新型液液萃取-離心萃取機原理分解

1.（一）離心萃取機工作原理與性能特點

離心萃取機是一種高效的液 - 液萃取設備，其工作原理主要基于離心力場下的液液分離。以下是具體介紹：

混合傳質：兩種互不混溶的液體，通常為有機相和水相，通過進料口進入離心萃取機的混合室。在混合室中，借助攪拌器或其他混合裝置的作用，兩種液體被充分混合，形成細小的液滴分散體系，極大地增加了兩相之間的接觸面積，從而促進了溶質在兩相之間的傳質過程。

離心分離：混合后的液滴混合物隨后進入離心分離區域。在高速旋轉的轉鼓作用下，產生強大的離心力。由于兩種液體的密度不同，在離心力的作用下，密度較大的液體向外層移動，而密度較小的液體則向內層移動，從而實現兩相的分離。分離后的兩相液體分別通過各自的出口排出離心萃取機，完成萃取過程。

通過這種方式，離心萃取機能夠在較短的時間內實現高效的萃取分離，廣泛應用于化工、制藥、環保等領域。

自20世紀30年代開始，國外便著手于離心萃取機的研究，并在40年代成功制造出樣機。到了60年代初期，美國SRL實驗室率先研制出SRL型攪拌槳式圓筒型離心萃取機，這一機型在核燃料處理領域得到了應用。此后，西德在SRL型的基礎上開發了WAK型離心萃取機，而法國則在70年代研制出BXP型離心萃取機和LX型多級離心萃取機，這些機型隨后被廣泛應用于原子能、化工、石油、冶金和制藥等多個工業領域。

然而，這些早期的離心萃取機普遍存在結構繁瑣、維修困難以及效率不高的問題。針對這些問題，美國阿拉貢實驗室在20世紀60年代又研發出環隙式離心萃取機，這一機型在結構上進行了優化，提高了效率和易用性。此后，我國也從1963年開始對離心萃取機展開研究，并在80年代試制出小型單級離心萃取機，取得了一系列實驗數據和成果。

2 離心萃取機的工作原理

環隙式離心萃取機，如圖2所示，由靜態的外筒體、動態旋轉的轉鼓以及電機等關鍵部件構成。在運行過程中，密度各異且不相融合的兩相流體分別由兩個進口進入環隙區域。由于外筒體與旋轉的轉鼓之間形成的環隙非常小，當轉鼓高速旋轉時，會在環隙處產生巨大的剪切力。這種剪切力結合轉筒的旋轉摩擦，使得流體在環隙內得到劇烈的混合。隨后，混合液通過連接環隙與轉鼓內部的通道進入轉鼓內部，并借助離心力的作用實現兩相的分離。在分離過程中，密度較大的重相被甩至轉鼓的內壁面，經重相通道進入重相收集室，最終從重相出口排出；而輕相則聚集在轉鼓的內部中心，通過輕相通道進入輕相收集室，再從輕相出口流出。

圖2展示了環隙離心萃取機的工作原理。其中，(1)外筒體是靜態部分，為萃取過程提供必要的結構支持；(2)轉鼓則以高速旋轉，通過其與外筒體之間的環隙產生強大的剪切力；(3A)和(3B)分別為輕相和重相的入口，它們將兩相流體引入環隙區域；(4A/4B)表示轉鼓下部的特定區域，這里發生了劇烈的混合與分離過程；(5)轉鼓中心的開孔允許重相流體進入重相收集室；(6)固定于底板上的徑向擋板起到導向作用，確保流體沿預定路徑流動；(7)轉子上的槳葉通過旋轉產生離心力，促使兩相流體進一步分離；(8)轉鼓上的豎向擋板則用于防止輕相流體進入重相收集室；(9)空氣與輕相的分界面清晰地展示了兩相流體的分離情況；(10A)輕相溢流堰和(10B)重相溢流堰分別用于收集和引導兩相流體；(11)和(12)分別表示分離后的重相和輕相，它們通過相應的出口排出機器。此外，(13A)輕相出口和(13B)重相出口用于將收集到的流體排出機器進行進一步處理。最后，(14)轉鼓中液體的液位則顯示了機器內部流體處理的實時狀態。

