新型液液萃取-离心萃取机原理分解

1.（一）离心萃取机工作原理与性能特点

离心萃取机是一种高效的液 - 液萃取设备，其工作原理主要基于离心力场下的液液分离。以下是具体介绍：

混合传质：两种互不混溶的液体，通常为有机相和水相，通过进料口进入离心萃取机的混合室。在混合室中，借助搅拌器或其他混合装置的作用，两种液体被充分混合，形成细小的液滴分散体系，极大地增加了两相之间的接触面积，从而促进了溶质在两相之间的传质过程。

离心分离：混合后的液滴混合物随后进入离心分离区域。在高速旋转的转鼓作用下，产生强大的离心力。由于两种液体的密度不同，在离心力的作用下，密度较大的液体向外层移动，而密度较小的液体则向内层移动，从而实现两相的分离。分离后的两相液体分别通过各自的出口排出离心萃取机，完成萃取过程。

通过这种方式，离心萃取机能够在较短的时间内实现高效的萃取分离，广泛应用于化工、制药、环保等领域。

自20世纪30年代开始，国外便着手于离心萃取机的研究，并在40年代成功制造出样机。到了60年代初期，美国SRL实验室率先研制出SRL型搅拌桨式圆筒型离心萃取机，这一机型在核燃料处理领域得到了应用。此后，西德在SRL型的基础上开发了WAK型离心萃取机，而法国则在70年代研制出BXP型离心萃取机和LX型多级离心萃取机，这些机型随后被广泛应用于原子能、化工、石油、冶金和制药等多个工业领域。

然而，这些早期的离心萃取机普遍存在结构繁琐、维修困难以及效率不高的问题。针对这些问题，美国阿拉贡实验室在20世纪60年代又研发出环隙式离心萃取机，这一机型在结构上进行了优化，提高了效率和易用性。此后，我国也从1963年开始对离心萃取机展开研究，并在80年代试制出小型单级离心萃取机，取得了一系列实验数据和成果。

2 离心萃取机的工作原理

环隙式离心萃取机，如图2所示，由静态的外筒体、动态旋转的转鼓以及电机等关键部件构成。在运行过程中，密度各异且不相融合的两相流体分别由两个进口进入环隙区域。由于外筒体与旋转的转鼓之间形成的环隙非常小，当转鼓高速旋转时，会在环隙处产生巨大的剪切力。这种剪切力结合转筒的旋转摩擦，使得流体在环隙内得到剧烈的混合。随后，混合液通过连接环隙与转鼓内部的通道进入转鼓内部，并借助离心力的作用实现两相的分离。在分离过程中，密度较大的重相被甩至转鼓的内壁面，经重相通道进入重相收集室，最终从重相出口排出；而轻相则聚集在转鼓的内部中心，通过轻相通道进入轻相收集室，再从轻相出口流出。

图2展示了环隙离心萃取机的工作原理。其中，(1)外筒体是静态部分，为萃取过程提供必要的结构支持；(2)转鼓则以高速旋转，通过其与外筒体之间的环隙产生强大的剪切力；(3A)和(3B)分别为轻相和重相的入口，它们将两相流体引入环隙区域；(4A/4B)表示转鼓下部的特定区域，这里发生了剧烈的混合与分离过程；(5)转鼓中心的开孔允许重相流体进入重相收集室；(6)固定于底板上的径向挡板起到导向作用，确保流体沿预定路径流动；(7)转子上的桨叶通过旋转产生离心力，促使两相流体进一步分离；(8)转鼓上的竖向挡板则用于防止轻相流体进入重相收集室；(9)空气与轻相的分界面清晰地展示了两相流体的分离情况；(10A)轻相溢流堰和(10B)重相溢流堰分别用于收集和引导两相流体；(11)和(12)分别表示分离后的重相和轻相，它们通过相应的出口排出机器。此外，(13A)轻相出口和(13B)重相出口用于将收集到的流体排出机器进行进一步处理。最后，(14)转鼓中液体的液位则显示了机器内部流体处理的实时状态。

