CN111569817A - 一种填料单体、填料组件及其在液液萃取体系中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种填料单体，为中空的截顶正八面体结构，由8个正六边形和6个正四边形围绕形成，其中上、下2个正六边形为封闭平面，侧面的6个正四边形和6个正六边形开孔形成十二个流道。本发明还公开了一种填料组件，包括三维网状结构的填料主体，填料主体由若干个所述填料单体排列组合而成，相邻填料单体通过对齐侧面正四边形、侧面正六边形或上下正六边形相互连接，其中上下两个相邻的填料单体由于位于下方的填料单体顶部正六边形封闭而不连通，其余相邻填料单体通过流道相互连通，呈高低错落排列。本发明还提供了所述填料组件在液液萃取体系中的应用。

Description

一种填料单体、填料组件及其在液液萃取体系中的应用

技术领域

本发明涉及化学分离技术领域，具体涉及一种填料单体、填料组件及其在液液萃取体系中的应用。

背景技术

填料塔是重要的液液萃取设备，具有结构简单、安装方便、分离高效等特点。填料塔主要由填料、塔内件及筒体构成，共同配合达成传质分离效果。其中填料是塔内最核心部件，是两相之间有效传质传热的接触场所，直接关系到填料塔的传质性能和分离效率。目前工业上使用的主要填料类型包括：散堆填料和规整填料两类。

散堆填料在塔内不规则堆放，液液接触比较充分，填料传质效果较好，不足之处在于，堆积形态无法控制，存在沟流和集壁等不利情况，对流体分布的要求比较高。针对高密度差萃取体系，阶梯环是一种常用散堆填料构型，由于翻边结构的定向作用，提升了填料排布的定向性，流体在填料内的运动更为规律，阻力减小，通量增大，传质效率提高。专利CN891091512.1公开了一种具有独特的内弯弧形筋片结构的扁环填料，其取消了阶梯环的翻边，使得塔内分散相分布更加均匀，促进填料内分散相液滴破碎-聚并-破碎。专利CN210229985U公开了一种高效加强型的矩鞍环填料，该填料不仅有较强的强度，且其自身的比表面积更大，进而提高了传质效率。专利CN00200232.9公开了一种带有加强锯齿形窗口的内弯弧形筋片扁环填料，克服了液液萃取体系轴向返混严重的问题。

与散堆填料比较，规整填料呈现规则几何排布，流体运动的周期性强，压降较低，传质面积大。典型的规整填料包括：格栅填料、丝网填料、Mellapack规整填料、SMVP规整填料、多通道填料等。其中，Sulzer公司的Mellapack填料应用最广，其具有交错多通道对称结构，可促进液相的分散-聚并-再分散，保证传质表面不断更新，从而得到较高的效率和极大的通量。专利CN110449113A提出了一种由斜边填料和直边填料交错排列组成的高效规整填料，相邻两填料层间的两相流道更加畅通，流通阻力下降，填料润湿面积增加，两相接触更加充分，有效地提高了填料比表面积。专利CN210078931U提出了一种波浪曲面导流规整填料，通道壁为波浪曲面，每层填料单元与相邻层交叉放置，提高了填料的防止堵塞能力。专利CN200610053562.8公开了一种板波纹规整填料，填料由多层斜型板波纹叠合而成，每两层斜型板波纹规整填料层之间间隔一层轴向导流的板波纹规整填料层，有效改善两相流动特性，提高相间混合效果。

萃取填料塔利用两相密度差或重力差实现逆流流动和传质，现有填料构型主要针对两相密度差较小(<200kg/m³)的情况。当液液体系密度差较大时，重相往往下落速度快，导致两相接触时间短，分散相难以高度分散，传质性能变差。因此，有必要设计一种适用于高密度差液液萃取分离体系的新构型填料，保证填料内分散相高效分散和两相充分接触。

发明内容

针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种填料单体以及由所述填料单体构成的填料组件，特别适用于液液两相萃取体系，可保证分散相高效分散和液液两相充分接触，减少短路和沟流等不良状况，有效地增加萃取传质效率。

一种填料单体，为中空的截顶正八面体结构，由8个正六边形和6个正四边形围绕形成，其中上、下2个正六边形为封闭平面，侧面的6个正四边形和6个正六边形开孔形成十二个流道。

所述的填料单体的底部正六边形也可开孔，填料单体堆积形成填料组件时可利用下方填料单体顶部的密封正六边形平面实现上下填料单体的分隔。

作为优选，所述十二个流道沿不同侧方向均匀分布，流道截面分别为正六边形或正四边形。

本发明还提供了一种填料组件，包括三维网状结构的填料主体，所述填料主体由若干个所述的填料单体排列组合而成，相邻填料单体通过对齐侧面正四边形、侧面正六边形或上下正六边形相互连接，其中上下两个相邻的填料单体由于位于下方的填料单体顶部正六边形封闭而不连通，其余相邻填料单体通过流道相互连通，呈高低错落排列。

