CN1036974C - 液－液接触器 - Google Patents

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Abstract

在无搅动逆流式液-液接触塔中，在塔壳内侧沿垂直方向交替地以适当间隔水平设有由柱状板和挡板构成的盘。柱状板分出塔横截面的一部分作为液体的一条或多条通道，挡板从柱状板的端部垂直向下延伸且在其靠近柱状板处设有开口，这样可使相对小尺寸的设备具有大的处理能力。由于该设备无运动件，故易于维护。

Description

液-液接触器
本发明涉及一种液-液接触器，尤其涉及对这样一种液-液接触器的改进，在这种接触器中由于两种相互不可溶的液体之间的密度差而使两者在逆向流中连续地接触。这种液-液接触器的典型用途是液-液提取和液-液反应，这些工作在炼油、石油化学、煤化学、核能处理及其它诸多处理工业中都是一套重要的工作。
逆向流型液-液接触器分为两种：一种是无搅拌式的，诸如带孔板塔，填充塔和折流塔；另一种机械搅拌或脉冲式的，如转塔盘塔、奥尔德林-拉什顿塔、脉冲塔和交换提炼塔。
后一种类型的接触器每单位设备高度表现出高的接触效率。但这种类型的接触器也有缺点，即设备投资大、维护麻烦，这是因为有机械驱动部件的原因。另一方面，无搅拌型接触器虽然接触效率相对低一点，但因投资少，易维护而具有其优越性。
本发明人多年来一直致力于对无搅拌式液-液接触器，特别是具有相对较高接触效率的带孔板塔的改进的研究，这种接触器的投资少且维护简单。
常规带孔板塔具有如图11和12所示的结构(图中表示一个实施例，其中轻液“L”是分散相而重液“H”是连续相)，在塔20的顶部设有重液入口21和轻液出口22；在塔底部设有轻液进入23和重液出口24，塔中设有许多塔盘25。
塔盘25包括水平带孔板26和垂直板27，通过切下一块圆的带孔板的一部分从而为液流形成一条流通道来构成带孔板26，而垂直板27是从则水平带孔板的自由端垂直向下(分散相输入方向)延伸。由切割带孔板和垂直板所构成的流通道是溢流流道(所示的流道称为下导管)或一条连续相液体29的通道，只有连续相(重液)流过该通道并且许多的孔成为只有分散相(轻液)流过的通道。
这种带孔板塔的操作如下，在塔20底部从轻液入口输入轻液同时在塔顶从重液入口21输入重液。
以这样一种方式将这两种液体输入，使其中之一形成一个连续相而使另一个成为分散相。在图示实施例中，轻液形成分散相，在这样的条件下输入轻液，即使轻液的流速相对形成连续相的重液的流速是这样一个值，在此值下分散相液滴积累和凝集从而使其在停留在带孔板之下并向上运动时形成分散相的凝集层，且在此值下分散相凝集层从分散相液体28的孔或通道中流出。
如上所述通过在塔20中使连续、逆向的轻液和重液的液-液接触在用轻液提取重液中的一种组份，或反过来在用重液提取轻液中的一种组份，或者在双者之间引起化学反应之后，连续地通过轻液出口22抽出用完的轻液并通过重液出口24抽出用完的重液。
与具有较大液流开口面积的折流塔相比，上述带孔板塔每单元阶具有较高的液-液接触效率。但满足上述分散相流速条件的工况要求分散相液体28的通道面积小或带孔板的孔小，因此分散相输入速度不能增加许多且液体产量不能增加。
为消除上述缺陷，本发明人做了以下实验。
首先使用一个常规带孔板塔并在分散相流速相对连续相的流速之比为常量的情况下增加液体流速至出现溢流，确定液-液接触效率。所观测的效率比常规工况下的低，因此在保持高接触效率的条件下不可能提高欲处理流体的流速。
