CN106139639A - 一种高通量连续逆流萃取器 - Google Patents

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Abstract

一种高通量连续逆流萃取器，包括一个表面带有螺旋导流通道的旋转轴，一个内表面带有螺旋导流通道的外筒，一个上扩大段，一个下扩大段，旋转轴在外筒内和外筒同轴线安装，旋转轴和外筒间形成混合环隙，上扩大段和外筒上部相连，下扩大段和外筒下部相连，旋转轴高速旋转使得混合环隙内的逆流流动的轻重两相高效混合传质，旋转轴外表面上的螺旋导流通道促使轻相从下扩大段沿导流通道旋转上行进入上扩大段，外筒内表面上的螺旋通道促使重相从上扩大段沿导流通道旋转下行进入下扩大段，由此轻重两相在高效传质的同时可大通量逆流通过混合环隙而不会液泛。

Description

一种高通量连续逆流萃取器
技术领域
本发明属于萃取设备技术领域，特别涉及一种高通量连续逆流萃取器。
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。
为提高目标产品的回收效率，工业生产中的液液萃取大都采用逆流操作模式。逆流萃取模式可分为多级逆流萃取和连续逆流萃取。混合澄清槽和离心萃取器是典型的多级逆流萃取设备：每一级萃取设备中的轻重两相通过并流模式尽可能地达到相平衡，而后通过相分离设备分相后，沿相反方向分别进入该级设备前后两级萃取设备。因此，在多级萃取流程中，为达到目标收率，需要多级萃取设备和相分离设备，有时为平衡级间压力，防止级间返混，还需要在各级间额外增设输送泵或者单向阀等。这些导致多级逆流萃取的设备投资、操作费用、维护成本等大大增加。与此相反，连续逆流萃取设备则没有这些缺点。脉冲萃取柱等柱式设备是典型的连续逆流萃取设备：轻重两相从上下两端分别进入设备，在重力或者离心力等外加力场的作用下，轻重两相相对逆流流动，此时通过脉冲或者搅拌等使得分散相分散成液滴并湍动，完成两相间的传质操作。与多级逆流萃取相比，连续逆流萃取通常在一个设备中就可达到多个理论级效果，但是由于两相逆流流动，相间相对剪切力等较大，这使得分散相液滴容易被连续相夹带而导致返混。当两相通量较大时，液滴较小时，返混更为严重并最终导致液泛而无法正常操作。这限制了连续逆流萃取设备在工程中的应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高通量连续逆流萃取器，可在两相高通量的情况下进行高效的连续逆流萃取而不易返混，具有在两相高通量的情况下，仍可高效传质而不易液泛的优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高通量连续逆流萃取器，包括内表面带有螺旋导流通道的外筒15和设置在外筒15中的外表面带螺旋导流通道的旋转轴1，旋转轴1和外筒15间形成混合环隙8，外筒15的上端连接上扩大段4，下端连接下扩大段11。
所述旋转轴1和外筒15同轴线安装。
所述旋转轴1高速旋转使得混合环隙8内的逆流流动的轻相和重相高效混合传质，旋转轴1外表面的螺旋导流通道促使轻相从下扩大段11沿导流通道旋转上行进入上扩大段4，外筒15内表面的螺旋导流通道促使重相从上扩大段4沿导流通道旋转下行进入下扩大段11，由此轻相和重相在高效传质的同时大通量逆流通过混合环隙8而不会液泛。
所述的旋转轴1的旋转方向和其外表面螺旋导流通道的螺旋倾斜方向相互配合，使得轻相被其外表面螺旋导流通道推动向上流动。
所述的旋转轴1旋转方向和外筒15内表面的螺旋导流通道的螺旋倾斜方向应相互配合，使得重相在重力影响下沿外筒15内表面的螺旋导流通道向下流动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明由于采用外表面带有针对轻相的螺旋导流通道的旋转轴和内表面带有针对重相的螺旋导流通道的外筒，在旋转轴高速旋转时，两相在混合环隙内高效混合传质，螺旋导流通道分别促使轻重两相沿各自的通道逆流流动，从而可以克服高通量下强剪切力导致的容易液泛的缺点。
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是本发明的工作原理图。
图3是一个实验中实际使用本发明的连续逆流萃取流程。
1旋转轴；2上轴承压紧装置；3上固定轴承；4上扩大段；5轻相溢流口；6重相分布器；7重相进料口；8混合环隙；9轻相进料管；10轻相分布器；11下扩大段；12下轴承压紧装置；13下轴承；14重相排出口；15外筒；16重相排液泵；17重相进料泵；18轻相进料泵；A重相；C同轴线；D分散相液滴；E萃后轻相；O轻相；R萃后重相；T混合涡流；W旋转方向；AS重相螺旋导流通道；OS轻相螺旋导流通道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，一种高通量连续逆流萃取器，包括内表面带有螺旋导流通道的外筒15和设置在外筒15中的外表面带螺旋导流通道的旋转轴1，旋转轴1和外筒15同轴线C安装。旋转轴1和外筒15间形成混合环隙8，外筒15的上端连接上扩大段4，下端连接下扩大段11。
本发明的原理如图2所示，外筒15内表面的螺旋导流通道为重相螺旋导流通道AS，旋转轴1外表面的带螺旋导流通道为轻相螺旋导流通道OS。旋转轴1高速旋转使得混合环隙8内的逆流流动的轻相O和重相A高效混合传质，旋转轴1外表面的螺旋导流通道促使轻相O从下扩大段11沿轻相螺旋导流通道OS旋转上行进入上扩大段4，外筒15内表面的螺旋导流通道促使重相A从上扩大段4沿重相螺旋导流通道AS旋转下行进入下扩大段11，由此轻相O和重相A在高效传质的同时大通量逆流通过混合环隙8而不会液泛。其中，旋转轴1的旋转方向W和轻相螺旋导流通道OS的螺旋倾斜方向相互配合，使得轻相O被轻相螺旋导流通道OS推动向上流动。旋转轴1旋转方向W和重相螺旋导流通道AS的螺旋倾斜方向应相互配合，使得重相A在重力影响下沿重相螺旋导流通道AS向下流动。
以下实施例中，采用30％TBP-煤油作为轻相(连续相，萃取剂)，3.0mol/L的HNO3水溶液作为重相(分散相，混合液)进行萃取实验。
如图3所示，本发明被用于从混合水溶液中萃取硝酸。实施例中混合环隙8的高度为25厘米，宽度为3毫米，旋转轴1的直径为29毫米。
重相计量泵17泵送硝酸水溶液即重相A通过重相进料口7进入重相分布器6，并在重力作用下向下流动进入混合环隙8的上部。让重相A充满下扩大段11、混合环隙8和上扩大段4，这被称作充柱操作。在充柱操作完成后，启动电机使旋转轴1以900转/分钟的旋转速度高速旋转，并同时启动与重相排液口14相连的重相排液泵16。30％TBP-煤油溶液即轻相O通过轻相计量泵18通过轻相进料口9进入轻相分布器10。由于和重相A间存在密度差，轻相O自发上行进入混合环隙8的下部与旋转轴1接触并被剪切成分散相液滴D。混合环隙内的工作原理如图2所示：在旋转轴1产生的离心力场的作用下，密度较小的轻相(分散相)液滴D更靠近旋转轴1的外表面，而密度较大的重相(连续相)A则更倾向于远离旋转轴1而更靠近外筒15的内表面向下运动。旋转轴1外表面上的螺旋导流通道OS的螺旋方向被设计成在旋转轴1逆时针旋转时，具有“旋转上行”的视觉效果，而外筒15内表面上的旋转导流通道AS的螺旋方向被设计成在旋转轴1固定不动，而外筒15相对逆时针旋转时具有“螺旋下行”的视觉效果。即旋转轴1逆时针高速旋转时，旋转轴1上的螺旋导流通道OS对靠近其的分散相液滴D具有螺旋向上的推动作用，而外筒15内表面上的螺旋导流通道AS则有利于重相A螺旋下行，显著增大了两相在混合环隙8中的逆流通量，却不容易由于强烈的相对剪切力发生严重返混并最终液泛。同时旋转轴1的高速旋转在混合环隙8间对轻相O和重相A产生了强烈的湍动搅拌效果，甚至会产生泰勒涡流T，这显著增强了两相间的传质速率。实验中控制重相进料泵17和轻相进料泵18，保证两相的进料速率均为4L/h，控制萃后重相R的排液泵16，使得重相进出速率平衡。实验表明：在没有螺旋导流通道OS和AS的情况下，两相进料速率均为1.3L/h左右时，液泛就已经发生而无法进行连续逆流萃取，而在本发明中两相进料速率达到4L/h还可正常操作，且硝酸萃取效率可达90％左右。
在本发明中，当旋转轴1顺时针高速旋转时，旋转轴1外表面上的螺旋导流通道OS和外筒15内表面上的螺旋导流通道AS的螺旋方向应与图1中的方向相反；当轻相作为连续相时，应先用轻相充柱。