填料单体沿三个正交方向阵列排布，形成具有规整流体通道的三维网状结构的填料主体。相邻的基本单元体之间分割面与分割面相对，孔与孔相对，流道与流道相对连接。

所述的填料组件由于其结构的特殊性可实现以下两点技术效果：1、截顶正八面体结构的填料单体能够紧密堆积完全填充三维空间形成立体框架，避免空间浪费并保证分散相分散良好；2、填料组件内具有水平分隔板(填料单体顶部正六边形封闭平面)以增加分散相停留时间，填料单体内水平分隔结构可有效地缓解重质分散相下落速度，提高两相接触面积，防止短路和沟流，增强两相传质萃取。

作为优选，所述填料主体为圆柱形。

作为优选，所述填料主体的顶部和底部设有用于提高填料主体抗冲压和变形能力的加强筋。

作为优选，所述的填料组件还包括侧面包围所述填料主体的外壁，所述外壁上设有若干个与所述填料主体的流道连通的通孔。外壁设置多个通孔，其贯穿壁面并与三维网状填料主体内的流道相连接，流体可通过这些通孔进出填料，保证流体流动畅通。

本发明还提供了所述的填料组件在液液萃取体系中的应用。

萃取过程中流体在填料内流动，填料内具有满足流体分布和运动的通道。本发明提出的新构型填料内，流道分布如下：首先，基本单元体(填料单体)的各包裹面中正四边形区域开孔设置为流体通道(流道)；其次，侧面的6个正六边形平面同样开孔(优选在平面中心开正六边形孔)形成流道，这十二个流道沿不同侧方向均匀分布；最后，基本单元体内部为中空结构，中空区域通过周边布置的十二个流道与相邻的基本单元体连接，各个相互连接的基本单元体呈现高低错落排列。

在所述填料组件中，基本单元体的上下两个面(其中位于下方的一个面可以是与之相连的下方基本单元体的顶面)为封闭状态，萃取过程中，液相在填料单体内被分割成多股液相分别进入不同通道中，基本单元体的上下水平隔板起到流体阻隔作用，减少流体垂直方向运动，强化流体折流和分散，增加两相接触时间，提高传质效率。

作为优选，所述液液萃取体系中两相密度差不小于200kg/m³。本发明的填料组件尤其适用于高密度差(≥200kg/m³)液液萃取体系。

作为优选，所述填料组件平面尺寸与萃取塔一致，单个或多层安装于萃取塔内部。填料组件通过层层叠加的方式使用，可满足任意分离高度和理论分离级数要求。

所述填料组件的高度优选为50～1000mm，进一步优选为100～300mm。

本发明与现有技术相比，主要优点包括：选用中空的截顶正八面体结构作为基本单元体，可有效填充三维空间，重质分散相从上至下进入高密度差液液萃取规整填料，随着重分散相的流动，通过通道进入填料单体后被切割成多股不同方向的液流，导致分散相在空间上良好分散，改善填料内液流分布的均匀性；水平分隔结构起到缓冲重质分散相的作用，导致分散相在填料单元内聚并，下落速度减慢，两相接触时间增加，留存分散增加，传质效率提高。

附图说明

图1为实施例的填料单体的立体结构示意图；

图2为实施例的填料组件的立体结构示意图；

图3为实施例的填料组件的局部放大结构示意图；

图4为实施例的填料单体构造填料组件的流程示意图；

图中：11-正六边形封闭平面，12-正四边形流体通道，13-正六边形流体通道，14-填料单体侧面填料，1-填料主体，2-加强筋，3-外壁。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

实施例

如图1所示，本实施例采用的填料单体为中空的截顶正八面体结构，由8个正六边形和6个正四边形围绕形成，其中上、下2个为正六边形封闭平面11(填料单体水平分隔结构)，侧面的6个正四边形和6个正六边形开孔形成十二个流道，分别为6个正四边形流体通道12和6个正六边形流体通道13。十二个流道沿不同侧方向均匀分布。具体地，填料单体的侧壁厚度为0.5mm，正六边形封闭平面11、正四边形流体通道12，侧面填料14的棱边边长R均等于4mm；正六边形流体通道13在侧面填料14中心开正六边形孔，开孔棱长L为2.8mm。

上述填料单体组装形成填料组件的流程如图4所示，多个填料单体组合并通过沿三个正交方向阵列排布，为适用于圆柱形萃取塔，所得长方体构型通过切割、拉伸形成具有规整流体通道的三维网状结构的圆柱形填料主体，然后在圆柱形填料主体侧面包围圆筒形外壁，并与筒体壁面融合，填料组件的径向尺寸与萃取塔的内径一致。筒体壁面设置多个通孔，其贯穿壁面并与三维网状填料主体内的流道相连接，流体可通过这些通孔进出填料，保证流体流动畅通。填料主体由若干个填料单体排列组合而成，相邻填料单体通过对齐侧面正四边形、侧面正六边形或上下正六边形相互连接，其中上下两个相邻的填料单体由于位于下方的填料单体顶部正六边形封闭而不连通，其余相邻填料单体通过流道相互连通，呈高低错落排列。

