罗 应,金 俊,赵 艺,刘钟海

(四川大学化工学院,四川成都 610065)

偏心转盘塔萃取净化湿法磷酸的研究＊

罗 应,金 俊,赵 艺,刘钟海

(四川大学化工学院,四川成都 610065)

探讨了偏心转盘塔用于蒸馏水/湿法磷酸/磷酸三丁酯 (TBP)和航空煤油实验体系的萃取特性,研究了转盘雷诺数、停留时间、相比等因素对萃取和反萃取的影响。结果表明:在优化的操作条件下,偏心转盘塔具有较高的萃取效率。萃取的最佳操作条件:当相比为 4、停留时间为 30 min、转盘雷诺数约为 2 300时,磷萃取率可达53.77%;反萃取的最佳操作条件:当相比为 6、停留时间为 25 min、转盘雷诺数约为 6 500时,磷反萃率可达到90.66%。

偏心转盘塔;萃取;湿法磷酸

开发湿法磷酸净化技术一直是磷酸工业的一大难题。目前湿法磷酸净化技术生产上运用较广泛的是将化学沉淀法与溶剂萃取法相结合,欧洲一些发达国家已经实现此工艺的工业化,但关于其流程设备及相关参数的报道较少。费维扬等[1]研究了转盘塔内流体力学性质,提出了在普通转盘塔上设置挡板;黄美英等[2]研究了往复式振动筛板塔的萃取工艺流程,并在工业生产中成功应用。偏心转盘塔(ARD)是在转盘塔(RDC)的基础上发展而来的,塔内安装了偏心的转轴,萃取段被水平挡板分隔为一系列的小萃取室,在萃取室的一侧,竖直挡板隔出一个圆环状的澄清区。萃取段分隔为混合区和澄清区,由于有横向挡板,减少了轴向返混的程度,提高了传质效率。笔者在自主设计的 φ80 mm的偏心转盘塔中,对湿法磷酸萃取体系进行了一系列的研究,试图开发出性能更优的设备。

1 实验原理与方法

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.1 实验设备

带有涡轮的偏心转盘萃取塔,材料为 316L。在分散相(水相)进口端安装有 2个开式涡轮,对分散相起预分散作用,涡轮与转盘按一定的间距固定在直径为 14 mm的转轴上,转轴偏离中心 9 mm。主要结构参数见表1。

表1 偏心转盘塔的结构参数

1.2 实验流程

图 1为实验装置流程示意图。磷酸三丁酯(TBP)作连续相,湿法磷酸作分散相,在计量泵的作用下分别从塔底、塔顶进入萃取段,两相在密度差作用下逆向流动,分散相受到转盘的剪切力而破碎,然后进入澄清区再聚合,液滴表面不断更新,推动传质的进行。最终,萃余相在塔底部澄清段分相后连续排出,萃取相从塔顶连续排出。当系统达到稳定后,对取萃余相进行磷和铁含量的分析。

图 1 偏心转盘塔装置流程示意图

2 实验结果与讨论

2.1 塔内萃取结果探讨

2.1.1 相比、停留时间对萃取的影响

图 2a为在停留时间为 35 min、偏心塔转盘雷诺数Re约为1 900的条件下,有机相与水相的相比对萃取率的影响。由图 2a可见,磷和铁的萃取率均随着相比的增大而增大。当相比从 2增至 4时,磷的萃取率急剧增加;但当相比大于 4后,磷萃取率的增长率降低,可以预见,随着相比继续增加,增长速率会更慢。铁的萃取率在相比大于 4后趋于稳定。TBP萃取湿法磷酸是一个反应萃取过程,反应物(有机相)的增加有利于反应的正向进行。但由于化学反应平衡的制约,当达到平衡后反应将终止。因此相比的提高,一方面可以提高萃取率,但另一方面则导致萃取有机相的铁离子增多,并且原料有机相的消耗增大,将增加后续工段反萃取的负荷。综合考虑,实验选择有机相与水相适宜的相比为4。

图 2b为在有机相与水相的相比为 4、塔的转盘雷诺数Re约为 1 900的条件下,物料停留时间对萃取率的影响。由图2b可见,磷和铁的萃取率都随停留时间的增加而提高,磷的萃取率在停留 30 min后增长趋势缓慢,而铁的萃取率在停留时间达到40 min后基本稳定。在确定的设备尺寸下,延长物料在塔内的停留时间,则相应降低了塔的生产能力,因此在满足一定的萃取要求下,应尽量缩短停留时间。当停留时间从 30 min增至 45 min,磷的萃取率增加 18%,但这是以生产能力降低约 33%获得的。综合考虑,实验选择适宜的停留时间为30 min。