Claims (5)

1.一种高通量连续逆流萃取器，其特征在于，包括内表面带有螺旋导流通道的外筒(15)和设置在外筒(15)中的外表面带螺旋导流通道的旋转轴(1)，旋转轴(1)和外筒(15)间形成混合环隙(8)，外筒(15)的上端连接上扩大段(4)，下端连接下扩大段(11)。
2.根据权利要求1所述的高通量连续逆流萃取器，其特征在于，所述旋转轴(1)和外筒(15)同轴线安装。
3.根据权利要求1所述的高通量连续逆流萃取器，其特征在于，所述旋转轴(1)高速旋转使得混合环隙(8)内的逆流流动的轻相和重相高效混合传质，旋转轴(1)外表面的螺旋导流通道促使轻相从下扩大段(11)沿导流通道旋转上行进入上扩大段(4)，外筒(15)内表面的螺旋导流通道促使重相从上扩大段(4)沿导流通道旋转下行进入下扩大段(11)，由此轻相和重相在高效传质的同时大通量逆流通过混合环隙(8)而不会液泛。
4.根据权利要求1所述的高通量连续逆流萃取器，其特征在于，所述的旋转轴(1)的旋转方向和其外表面螺旋导流通道的螺旋倾斜方向相互配合，使得轻相被其外表面螺旋导流通道推动向上流动。
5.根据权利要求1所述的高通量连续逆流萃取器，其特征在于，所述的旋转轴(1)旋转方向和外筒(15)内表面的螺旋导流通道的螺旋倾斜方向应相互配合，使得重相在重力影响下沿外筒(15)内表面的螺旋导流通道向下流动。
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