CN101829435B - 一种脉冲折流板萃取器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种脉冲折流板萃取器，它包括一箱体、一高压气体管路和一脉冲发生器，箱体内部用两隔板分隔为重相澄清段、萃取段和轻相澄清段；重相澄清段和轻相澄清段对应的箱体的顶板上分别设置有一凸起形成重相澄清段脉冲腿和轻相澄清段脉冲腿，重相澄清段脉冲腿和轻相澄清段脉冲腿穿出箱体，分别连接一周期性地向两脉冲腿内施加高压影响或者将脉冲腿内的高压气放空的高压气体生成装置；萃取段内设置有若干萃取单元，两侧的萃取单元与隔板之间，以及相邻萃取单元之间均设置有一部分澄清液输送通道；脉冲发生器和高压气体生成装置通过高压气体管路与重相澄清段脉冲腿和轻相澄清段脉冲腿连通。本发明可广泛应用于混合液的萃取中。
Description
技术领域
本发明涉及一种液液萃取分离设备，特别是关于一种脉冲折流板萃取器。
背景技术
在化工、能源、矿山等工业生产中，常常涉及到分离液体混合物的操作，其中在欲分离的液体混合物(混合液)中加入一种与其不溶或部分相溶的液体溶剂(萃取剂)，形成两相系统，利用混合液中各组分在两相中分配差异的性质，易溶组分(溶质)较多地进入溶剂相(萃取相)而实现分离的操作称为液液萃取。
在液液萃取操作过程中，萃取剂和混合液的良好混合和接触是保证两相间传质迅速、混合液高效分离的关键，并由此出现了各种不同型式的、以不同手段促进两相充分接触、混合、传质的设备。诸如筛板柱、喷淋柱、填料柱、喷嘴板柱、转盘塔、脉冲萃取柱、混合澄清槽、离心萃取器等萃取分离设备。但在实际的液体分离过程中，某些混合液存在相当程度的危险性，如核工业中的液体混合物就常常具有放射性危害。为减少这种混合液对操作人员及周边环境的危害，适当的屏蔽、尽可能不对设备进行维修保养就成为选择萃取设备时必须考虑的问题。上述的筛板柱、喷淋柱、填料柱、喷嘴板柱和脉冲萃取柱由于高度较高，相应地需要防辐射厂房的高度较高，而防辐射建筑材料又非常昂贵，因此这些设备将会提高厂房成本。而转盘塔、混合澄清槽和离心萃取器均利用机械转动部件来搅拌液体混合物使其充分混合，使用过程中机械转动部件不可避免地需要维修，当这些萃取设备应用在核工业领域中时，维修人员靠近这些设备将为其带来人身伤害，因此这些设备仍需要改进。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种脉冲折流板萃取器，其具有返混小，易于放大，占空间小的优点，尤其应用在核工业领域中可节省工程造价，且与液体接触部分无机械可动部件，避免了对维修人员的人身伤害。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种脉冲折流板萃取器，其特征在于：它包括一箱体、一高压气体管路和一脉冲发生器，所述箱体内部用两隔板分隔为重相澄清段、萃取段和轻相澄清段，所述重相澄清段与所述萃取段之间的隔板的顶部设置有一通孔，所述萃取段与所述轻相澄清段之间的隔板的底部设置有一通孔，所述重相澄清段对应的箱体的侧壁底部设置有一重相出口，所述轻相澄清段对应的箱体的侧壁顶部设置有一轻相出口；所述重相澄清段和轻相澄清段对应的所述箱体的顶板上分别设置有一凸起形成重相澄清段脉冲腿和轻相澄清段脉冲腿，所述重相澄清段脉冲腿和所述轻相澄清段脉冲腿穿出所述箱体，分别连接一周期性地向两脉冲腿内施加高压影响或者将脉冲腿内的高压气放空的高压气体生成装置；所述萃取段内设置有若干萃取单