CN111701561A - 多级变速旋转填料塔和萃取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及萃取方法领域，具体而言，涉及一种多级变速旋转填料塔和萃取方法。本发明实施例提供一种多级变速旋转填料塔，其包括塔体、多级变速转轴组件、旋转填料组件以及变速器组件，所述多级变速转轴组件、所述旋转填料组件以及所述变速器组件均设置于所述塔体内，所述旋转填料和所述变速器组件均与所述多级变速转轴组件连接，使得所述多级变速转轴组件内不同段的多级变速转轴有不同的转速。其能够对不同层的填料的转速进行精准控制，为萃取过程提供更大的相际接触面积，减少塔内流动死区，强化相间传质过程，提高液‑液传质效率，进而提高萃取效率和产品质量。

Description

多级变速旋转填料塔和萃取方法

技术领域

本发明涉及萃取方法领域，具体而言，涉及一种多级变速旋转填料塔和萃取方法。

背景技术

溶剂萃取是一种重要的化工分离技术，它利用溶质在两种互不相溶或部分互溶的液相之间分配不同的性质来实现液体混合物的分离或提纯。在液液接触萃取过程中，为扩大传质表面积和强化传质，一般将其中一个液相分散成液滴与另一液相充分接触，再利用两相的密度差，两相在外力作用下分离。工业应用中多采用外部能量输入驱动液相分散，常用有机械搅拌、脉冲、磁力等，同时衍生出了混合澄清器、转盘塔、脉冲塔等多种萃取设备。

夏倍尔萃取塔是第一个在工业上得到广泛应用的带机械搅拌的填料萃取塔，主要由涡轮搅拌器和金属丝网填料组成，填料段主要起到隔离减少轴向返混的作用，但需要较高的填料层高度才能有效抑制返混，而填料段的增加使得萃取塔处理能力降低，因此专利CN200910153418.5带筛板的夏倍尔萃取塔进行了改进，通过加入筛板抑制返混。但改进后的夏倍尔萃取塔，填料段主要起到相分离的作用，液滴在填料段迅速聚集，因而无法有效利用填料段的传质功能。

专利CN00112918.X填料旋转塔中提出一种旋转填料塔，通过旋转的多孔桨叶驱动散装填料旋转运动，使用固定筛板抑制轴向返混，具有较好的传质效果。但散装填料在桨叶推动下容易挤压变形甚至破碎，且填料之间易发生错位，影响装填效果，进而影响装置正常运行。

CN201210256942.7一种用于液-液萃取的旋转筛网塔，该发明使用固定筛网矩形板叶片替代转盘驱动液相分散，但筛网对液相的破碎不连续，效果不如转盘，同时其强度较差，长时间运行可能发生断裂。

由此可以看出，即使采用对现有的填料塔的结构进行改进，但是其依然存在萃取效率依然不高或者结构不稳定等问题。

发明内容

本发明的目的包括，例如，提供了一种多级变速旋转填料塔和萃取方法，其填料随转轴旋转，且能够对不同层的填料的转速进行精准控制，可根据塔内不同段位操作工况的差异使每层旋转填料都处于最适宜转速的操作工况，可成数量级增加破碎液滴数量，为萃取过程提供更大的相际接触面积，减少塔内流动死区，强化相间传质过程，提高液-液传质效率，进而提高萃取效率和产品质量。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明实施例提供一种多级变速旋转填料塔，包括塔体、多级变速转轴组件、变速器组件以及旋转填料组件，所述多级变速转轴组件、所述旋转填料组件以及所述变速器组件均设置于所述塔体内，所述旋转填料组件和所述变速器组件均与所述多级变速转轴组件连接；

所述多级变速转轴组件包括多段多级变速转轴，所述变速器组件包括多个变速器，多段所述多级变速转轴之间依次连接，相邻两段所述多级变速转轴的连接处设置有一个变速器，使得所述多级变速转轴组件内不同段的多级变速转轴有不同的转速，所述旋转填料组件与多级变速转轴连接。

在可选的实施方式中，所述旋转填料组件包括多个旋转填料，每段所述多级变速转轴上设置有一个旋转填料，其中，每个旋转填料中的填料为多孔蜂窝填料或多孔格栅填料，且填料固定在对应段的多级变速转轴上；放置填料的填料板上开设有孔，且填料板的开孔率大于15％。

