一種液液萃取反應器的制作方法

本實用新型涉及化工行業液液萃取反應領域，旨在提供一種萃取傳質效果高，操作簡單，設備造價低廉的萃取反應器。

背景技術：

萃取是指利用化合物在兩種互不相溶(或微溶)的溶劑中溶解度或分配系數的不同，使化合物從一種溶劑中轉移到另一種溶劑中，經過反復多次萃取，將絕大部分的化合物提取出來的方法。萃取又稱溶劑萃取或液液萃取，亦稱抽提，是一種用液態的萃取劑處理與之互不溶的雙組分或多組分溶液，實現組分分離的傳質分離過程，是一種廣泛應用的化工分離操作單元。液液萃取分離的物相分離的基礎是利用需要分離的組分密度不一樣，利用重力分離的原理，將輕相與重相分開。液液萃取的反應過程根本上是組分質量傳遞的傳質過程，該傳質過程的效能由傳質面積，物相之間的分配系數，液液混合體系的PH值，含鹽量以及組分之間的溶解度及各組分的密度等因素來決定的。

現有技術應用的液液萃取方法：①利用重力分離原理的抽提塔萃取(填料塔，振動塔，攪拌塔)，②離心萃取，③混合澄清槽萃取，④液膜萃取

抽提塔萃取的基本原理：

輕相(分散相或稱萃取劑)由塔底引入，重相(連續相)由塔頂加入兩相在塔內逆向流動，輕相組分與重相組分液液間發生質量傳遞的萃取傳質反應，達到組分分離的目的。

填料萃取塔萃取：兩相在填料表面發生接觸反應進行傳質萃取。

篩板萃取塔萃取：塔底引入輕相(分散相)經篩板孔分散后，在重相(連續相)中上升，到上一層篩板下部聚成一層輕液，再分散，再聚集，再分散的萃取的過程。

往復篩板萃取塔萃取：利用曲軸，使中心軸上的篩板做上，下往復運動，促進液體在篩板孔噴射引起分散混合，進行萃取的過程。

轉盤篩板塔萃取：機械攪拌的板式塔，利用塔中心部位轉盤的機械回轉，帶動連續相和分散相一起轉動，增加相際接觸面積，強化萃取傳質過程，是改進型的篩板塔。

脈動塔脈沖塔又叫脈沖篩板塔萃取：利用脈動液流在篩板或者填料間做高速相對運動，促使分散相液滴細碎和均布，達到更高的分離傳質效能。

離心萃取機萃取：利用離心力加速液滴的沉降分層，利用加劇攪拌使液滴細碎，從而強化萃取傳質效能，可以大大的縮短萃取傳質反應的時間，也可以多級離心萃取反應連續運行。

液膜萃取技術：是先預制一種特定輕相乳化液，形成輕相微球分散在連續相中，從而極大的提高傳質面積，增大兩相傳質效果，將組分分離之后，再將(萃取相)乳化微球破乳達到萃取劑與萃取分離出來的物質二次分離，達到輕相連續使用的目的。

現有技術的塔式萃取反應器其實質是豎立起來的混合澄清槽反應器。借用蒸餾塔的技術理論無法解釋描述塔式萃取的傳質過程，因為蒸餾是利用混合液中各組分的揮發度不同來達到分離的目的，萃取塔則是利用組份在物相濃度差產生的質量傳遞而發生萃取傳質來達到分離的目的，所以現有技術的塔式反應器的設計完全依賴于實驗室研究，從中試實驗中摸索工藝條件，放大效應極差，導致具體設計時一般將理論計算的各種條件放大50％以上，造成設備投資變相放大，資金浪費嚴重，設備實際運行費用增加。

萃取塔廣泛應用于化工行業的二氧化硫萃取煤油，丙烷脫瀝青，廢水脫酚，食用油精制，發酵液分離，香精提純，已內酰胺生產，糠醛精制潤滑油，雙氧水生產等化工領域物相分離單元。

