CN206414799U - 一种液液萃取反应器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及到液液萃取反应器，主要由反应器塔式壳体、反应器分散相膜式分布器、反应器膜式分离器层间加装的填料及反应器顶部的改性聚结填料、反应器重相入口、反应器轻相入口、顶部萃取相出口、底部连续相出口、反应器支撑裙坐等构成。分散相进入反应器内，分散相膜式分布器将分散相分散成微小的微球液滴群，均匀分散于连续相中，利用连续相与分散相中各组分浓度差产生的质量传递效应即萃取传质反应，抽提连续相中需要萃取抽提的组分进入分散相，在连续相与分散相上下逆向流动的过程中实现萃取抽提的传质反应。本实用新型为液液萃取领域提供了一种设备投资少，占地面积小，萃取反应时间短，单位萃取抽提成本低的高效萃取设备。
Description
技术领域
本实用新型涉及化工行业液液萃取反应领域，旨在提供一种萃取传质效果高，操作简单，设备造价低廉的萃取反应器。
背景技术
萃取是指利用化合物在两种互不相溶(或微溶)的溶剂中溶解度或分配系数的不同，使化合物从一种溶剂中转移到另一种溶剂中，经过反复多次萃取，将绝大部分的化合物提取出来的方法。萃取又称溶剂萃取或液液萃取，亦称抽提，是一种用液态的萃取剂处理与之互不溶的双组分或多组分溶液，实现组分分离的传质分离过程，是一种广泛应用的化工分离操作单元。液液萃取分离的物相分离的基础是利用需要分离的组分密度不一样，利用重力分离的原理，将轻相与重相分开。液液萃取的反应过程根本上是组分质量传递的传质过程，该传质过程的效能由传质面积，物相之间的分配系数，液液混合体系的PH值，含盐量以及组分之间的溶解度及各组分的密度等因素来决定的。
现有技术应用的液液萃取方法：①利用重力分离原理的抽提塔萃取(填料塔，振动塔，搅拌塔)，②离心萃取，③混合澄清槽萃取，④液膜萃取
抽提塔萃取的基本原理：
轻相(分散相或称萃取剂)由塔底引入，重相(连续相)由塔顶加入两相在塔内逆向流动，轻相组分与重相组分液液间发生质量传递的萃取传质反应，达到组分分离的目的。
填料萃取塔萃取：两相在填料表面发生接触反应进行传质萃取。
筛板萃取塔萃取：塔底引入轻相(分散相)经筛板孔分散后，在重相(连续相)中上升，到上一层筛板下部聚成一层轻液，再分散，再聚集，再分散的萃取的过程。
往复筛板萃取塔萃取：利用曲轴，使中心轴上的筛板做上，下往复运动，促进液体在筛板孔喷射引起分散混合，进行萃取的过程。
转盘筛板塔萃取：机械搅拌的板式塔，利用塔中心部位转盘的机械回转，带动连续相和分散相一起转动，增加相际接触面积，强化萃取传质过程，是改进型的筛板塔。
脉动塔脉冲塔又叫脉冲筛板塔萃取：利用脉动液流在筛板或者填料间做高速相对运动，促使分散相液滴细碎和均布，达到更高的分离传质效能。
离心萃取机萃取：利用离心力加速液滴的沉降分层，利用加剧搅拌使液滴细碎，从而强化萃取传质效能，可以大大的缩短萃取传质反应的时间，也可以多级离心萃取反应连续运行。
液膜萃取技术：是先预制一种特定轻相乳化液，形成轻相微球分散在连续相中，从而极大的提高传质面积，增大两相传质效果，将组分分离之后，再将(萃取相)乳化微球破乳达到萃取剂与萃取分离出来的物质二次分离，达到轻相连续使用的目的。
现有技术的塔式萃取反应器其实质是竖立起来的混合澄清槽反应器。借用蒸馏塔的技术理论无法解释描述塔式萃取的传质过程，因为蒸馏是利用混合液中各组分的挥发度不同来达到分离的目的，萃取塔则是利用组份在物相浓度差产生的质量传递而发生萃取传质来达到分离的目的，所以现有技术的塔式反应器的设计完全依赖于实验室研究，从中试实验中摸索工艺条件，放大效应极差，导致具体设计时一般将理论计算的各种条件放大50％以上，造成设备投资变相放大，资金浪费严重，设备实际运行费用增加。
