羅 應(yīng),金 俊,趙 藝,劉鐘海

(四川大學(xué)化工學(xué)院,四川成都 610065)

偏心轉(zhuǎn)盤塔萃取凈化濕法磷酸的研究＊

羅 應(yīng),金 俊,趙 藝,劉鐘海

(四川大學(xué)化工學(xué)院,四川成都 610065)

探討了偏心轉(zhuǎn)盤塔用于蒸餾水/濕法磷酸/磷酸三丁酯 (TBP)和航空煤油實(shí)驗(yàn)體系的萃取特性,研究了轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)、停留時(shí)間、相比等因素對(duì)萃取和反萃取的影響。結(jié)果表明:在優(yōu)化的操作條件下,偏心轉(zhuǎn)盤塔具有較高的萃取效率。萃取的最佳操作條件:當(dāng)相比為 4、停留時(shí)間為 30 min、轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)約為 2 300時(shí),磷萃取率可達(dá)53.77%;反萃取的最佳操作條件:當(dāng)相比為 6、停留時(shí)間為 25 min、轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)約為 6 500時(shí),磷反萃率可達(dá)到90.66%。

偏心轉(zhuǎn)盤塔;萃取;濕法磷酸

開發(fā)濕法磷酸凈化技術(shù)一直是磷酸工業(yè)的一大難題。目前濕法磷酸凈化技術(shù)生產(chǎn)上運(yùn)用較廣泛的是將化學(xué)沉淀法與溶劑萃取法相結(jié)合,歐洲一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)此工藝的工業(yè)化,但關(guān)于其流程設(shè)備及相關(guān)參數(shù)的報(bào)道較少。費(fèi)維揚(yáng)等[1]研究了轉(zhuǎn)盤塔內(nèi)流體力學(xué)性質(zhì),提出了在普通轉(zhuǎn)盤塔上設(shè)置擋板;黃美英等[2]研究了往復(fù)式振動(dòng)篩板塔的萃取工藝流程,并在工業(yè)生產(chǎn)中成功應(yīng)用。偏心轉(zhuǎn)盤塔(ARD)是在轉(zhuǎn)盤塔(RDC)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的,塔內(nèi)安裝了偏心的轉(zhuǎn)軸,萃取段被水平擋板分隔為一系列的小萃取室,在萃取室的一側(cè),豎直擋板隔出一個(gè)圓環(huán)狀的澄清區(qū)。萃取段分隔為混合區(qū)和澄清區(qū),由于有橫向擋板,減少了軸向返混的程度,提高了傳質(zhì)效率。筆者在自主設(shè)計(jì)的 φ80 mm的偏心轉(zhuǎn)盤塔中,對(duì)濕法磷酸萃取體系進(jìn)行了一系列的研究,試圖開發(fā)出性能更優(yōu)的設(shè)備。

1 實(shí)驗(yàn)原理與方法

1

.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

帶有渦輪的偏心轉(zhuǎn)盤萃取塔,材料為 316L。在分散相(水相)進(jìn)口端安裝有 2個(gè)開式渦輪,對(duì)分散相起預(yù)分散作用,渦輪與轉(zhuǎn)盤按一定的間距固定在直徑為 14 mm的轉(zhuǎn)軸上,轉(zhuǎn)軸偏離中心 9 mm。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 偏心轉(zhuǎn)盤塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

圖 1為實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖。磷酸三丁酯(TBP)作連續(xù)相,濕法磷酸作分散相,在計(jì)量泵的作用下分別從塔底、塔頂進(jìn)入萃取段,兩相在密度差作用下逆向流動(dòng),分散相受到轉(zhuǎn)盤的剪切力而破碎,然后進(jìn)入澄清區(qū)再聚合,液滴表面不斷更新,推動(dòng)傳質(zhì)的進(jìn)行。最終,萃余相在塔底部澄清段分相后連續(xù)排出,萃取相從塔頂連續(xù)排出。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后,對(duì)取萃余相進(jìn)行磷和鐵含量的分析。

圖 1 偏心轉(zhuǎn)盤塔裝置流程示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 塔內(nèi)萃取結(jié)果探討