3. 流体流动特性

在环隙离心萃取机中，流体的流动呈现出独特的特点。由于转鼓的高速旋转，流体在环隙区域受到强大的剪切力作用，进而产生剧烈的混合与分离过程。此外，转子上的桨叶通过旋转产生的离心力，也进一步促进了流体的分离效果。同时，竖向挡板的设计有效地防止了轻相流体进入重相收集室，确保了两相流体的有序分离。
2.1 混合区——环隙流场特性
环隙区域的流场可被视为两个同轴圆筒环隙间的泰勒-库特流动。在低转速情况下，流体沿圆筒转动方向流动；而当转速超越临界值时，流体将形成细胞状图案，这些图案在轴向上以等距方式排列，即泰勒漩涡。随着转速的进一步增加，环隙内的流体流动逐渐从简单的轴向流动演变为完全的湍流状态。泰勒数（Ta），作为无量纲准数，被用来描述离心力与粘滞力之间的平衡。
其中，Ωi代表内转鼓的转速，d表示环隙的宽度，v为液体的粘度，而η则是指径比。当离心不稳定现象出现时，对应的泰勒数被称为临界雷诺数（Tacr）。Hasoon和Martin通过时间独立差分法和Galerkin方法，深入探讨了轴向扰动下的稳定性问题，揭示出Tacr的值与轴向速度并无直接关联。另一方面，Deshmukh等学者的研究则表明，在泰勒数较小的情况下，环隙内的流体流动呈现为层流库特流。然而，一旦泰勒数超过Tacr，随着其数值的增大，流动结构会经历从泰勒涡流到波状涡流，再到混乱涡流，最终变为完全的泰勒涡流的过程。这一系列的流动形态变化，如图3所示。

环隙式离心萃取机中的环隙区域流动，其形态与泰勒涡流相似，但同时伴随着轴向的流动。正是这种环隙湍流中的泰勒涡流，使得离心萃取机能够有效地强化传质过程。
图4展示了泰勒涡的形态。Chandrasekhar提出了一种用于计算临界泰勒数的方法，该方法在环隙式离心萃取机的优化设计中具有重要意义。通过调整操作参数，如转速和萃取剂浓度，可以影响泰勒涡的形态和强度，进而改善传质效果。
Roberts等学者指出，在宽间隙的环隙式离心萃取机中，临界泰勒数的变化主要受到径比的影响。
2.2 分离区与转鼓区特性
在环隙式离心萃取机中，轻相和重相的分离过程如图2所示。混合后的两相物料通过转鼓中间的开孔进入其内部。在转鼓的高速旋转下，液体产生离心运动。随着液体在转鼓内部位置的上升，重相由于离心力大而聚集在转鼓空间的外围，而轻相则因离心力小而位于内侧。同时，还存在一个无液体的区域。这样，就逐渐形成了重相区、轻相区以及空腔区域（交界面以内的部分）。

通过模拟不同初始油水比例导致的不同混合粘度情况，以及改变转速和结构尺寸，可以研究油水两相的分布和分离过程。结果显示，两相混合粘度对分离效果的影响大于单一相的混合粘度，而且通过调整结构尺寸可以进一步提高分离效率。

在萃取过程中，环隙区域主要负责混合功能，而转筒部分则主要完成分离功能。值得注意的是，单级萃取的效率往往较低且需要大量萃取剂，难以满足实际工业需求。因此，为了更有效地实现萃取功能并降低能耗，洗涤、反应和萃取过程通常需要多级串联。在许多工业应用中，通过将多台单级设备串联起来，可以构成多级逆流萃取设备，从而满足实际生产需求。

4. 结构设计

在环隙式离心萃取机的设计中，其结构特点至关重要。该设备通过巧妙的设计，实现了轻相和重相的有效分离。其关键部件包括转鼓和环隙区域，它们共同作用，使得混合后的两相物料能够在转鼓的高速旋转下，产生离心运动，进而实现分离。此外，设备的结构尺寸和转速等参数，也会对油水两相的分布和分离过程产生重要影响。通过合理的结构设计，可以进一步提高分离效率，满足实际工业生产的需求。
3.1 转鼓部件

转鼓部件作为环隙式离心萃取机的核心，其设计精湛程度直接关乎萃取分离的效果。这一组件涵盖了转鼓体、隔板、主轴以及轻相堰板和重相堰板等多重精细部件。隔板巧妙地将转鼓体内腔划分为几个均匀的区域，确保进入转筒的液体能在这些区域内平稳分布，达到平衡状态。而分离过程则主要发生在转鼓底部至轻相堰板之间的区域，该段长度被精心设计，以确保有充足的时间让液-液分界面得以形成。同时，分离时长与转鼓长度的关系也被精心把控，以确保最佳的分离效果。
其中，t代表分离时间，D代表转鼓直径，单位为米；Dα代表轻相堰板直径，单位为米；L代表转鼓筒体分离区域长度；V代表转鼓内隔板所占体积，单位为立方米；Q为处理量，单位为立方米/小时。