萃取塔广泛应用于化工行业的二氧化硫萃取煤油，丙烷脱沥青，废水脱酚，食用油精制，发酵液分离，香精提纯，已内酰胺生产，糠醛精制润滑油，双氧水生产等化工领域物相分离单元。
现有萃取技术普遍存在以下不足：
萃取塔尤其是填料塔并不适用于萃取传质过程。塔式萃取反应是萃取剂分散相从塔底部依靠浮力上升与连续相逆向混合进行传质，填料塔内的填料起到的作用是二次分散萃取剂液滴。但填料塔内的填料对萃取剂有浸润作用，会吸附连续相中的萃取剂，使萃取剂在分散相聚合凝并形成液流，减少了萃取传质的表面积，减少了传质效果。
萃取剂分散在萃取塔内的连续相中向上运动的过程中，由于各组分的表面张力和界面张力不同，分散相的初始分散液滴群在向上运动过程又是一个液滴群凝并的过程，液滴向上运动的时间越久，运动的距离越长，分散相聚合凝并的液流越粗，萃取传质有效面积越小，萃取传质效应越差，所以萃取塔越高越难掌控， 萃取塔越容易产生萃取剂失效的”液泛”现象。
萃取剂(分散相)利用物质相似相溶的原理和高浓度向低浓度传递的质量传质原理，进行萃取传质反应。当萃取剂分散相从塔底向上运动的过程中，萃取传质反应在连续进行分散相中抽提过来的萃取相质量越多相对浓度越高，则分散相的抽提效果会逐渐减弱，当萃取相在分散相中浓度趋入饱和状态，还会发生萃取相返回连续相中的趋势，越容易造成萃取塔抽提效果差。实际生产中称这种现象为“返混”。
塔式萃取对萃取剂有严格要求，只有当连续相比萃取剂(分散相)密度大很多，因此而产生的上升浮力明显时，塔式萃取的连续相与分散相分离效果才明显，方可以达到塔式萃取抽提分离的目的。这就造成塔式萃取应用时必须科学选择萃取剂，限制了萃取剂的多种选择性的可能。从而导致萃取剂昂贵，萃取剂选择困难，增加了萃取抽提运行成本和萃取剂再生的成本。
由于分散相在连续相中向上运动的过程有界面张力的作用，又是分散相凝并的过程，初始分布器产生的分散相液滴群在该聚合过程中逐渐形成液流，这就容易产生萃取塔径向部分区域没有分散相存在，不发生质量传质反应或萃取塔径向部分区域分散相富聚而阻隔质量传质反应的现象产生。所以萃取塔的设计和建造时塔的直径不能过小，也不能过大，造成现实生产中，小型化萃取设备无法运行，尤其在环保领域小型处理装置的供应出现空白，萃取设备大型化装置在实际工业化应用时难以操控，投资巨大而又达不到理想的处理效果，这是萃取领域市场急需要解决的重大难题。
现有技术广泛运用的另一种萃取技术是离心萃取，离心萃取的基本工作原理：轻重两相相分别从轻相入口和重相入口进入离心萃取反应器，继而被高速旋转的转鼓和静止不动的折流挡板内的防涡流叶片之间产生的剪切力激烈混合，而产生高效传质作用，极速地完成近千个理论级的萃取操作，即完成一级混合，两相混合液被高速旋转的转鼓吸入转鼓内，并在离心力作用下分层，重相进入重相收集室，经重相出口流出，进入轻相收集室，经轻相出口流出，达到离心萃取组分分离目的。离心萃取反应，应于两相比重较小或粘度小的体系，尤其广泛应用于不适宜塔式萃取的领域。
离心萃取反应器对于两相比差很大或粘度很大的体系不容易混合的物质泵 具有强大的混合功能。
离心萃取反应的缺点：
分散相容易乳化，难以与连续相分离，造成萃取剂过大流失。
被抽提组分容易乳化，难以与连续相分离，造成萃取反应后续工段处理困难能耗高，处理成本高。
