(dong)強度(du)的(de)(de)加(jia)大使傳(chuan)質(zhi)相(xiang)界面(mian)積a增(zeng)大的(de)(de)同時(shi)(shi)，也(ye)使塔(ta)內兩相(xiang)的(de)(de)軸(zhou)向混合加(jia)劇，傳(chuan)質(zhi)系(xi)數(shu)(shu)降低(di)。兩種反向效應的(de)(de)影(ying)響(xiang)對(dui)以有(you)機相(xiang)溶質(zhi)濃度(du)為(wei)傳(chuan)質(zhi)推動(dong)力的(de)(de)體積傳(chuan)質(zhi)系(xi)數(shu)(shu)Koda相(xiang)互抵消，所以Koda的(de)(de)變化幅(fu)度(du)不大。而(er)對(dui)以水相(xiang)為(wei)傳(chuan)質(zhi)推動(dong)力的(de)(de)體積傳(chuan)質(zhi)系(xi)數(shu)(shu)Koca影(ying)響(xiang)卻差別較大，從(cong)圖(tu)(tu)中相(xiang)比L=2.0的(de)(de)Koca變化規律(lv)中可以明顯看出(chu)，Af小于2.0cm/s，a的(de)(de)增(zeng)大起主導作用；當(dang)Af大于2.0cm/s時(shi)(shi)，軸(zhou)向混合的(de)(de)影(ying)響(xiang)突出(chu)。由此也(ye)可以看出(chu)，萃(cui)取過程(cheng)中的(de)(de)軸(zhou)向混合主要在于連續相(xiang)。

當相(xiang)比(bi)(bi)L=2.8，體積傳質(zhi)系數Koda和Koca都隨著Af的(de)增大而升高(gao)，說(shuo)明相(xiang)比(bi)(bi)L較(jiao)大時，連(lian)續(xu)相(xiang)的(de)軸向混(hun)合對(dui)傳質(zhi)的(de)影響程度在減(jian)小。

此外(wai)，c→d的(de)傳(chuan)質(zhi)(zhi)過程連續相體積傳(chuan)質(zhi)(zhi)系(xi)數幾(ji)乎不(bu)變，部(bu)分(fen)原因是由于此時有機相作連續相，且正丁醇的(de)黏度大。

2.4與固(gu)定篩板萃取塔的對比

圖(tu)8給出了正(zheng)丁(ding)醇-丁(ding)二(er)酸-水體(ti)系分別(bie)在振(zhen)動(dong)篩(shai)(shai)板(ban)(ban)(ban)(ban)塔與固(gu)(gu)(gu)定篩(shai)(shai)板(ban)(ban)(ban)(ban)塔中的(de)(de)(de)分散(san)相滯存(cun)率和分散(san)相“真實”傳質單元高(gao)度的(de)(de)(de)對比。圖(tu)中顯示振(zhen)動(dong)篩(shai)(shai)板(ban)(ban)(ban)(ban)塔中分散(san)相滯存(cun)率x明顯高(gao)于(yu)(yu)固(gu)(gu)(gu)定篩(shai)(shai)板(ban)(ban)(ban)(ban)塔中的(de)(de)(de)x，傳質單元高(gao)度Hod遠低于(yu)(yu)固(gu)(gu)(gu)定篩(shai)(shai)板(ban)(ban)(ban)(ban)塔的(de)(de)(de)Hod，而且(qie)振(zhen)動(dong)篩(shai)(shai)板(ban)(ban)(ban)(ban)塔的(de)(de)(de)x受(shou)連(lian)續相流速影響大(da)，固(gu)(gu)(gu)定篩(shai)(shai)板(ban)(ban)(ban)(ban)塔的(de)(de)(de)x受(shou)流速的(de)(de)(de)影響微乎其微。這是由于(yu)(yu)兩種塔的(de)(de)(de)萃取狀態不同（圖(tu)9），固(gu)(gu)(gu)定篩(shai)(shai)板(ban)(ban)(ban)(ban)塔的(de)(de)(de)操(cao)作處于(yu)(yu)混合-澄清(qing)區(qu)[圖(tu)9(a)]，振(zhen)動(dong)篩(shai)(shai)板(ban)(ban)(ban)(ban)塔的(de)(de)(de)操(cao)作處于(yu)(yu)分散(san)區(qu)[圖(tu)9(b)]。

