液液萃取是重要的化工分離手段，萃取塔因其密閉性強(qiáng)、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，在核化工、濕法冶金、廢水處理、石油化工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近日，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所在液液萃取塔的傳質(zhì)強(qiáng)化理論和應(yīng)用研究中取得進(jìn)展。研究人員通過(guò)將徑向旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)和軸向穿越流場(chǎng)進(jìn)行耦合形成復(fù)合流場(chǎng)，強(qiáng)化了液-液相間傳質(zhì)過(guò)程，開(kāi)發(fā)出“攪拌-脈沖”新型萃取塔，每米傳質(zhì)單元數(shù)高達(dá)10-15級(jí)，可將傳統(tǒng)萃取塔效率提高一倍以上，已在化學(xué)制藥、工業(yè)廢水處理和濕法冶金等領(lǐng)域應(yīng)用。該新型萃取塔的基礎(chǔ)研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)溶劑萃取關(guān)鍵裝置的升級(jí)替代，以及相關(guān)行業(yè)的綠色、安全生產(chǎn)具有重要意義。

研究人員通過(guò)向萃取塔內(nèi)同時(shí)引入高速?gòu)较驍嚢韬洼S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(qiáng)化了液液兩相間的物質(zhì)傳遞；結(jié)合特定結(jié)構(gòu)塔板，在保證液-液兩相的逆流流動(dòng)的同時(shí)，抑制了軸向的返混程度。闡明復(fù)雜流場(chǎng)中分散相液滴的演化行為、液-液兩相的非均勻流動(dòng)和傳質(zhì)強(qiáng)化機(jī)制是實(shí)現(xiàn)萃取塔可靠量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。研究人員從液滴的破碎與聚并角度出發(fā)，通過(guò)高速攝像技術(shù)獲取單液滴和液滴群行為的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步建立了描述萃取塔內(nèi)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(nèi)分散相液滴群隨塔高演變無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(duì)連續(xù)相返混進(jìn)行測(cè)量，而對(duì)分散相返混缺乏可靠的測(cè)量手段。研究人員創(chuàng)新性地將階躍示蹤劑法與自行設(shè)計(jì)的L-型取樣器相結(jié)合，克服了分散相因不連續(xù)而難以檢測(cè)的問(wèn)題，對(duì)攪拌-脈沖萃取塔內(nèi)的液-液兩相的軸向返混進(jìn)行了測(cè)定。研究表明，攪拌脈沖萃取塔內(nèi)，連續(xù)相軸向擴(kuò)散系數(shù)是分散相軸向擴(kuò)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(jìn)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(xué)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(guò)程工程所擁有該技術(shù)完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，相關(guān)裝備已獲得2項(xiàng)專利授權(quán)。

圖1.攪拌脈沖萃取塔內(nèi)液滴隨塔高分布及預(yù)測(cè)模型

圖2.萃取塔分散相軸向擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定裝置及結(jié)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(chǎn)中酸洗、水洗塔; （d）含特戊酸廢水萃取塔