重相堰板的设计考虑了拆卸和更换的便捷性，以便根据需要更换合适的重相堰板直径，以优化分离效果。在出现轻重两相夹带问题时，可以通过调整重相堰板直径来解决，其直径D0（等于2r0）可依据特定公式进行选取。
其中，r0表示重相堰板的半径，单位为厘米；ri代表截面半径；ρα则表示轻相的密度，单位为克/立方厘米；ρ0则是重相的密度。同时，rα指轻相堰板的半径，单位同样为厘米；而Fα和A均为经验常数，它们的取值与轻相的实际流量、轻相堰板的直径以及转速等因素密切相关。
3.2 长径比（L/D）
转鼓的内径，即公称直径，是衡量离心萃取机处理能力的一个重要指标。在特定的工作条件下，转鼓的壁厚和强度是限制其直径大小的关键因素。而长径比λ，定义为转鼓的长度L与公称直径D的比值，对处理量有着显著影响。在公称直径保持不变的情况下，长度增加意味着长径比增大，进而导致处理量提升。然而，由于高速旋转下离心力引发的径向应变问题，离心机转鼓的长度不宜过长。为了增加液体在转鼓内的停留时间并提升分离效率，应优先考虑增大转鼓直径。通常，长径比（L/D）的适宜范围被设定为1.3至3.0。
3.3 最大处理量（Qmax）
环隙式离心萃取机的最大处理能力，可以通过经验计算公式来估算。该公式综合考虑了转鼓的内径、长度以及转速等多个因素，从而得出机器在特定工作条件下的最大处理量。这一指标对于评估离心萃取机的性能以及满足生产需求具有重要意义。
最大处理量（Qmax）的计算公式中，涉及到了几个关键参数。这些参数包括转鼓的转速（n），其单位为转每分钟（r/min）；转鼓的内径（D），单位为米（m）；以及转鼓的长度（L），同样单位为米（m）。通过这些参数的综合考量，我们可以得出机器在特定工作条件下的最大处理量，这一指标对于评估离心萃取机的性能至关重要。
3.4 最低转速的确定
当转鼓的进料口半径小于轻相堰的半径时，旋转的转鼓会产生抽吸料液的效果。这种抽吸力用液柱ΔH来表示，其计算公式为：

（此处需补充具体的计算公式）
这一计算结果对于确定机器的最低转速具有重要意义，因为它涉及到机器能否有效地抽吸料液，从而确保其正常工作。
其中，ΔH代表液柱的高度，以米为单位；w表示转鼓的角速度，单位为转每秒（r/s）；r0是流过轻相堰时液体内表面的半径，通常在计算中可以近似为轻相堰的半径，单位为米；而rm则是转鼓底部进料口的半径，同样以米为单位。

5. 提升离心机性能的策略

在探讨如何提升离心机性能时，我们需关注几个关键参数。这些参数包括液柱高度ΔH、转鼓角速度w、流过轻相堰时液体内表面的半径r0，以及转鼓底部进料口的半径rm。通过优化这些参数，我们可以有效地改善离心机的性能。
4.1 高效隔振措施

为了减轻设备振动对周边环境的不利影响，我们依据设备的固有频率与激振频率特性，在设备底座处精心设计了弹性橡胶体。这种弹性橡胶体内部配备了螺旋钢弹簧，外部则包裹着粘性系数高、线性特性优良的橡胶材料，从而能够迅速吸收并消除设备的自由振动。
4.2 轴承密封
在离心萃取机高速运转时，其强大的离心力会导致内部部分液体雾化。这些雾化液体若渗透进入轴承座，便会侵蚀轴承，最终造成轴承的锈蚀与损坏。特别需要注意的是，萃取体系中往往含有易燃、易爆、易挥发的高危性溶剂。一旦这些被雾化的溶剂进入轴承座，其潜在的安全隐患将显著增加。因此，我们选择采用封闭滑套轴承，以有效预防可能发生的泄漏问题。
4.2.1 轴承密封的进一步探讨
在离心萃取机高速运转时，其产生的强大离心力会导致内部部分液体发生雾化。这些被雾化的液体若渗透进入轴承座，便可能对轴承造成侵蚀，长期下来可能导致轴承的锈蚀与损坏。值得注意的是，萃取体系中往往含有易燃、易爆、易挥发的高危性溶剂。一旦这些被雾化的高危溶剂进入轴承座，其带来的安全风险将显著增加。因此，为了确保设备的安全与稳定运行，我们选择了封闭滑套轴承来有效预防可能发生的泄漏问题。

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