元，两侧的所述萃取单元与所述隔板之间，以及相邻所述萃取单元之间均设置有一部分澄清液输送通道；每个所述萃取单元具有两纵向的壁板和若干横向交错设置于两壁板之间的矩形折流板，所述萃取单元的两侧壁板中靠近所述重相澄清段一侧的壁板底部设置有一通孔，而靠近所述轻相澄清段一侧的壁板顶部设置有一通孔；所述萃取段内两侧的萃取单元对应所述箱体的侧壁上设置有一轻相入口和一重相入口，所述轻相入口设置在靠近重相澄清段的所述萃取单元对应的所述箱体侧壁的顶部，所述重相入口设置在靠近轻相澄清段的萃取单元对应的箱体侧壁的底部；所述脉冲发生器和所述高压气体生成装置通过所述高压气体管路与所述重相澄清段脉冲腿和轻相澄清段脉冲腿连通。
所述重相澄清段和轻相澄清段内平行设置有两纵向的筛板。
所述萃取段内的矩形折流板的一边连接在所述壁板上，另一边与对面的所述壁板之间留有缝隙，上下相邻的所述折流板与壁板之间的缝隙为交错排列，矩形折流板的另外两边连接所述箱体的内壁。
所述高压气体管路包括二连接在所述重相澄清段脉冲腿和轻相澄清段脉冲腿顶部的气体进出管线，二所述气体进出管线分别连接重相澄清段进气电磁阀和轻相澄清段进气电磁阀，所述重相澄清段进气电磁阀和轻相澄清段进气电磁阀又分别通过高压气体管线连通所述高压气体生成装置；二所述气体进出管线分别在所述重相澄清段进气电磁阀与重相澄清段脉冲腿之间，以及所述轻相澄清段进气电磁阀与轻相澄清段脉冲腿之间连接一放空管，所述重相澄清段脉冲腿的放空管上设置一重相澄清段出气电磁阀，所述轻相澄清段脉冲腿的放空管上设置一轻相澄清段出气电磁阀；两时间序列控制装置分别连接在所述重相澄清段进气电磁阀和所述轻相澄清段出气电磁阀之间，以及所述轻相澄清段进气电磁阀和所述重相澄清段出气电磁阀之间，两所述时间序列控制装置及四个电磁阀构成所述脉冲发生器，两所述时间序列控制装置分别控制所述重相澄清段进气电磁阀、所述轻相澄清段出气电磁阀、所述轻相澄清段进气电磁阀和所述重相澄清段出气电磁阀的动作。
所述脉冲发生器为旋转阀，所述旋转阀的各个接口分别连接所述高压气体管路、所述重相澄清段脉冲腿、所述轻相澄清段脉冲腿及所述放空管。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于利用高压气体作为动力使两相流体产生涡旋，实现了两相间的高效传质，且与液体接触部分无机械可动部件，尤其当本发明应用在核工业领域时，可以避免对维修人员的人身伤害。2、本发明由于利用时间序列控制装置控制高压气体间歇性地作用于两相流体，使产生涡旋的两相流体出现短暂的稳定或者缓慢的变动期，这样具有返混小的优点。3、本发明由于体积小，占地面积小，因此当本发明应用于核工业领域时，具有节约厂房成本的优点。4、本发明的折流板的形状采用矩形，因此具有易于放大的优点。
本发明可广泛应用于化工、能源和矿山等领域的混合液萃取中。
附图说明
图1是本发明的结构示意图
图2是本发明的折流板间涡旋流动示意图
图3是本发明脉冲发生器另一实施方式的结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明包括一箱体1、一高压气体管路2和两时间序列控制装置31、32，箱体1内部用隔板11、12分隔为重相澄清段13、萃取段14和轻相澄清段15，重相澄清段13与萃取段14之间的隔板11的顶部设置有一通孔(图中未示)，萃取段14与轻相澄清段15之间的隔板12的底部设置有一通孔，使重相澄清段13、萃取段14和轻相澄清段15之间连通。