所得到的填料组件如图2、3所示，包括内部的圆柱形填料主体1和包围填料主体1的筒状外壁3，外壁3上设有多个通孔。填料主体1的顶部和底部设有用于提高填料主体抗冲压和变形能力的加强筋3。具体地，外壁3厚度为1mm，加强筋厚度为2mm，沿填料主体1上下表面进行竖直拉伸的距离为2mm。

本实施例的填料组件适用于高密度差液液两相萃取过程。填料内存在两种流体通道，分别为正四边形和正六边形，且相邻填料单体的流道相通，使液相流动更加通畅，减小了液相流动的流通阻力，因而具有高通量、低压降等优点；填料单体水平分隔导致重质液相流动受到阻力，起到缓冲作用，使两相接触时间增加，强化传质作用。

以水-四溴乙烷两相高密度差萃取过程为实施对象，水与四溴乙烷的密度比为1:3。使用本实施例的填料组件，四溴乙烷相从填料的上部加入，水相从填料的下部加入，四溴乙烷相的流量为1升/(小时·厘米²)，水相的流量为1升/(小时·厘米²)，四溴乙烷相为分散相，水相为连续相，通过填料后两相间实现充分接触，相关液液分散的参数列于表1。

表1水-四溴乙烷萃取体系下，实施例填料组件的关键液液分散数据

对比例1

本对比例采用工业上常用的鲍尔环散堆填料，其中鲍尔环填料填充方式及相关参数列于表2。针对上述实施例给出的水-四溴乙烷萃取体系，在相同流量和进料方式条件下，液液分散相关数据列于表3。

表2鲍尔环填料几何特性数据

表3水-四溴乙烷萃取体系下，鲍尔环散堆填料的关键液液分散数据

对比例1与上述实施例比较，分散相的流速较快，含量较低，虽然分散液滴的尺寸有所降低，但两相接触面积下降较多。比较表明，实施例给出的填料构型是更佳的萃取填料。

对比例2

本对比例采用工业上常用的水平波纹板规整填料，填料的结构尺寸列于表4。针对上述实施例给出的水-四溴乙烷萃取体系，在相同流量和进料方式情况下，液液分散数据列于表5。

表4水平波纹板规整填料的几何特性数据

峰高mm	峰宽mm	板厚mm	波纹顶角	小孔直径mm	开孔率
						6	12	1	90°	1.2	10.10％

表5水-四溴乙烷萃取体系下，水平波纹板规整填料的关键液液分散数据

对比例2与上述实施例比较，分散相的流速较快，含量较低，且分散液滴的尺寸较大，两相接触面积下降较多。比较表明，实施例给出的填料构型是更佳的萃取填料。

此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种填料单体，其特征在于，为中空的截顶正八面体结构，由8个正六边形和6个正四边形围绕形成，其中上、下2个正六边形为封闭平面，侧面的6个正四边形和6个正六边形开孔形成十二个流道。

2.根据权利要求1所述的填料单体，其特征在于，底部正六边形开孔。

3.根据权利要求1所述的填料单体，其特征在于，所述十二个流道沿不同侧方向均匀分布，流道截面分别为正六边形或正四边形。

4.一种填料组件，其特征在于，包括三维网状结构的填料主体，所述填料主体由若干个权利要求1～3任一所述的填料单体排列组合而成，相邻填料单体通过对齐侧面正四边形、侧面正六边形或上下正六边形相互连接，其中上下两个相邻的填料单体由于位于下方的填料单体顶部正六边形封闭而不连通，其余相邻填料单体通过流道相互连通，呈高低错落排列。

5.根据权利要求4所述的填料组件，其特征在于，所述填料主体为圆柱形。

6.根据权利要求4所述的填料组件，其特征在于，所述填料主体的顶部和底部设有用于提高填料主体抗冲压和变形能力的加强筋。

7.根据权利要求4～6任一所述的填料组件，其特征在于，还包括侧面包围所述填料主体的外壁，所述外壁上设有若干个与所述填料主体的流道连通的通孔。

8.根据权利要求4～7任一所述的填料组件在液液萃取体系中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述液液萃取体系中两相密度差不小于200kg/m³。

10.根据权利要求8或9所述的应用，其特征在于，所述填料组件平面尺寸与萃取塔一致，单个或多层安装于萃取塔内部且与萃取塔内壁紧密配合；

所述填料组件的高度为50～1000mm。

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