对被处理的物系要求高，如果物系中机械杂质过多被处理的物系成份复杂，则离心萃取不适应：一是设备磨损造成间隙过大会影响混合功能，二是物系比重相差不大，相溶性好的情况下达不到分离效果。
实用新型内容
本实用新型公开了一种膜式萃取反应器，具有传质速率快，传质面积大，传质反应均匀，萃取剂(分散相)利用率高，萃取剂耗量小，设备投资少，占地面积小，操作简便，适应各种处理规模的高效反应器。
如图1所示，本实用新型萃取反应器由以下几部分构成：
反应器壳体、改性聚结填料、填料支撑圈、反应器连续相分配器、改性金属填料、萃取剂分散相膜式分配器、萃取剂分散相入口、排污口、反应器支撑裙座、反应器连续相出口、萃取剂分散相膜式分配器支撑圈、第一填料压圈、反应器连续相入口、第二填料压圈和萃取相出口。
如图1所示，本实用新型萃取反应器各部分的连接方式如下：
将反应器壳体与反应器支撑裙座相连接。
在反应器壳体下部位置安装萃取剂分散相膜式分配器支撑圈。
将反应器壳体与萃取剂分散相膜式分配器支撑圈连接。
将反应器壳体上部位置安装第一填料压圈。
将萃取剂分散相膜式分配器与萃取剂分散相膜式分配器支撑圈和第一填料压圈相连接。
将萃取剂分散相膜式分配器支撑圈和第一填料压圈分别在反应器下部和上部，且安装在萃取剂分散相膜式分配器两端起到固定萃取剂分散相膜式分配器的作用。
将反应器连续相入口配管与反应器连续相分配器相连接。
再将反应器连续相入口配管与反应器壳体在反应器壳体上部连接；组成萃取 反应器的连续相进入装置。
将第二填料压圈与反应器壳体顶部相连接。
将填料支撑圈与反应器壳体顶部相连接；在填料支撑圈上部至第二填料压圈下部填充改性聚结填料；组成萃取反应器顶部的萃取相聚合填料段。将萃取剂分散相入口配管与萃取剂分散相膜式分配器相连接。
将萃取剂分散相入口配管与反应器壳体相连接；再通过萃取剂分散相膜式分配器支撑圈和第一填料压圈分别在萃取剂分散相膜式分配器上下两端连接固定，组成反应器分散相进料系统。
将改性金属填料装置在反应器壳体内的萃取剂分散相膜式分配器空隙内，置于萃取剂分散相膜式分配器支撑圈上部和第一填料压圈下部，由改性金属填料层和萃取剂分散相膜式分配器构成反应器的萃取反应区，即萃取反应主体装置。
将反应器连续相出口配管与反应器壳体底部相连接。
将排污口配管与反应器壳体底部相连接。
将萃取相出口配管与反应器壳体顶部相连接。
将连续相(重相)经反应器连续相入口进入反应器连续相分配器，通过反应器连续相分布器将连续相(重相)在反应器内均匀分布，通过重力作用，连续相(重相)由反应器上部向下运动，将萃取剂分散相(轻相)经萃取剂分散相入口进入萃取剂分散相膜式分配器，通过泵送压力的作用将萃取剂分散相穿过萃取剂分散相膜式分配器的膜管，将分散相挤出在萃取剂分散相膜式分配器的膜管表面形成微米级直径的分散相微球，因分散相的密度比连续相的密度小，分散相微球液滴依靠连续相和分散相的密度差产生的浮力上浮；分散相微球液滴群与连续相在反应器内逆向运动；同时利用分散相微球液滴中被抽提组分质量少浓度比连续相中低很多，两相接触过程中发生被抽提组分的质量传递，即萃取传质反应。装填在反应器中的改性金属填料起到延缓，分散相集合凝并的作用，起到二次均匀分布连续相的作用。
如图2所示，萃取剂分散相膜式分配器的组成及安装如下：
萃取剂分散相膜式分配器是由A)和B)两种膜管安装方式的方位每层错开安装，这保证了分散相微球液滴群能充分均匀分解在反应器内的连续相之内，保证萃取传质功效是均匀充分的。构成膜组件的膜管是高分子改性刚玉质陶瓷膜，膜 孔径为0.5μm～1㎜。