2.1.1 相比、停留時(shí)間對(duì)萃取的影響

圖 2a為在停留時(shí)間為 35 min、偏心塔轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)Re約為1 900的條件下,有機(jī)相與水相的相比對(duì)萃取率的影響。由圖 2a可見(jiàn),磷和鐵的萃取率均隨著相比的增大而增大。當(dāng)相比從 2增至 4時(shí),磷的萃取率急劇增加;但當(dāng)相比大于 4后,磷萃取率的增長(zhǎng)率降低,可以預(yù)見(jiàn),隨著相比繼續(xù)增加,增長(zhǎng)速率會(huì)更慢。鐵的萃取率在相比大于 4后趨于穩(wěn)定。TBP萃取濕法磷酸是一個(gè)反應(yīng)萃取過(guò)程,反應(yīng)物(有機(jī)相)的增加有利于反應(yīng)的正向進(jìn)行。但由于化學(xué)反應(yīng)平衡的制約,當(dāng)達(dá)到平衡后反應(yīng)將終止。因此相比的提高,一方面可以提高萃取率,但另一方面則導(dǎo)致萃取有機(jī)相的鐵離子增多,并且原料有機(jī)相的消耗增大,將增加后續(xù)工段反萃取的負(fù)荷。綜合考慮,實(shí)驗(yàn)選擇有機(jī)相與水相適宜的相比為4。

圖 2b為在有機(jī)相與水相的相比為 4、塔的轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)Re約為 1 900的條件下,物料停留時(shí)間對(duì)萃取率的影響。由圖2b可見(jiàn),磷和鐵的萃取率都隨停留時(shí)間的增加而提高,磷的萃取率在停留 30 min后增長(zhǎng)趨勢(shì)緩慢,而鐵的萃取率在停留時(shí)間達(dá)到40 min后基本穩(wěn)定。在確定的設(shè)備尺寸下,延長(zhǎng)物料在塔內(nèi)的停留時(shí)間,則相應(yīng)降低了塔的生產(chǎn)能力,因此在滿足一定的萃取要求下,應(yīng)盡量縮短停留時(shí)間。當(dāng)停留時(shí)間從 30 min增至 45 min,磷的萃取率增加 18%,但這是以生產(chǎn)能力降低約 33%獲得的。綜合考慮,實(shí)驗(yàn)選擇適宜的停留時(shí)間為30 min。

圖2 相比和停留時(shí)間對(duì)萃取的影響

2.1.2 轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)對(duì)萃取的影響

圖 3為在停留時(shí)間為 30 min、有機(jī)相與水相的相比為 4的條件下,轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)Re對(duì)萃取影響。轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)是影響萃取的一個(gè)重要的參數(shù),它直接關(guān)系著分散相液滴的粒徑,從而影響相際傳質(zhì)面積。由圖 3可見(jiàn),磷的萃取率隨著轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)的增大而增加,當(dāng)Re>1 700時(shí),磷萃取率的增長(zhǎng)速率加快。這是由于低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)盤的剪切力不足以克服體系的界面張力,當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高,剪應(yīng)力超過(guò)某一臨界值,液滴就進(jìn)一步被分散;而鐵的萃取率隨著Re的增大先上升后有所下降。這是由于萃取劑重復(fù)使用,但鐵的反萃不完全,少量鐵殘留在其中所導(dǎo)致。與林沖等[3]研究的轉(zhuǎn)盤塔相比,普通轉(zhuǎn)盤塔在Re達(dá)到920時(shí)即出現(xiàn)乳化現(xiàn)象 (磷萃取率出現(xiàn)最大值),而偏心塔在實(shí)驗(yàn)操作條件下,Re=2 300時(shí)磷萃取率達(dá)到最大值,這說(shuō)明偏心塔在結(jié)構(gòu)上具有一定優(yōu)勢(shì),正常操作范圍更寬。綜合考慮,實(shí)驗(yàn)確定的適宜轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)約為2 300。

圖3 Re對(duì)萃取的影響

2.2 塔內(nèi)反萃取結(jié)果探討

2.2.1 相比、停留時(shí)間對(duì)反萃取的影響

圖 4a為在停留時(shí)間為 35 min、轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)Re為 5 400的條件下,有機(jī)相與水相的相比對(duì)反萃取的影響。由圖4a可見(jiàn),磷的反萃率隨著相比的增大緩慢降低,最終趨于穩(wěn)定。相比小于 4,磷的反萃率減小的趨勢(shì)較為明顯,而當(dāng)相比在 4～6時(shí)無(wú)明顯變化;鐵的反萃率隨著相比的增大變化幅度不大,并且鐵的反萃率遠(yuǎn)小于磷,從而達(dá)到了分離陽(yáng)離子的目的。就實(shí)驗(yàn)結(jié)果而言,當(dāng)相比達(dá)到 6時(shí),磷的反萃率仍然保持較高的數(shù)值,此時(shí)反萃取所得凈化酸 P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá) 20%左右。因此選擇適宜的反萃取相比為6。