然后，扩大孔的直径或增加孔的数量，由此增大分散相液体通道的开口面积进而提高分散相的流速。这将使得带孔板26之下的分散相的凝集层厚度减薄，并且在工作条件发生小的变化的某些情况下甚至会不出现分散相凝集层。因此，既无稳定工作又无恒定液-液接触效率。此外，还观察到，在没有分散相凝集层的情况下，接触效率大大地下降。这些实验表明开发这种类型的接触是没有希望的。
本发明的目的在于提供一种常规无搅拌液-液接触器不可能实现的产量和接触效率均较高的液-液接触器。本发明的目的特别在于提供一种液-液接触器，在这种接触器中，即使通过增大分散相通道面积而大大提高被处理液体的量，仍可确保使分散相液滴凝聚形成分散相的凝集层以及打破凝集层形成液滴的往复重复并可维持高的接触效率。
本发明的设备是，一种具有许多塔盘的液-液接触器，其中，从接触器的顶部输入一种重液并从其底部输入一种轻液从而使两种液体连续地接触，在接触器中两种液体之一形成一种分散相而另一种成为沿相反方向流动的连续相；其特征在于，接触器包括一个塔壳和一些由塔板和挡板组成的塔盘，塔板在塔中沿水平方向延伸覆盖住塔的横截面的一部分从而形成连续相和分散相的液流通道，挡板沿输入分散相的方向从塔板的自由端垂直延伸且其上设有允许分散相流过的开口，开口使从上游塔板来的分散相液滴留在下游塔板之下，在停留期间液滴凝集形成分散相的凝集层，凝集层可沿水平方向穿过挡板中的开口流出。
下面将参见附图对本发明作详细描述。附图中与常规设备相同的部分以相同的序号予以表示。
图1为本发明液一液接触器一个实施例的垂直剖视图，用以表示其整体结构；
图2是沿图1中A-A方向的横向剖视图；
图3是沿图1中B-B方向的垂直剖视图；
图4是本发明接触器主要部分在工作时的放大垂直剖视图，用以表示该设备的机构；
图5是与图1相似的垂直剖视图，其中表示本发明设备的挡板和开口的其它实施例；
图6是与图5相似的垂直剖视图；
图7是与图5相似的垂直剖视图；
图8是与图4相似的放大垂直剖视图，表示本发明设备的另一个实施例的机构；
图9是图8中C-C方向的横向剖视图；
图10是图8中D-D方向的横向剖视图；
图11是一种常规带孔板液-液接触器的垂直剖视图，表示其结构和机构；
图12是图11主要部分的放大垂直剖视图，且与图4和8相对应。
在如图1所示的本发明液-液接触器中，在塔10的顶部设有一个重液入口21和一个轻液出口22；而在其底部设有一个轻液入口23和一个重液出口24，在塔10中还布置有许多的塔盘1。
如图2和3所示，本发明所用的塔盘1包括一个水平塔板2和一个从塔板的位于液体通道4一侧的端部垂直向下(即分散相输入方向)延伸的挡板3，所述水平塔板2是将一块圆板切去一部分为连续和分散相提供一条通道4而构成的。挡板中设有用作分散相液通道的开口5。
如图4所示，在塔板2之下或在分散相输入侧，当分散相的液滴停留在上述地方时便聚积并凝聚从而形成分散相的凝聚层。如此形成的分散相凝聚层沿水平方向从挡板3的开口5流出。
本发明液-液接触器的操作和常规带孔板塔一样，即在塔10的底部从轻液相入口23输入新鲜的轻液并在顶部从重液相入口21输入新鲜的重液，从而使其中之一变成分散相而另一种变成连续相；同时，从塔10顶部的轻液出口22抽出与重新接触过的用完的轻液并从塔10底部的重液出口24抽出与轻液接触的用完的重液。
在这样一种液-液接触器中，即在将具有上述结构的塔盘1以交替旋转180°的位置分布于塔中时，连续相液体和分散相液体沿锯齿形线从塔壁的一侧流至另一侧，因而提高了液-液接触效率。
挡板3的高度必须能防止分散相液滴溢流，但其高度可以小于在常规带孔板塔中所使用的下水管的高度。这是因为在常规带孔板塔中的液滴在沿垂直方向(见图12)运动时形成一层凝聚层，所以垂直板27的长度必须与凝聚所需的距离相对应；而如图4中箭头所示的那样，在本发明的接触器中分散相液滴在其在塔板2之下沿水平方向运动时聚积并凝聚，因此塔盘之间沿高度方向的距离可以缩短很多。