本实用新型反应器内安装了萃取剂分散相膜式分布器。萃取剂分散相膜式分布器层间空隙中装填了空隙率大的改性金属填料；萃取剂分散相膜式分布器与装填在萃取剂分散相膜式分布器层间的改性金属填料层分层叠加的安装方式，构成了萃取反应器的萃取传质反应的主体结构。
构成萃取剂分散相膜式分布器的膜是用含亲萃取剂憎连续相基团化合物改性的微孔陶瓷膜，膜孔径为0.1μm～1㎜，膜的外观形状可以是管状膜或板式膜。膜分布器的安装方式是：分层安装，相邻上下两层膜组件中的膜管或膜板方装方位按相隔60度交叉错开分布。
本实用新型提供的萃取反应器的工作原理和优点：
利用微孔膜萃取剂分散相分布器将分散相分散成微小的液滴球。
微孔膜的微孔孔径为0.5μm～1mm，当萃取剂(分散相)穿过微孔膜微孔通道进入连续相中时，由于分散相时很难溶解在连续相的组分。分散相与连续相两个组分之间会产生一个相际界面，再加上分散相与连续相密度不一样，连续相对分散相有一个向上的浮动，托举分散相向上运动，这一向上的浮力与相际界面张力相互作用，在分散相分布器微孔膜表面形成连续的剪切力，将从分散相分布器微孔膜表面穿透过来的分散相切割成分散相液滴微球。
本实用新型提供的萃取反应器还适应于萃取抽提连续相中含有多种组分的情况，利用相似相溶的原理及质量传递的传质效应，将连续相中的需要抽提的组分全部萃取抽提到分散相中。为了更有利于连续相与萃取相更好的分离，利用连续相与萃取相两相间会产生一个相际界面的原理，在萃取反应器顶部加一段含亲萃取相憎连续相基团改性的填料层，能加强萃取相在改性填料段富聚的效果，从而强化萃取相与连续相分离的效果，强化整个萃取反应器萃取抽提传质的功效。
本实用新型提供的萃取反应器中的分散相微孔膜分布器的膜组件是如图2所示萃取剂分散相膜式分布器由多层膜组件构成，膜组件的膜管(膜板)层与层之间按分布膜管方位60度交叉错开分布的。这样可以确保分散相在萃取反应器中的分布从下到上都是均匀的，可以确保各段分散相分布器膜管(膜板)中分散出来的分散相液滴群都是抽提效果最好的，具有最佳抽提传质功效的。可以避免传统塔式萃取通常上部产生的液泛现象。
本实用新型提供的萃取反应器中在膜式萃取剂分散相分布器膜组件的膜管层与层中间添加填料段，起到将分散相和连续相打散延缓两相凝并的作用，起到将分散相微球液滴群、连续相二次均匀分布的作用，起到强化萃取传质功效的作用。
萃取剂分散相膜分布器与填料层分层叠加的安装方式，决定了萃取传质的分层反应模式，避免了传统填料塔式萃取容易出现径向传质死区，产生传质失效的液流，壁流，沟流现象，提高了单位面积的传质功效。
萃取剂分散相膜分布器与填料层分层叠加的安装方式构成了萃取反应器的主体反应结构，这种方式可以极大地避免堵塔现象的产生，也便于萃取反应器运行一个阶段后的反应器的清洗。
附图说明
图1为本实用新型萃取器的结构示意图；
图2为本实用新型萃取器的俯视结构示意图；
图3为本实用新型萃取器的图1的A-A面剖视图；
图4为本实用新型萃取器的图1的B-B面剖视图；
其中，1.反应器壳体，2.改性聚结填料，3.填料支撑圈，4.反应器连续相分配器，5.改性金属填料，6.萃取剂分散相膜式分配器，7.萃取剂分散相入口，8.排污口，9.反应器支撑裙座，10.反应器连续相出口，11.萃取剂分散相膜式分配器支撑圈，12.第一填料压圈，13.反应器连续相入口，14.第二填料压圈，15.萃取剂分散相出口。
具体实施方式