重相澄清段13和轻相澄清段15对应的箱体1的顶板上分别设置有一凸起形成重相澄清段脉冲腿16和轻相澄清段脉冲腿17，重相澄清段脉冲腿16和轻相澄清段脉冲腿17穿出箱体1，重相澄清段13和轻相澄清段15内分别平行间隔设置有一对纵向的筛板131、151，筛板131、151的四边抵接箱体1的内壁，重相澄清段13对应的箱体1的侧壁底部设置有一重相出口132，轻相澄清段15对应的箱体1的侧壁顶部设置有一轻相出口152。萃取段14内设置有若干萃取单元141，两侧的萃取单元141与隔板11、12之间以及相邻萃取单元141之间均间隔一定的间距，形成两个相邻萃取单元间的部分澄清液输送通道142，用于操作过程中两相的部分澄清分离后在单元间的转运。每个萃取单元141具有两纵向的壁板和若干横向设置在两壁板之间的矩形折流板1411，各萃取单元141的两壁板中靠近重相澄清段13一侧的壁板底部设置有一通孔(图中未示)，靠近轻相澄清段15一侧的壁板顶部设置有一通孔(图中未示)。矩形折流板1411的一边连接在壁板上，另一边与对面的壁板之间留有缝隙，上下相邻的折流板1411之间的缝隙为交错排列，使每个萃取单元141内的折流板1411构成蛇形通道，矩形折流板1411的另外两边连接箱体1的内壁。另外，萃取段14内位于两侧的萃取单元141所对应的箱体1的侧壁上设置有一轻相入口143和一重相入口144，其中，轻相入口143设置在靠近重相澄清段13的萃取单元141所对应的箱体1侧壁的顶部，重相入口144设置在靠近轻相澄清段15的萃取单元141所对应的箱体1侧壁的底部。
重相澄清段脉冲腿16、轻相澄清段脉冲腿17的顶部分别连接一高压气体管路2的气体进出管线21，两气体进出管线21上分别设置有一重相澄清段进气电磁阀23和一轻相澄清段进气电磁阀24。各气体进出管线21又分别连接一放空管22，连接重相澄清段脉冲腿16的放空管22上设置有一重相澄清段出气电磁阀25，连接轻相澄清段脉冲腿17的放空管22上设置有一轻相澄清段出气电磁阀26。一高压气体生成装置4，通过高压气体管线27连接重相澄清段进气电磁阀23和轻相澄清段进气电磁阀24。重相澄清段进气电磁阀23与轻相澄清段出气电磁阀26之间通过信号控制线与时间序列控制装置31连接，轻相澄清段进气电磁阀24与重相澄清段出气电磁阀25之间通过通过信号控制线与时间序列控制装置32连接，时间序列控制装置31、32控制重相澄清段进气电磁阀23和重相澄清段出气电磁阀25，以及轻相澄清段进气电磁阀24和轻相澄清段出气电磁阀26的开关时间和顺序，使高压气体生成装置4产生的高压气体进出管路，周期性地向两脉冲腿内施加高压影响或者将脉冲腿内的高压气放空，使两脉冲腿内的液面围绕某一位置形成周期性的上下波动。
本发明的两时间序列控制装置31、32与重相、轻相澄清段进气电磁阀23、24及重相、轻相澄清段出气电磁阀25、26构成脉冲发生器，用来控制重相、轻相脉冲腿16、17的压冲和放空。例如，当时间序列控制装置31开启重相澄清段进气电磁阀23和轻相澄清段出气电磁阀26时，与重相澄清段脉冲腿16连接的气体进出管线21导通，高压气体进入重相澄清段13压冲，同时，轻相澄清段出气电磁阀26开启，轻相澄清段脉冲腿17放空。同样地，当时间序列控制装置32开启重相澄清段出气电磁阀25和轻相澄清段进气电磁阀24时，轻相澄清段脉冲腿17压冲，而重相澄清段脉冲腿16放空。