3. 流體流動特性

在環隙離心萃取機中，流體的流動呈現出獨特的特點。由于轉鼓的高速旋轉，流體在環隙區域受到強大的剪切力作用，進而產生劇烈的混合與分離過程。此外，轉子上的槳葉通過旋轉產生的離心力，也進一步促進了流體的分離效果。同時，豎向擋板的設計有效地防止了輕相流體進入重相收集室，確保了兩相流體的有序分離。
2.1 混合區——環隙流場特性
環隙區域的流場可被視為兩個同軸圓筒環隙間的泰勒-庫特流動。在低轉速情況下，流體沿圓筒轉動方向流動；而當轉速超越臨界值時，流體將形成細胞狀圖案，這些圖案在軸向上以等距方式排列，即泰勒漩渦。隨著轉速的進一步增加，環隙內的流體流動逐漸從簡單的軸向流動演變為完全的湍流狀態。泰勒數（Ta），作為無量綱準數，被用來描述離心力與粘滯力之間的平衡。
其中，Ωi代表內轉鼓的轉速，d表示環隙的寬度，v為液體的粘度，而η則是指徑比。當離心不穩定現象出現時，對應的泰勒數被稱為臨界雷諾數（Tacr）。Hasoon和Martin通過時間獨立差分法和Galerkin方法，深入探討了軸向擾動下的穩定性問題，揭示出Tacr的值與軸向速度并無直接關聯。另一方面，Deshmukh等學者的研究則表明，在泰勒數較小的情況下，環隙內的流體流動呈現為層流庫特流。然而，一旦泰勒數超過Tacr，隨著其數值的增大，流動結構會經歷從泰勒渦流到波狀渦流，再到混亂渦流，最終變為完全的泰勒渦流的過程。這一系列的流動形態變化，如圖3所示。

環隙式離心萃取機中的環隙區域流動，其形態與泰勒渦流相似，但同時伴隨著軸向的流動。正是這種環隙湍流中的泰勒渦流，使得離心萃取機能夠有效地強化傳質過程。
圖4展示了泰勒渦的形態。Chandrasekhar提出了一種用于計算臨界泰勒數的方法，該方法在環隙式離心萃取機的優化設計中具有重要意義。通過調整操作參數，如轉速和萃取劑濃度，可以影響泰勒渦的形態和強度，進而改善傳質效果。
Roberts等學者指出，在寬間隙的環隙式離心萃取機中，臨界泰勒數的變化主要受到徑比的影響。
2.2 分離區與轉鼓區特性
在環隙式離心萃取機中，輕相和重相的分離過程如圖2所示。混合后的兩相物料通過轉鼓中間的開孔進入其內部。在轉鼓的高速旋轉下，液體產生離心運動。隨著液體在轉鼓內部位置的上升，重相由于離心力大而聚集在轉鼓空間的外圍，而輕相則因離心力小而位于內側。同時，還存在一個無液體的區域。這樣，就逐漸形成了重相區、輕相區以及空腔區域（交界面以內的部分）。

通過模擬不同初始油水比例導致的不同混合粘度情況，以及改變轉速和結構尺寸，可以研究油水兩相的分布和分離過程。結果顯示，兩相混合粘度對分離效果的影響大于單一相的混合粘度，而且通過調整結構尺寸可以進一步提高分離效率。

在萃取過程中，環隙區域主要負責混合功能，而轉筒部分則主要完成分離功能。值得注意的是，單級萃取的效率往往較低且需要大量萃取劑，難以滿足實際工業需求。因此，為了更有效地實現萃取功能并降低能耗，洗滌、反應和萃取過程通常需要多級串聯。在許多工業應用中，通過將多臺單級設備串聯起來，可以構成多級逆流萃取設備，從而滿足實際生產需求。

4. 結構設計

在環隙式離心萃取機的設計中，其結構特點至關重要。該設備通過巧妙的設計，實現了輕相和重相的有效分離。其關鍵部件包括轉鼓和環隙區域，它們共同作用，使得混合后的兩相物料能夠在轉鼓的高速旋轉下，產生離心運動，進而實現分離。此外，設備的結構尺寸和轉速等參數，也會對油水兩相的分布和分離過程產生重要影響。通過合理的結構設計，可以進一步提高分離效率，滿足實際工業生產的需求。
3.1 轉鼓部件

轉鼓部件作為環隙式離心萃取機的核心，其設計精湛程度直接關乎萃取分離的效果。這一組件涵蓋了轉鼓體、隔板、主軸以及輕相堰板和重相堰板等多重精細部件。隔板巧妙地將轉鼓體內腔劃分為幾個均勻的區域，確保進入轉筒的液體能在這些區域內平穩分布，達到平衡狀態。而分離過程則主要發生在轉鼓底部至輕相堰板之間的區域，該段長度被精心設計，以確保有充足的時間讓液-液分界面得以形成。同時，分離時長與轉鼓長度的關系也被精心把控，以確保最佳的分離效果。
其中，t代表分離時間，D代表轉鼓直徑，單位為米；Dα代表輕相堰板直徑，單位為米；L代表轉鼓筒體分離區域長度；V代表轉鼓內隔板所占體積，單位為立方米；Q為處理量，單位為立方米/小時。