图2 相比和停留时间对萃取的影响

2.1.2 转盘雷诺数对萃取的影响

图 3为在停留时间为 30 min、有机相与水相的相比为 4的条件下,转盘雷诺数Re对萃取影响。转盘雷诺数是影响萃取的一个重要的参数,它直接关系着分散相液滴的粒径,从而影响相际传质面积。由图 3可见,磷的萃取率随着转盘雷诺数的增大而增加,当Re>1 700时,磷萃取率的增长速率加快。这是由于低转速下转盘的剪切力不足以克服体系的界面张力,当转速进一步提高,剪应力超过某一临界值,液滴就进一步被分散;而铁的萃取率随着Re的增大先上升后有所下降。这是由于萃取剂重复使用,但铁的反萃不完全,少量铁残留在其中所导致。与林冲等[3]研究的转盘塔相比,普通转盘塔在Re达到920时即出现乳化现象 (磷萃取率出现最大值),而偏心塔在实验操作条件下,Re=2 300时磷萃取率达到最大值,这说明偏心塔在结构上具有一定优势,正常操作范围更宽。综合考虑,实验确定的适宜转盘雷诺数约为2 300。

图3 Re对萃取的影响

2.2 塔内反萃取结果探讨

2.2.1 相比、停留时间对反萃取的影响

图 4a为在停留时间为 35 min、转盘雷诺数Re为 5 400的条件下,有机相与水相的相比对反萃取的影响。由图4a可见,磷的反萃率随着相比的增大缓慢降低,最终趋于稳定。相比小于 4,磷的反萃率减小的趋势较为明显,而当相比在 4～6时无明显变化;铁的反萃率随着相比的增大变化幅度不大,并且铁的反萃率远小于磷,从而达到了分离阳离子的目的。就实验结果而言,当相比达到 6时,磷的反萃率仍然保持较高的数值,此时反萃取所得净化酸 P2O5质量分数可达 20%左右。因此选择适宜的反萃取相比为6。

图 4b为在有机相与水相的相比为 6、转盘雷诺Re数约为 5 400的条件下,停留时间对反萃取的影响。由图 4b可知,磷的反萃率随着停留时间的增加而增加,与此同时铁的反萃率变化趋势则比较平缓,磷的反萃率明显高于铁的反萃率,这说明磷的反萃取是很容易进行的,而铁在有机相中较稳定,不容易反萃到水相中,因此磷与铁的分离程度很高。延长停留时间会造成设备生产能力下降。当停留时间由25 min增至 40 min时,磷反萃取率只相对提高了6.7%,而通量却减少了 37.5%,因此选定适宜的停留时间为 25 min。

图4 相比和停留时间对反萃取的影响

2.2.2 转盘雷诺数对反萃取的影响

图 5为在停留时间为 25 min、有机相与水相的相比为 6的条件下,偏心塔的转盘雷诺数对反萃取的影响。由图 5可知,磷酸的反萃率随转盘雷诺数Re呈线性增加,但当Re增至6 500左右时,磷酸的反萃效率开始降低。这是因为转盘雷诺数越大,作为分散相的萃取有机相被分散得越细,供两相接触传质的表面积就更多,有利于萃取的进行;但是当转盘雷诺数增加到某一值时,分散相所形成的液滴直径会过小,从而发生乳化现象,萃取率将不再升高,甚至有下降趋势。铁的反萃率随转盘雷诺数的增大反而降低,这是由于在反萃取中,磷酸和铁存在的竞争效应所致。综合考虑,实验选择最佳的转盘雷诺数Re约为 6 500。

图5 Re对反萃取的影响

3 结论

1)偏心转盘萃取塔用于萃取湿法磷酸体系具有良好适用性,运行稳定,萃取效率较高。2)萃取时,当停留时间为 30 min、相比为 4、偏心塔转盘雷诺数约为 2 300时能取得较高的萃取率,并且操作弹性大。3)反萃取时,当停留时间为 25 min、相比为 6、偏心转盘雷诺数为 6 500时,具有较好的反萃取效果;磷和铁的分离程度较高,反萃取相对容易,但要得到高反萃取率,需要较大的转盘雷诺数。

[1] 费维扬,王运东.一种装有级间转动挡板的转盘萃取塔:中国, 2367367[P].2000-02-26.

[2] 黄美英,钟本和,陈亮,等.湿法磷酸净化中往复式振动筛板塔的应用研究[J].磷肥与复肥,2005,20(3):18-19,22.

[3] 林冲.转盘塔萃取净化湿法磷酸的研究[D].成都:四川大学, 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

国家科技支撑计划(2007BAE58B02)。

2010-12-17

罗应(1986— ),女,硕士,主要研究方向为湿法磷酸在转盘塔、偏心转盘塔的溶剂萃取。

联 系 人:刘钟海

联系方式:zhhailiu@scu.edu.cn