通过对时间序列控制装置31、32的设置，可以形成梯形波、正弦波或者其它形式的周期波动。两个脉冲腿16、17内的脉冲波动周期规律相同，振幅相同，但相位相差为π。因为相位存在π的相差，一个脉冲腿内的液面在向下压冲时，另一个脉冲腿内的液面在放空的影响下就处于上升的状态，由此在箱体1的各段内在宏观上形成了间歇性的两相逆流流动。
本发明具体的萃取分离操作为：
如图2所示，首先，分别将轻相液体和重相液体从轻相入口143和重相入口144注入箱体1，时间序列控制装置31控制重相澄清段13的进气电磁阀23、轻相澄清段15的出气电磁阀26开启，同时时间序列控制装置32控制重相澄清段13的出气电磁阀25、轻相澄清段15的进气电磁阀24关闭，使高压气体发生装置4内的高压气体进入重相澄清段脉冲腿16，即重相澄清段脉冲腿16压冲，轻相澄清段脉冲腿17放空。此时萃取单元141中的两相流体从下向上流动。在此流动过程中，由于矩形折流板1411与萃取单元141的壁板之间的缝隙为交错排列，使两相流体在相邻两矩形折流板1411之间形成明显的涡旋。在此涡旋中，由于剧烈的湍流作用，两相流体彼此充分分散、聚合，在两相流体间形成了较大面积的相接触，从而实现了两相流体间的高效传质。然后时间序列控制装置31关闭重相澄清段13的进气电磁阀23和轻相澄清段15的出气电磁阀26，即重相澄清段脉冲腿16压冲过程结束，重相澄清段脉冲腿16内的液面将出现短暂的稳定或者非常缓慢的变动期。此时，萃取单元141内液体自下向上的流动将停止或者缓慢流动，矩形折流板1411之间的涡旋也将短暂消失或变弱，而相邻萃取单元141间的部分澄清液输送通道142内的自上向下的流动也将随之暂停或变得极为缓慢。在此情况下，萃取单元141内相邻折流板1411间的两相在重力的影响下将出现分层现象，即萃取单元141上部的轻相含量将明显高于下部的轻相含量，而萃取单元141内下部的重相含量也将明显高于上部的重相含量。同样地，此时部分澄清液输送通道142内也将出现与此类似的轻重两相分层离析的现象。随后，时间序列控制装置32控制重相澄清段脉冲腿16放空，而轻相澄清段脉冲腿17压冲，此时重相澄清段脉冲腿16内的液面升高，轻相澄清段脉冲腿17内的液面降低。在流体挤压作用下，部分澄清液输送通道142内底部刚刚分层离析形成的富含重相的流体团将自下向上被输送进下一个萃取单元141，从而实现了重相在单元间的转运。而与此同时，萃取单元141内的上一个折流板1411板段间底部的富含重相的流体团也将被输送进下一个折流板1411的板段间，并与下一个折流板1411板段间上部的富含轻相的流体团在此板段间内形成涡旋，从而实现了相间传质。而后，当重相澄清段脉冲腿16、轻相澄清段脉冲腿17内的波动进入短暂的稳定期或者极缓慢移动期后，相同的两相层析现象在折流板1411板段和部分澄清液输送通道142内都将重现。当随后再次循环进入重相澄清段脉冲腿16压冲、轻相澄清段脉冲腿17放空期时，部分澄清液输送通道142内上部的富含轻相的流体团将自上向下被输送进下一个萃取单元141，从而实现了轻相在萃取单元141间的转运，而类似的两相涡旋、传质现象也将在折流板1411的板段间重现。从宏观上看，在这个周期操作过程中，轻相流体以间歇的方式被不断地从轻相入口143输送到轻相澄清段15，而重相流体也以间歇的方式被不断地从重相入口144输送到重相澄清段13，两相总体上是一种逆流流动。两对筛板131、151起到过滤的作用，重相澄清段13和轻相澄清段15内的两相流体在筛板的一侧充分混合、分层离析后再经过筛板滤出，最后重相流体通过重相出口132流出箱体1，轻相流体通过轻相出口152流出箱体1。