現有萃取技術普遍存在以下不足：

萃取塔尤其是填料塔并不適用于萃取傳質過程。塔式萃取反應是萃取劑分散相從塔底部依靠浮力上升與連續相逆向混合進行傳質，填料塔內的填料起到的作用是二次分散萃取劑液滴。但填料塔內的填料對萃取劑有浸潤作用，會吸附連續相中的萃取劑，使萃取劑在分散相聚合凝并形成液流，減少了萃取傳質的表面積，減少了傳質效果。

萃取劑分散在萃取塔內的連續相中向上運動的過程中，由于各組分的表面張力和界面張力不同，分散相的初始分散液滴群在向上運動過程又是一個液滴群凝并的過程，液滴向上運動的時間越久，運動的距離越長，分散相聚合凝并的液流越粗，萃取傳質有效面積越小，萃取傳質效應越差，所以萃取塔越高越難掌控， 萃取塔越容易產生萃取劑失效的”液泛”現象。

萃取劑(分散相)利用物質相似相溶的原理和高濃度向低濃度傳遞的質量傳質原理，進行萃取傳質反應。當萃取劑分散相從塔底向上運動的過程中，萃取傳質反應在連續進行分散相中抽提過來的萃取相質量越多相對濃度越高，則分散相的抽提效果會逐漸減弱，當萃取相在分散相中濃度趨入飽和狀態，還會發生萃取相返回連續相中的趨勢，越容易造成萃取塔抽提效果差。實際生產中稱這種現象為“返混”。

塔式萃取對萃取劑有嚴格要求，只有當連續相比萃取劑(分散相)密度大很多，因此而產生的上升浮力明顯時，塔式萃取的連續相與分散相分離效果才明顯，方可以達到塔式萃取抽提分離的目的。這就造成塔式萃取應用時必須科學選擇萃取劑，限制了萃取劑的多種選擇性的可能。從而導致萃取劑昂貴，萃取劑選擇困難，增加了萃取抽提運行成本和萃取劑再生的成本。

由于分散相在連續相中向上運動的過程有界面張力的作用，又是分散相凝并的過程，初始分布器產生的分散相液滴群在該聚合過程中逐漸形成液流，這就容易產生萃取塔徑向部分區域沒有分散相存在，不發生質量傳質反應或萃取塔徑向部分區域分散相富聚而阻隔質量傳質反應的現象產生。所以萃取塔的設計和建造時塔的直徑不能過小，也不能過大，造成現實生產中，小型化萃取設備無法運行，尤其在環保領域小型處理裝置的供應出現空白，萃取設備大型化裝置在實際工業化應用時難以操控，投資巨大而又達不到理想的處理效果，這是萃取領域市場急需要解決的重大難題。

現有技術廣泛運用的另一種萃取技術是離心萃取，離心萃取的基本工作原理：輕重兩相相分別從輕相入口和重相入口進入離心萃取反應器，繼而被高速旋轉的轉鼓和靜止不動的折流擋板內的防渦流葉片之間產生的剪切力激烈混合，而產生高效傳質作用，極速地完成近千個理論級的萃取操作，即完成一級混合，兩相混合液被高速旋轉的轉鼓吸入轉鼓內，并在離心力作用下分層，重相進入重相收集室，經重相出口流出，進入輕相收集室，經輕相出口流出，達到離心萃取組分分離目的。離心萃取反應，應于兩相比重較小或粘度小的體系，尤其廣泛應用于不適宜塔式萃取的領域。

離心萃取反應器對于兩相比差很大或粘度很大的體系不容易混合的物質泵 具有強大的混合功能。

離心萃取反應的缺點：

分散相容易乳化，難以與連續相分離，造成萃取劑過大流失。

被抽提組分容易乳化，難以與連續相分離，造成萃取反應后續工段處理困難能耗高，處理成本高。

對被處理的物系要求高，如果物系中機械雜質過多被處理的物系成份復雜，則離心萃取不適應：一是設備磨損造成間隙過大會影響混合功能，二是物系比重相差不大，相溶性好的情況下達不到分離效果。