在挡板中作为分散相液体通道的开口5的面积与塔的横截面积的适宜可分化为2-30％，最好为3-15％。只要能适应本发明目的，任何形状的开口都是可以的。除图3所示形状之外，图5至7所示的形状也是可用的。在设计中可以很大的自由度根据欲处理液体的流速来选择这些实施例中开口的面积百分比。
图8至10表示本发明的另一个实施例。在该实施例中，两层塔盘为一组，这样可提供一种具有较高流通量的双通道型(两条液体通道)液-液接触器。(图中与前述实施例相同的部分以同样的序号表示)
如图9所示，第一塔盘1a包括一对塔板2a，两板之间形成液体4a的第一通道；还有在通道处从塔板2a的端部向下垂直延伸的挡板3a。第一塔盘的作用与上述实施例中所述的塔盘1相同。
第二塔盘1b包括如图10所示形状的一块塔板2b，该板水平延伸覆盖由第一塔板1a所形成的第一通道并形成两条第二通道4b，4b；还包括在第二通道处从塔板的两端垂直延伸的挡板3b，3b。第二塔盘的作用亦与上述实施例中所述的塔盘1相同。
通过如图8所示，在塔10中交替布置第一塔盘1a和第二塔盘1b，第二实施例的接触器将可以处理大于第一实施例接触器的液体量。
在上述第二实施例中，可以提供一种多通道(三条或更多条液体通道)的接触器。在这种多通道接触器中，第一塔盘的塔板上设有两条或更多条液体通道，第二塔盘的塔板上设有三条或更多条液体通道，第一和第二通道沿垂直轴线不在同样的位置上。
在本发明的液-液接触器中，分散相L3的凝聚层从分散相通道5，5a，5b中流出成为沿水平方向的喷射流L1，凝聚层必然由连续相H的剪切应力分开而转变成液滴L2，上述分散相通道根据欲处理液体量设置。这些液滴向上运动并与连续相接触，在停在下一阶塔板之下时积累并凝集成为分散相的凝聚层。通过重复液滴的分散和凝集，用轻液从重液中提取某种组分，或反过来用重液从轻液中提取某种组分或两种液体之间的化学反应均可在高接触效率条件完成。
在下面的两个对照例和实施例中，进行液-液提炼以用异辛烷(下面称“溶剂”)提取浓度为12％(重量百分比，以下同)的异丁烯酸水溶液(以下称“原料”)
对照例1
以图11和12所示结构的带孔板塔为提炼设备。在内径为75mm的塔中，以150mm的均匀间隔布置10块带孔板，每块板上有5个4mm直径的孔(下导管部分对塔横截面的面积百分比为14％)。
原料是一种重液，而溶剂为轻液。将轻液做为分散相输入并在大气压和20℃的温度下以1.38/1.0的溶剂率(溶剂/原料)使其与重液相接触。
当原料流速为56公斤/小时，溶剂(异丁烯酸浓度％)流速78公斤/小时时，提余液流速为53公斤/小时，异丁烯酸浓度为7.3％.进行液-液平衡计算并给出一个2.9mm的每理论阶高(以下称为“HETS”；一个较低的值表示较好的特性)。
在原料和溶剂流速分别达到84公斤/小时和116公斤/小时时，出现溢流.
实例1
以图1至4所示结构的根据本发明的接触器作为提取设备。在内径75mm的接触器中，设有19阶塔盘，每个塔盘均包括一个塔板和一道挡板；塔板上设有用于分散相流通道的面积百分比为32％的液体流通道，而挡板上设有两个10×10mm2、以75mm间隔均匀分布的矩形开口。涂原料速度之外的其它工作条件。如溶剂率均与对照例1中的相同。
在原料流速为84公斤/小时，溶剂(异丁烯酸浓度0％)的流速为116公斤/小时的情况下，提余液流速为80公斤/小时，异丁烯酸浓度为7.0％.由液-液平衡计算得出的HETS为2.7m。
当原料流速和溶剂流速分别增至113公斤/小时和156公斤/小时时，提余液流速为107公斤/小时，异丁烯酸浓度为7.4％，HETS为3.0m.