本实用新型的一种液液萃取反应器，如图1和图2所示，包括：反应器壳体1、改性聚结填料2、填料支撑圈3、反应器连续相分配器4、改性金属填料5、萃取剂分散相膜式分配器6、萃取剂分散相入口7、排污口8、反应器支撑裙座9、反应器连续相出口10、萃取剂分散相膜式分配器支撑圈11、第一填料压圈12、反应器连续相入口13、第二填料压圈14和萃取相出口15；
反应器壳体1与反应器支撑裙座9相连接；在反应器壳体1下部位置安装萃取剂分散相膜式分配器支撑圈11；反应器壳体1与萃取剂分散相膜式分配器支撑圈11连接；反应器壳体1上部位置安装第一填料压圈12；萃取剂分散相膜式 分配器6与萃取剂分散相膜式分配器支撑圈11和第一填料压圈12相连接；萃取剂分散相膜式分配器支撑圈11和第一填料压圈12分别安装在反应器下部和上部，且安装在萃取剂分散相膜式分配器6两端起到固定萃取剂分散相膜式分配器6的作用；
反应器连续相入口13的配管与反应器连续相分配器4相连接；反应器连续相入口13的配管与反应器壳体1在反应器壳体1上部连接，组成萃取反应器的连续相进入装置；
第二填料压圈14与反应器壳体1顶部相连接；填料支撑圈3与反应器壳体1顶部相连接；填料支撑圈3上部至第二填料压圈14下部填充改性聚结填料2，组成萃取反应器顶部的萃取相聚合填料段；
萃取剂分散相入口7的配管与萃取剂分散相膜式分配器6相连接；萃取剂分散相入口7的配管与反应器壳体1相连接；萃取剂分散相膜式分配器支撑圈11和填料压圈12分别在萃取剂分散相膜式分配器6上下两端连接固定，组成反应器分散相进料系统；
改性金属填料5装置在反应器壳体内1的萃取剂分散相膜式分配器6空隙内，置于萃取剂分散相膜式分配器支撑圈11上部和第一填料压圈12下部；由改性金属填料5和萃取剂分散相膜式分配器6构成反应器的萃取反应区，即萃取反应主体装置；
反应器连续相出口10的配管与反应器壳体1底部相连接；
排污口8配管与反应器壳体1底部相连接；
萃取相出口15配管与反应器壳体1顶部相连接。
如图1、图3和图4所示，萃取剂分散相膜式分配器的组成及安装如下：
萃取剂分散相膜式分配器是由A)和B)两种膜管安装方式的方位每层错开安装，这保证了分散相微球液滴群能充分均匀分解在反应器内的连续相之内，保证萃取传质功效是均匀充分的。构成膜组件的膜管是高分子改性刚玉质陶瓷膜，膜孔径为0.5μm～1㎜。
煤化工领域在生产过程中会产生大量含酚工业废水。这类含酚废水一般酚含量高、毒性大、可生化性差，需要先进行脱酚预处理，才可以进入生化处理工段。含酚工业废水中的酚是各种苯环类化合物的统称，成份复杂，但苯酚类化合物是 一种具有经济价值的化学中间体。如能将废水中的酚类化合物回收，不但能将工业废水资源化再利用，而且可以降低含酚废水的处理成本。
本实用新型提供的液液膜式萃取反应器针对煤化工、石油化工、化学制药等行业生产过程中产生的含酚工业废水处理。因为现有技术中用塔式萃取脱酚时塔体容易堵塞，萃取剂流失严重，萃取脱酚处理费用高。用离心萃取脱酚由于废水中含有的酚成份复杂，离心萃取时萃取剂和酚类化合物很容易乳化，造成萃取剂流失严重，而且反萃回收萃取剂时不但酸碱药剂费用高，而且产生二次污染。
本实用新型提供的液液萃取反应器在山东省临沂市山东天元新能源有限公司32万吨/年煤焦油加氢项目工业废水处理装置得到工业化应用，具体情况如下：
天元新能源32万吨/年煤焦油加氢装置产生的含酚废水主要来源于煤焦油预分系统废水，原料油油库废水，这些含酚废水中含酚的含量一般为8000～10000mg/L，废水量为3m3/h。