在可选的实施方式中，所述多级变速转轴组件还包括连接轴，所述连接轴设置于所述塔体内，多段所述多级变速转轴依次连接后的具有自由端的多级变速转轴的自由端与所述连接轴的一端连接。

在可选的实施方式中，所述多级变速旋转填料塔还包括多个固定盘，多个所述固定盘均设置于所述塔体内，并与所述塔体固定连接，多个所述固定盘沿所述塔体的径向设置，每个所述旋转填料的两侧分别设置有一个固定盘。

在可选的实施方式中，每个所述旋转填料的横截面积为塔体横截面积的0.1-0.9倍，每个所述旋转填料的高度为相邻两个所述固定盘之间间距的0.2-0.9倍。

在可选的实施方式中，所述固定盘的内环与所述连接轴之间设置有间隙，且所述固定盘的内环的直径为所述塔体直径的0-0.8倍。

在可选的实施方式中，所述塔体设置有依次连通的轻相分离段、传质段和重相分离段，多段所述变速转轴、多个所述旋转填料，多个所述变速器均位于所述传质段，所述连接轴位于所述轻相分离段；

优选地，所述重相分离段的直径和所述轻相分离段的直径分别大于所述传质段的直径。

在可选的实施方式中，所述轻相分离段和所述传质段的连通处设置有第一分配盘，所述重相分离段和所述传质段的连通处设置有第二分配盘。

在可选的实施方式中，所述多级变速旋转填料塔还包括第一稳流组件，所述第一稳流组件设置于塔体内，并与所述塔体连接，所述第一稳流组件位于所述轻相分离段；

优选地，所述第一稳流组件包括第一稳流分离填料和第一挡板组件，所述第一稳流分离填料和所述第一挡板设置于塔体内，并与所述塔体连接，所述第一稳流分离填料设置于所述第一挡板组件相对远离所述传质段的一侧；

优选地，所述第一挡板组件包括多个第一挡板，多个所述第一挡板沿所述塔体的周向设置。

第二方面，本发明实施例提供一种萃取方法，其利用前述实施方式任一项所述的多级变速旋转填料塔进行萃取。

本发明实施例的有益效果包括，本发明实施例提供的多级变速旋转填料塔通过利用多级变速转轴组件、旋转填料组件以及变速器组件，并让上述三者连接，使得填料可以随转轴旋转，多级变速转轴组件内不同段的多级变速转轴有不同的转速，同时可以成数量级增加破碎液滴数量，为萃取过程提供更大的相际接触面积，减少塔内流动死区，强化相间传质过程，提高液-液传质效率，进而提高萃取效率和产品质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的多级变速旋转填料塔的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的旋转填料组件的结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的固定盘的结构示意图；

图4为本发明实施例2提供的多级变速旋转填料塔的结构示意图。

图标：100A-多级变速旋转填料塔；100B-多级变速旋转填料塔；110-塔体；111-轻相分离段；112-重相分离段；113-传质段；120-第一稳流组件；121-第一稳流分离填料；122-第一挡板组件；1221-第一挡板；124-重相分布器；123-第二稳流组件；125-轻相分布器；126-第一分配盘；127-第二分配盘；130-多级变速转轴组件；140-旋转填料组件；150-变速器组件；131-多级变速转轴；141-旋转填料；151-变速器；132-连接轴；133-固定盘；134-电机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

实施例1

请参考图1，本实施例提供了一种多级变速旋转填料塔100A，其包括塔体110，该塔体110为实现萃取分离的部件提供安装空间，并为实现萃取分离提供空间。

塔体110设置有依次连通的轻相分离段111、传质段113和重相分离段112，其中，重相分离段112的直径和所述轻相分离段111的直径分别大于所述传质段113的直径，例如在本实施例中传质段113的内径为150mm，而，重相分离段112的内径和所述轻相分离段111的内径为360mm。而重相分离段112的直径指的是重相分离区对于对应的塔体110的区域。

多级变速旋转填料塔100A还包括第一稳流组件120，第一稳流组件120设置于塔体110内，并与所述塔体110连接，所述第一稳流组件120位于所述轻相分离段111，第一稳流组件120能够将传质段113分离得到的轻相液滴在轻相分离区段内聚集，降低分离区的旋转涡流，从而加速轻相物料的分离。