重相堰板的設計考慮了拆卸和更換的便捷性，以便根據需要更換合適的重相堰板直徑，以優化分離效果。在出現輕重兩相夾帶問題時，可以通過調整重相堰板直徑來解決，其直徑D0（等于2r0）可依據特定公式進行選取。
其中，r0表示重相堰板的半徑，單位為厘米；ri代表截面半徑；ρα則表示輕相的密度，單位為克/立方厘米；ρ0則是重相的密度。同時，rα指輕相堰板的半徑，單位同樣為厘米；而Fα和A均為經驗常數，它們的取值與輕相的實際流量、輕相堰板的直徑以及轉速等因素密切相關。
3.2 長徑比（L/D）
轉鼓的內徑，即公稱直徑，是衡量離心萃取機處理能力的一個重要指標。在特定的工作條件下，轉鼓的壁厚和強度是限制其直徑大小的關鍵因素。而長徑比λ，定義為轉鼓的長度L與公稱直徑D的比值，對處理量有著顯著影響。在公稱直徑保持不變的情況下，長度增加意味著長徑比增大，進而導致處理量提升。然而，由于高速旋轉下離心力引發的徑向應變問題，離心機轉鼓的長度不宜過長。為了增加液體在轉鼓內的停留時間并提升分離效率，應優先考慮增大轉鼓直徑。通常，長徑比（L/D）的適宜范圍被設定為1.3至3.0。
3.3 最大處理量（Qmax）
環隙式離心萃取機的最大處理能力，可以通過經驗計算公式來估算。該公式綜合考慮了轉鼓的內徑、長度以及轉速等多個因素，從而得出機器在特定工作條件下的最大處理量。這一指標對于評估離心萃取機的性能以及滿足生產需求具有重要意義。
最大處理量（Qmax）的計算公式中，涉及到了幾個關鍵參數。這些參數包括轉鼓的轉速（n），其單位為轉每分鐘（r/min）；轉鼓的內徑（D），單位為米（m）；以及轉鼓的長度（L），同樣單位為米（m）。通過這些參數的綜合考量，我們可以得出機器在特定工作條件下的最大處理量，這一指標對于評估離心萃取機的性能至關重要。
3.4 最低轉速的確定
當轉鼓的進料口半徑小于輕相堰的半徑時，旋轉的轉鼓會產生抽吸料液的效果。這種抽吸力用液柱ΔH來表示，其計算公式為：

（此處需補充具體的計算公式）
這一計算結果對于確定機器的最低轉速具有重要意義，因為它涉及到機器能否有效地抽吸料液，從而確保其正常工作。
其中，ΔH代表液柱的高度，以米為單位；w表示轉鼓的角速度，單位為轉每秒（r/s）；r0是流過輕相堰時液體內表面的半徑，通常在計算中可以近似為輕相堰的半徑，單位為米；而rm則是轉鼓底部進料口的半徑，同樣以米為單位。

5. 提升離心機性能的策略

在探討如何提升離心機性能時，我們需關注幾個關鍵參數。這些參數包括液柱高度ΔH、轉鼓角速度w、流過輕相堰時液體內表面的半徑r0，以及轉鼓底部進料口的半徑rm。通過優化這些參數，我們可以有效地改善離心機的性能。
4.1 高效隔振措施

為了減輕設備振動對周邊環境的不利影響，我們依據設備的固有頻率與激振頻率特性，在設備底座處精心設計了彈性橡膠體。這種彈性橡膠體內部配備了螺旋鋼彈簧，外部則包裹著粘性系數高、線性特性優良的橡膠材料，從而能夠迅速吸收并消除設備的自由振動。
4.2 軸承密封
在離心萃取機高速運轉時，其強大的離心力會導致內部部分液體霧化。這些霧化液體若滲透進入軸承座，便會侵蝕軸承，最終造成軸承的銹蝕與損壞。特別需要注意的是，萃取體系中往往含有易燃、易爆、易揮發的高危性溶劑。一旦這些被霧化的溶劑進入軸承座，其潛在的安全隱患將顯著增加。因此，我們選擇采用封閉滑套軸承，以有效預防可能發生的泄漏問題。
4.2.1 軸承密封的進一步探討
在離心萃取機高速運轉時，其產生的強大離心力會導致內部部分液體發生霧化。這些被霧化的液體若滲透進入軸承座，便可能對軸承造成侵蝕，長期下來可能導致軸承的銹蝕與損壞。值得注意的是，萃取體系中往往含有易燃、易爆、易揮發的高危性溶劑。一旦這些被霧化的高危溶劑進入軸承座，其帶來的安全風險將顯著增加。因此，為了確保設備的安全與穩定運行，我們選擇了封閉滑套軸承來有效預防可能發生的泄漏問題。

文章來源于網絡 如有侵權請與管理員聯系立即刪除