中國科學院過程工程研究所在液-液萃取塔傳質強化理論和應用領域研究取得新進展
液液萃取是一種重要的化工分離手段，萃取塔因其密閉性強、占地面積小等優點，在核化工、濕法冶金、廢水處理、石油化工領域得到廣泛的應用。近日，過程工程所在液液萃取塔的傳質強化理論和應用研究中取得新進展。研究人員通過將徑向旋轉流場和軸向穿越流場進行耦合形成復合流場，強化了液-液相間傳質過程，開發出“攪拌-脈沖”新型萃取塔，每米傳質單元數高達10-15級，可將傳統萃取塔效率提高一倍以上，已在化學制藥、工業廢水處理和濕法冶金等領域得到成功應用。該新型萃取塔的基礎研究、開發與應用，對于推動我國溶劑萃取關鍵裝置的升級替代，以及相關行業的綠色、安全生產具有重要意義。
齊濤研究員、王勇研究員團隊通過向萃取塔內同時引入高速徑向攪拌和軸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，強化了液液兩相間的物質傳遞；結合特定結構塔板，在保證液-液兩相的逆流流動的同時，抑制了軸向的返混程度。闡明復雜流場中分散相液滴的演化行為、液-液兩相的非均勻流動和傳質強化機制是實現萃取塔的可靠量化設計的關鍵。研究團隊從液滴的破碎與聚并角度出發，通過高速攝像技術獲取單液滴和液滴群行為的實驗數據，進一步建立了描述萃取塔內液滴直徑演化的群體平衡模型，與Coulaloglou & Tavlarides液滴聚并-破碎核函數相耦合，得到了液滴直徑和分布隨塔高變化規律，破解了萃取塔內分散相液滴群隨塔高演變無法準確預測的難題。該成果發表于AIChE Journal, 2020, 66: e16279。
攪拌脈沖萃取塔內液滴隨塔高分布及預測模型
軸向返混是造成萃取塔效率下降的主要原因之一，傳統研究方法只能對連續相返混進行測量，而對分散相返混一直缺乏可靠的測量手段。研究團隊創新性地將階躍示蹤劑法與自行設計的L-型取樣器相結合，克服了分散相因不連續而難以檢測的問題，對攪拌-脈沖萃取塔內的液-液兩相的軸向返混進行了測定。研究表明，攪拌脈沖萃取塔內，連續相軸向擴散系數是分散相軸向擴散系數的1-3倍。該成果發表于Ind. & Eng. Chem. Res., 2021, 60: 7454。此外，團隊進一步系統研究并建立了攪拌脈沖萃取塔的分散相持液量、特征速度和操作區間，并建立了可靠的數學模型，為萃取塔的操作優化提供了可靠保障，該成果發表于Chem. Eng. Technol., 2021, 44:600。
萃取塔分散相軸向擴散系數測定裝置及結果
在理論研究的基礎上，研究團隊積極進行成果轉化應用，自主設計的工業規模萃取裝置已在中核集團、法國Arkema（衡水）、內蒙古蘭格、河北佳誠、黃驊藍潤、黑龍江安達蘭澤等生產企業得到成功應用，幫助企業實現了生產過程連續化改造，如復雜結構農藥烯草酮9步化學反應生產首次在河北蘭升生物科技實現連續化，有效提升了裝置產能，穩定了產品質量，大大降低了溶劑用量、廢水排放和揮發性有機氣體的排放，提高了生產過程的本質安全性和綠色性。
過程工程所擁有該技術完全自主知識產權，相關裝備已獲得2項專利授權。
（a）含噻唑廢水萃取塔；（b）含苯酚廢水萃取塔；（c）烯草酮生產中酸洗、水洗塔; （d）含特戊酸廢水萃取塔
資源環境綠色過程工程研究部