具体地，第一稳流组件120包括第一稳流分离填料121和第一挡板组件122，所述第一稳流分离填料121和所述第一挡板1221设置于塔体110内，并与所述塔体110连接，所述第一稳流分离填料121设置于所述第一挡板组件122相对远离所述传质段113的一侧，其中，第一稳流分离填料121的高度50mm，填料直径350mm。

进一步地，第一挡板组件122包括多个第一挡板1221，多个所述第一挡板1221沿所述塔体110的周向设置。

进一步地，所述多级变速旋转填料塔100A还包括重相分布器124，重相分布器124设置于轻相分离段111内，重相分布器124用于向多级变速旋转填料塔100A内通入重相物料，而后重相物料受重力作用，向下运动，而后在传质段113与轻相物料作用，进行分离。

需要说明的是，重相分布器124可以采用喷淋式分布器、环管式或盘式等。

进一步地，多级变速旋转填料塔100A还包括第二稳流组件123，第二稳流组件123与第一稳流组件120的结构相同，区别在于第二稳流组件123设置于重相分离段112。

同时，多级变速旋转填料塔100A还包括轻相分布器125，轻相分布器125用于向塔体110内通入轻相物料，而后轻相物料受密度影响，向上运动，而后在传质段113与重相物料作用，进行分离。轻相分布器125的结构与重相分布器124的结构相同。

进一步地，轻相分离段111和所述传质段113的连通处即二者的连接处设置于第一分配盘126，所述重相分离段112和所述传质段113的连通处即连接处设置有第二分配盘127。分别设置第一分配盘126和第二分配盘127，使得通过轻相分布器125和重相分布器124进入塔体110的轻相物料和重相物料能够均匀进入传质段113，继而提升传质段113的传质效果，继而提升其萃取效果。

进一步地，本实施例中，第一分配盘126和第二分配盘127上开设有筛孔，孔径为5mm，正三角形分布，开孔率28.0％。

进一步地，多级变速旋转填料塔100A还包括多级变速转轴组件130、旋转填料组件140以及变速器组件150，多级变速转轴组件130、旋转填料组件140以及变速器组件150均设置于所述塔体110内，且旋转填料组件140和所述变速器组件150均与所述多级变速转轴组件130连接。

具体地，参见图1和图2，多级变速转轴组件130包括多段多级变速转轴131，所述旋转填料组件140包括多个旋转填料141，所述变速器组件150包括多个变速器151，多级变速转轴131、旋转填料141以及变速器151均位于传质段113，多段所述多级变速转轴131之间依次连接，相邻两段所述多级变速转轴131的连接处设置有一个变速器151，每段所述多级变速转轴131上设置有一个旋转填料141，通过在相邻两段多级变速转轴131的连接处设置有一个变速器151，继而可以通过调节变速器151调整相邻两段的多级变速转轴131的转速，继而能够提升传质段113的传质效果，提升萃取效果，例如，相邻上下两段的多级变速转轴131的转速比范围可以是0.1-10:1。

需要说明的是，变速器151可以采用现有技术中公开的变速器151，例如变速齿轮。

进一步地，每个所述旋转填料141的横截面积为塔体110横截面积的0.1-0.9倍，也就是说旋转填料141与塔体110之间具有一定距离，继而使得传质段113的物料可以充分萃取分离。

进一步地，旋转填料141中的填料为多孔蜂窝填料或多孔格栅填料，且填料固定在对应段的多级变速转轴131上，而放置所述填料的填料板上开有大量的孔，可为圆孔、方孔，也可为其他结构的孔，板开孔率>15％。同时，每个旋转填料141采用多层堆叠的方式形成，每层之间互相错开一定角度或距离，使旋转填料141的内部孔道在连接处不完全重合，同时，填料板与水平方向倾角大于为45-90°；填料可采用分块形式，也可采用整块；不同层的填料可根据分离需求选择不同种类不同规格的填料。

进一步地，多级变速转轴组件130还包括连接轴132，所述连接轴132设置于所述塔体110内，多段所述多级变速转轴131依次连接后的具有自由端的多级变速转轴131的自由端与所述连接轴132的一端连接，连接轴132的另一端与电机134或者其他动力装置连接，继而使得连接轴132转动，而后连接轴132带动与其连接的多级变速转轴131转动，而后再使得其他多级变速转轴131也发生转动，同时，通过变速器151控制不同段的多级变速转轴131的转速，继而实现有效的分离。