表1汇总了对照例1和实例1中的处理量和提取效率的数值。
                  表1流速(公斤/小时)                    提取效率
对照例1                         实施例1原料   溶剂    提取    HETS    提取   HETS
              (％)    (m)     (％)    (m)
56    78       42     2.9       -      -
84    116      *       *       45     2.7
113   156      -       -       42     3.0
*出现溢流
表1中的结果表示，在根据本发明的接触器中，即使为了增加产量而使供料速度大大高于常规带孔板塔的速度，也不会降低总的液-液接触效率、
对照例2
以图11和12所示结构的常规设备作为提取设备。该设备是内径为75mm的带孔板塔，其中以200mm的均匀间距设置有10块带孔板，每块板上有直径4mm的孔72个(下导管相对塔横截面的面积百分比为14％)。
原料是重液而溶剂是轻液。将溶剂作为分散相输入，并在大气压和20℃下，以溶剂率(溶剂/原料)为1.38/1.0的条件使其与重液接触。
在原料流速为900公斤/小时，溶剂(异丁烯酸浓度0％)流速为1240公斤/小时的条件下，提余液流速为855公斤/小时，异丁烯酸浓度为7.4％。液-液平衡计算给出HETS值为4.0m。
当原料流速增至1350公斤/小时，溶剂流速增至1860公斤/小时时，出现溢流。
实例2
以图1至4所示结构的根据本发明的接触器作为提取设备。在内径300mm的塔中，设有19阶塔盘，每个塔盘包括一个塔板和一道挡板；塔板上设有作为分散相流通道的面积百分比为32％的液流通道，挡板具有4个40×20mm2的700mm间隔均布的长方开口。除输入速度外的工作条件，如溶剂率均与对照例2中的相同。
在原料流速为1350公斤/小时，溶剂(异丁烯酸浓度为0％)流速为1860公斤/小时的条件下，提余液流速为1250公斤/小时，异丁烯酸浓度为4.7％。液-液平衡计算得出的HETS为2.5m。
当原料流速增至1800公斤/小时，溶剂流速增至156公斤/小时时，提余液流速为1670公斤/小时，异丁烯酸浓度为5.2％，HETS为2.7m。
表2比较了对照例2和实例2之间的产量和提取效率。
                   表2
流速(公斤/小时)                 提取效率
   对照例2                        实例2原料    溶剂  提取(％)  HETS(m)  提取(％)  (HETS)(m)900     1240    42       4.0        -          -1350    1860     *        *         64        2.51800    2490     -        -         60        2.7
*出现溢流
根据表2所示参数可知，较大直径的塔可获得比表1中较小直径塔好一些的结果。换句话说，在较大直径的塔中每阶的接触效率得以提高。人们认为，这是由于在各塔盘之下的液滴水平运动距离较大所致，即这种运动保证了凝集层的形成，进而提高了效率。
在本发明的液-液接触器中，作为分散相液流通道的开口的面积百分比可以大于常规带孔板塔中孔的面积百分比。因此，分散相液滴直径可以大，处理能力得以提高。分散相的分散和凝集在垂直方向上于短距离中的循环确保液-液接触效率至少与常规带孔板塔的相同。
另外，在本发明中，由于分散相液滴沿近似水平的方向流出与向下游动的连续相相接触，并且分散相的液体射流被连续相流强大的剪切应力分成小液滴，则所形成的均匀分散改进了液-液接触效率。
还因为分散相凝集层水平地流出并且在水平运动时出现液滴的积累和凝集，所以可将塔的总高降低。在同样高度的塔中，可以布置更多的塔盘，由此提高总的液-液接触效率。

Claims (4)

1.一种具有许多塔盘的液-液接触器，其中，从接触器的顶部输入一种重液并从其底部输入一种轻液从而使两种液体连续地接触，在接触器中两种液体之一形成一种分散相而另一种成为沿相反方向流动的连续相；其特征在于，接触器包括一个塔壳和一些由塔板和挡板组成的塔盘，塔板在塔中沿水平方向延伸覆盖住塔的横截面的一部分从而形成连续相和分散相的液流通道，挡板沿输入分散相的方向从塔板的自由端垂直延伸且其上设有允许分散相流过的开口，开口使从上游塔板来的分散相液滴留在下游塔板之下，在停留期间液滴凝集形成分散相的凝集层，凝集层可沿水平方向穿过挡板中的开口流出。
2.如权利要求1所述的接触器，其特征在于，这些塔盘具有相同的形状并在塔中于交替旋转180°的位置上分布，连续相液体和流过开口的分散相液体从塔壁一侧至另一侧交替形成一条锯条形线。
3.如权利要求1所述的接触器，其特征在于，这些塔盘包括第一和第二塔盘，第一塔盘的两侧设有液流通道，第二塔盘的中间设有一条液流通道；第一和第二塔盘交替地分布于塔中，其相对位置关系使液流通道沿垂直轴线交替地合并和分离，这样连续相和分散相液体便重复分流和合流。
4.如权利要求1所述的接触器，其特征在于，这些塔盘包括第一和第二塔盘，第一塔盘上设有两条或更多的液流通道，第二塔盘上至少设有一条液流通道；第一和第二塔盘交替地分布于塔中，其相对位置关系使液流通道沿垂直轴线交替地合并和分离，这样连续相和分散相液体便重复分流和合流。
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