本发明的脉冲发生器不仅限于上述实施例所公开的由时间序列控制装置31、32和重相、轻相澄清段的出气电磁阀25、26及进气电磁阀23、24构成的形式，还可以使用其他能实现相同功能的开关控制装置。如图3所示，该实施例的脉冲发生器采用一旋转阀33，旋转阀33具有四个接口，其中三个接口分别连接两气体进出管线21和高压气体管线27，另一接口则与两放空管22连接。通过旋转旋转阀33的阀芯331，使不同的管线接通，同样可以实现控制重相澄清段脉冲腿16和轻相澄清段脉冲腿17的脉冲序列的功能。由于旋转阀33的应用是本领域的成熟技术，故在此不再详述。
下面通过两次实验结果对本发明的装置作进一步的说明。
实验一：
采用煤油作为轻相，0.5mol/L的HNO3水溶液作为重相进行流体力学实验。实验条件：两相总流量为0.52cm/s，流比O/A为1∶1，有机相连续。采用本发明的脉冲折流板箱型萃取器。操作步骤为：将煤油从轻相入口143、HNO3溶液从重相入口144输入箱体1，调节两相流量符合实验要求。设置时间序列控制装置31、32控制各电磁阀的开关顺序和时间，同时调节高压气体管路2中的气压为所需数值。启动时间序列控制装置31，使重相澄清段脉冲腿16和轻相澄清段脉冲腿17中液面的高度产生梯形波动，周期波动的振幅和频率如表1所示。调节轻相澄清段15中的轻相出口152的流量并同时调节重相澄清段13中的重相出口132的流量，使两澄清段中的两相液位界面或者脉冲腿内的液面波动范围稳定。流体力学实验的部分结果如表1所示。
表1 流体力学实验结果
实验二：
采用磷酸三丁酯(30％TBP-煤油)作为萃取剂(轻相)从HNO3体系(重相)中萃取UO2(NO3)2(溶质)，利用本发明的脉冲折流板箱型萃取器。结合图1和图3，操作过程为：将TBP-煤油从轻相入口(13)、HNO3溶液(含UO2(NO3)2)从重相入口(12)输送进萃取器，调节两相流量符合实验要求。设置时间序列控制装置31、32控制各电磁阀的开关顺序和时间，同时调节高压气体管线2中的气压为所需数值。启动时间序列控制装置31，使重相澄清段脉冲腿16和轻相澄清段脉冲腿17中液面高度产生梯形波动，周期波动的振幅和频率如表1所示。调节轻相出口152的流量，同时调节重相出口132的流量，使两个澄清段中的两相液面或者脉冲腿内的液面波动范围稳定。对从轻相出口152和重相出口132流出的流体进行采样并分析，确定该脉冲折流板箱型萃取器的传质效果，如表2所示。实验结果显示，采用脉冲折流板萃取器作为传质设备时，萃取剂TBP可高效地将UO2(NO3)2从水相萃取入有机相中。
表2 脉冲折流板萃取器的传质结果
本发明方法和装置的实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置、连接方式，及方法步骤的设置和顺序都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (6)
1.一种脉冲折流板萃取器，其特征在于：它包括一箱体、一高压气体管路和一脉冲发生器，所述箱体内部用两纵向隔板分隔为重相澄清段、萃取段和轻相澄清段，且所述萃取段位于所述重相澄清段和所述轻相澄清段之间；所述重相澄清段与所述萃取段之间的隔板的顶部设置有第一通孔，所述萃取段与所述轻相澄清段之间的隔板的底部设置有第二通孔，所述重相澄清段对应的箱体的侧壁底部设置有一重相出口，所述轻相澄清段对应的箱体的侧壁顶部设置有一轻相出口；所述重相澄清段和轻相澄清段对应的所述箱体的顶板上分别设置有一凸起形成重相澄清段脉冲腿和轻相澄清段脉冲腿，所述重相澄清段脉冲腿和所述轻相澄清段脉冲腿穿出所述箱体，分别连接一周期性地向两脉冲腿内施加高压影响或者将脉冲腿内的高压气放空的高压气体生成装置；