进一步地，参见图3，多级变速旋转填料塔100A还包括多个固定盘133，多个所述固定盘133均设置于所述塔体110内，并与所述塔体110固定连接，多个所述固定盘133沿所述塔体110的径向设置，每个所述旋转填料141的两侧分别设置有一个固定盘133。设置固定盘133能够有效防止液相的轴向反混。

进一步地，固定盘133上可以开设流通孔，也可以不开口孔，且每个所述旋转填料141的高度为相邻两个所述固定盘133之间间距的0.2-0.9倍。固定盘133的内环与所述连接轴132之间设置有间隙，且所述固定盘133的内环的直径为所述塔体110直径的0-0.8倍。

具体地，本发明实施例共设置了4层固定盘133，相邻两个固定盘133之间的距离为300mm，固定盘133内环直径100mm，固定盘133上开孔率为10％，孔径3mm。旋转填料141放置于相邻两个固定盘133中间，即总共3个旋转填料141，每个填料的层高度60mm，直径120mm，旋转填料141中的填料为多孔蜂窝填料，蜂窝填料板上分布大量小孔，开孔率为41.3％，以确保液相在填料内部能够充分流通分散。每个旋转填料141由三层堆叠而成，每层之间的填料框呈60°的角度错排，可使液相在竖直方向进一步被切割分散；每层分为6块，且填料焊接在固定边框上，固定边框与转轴通过螺栓连接，继而使得旋转填料141与多级变速转轴131连接。同时，相邻两个旋转填料141的连接处设置有一个变速器151，即总共有两个变速器151，该变速器151为变速齿轮，1-2层填料(从上往下分别为1，2，3层填料)间变速器151变速比为1:2，2-3层填料间变速比为2:1。

具体地，本实施例提供的多级变速旋转填料塔100A的工作过程如下：

重相物料从塔顶的重相物分布器进入塔体110，轻相物料从塔底的轻相分布器125进入塔体110内，而后重相物料和轻相物料分别通过第一分配盘126和第二分配盘127均匀分散到塔内传质段113；因两相密度不同，重相向下运动，轻相向上运动。重相物料和轻相物料在进入固定盘133之间的旋转填料141区域时，在旋转填料141的作用下，做旋转运动，流体在剪切力作用下破碎成微小液滴，并与填料反复碰撞，液滴尺寸进一步减小，两相接触面积大幅增加，相间传质得到了强化，溶质大部分被萃取至萃取相中；旋转的液相在离心力作用下向塔壁运动，在旋转填料141与塔壁之间空隙内液滴聚并；因轻重两相密度差，重相向下运动，轻相向上运动，经过固定盘133与多级变速转轴131环形间隙以及固定盘133的流通孔进入上一层或下一层传质段113；固定盘133可有效防止液相的轴向反混。两相在塔内经过多次接触传质，进入到分别在轻相分离段111和重相分离段112，因两个分离段的塔径大于传质段113的塔径，液相流动速度大幅降低，多个第一挡板1221可有效消除传质段113带来的旋流影响，第一稳流分离填料121可以减弱液体的扰动，促进液滴的聚并，进而提高两相的分离效果，两相分离分层后轻相从轻相物料出口流出，重相从重相物料出口流出。

实施例2

参见图4，本实施例提供一种多级变速旋转填料塔100B，其结构与实施例1提供的多级变速旋转填料塔100A结构相似，区别在于，本实施例提供的多级变速旋转填料塔100B不包括第一稳流组件120、第二稳流组件123、第一分配盘126和第二分配盘127，固定盘133上未开设流通孔，同时，其他结构的参数有所不同，具体如下：

同时，传质段113塔径80mm；轻相、重相分离区塔径200mm，高度为400mm，重相分布器124和轻相分布器125，且二者为喷淋式液体分布器，固定盘133内环直径为60mm。共有5个旋转填料141(从上往下分别为1-5层旋转填料141)，每个旋转填料141的直径50mm，高30mm，每个旋转填料141采用格栅填料，格栅倾角60°，每个旋转填料141设为3层，每层格栅孔相互错开；1,5层格栅板宽度为8mm，板上正三角形布置2mm的小孔，2-4层为4mm板上正三角形布置1mm的小孔，填料整体安装固定在边框上，边框与转轴采用焊接方式连接；变速器151变速比均为1:1。