表5振動(dong)篩板(ban)塔(ta)與固定篩板(ban)塔(ta)的(de)液泛條件與效率因數對比

表5給出(chu)振(zhen)動(dong)篩(shai)板塔與固(gu)(gu)定(ding)(ding)篩(shai)板塔液(ye)(ye)泛(fan)速度與效率因數(shu)的對比情況。從表中數(shu)據得到，振(zhen)動(dong)篩(shai)板的液(ye)(ye)泛(fan)通(tong)(tong)量比固(gu)(gu)定(ding)(ding)篩(shai)板塔的液(ye)(ye)泛(fan)通(tong)(tong)量提高(gao)近4.3倍(bei)(bei)，這是由于振(zhen)動(dong)篩(shai)板塔外界機械能產生的慣(guan)性力能夠(gou)克(ke)服流體的部分重力、黏性力作用(yong)，使兩(liang)相流動(dong)阻力減小(xiao)，液(ye)(ye)泛(fan)通(tong)(tong)量要高(gao)些。振(zhen)動(dong)篩(shai)板塔的效率因數(shu)高(gao)于固(gu)(gu)定(ding)(ding)篩(shai)板塔約12倍(bei)(bei)。

3結論

低界面(mian)張力體(ti)系正(zheng)丁醇-丁二(er)酸(suan)-水在振(zhen)動(dong)(dong)篩板萃取塔中萃取的兩(liang)相相比(bi)在高于2.8時接近液泛，篩板振(zhen)動(dong)(dong)速率高于3.5 cm/s容易發生乳(ru)化。適宜(yi)操作(zuo)范圍內分(fen)(fen)散相滯(zhi)存率高、液滴分(fen)(fen)布情況(kuang)好、兩(liang)相流(liu)速和相比(bi)較大(da)時，傳質的效率較高。

溶質(zhi)丁(ding)二酸(suan)從有機(ji)相(xiang)(xiang)(xiang)到水(shui)(shui)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)傳(chuan)質(zhi)過程中，正丁(ding)醇作(zuo)(zuo)分(fen)散(san)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)總體積傳(chuan)質(zhi)系數大(da)于(yu)水(shui)(shui)作(zuo)(zuo)分(fen)散(san)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)總體積傳(chuan)質(zhi)系數。就單個液滴(di)而(er)言(yan)，正丁(ding)醇作(zuo)(zuo)分(fen)散(san)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)傳(chuan)質(zhi)速(su)(su)率(lv)小于(yu)水(shui)(shui)相(xiang)(xiang)(xiang)作(zuo)(zuo)分(fen)散(san)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)傳(chuan)質(zhi)速(su)(su)率(lv)，但(dan)是就整個塔而(er)言(yan)，傳(chuan)質(zhi)相(xiang)(xiang)(xiang)界(jie)面積對于(yu)傳(chuan)質(zhi)性(xing)能的(de)影響更占據主導。

相(xiang)比固(gu)定(ding)篩(shai)板(ban)(ban)萃(cui)取塔，振動篩(shai)板(ban)(ban)塔的(de)分(fen)散相(xiang)滯存(cun)率(lv)更高，兩相(xiang)流動阻力(li)更小，最大允許處理量高于固(gu)定(ding)篩(shai)板(ban)(ban)萃(cui)取塔近(jin)4.3倍，分(fen)散相(xiang)“真(zhen)實(shi)”傳質單元(yuan)高度降(jiang)低約(yue)50%，效率(lv)因素高于固(gu)定(ding)篩(shai)板(ban)(ban)萃(cui)取塔近(jin)12倍。

符號說明

A——篩板振幅，cm

Af——振動速率，cm/s

a——傳質(zhi)相(xiang)界面積,m2/m3

Dc——塔內徑，mm

d——篩(shai)孔徑，mm

E——擴(kuo)散系數，m2/s

f——篩(shai)板振動頻率(lv)，Hz

H1——實驗(yan)運行穩(wen)定時兩(liang)相界(jie)面位置，m

H2——分散(san)相(xiang)液滴完全聚(ju)合后相(xiang)界(jie)面位置，m

Hod——分散相“真實”傳質單元(yuan)高度，m

h——萃取有效高度(du)，m

hc——板間距，mm

Koca——連(lian)續相體積傳質(zhi)系數，s-1

Koda——分散(san)相體(ti)積傳質系(xi)數，s-1

L——相(xiang)比(bi)ud/uc，量綱為1

m——溶(rong)解平衡常數，量綱為1

Nod——傳質單元數，量綱(gang)為1

t——溫度，℃

u——表觀流(liu)速(su)，cm/s

x——分散相滯存(cun)率，量綱(gang)為1

Zc——篩板段(duan)高度，mm

γ——界面張(zhang)力，mN/m

δ——篩板厚(hou)度，mm

?——篩板開(kai)孔(kong)率(lv)，%

μ——黏度，Pa/s

ρ——密度(du)，kg/m3

下角標

c——連(lian)續相

d——分散相