所述萃取段内设置有若干萃取单元，两侧的所述萃取单元与所述隔板之间，以及相邻所述萃取单元之间均设置有一部分澄清液输送通道；每个所述萃取单元具有两纵向的壁板和若干横向交错设置于两壁板之间的矩形折流板，所述萃取单元的两侧壁板中靠近所述重相澄清段一侧的壁板底部设置有第三通孔，而靠近所述轻相澄清段一侧的壁板顶部设置有第四通孔；所述萃取段内两侧的萃取单元对应所述箱体的侧壁上设置有一轻相入口和一重相入口，所述轻相入口设置在靠近重相澄清段的所述萃取单元对应的所述箱体侧壁的顶部，所述重相入口设置在靠近轻相澄清段的萃取单元对应的箱体侧壁的底部；
所述脉冲发生器和所述高压气体生成装置通过所述高压气体管路与所述重相澄清段脉冲腿和轻相澄清段脉冲腿连通。
2.如权利要求1所述的脉冲折流板萃取器，其特征在于：所述重相澄清段和轻相澄清段内分别设置有一纵向的筛板，且两筛板为平行设置。
3.如权利要求1所述的脉冲折流板萃取器，其特征在于：所述萃取段内的矩形折流板的一边连接在所述壁板上，另一边与对面的所述壁板之间留有缝隙，上下相邻的所述折流板与壁板之间的缝隙为交错排列，矩形折流板的另外两边连接所述箱体的内壁。
4.如权利要求2所述的脉冲折流板萃取器，其特征在于：所述萃取段内的矩形折流板的一边连接在所述壁板上，另一边与对面的所述壁板之间留有缝隙，上下相邻的所述折流板与壁板之间的缝隙为交错排列，矩形折流板的另外两边连接所述箱体的内壁。
5.如权利要求1或2或3或4所述的脉冲折流板萃取器，其特征在于：所述高压气体管路包括二连接在所述重相澄清段脉冲腿和轻相澄清段脉冲腿顶部的气体进出管线，二所述气体进出管线的另一端分别连接重相澄清段进气电磁阀和轻相澄清段进气电磁阀，所述重相澄清段进气电磁阀和轻相澄清段进气电磁阀又分别通过高压气体管线连通所述高压气体生成装置；
二所述气体进出管线分别在所述重相澄清段进气电磁阀与重相澄清段脉冲腿之间，以及所述轻相澄清段进气电磁阀与轻相澄清段脉冲腿之间连接一放空管，所述重相澄清段脉冲腿的放空管上设置一重相澄清段出气电磁阀，所述轻相澄清段脉冲腿的放空管上设置一轻相澄清段出气电磁阀；
两时间序列控制装置分别连接在所述重相澄清段进气电磁阀和所述轻相澄清段出气电磁阀之间，以及所述轻相澄清段进气电磁阀和所述重相澄清段出气电磁阀之间，两所述时间序列控制装置及所述重相澄清段进气电磁阀、所述轻相澄清段出气电磁阀、所述轻相澄清段进气电磁阀和所述重相澄清段出气电磁阀构成所述脉冲发生器，两所述时间序列控制装置分别控制这四个电磁阀的动作。
6.如权利要求1或2或3或4所述的脉冲折流板萃取器，其特征在于：所述高压气体管路包括二连接在所述重相澄清段脉冲腿和轻相澄清段脉冲腿顶部的气体进出管线，所述脉冲发生器为旋转阀，所述旋转阀的各个接口分别连接二所述气体进出管线，所述高压气体管路及一放空管。
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2010
- 2010-04-16 CN CN201010150974XA patent/CN101829435B/zh not_active Expired - Fee Related
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