同时，本实施例利用上述多级变速旋转填料塔进行萃取，而后评价其萃取效果，其中，参数为：轻相采用磷酸三丁酯-煤油(3:1)，重相采用P₂O₅53％wt的浓磷酸，轻相流率为900ml/min，重相流率为300ml/min，转速600rpm，按照上述条件，进行三次重复试验，采用本实施例提供的多级变速旋转填料塔的磷酸萃取率平均为71.2％。而参照上述塔径、板间距、流量等条件，在传统转盘塔中进行对比试验，萃取率为49.6％；在传统填料塔中进行对比试验，萃取率为30.2％。可见，本发明实施例提供的多级变速旋转填料塔相较于转盘塔、填料塔传质效率显著提高。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多级变速旋转填料塔，其特征在于，包括塔体、多级变速转轴组件、变速器组件以及旋转填料组件，所述多级变速转轴组件、所述旋转填料组件以及所述变速器组件均设置于所述塔体内，所述旋转填料组件和所述变速器组件均与所述多级变速转轴组件连接；

所述多级变速转轴组件包括多段多级变速转轴，所述变速器组件包括多个变速器，多段所述多级变速转轴之间依次连接，相邻两段所述多级变速转轴的连接处设置有一个变速器，使得所述多级变速转轴组件内不同段的多级变速转轴有不同的转速，所述旋转填料组件与多级变速转轴连接。

2.根据权利要求1所述的多级变速旋转填料塔，其特征在于，所述旋转填料组件包括多个旋转填料，每段所述多级变速转轴上设置有一个旋转填料；

优选地，每个旋转填料中的填料为多孔蜂窝填料或多孔格栅填料，且填料固定在对应段的多级变速转轴上；

优选地，放置填料的填料板上开设有孔，且填料板的开孔率大于15％。

3.根据权利要求2所述的多级变速旋转填料塔，其特征在于，所述多级变速转轴组件还包括连接轴，所述连接轴设置于所述塔体内，多段所述多级变速转轴依次连接后的具有自由端的多级变速转轴的自由端与所述连接轴的一端连接。

4.根据权利要求3所述的多级变速旋转填料塔，其特征在于，所述多级变速旋转填料塔还包括多个固定盘，多个所述固定盘均设置于所述塔体内，并与所述塔体固定连接，多个所述固定盘沿所述塔体的径向设置，每个所述旋转填料的两侧分别设置有一个固定盘。

5.根据权利要求4所述的多级变速旋转填料塔，其特征在于，每个所述旋转填料的横截面积为塔体横截面积的0.1-0.9倍，每个所述旋转填料的高度为相邻两个所述固定盘之间间距的0.2-0.9倍。

6.根据权利要求4所述的多级变速旋转填料塔，其特征在于，所述固定盘的内环与所述连接轴之间设置有间隙，且所述固定盘的内环的直径为所述塔体直径的0-0.8倍。

7.根据权利要求3所述的多级变速旋转填料塔，其特征在于，所述塔体设置有依次连通的轻相分离段、传质段和重相分离段，多段所述变速转轴、多个所述旋转填料，多个所述变速器均位于所述传质段，所述连接轴位于所述轻相分离段；

优选地，所述重相分离段的直径和所述轻相分离段的直径分别大于所述传质段的直径。

8.根据权利要求7所述的多级变速旋转填料塔，其特征在于，所述轻相分离段和所述传质段的连通处设置有第一分配盘，所述重相分离段和所述传质段的连通处设置有第二分配盘。

9.根据权利要求7所述的多级变速旋转填料塔，其特征在于，所述多级变速旋转填料塔还包括第一稳流组件，所述第一稳流组件设置于塔体内，并与所述塔体连接，所述第一稳流组件位于所述轻相分离段；

优选地，所述第一稳流组件包括第一稳流分离填料和第一挡板组件，所述第一稳流分离填料和所述第一挡板设置于塔体内，并与所述塔体连接，所述第一稳流分离填料设置于所述第一挡板组件相对远离所述传质段的一侧；

优选地，所述第一挡板组件包括多个第一挡板，多个所述第一挡板沿所述塔体的周向设置。

10.一种萃取方法，其特征在于，其利用权利要求1-9任一项所述的多级变速旋转填料塔进行萃取。

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