圖 4b為在有機(jī)相與水相的相比為 6、轉(zhuǎn)盤雷諾Re數(shù)約為 5 400的條件下,停留時(shí)間對(duì)反萃取的影響。由圖 4b可知,磷的反萃率隨著停留時(shí)間的增加而增加,與此同時(shí)鐵的反萃率變化趨勢(shì)則比較平緩,磷的反萃率明顯高于鐵的反萃率,這說(shuō)明磷的反萃取是很容易進(jìn)行的,而鐵在有機(jī)相中較穩(wěn)定,不容易反萃到水相中,因此磷與鐵的分離程度很高。延長(zhǎng)停留時(shí)間會(huì)造成設(shè)備生產(chǎn)能力下降。當(dāng)停留時(shí)間由25 min增至 40 min時(shí),磷反萃取率只相對(duì)提高了6.7%,而通量卻減少了 37.5%,因此選定適宜的停留時(shí)間為 25 min。

圖4 相比和停留時(shí)間對(duì)反萃取的影響

2.2.2 轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)對(duì)反萃取的影響

圖 5為在停留時(shí)間為 25 min、有機(jī)相與水相的相比為 6的條件下,偏心塔的轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)對(duì)反萃取的影響。由圖 5可知,磷酸的反萃率隨轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)Re呈線性增加,但當(dāng)Re增至6 500左右時(shí),磷酸的反萃效率開始降低。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)盤雷諾數(shù)越大,作為分散相的萃取有機(jī)相被分散得越細(xì),供兩相接觸傳質(zhì)的表面積就更多,有利于萃取的進(jìn)行;但是當(dāng)轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)增加到某一值時(shí),分散相所形成的液滴直徑會(huì)過(guò)小,從而發(fā)生乳化現(xiàn)象,萃取率將不再升高,甚至有下降趨勢(shì)。鐵的反萃率隨轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)的增大反而降低,這是由于在反萃取中,磷酸和鐵存在的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)所致。綜合考慮,實(shí)驗(yàn)選擇最佳的轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)Re約為 6 500。

圖5 Re對(duì)反萃取的影響

3 結(jié)論

1)偏心轉(zhuǎn)盤萃取塔用于萃取濕法磷酸體系具有良好適用性,運(yùn)行穩(wěn)定,萃取效率較高。2)萃取時(shí),當(dāng)停留時(shí)間為 30 min、相比為 4、偏心塔轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)約為 2 300時(shí)能取得較高的萃取率,并且操作彈性大。3)反萃取時(shí),當(dāng)停留時(shí)間為 25 min、相比為 6、偏心轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)為 6 500時(shí),具有較好的反萃取效果;磷和鐵的分離程度較高,反萃取相對(duì)容易,但要得到高反萃取率,需要較大的轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)。

[1] 費(fèi)維揚(yáng),王運(yùn)東.一種裝有級(jí)間轉(zhuǎn)動(dòng)擋板的轉(zhuǎn)盤萃取塔:中國(guó), 2367367[P].2000-02-26.

[2] 黃美英,鐘本和,陳亮,等.濕法磷酸凈化中往復(fù)式振動(dòng)篩板塔的應(yīng)用研究[J].磷肥與復(fù)肥,2005,20(3):18-19,22.

[3] 林沖.轉(zhuǎn)盤塔萃取凈化濕法磷酸的研究[D].成都:四川大學(xué), 2009.

Study on extraction purification of phosphoric acid i n asymmetric rotating disc column

Luo Ying,Jin Jun,Zhao Yi,Liu Zhonghai
(School of Chem ical Engineering,Sichuan University,Chengdu610065,China)

Characteristics of asymmetric rotating disc column(ARDC)applied in extracting distilled water/wet-process phosphoric acid/tributyl phosphate(TBP) +aviation kerosene experimental system were discussed.Effects of residence time,phase ratio,and rotation Reynolds number on extraction and reverse extraction efficiencieswere investigated.Results showed thatARDC was applicable for TBP-phosphoric acid extraction system with relatively high extraction efficiency.Optimum operation conditions for extraction were as follows:phase ratio of organic phase and aqueous phase was 4,residence time was 30 min,and rotation Reynolds numberwas about2 300,then the extract efficiency of phosphoric acid could reach about 53.77%;for the reverse extraction,when phase ratio of organic phase and aqueous phase was 6,residence time was 25 min,and rotation Reynolds numberwas about 6 500,then the efficiency could reach about 90.66%.

asymmetric rotating disc column;extraction;wet-process phosphoric acid

TQ126.35

A

1006-4990(2011)05-0021-03

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2007BAE58B02)。

2010-12-17

羅應(yīng)(1986— ),女,碩士,主要研究方向?yàn)闈穹姿嵩谵D(zhuǎn)盤塔、偏心轉(zhuǎn)盤塔的溶劑萃取。

聯(lián) 系 人:劉鐘海

聯(lián)系方式:zhhailiu@scu.edu.cn