将该类含酚废水先集中经过同凯科技TKSF油水分离系统去除废水中的油，再用泵送入本实用新型提供的膜式萃取反应器，采用二异丙基醚和煤油复合的萃取剂，按连续相含酚废水与复合萃取剂(分散相)配比比例为1:0.3配比，废水脱酚后反应器底部出水废水中的酚含量≤300mg/L，萃取脱酚的效率≥97％，回收的粗酚含水量＜17％，粗酚纯度＞83％。将粗酚回收用于加氢系统做原料油。每立方废水处理消耗的萃取剂≤1克，每吨废水的脱酚处理费用≤28元/吨。按每吨回收的酚计价2500元/吨核算，每吨废水回收酚产生的收入≥195元/吨，扣除处理的运行费用，每吨废水萃取脱酚的收入≥167元/吨，具有非常大的经济效益。
本实用新型膜式萃取反应器连续运行三个月的实际运行效果是：
不堵塔，反应器清洗十分方便。
能耗少，能耗只有传统塔式反应器的50％。
反应全过程，全系统为密封运行，无二次污染，不产生废水、废气、废渣。
可以间歇式操作。
Claims (3)
1.一种液液萃取反应器，其特征在于，该反应器包括：反应器壳体(1)、改性聚结填料(2)、填料支撑圈(3)、反应器连续相分配器(4)、改性金属填料(5)、萃取剂分散相膜式分配器(6)、萃取剂分散相入口(7)、排污口(8)、反应器支撑裙座(9)、反应器连续相出口(10)、萃取剂分散相膜式分配器支撑圈(11)、第一填料压圈(12)、反应器连续相入口(13)、第二填料压圈(14)和萃取相出口(15)；
反应器壳体(1)与反应器支撑裙座(9)相连接；在反应器壳体(1)下部位置安装萃取剂分散相膜式分配器支撑圈(11)；反应器壳体(1)与萃取剂分散相膜式分配器支撑圈(11)连接；反应器壳体(1)上部位置安装第一填料压圈(12)；萃取剂分散相膜式分配器(6)与萃取剂分散相膜式分配器支撑圈(11)和第一填料压圈(12)相连接；萃取剂分散相膜式分配器支撑圈(11)和第一填料压圈(12)分别安装在反应器下部和上部，且安装在萃取剂分散相膜式分配器(6)两端起到固定萃取剂分散相膜式分配器(6)的作用；
反应器连续相入口(13)的配管与反应器连续相分配器(4)相连接；反应器连续相入口(13)的配管与反应器壳体(1)在反应器壳体(1)上部连接，组成萃取反应器的连续相进入装置；
第二填料压圈(14)与反应器壳体(1)顶部相连接；填料支撑圈(3)与反应器壳体(1)顶部相连接；填料支撑圈(3)上部至第二填料压圈(14)下部填充改性聚结填料(2)，组成萃取反应器顶部的萃取相聚合填料段；
萃取剂分散相入口(7)的配管与萃取剂分散相膜式分配器(6)相连接；萃取剂分散相入口(7)的配管与反应器壳体(1)相连接；萃取剂分散相膜式分配器支撑圈(11)和填料压圈(12)分别在萃取剂分散相膜式分配器(6)上下两端连接固定，组成反应器分散相进料系统；
改性金属填料(5)装置在反应器壳体(1)内的萃取剂分散相膜式分配器(6)空隙内，置于萃取剂分散相膜式分配器支撑圈(11)上部和第一填料压圈(12)下部；由改性金属填料(5)和萃取剂分散相膜式分配器(6)构成反应器的萃取反应区，即萃取反应主体装置；
反应器连续相出口(10)的配管与反应器壳体(1)底部相连接；
排污口(8)配管与反应器壳体(1)底部相连接；
萃取相出口(15)配管与反应器壳体(1)顶部相连接。
2.根据权利要求1所述的液液萃取反应器，其特征在于，所述的萃取剂分散相膜式分配器(6)中膜为微孔陶瓷膜，为管状膜或板式膜，膜孔径为0.1μm～1mm。
3.根据权利要求2所述的液液萃取反应器，其特征在于，所述的萃取剂分散相膜式分配器(6)有若干层，相邻上下两层中的膜管或膜板安装方位按相隔60度交叉错开分布。
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