技術實現要素：

本實用新型公開了一種膜式萃取反應器，具有傳質速率快，傳質面積大，傳質反應均勻，萃取劑(分散相)利用率高，萃取劑耗量小，設備投資少，占地面積小，操作簡便，適應各種處理規模的高效反應器。

如圖1所示，本實用新型萃取反應器由以下幾部分構成：

反應器殼體、改性聚結填料、填料支撐圈、反應器連續相分配器、改性金屬填料、萃取劑分散相膜式分配器、萃取劑分散相入口、排污口、反應器支撐裙座、反應器連續相出口、萃取劑分散相膜式分配器支撐圈、第一填料壓圈、反應器連續相入口、第二填料壓圈和萃取相出口。

如圖1所示，本實用新型萃取反應器各部分的連接方式如下：

將反應器殼體與反應器支撐裙座相連接。

在反應器殼體下部位置安裝萃取劑分散相膜式分配器支撐圈。

將反應器殼體與萃取劑分散相膜式分配器支撐圈連接。

將反應器殼體上部位置安裝第一填料壓圈。

將萃取劑分散相膜式分配器與萃取劑分散相膜式分配器支撐圈和第一填料壓圈相連接。

將萃取劑分散相膜式分配器支撐圈和第一填料壓圈分別在反應器下部和上部，且安裝在萃取劑分散相膜式分配器兩端起到固定萃取劑分散相膜式分配器的作用。

將反應器連續相入口配管與反應器連續相分配器相連接。

再將反應器連續相入口配管與反應器殼體在反應器殼體上部連接；組成萃取 反應器的連續相進入裝置。

將第二填料壓圈與反應器殼體頂部相連接。

將填料支撐圈與反應器殼體頂部相連接；在填料支撐圈上部至第二填料壓圈下部填充改性聚結填料；組成萃取反應器頂部的萃取相聚合填料段。將萃取劑分散相入口配管與萃取劑分散相膜式分配器相連接。

將萃取劑分散相入口配管與反應器殼體相連接；再通過萃取劑分散相膜式分配器支撐圈和第一填料壓圈分別在萃取劑分散相膜式分配器上下兩端連接固定，組成反應器分散相進料系統。

將改性金屬填料裝置在反應器殼體內的萃取劑分散相膜式分配器空隙內，置于萃取劑分散相膜式分配器支撐圈上部和第一填料壓圈下部，由改性金屬填料層和萃取劑分散相膜式分配器構成反應器的萃取反應區，即萃取反應主體裝置。

將反應器連續相出口配管與反應器殼體底部相連接。

將排污口配管與反應器殼體底部相連接。

將萃取相出口配管與反應器殼體頂部相連接。

將連續相(重相)經反應器連續相入口進入反應器連續相分配器，通過反應器連續相分布器將連續相(重相)在反應器內均勻分布，通過重力作用，連續相(重相)由反應器上部向下運動，將萃取劑分散相(輕相)經萃取劑分散相入口進入萃取劑分散相膜式分配器，通過泵送壓力的作用將萃取劑分散相穿過萃取劑分散相膜式分配器的膜管，將分散相擠出在萃取劑分散相膜式分配器的膜管表面形成微米級直徑的分散相微球，因分散相的密度比連續相的密度小，分散相微球液滴依靠連續相和分散相的密度差產生的浮力上浮；分散相微球液滴群與連續相在反應器內逆向運動；同時利用分散相微球液滴中被抽提組分質量少濃度比連續相中低很多，兩相接觸過程中發生被抽提組分的質量傳遞，即萃取傳質反應。裝填在反應器中的改性金屬填料起到延緩，分散相集合凝并的作用，起到二次均勻分布連續相的作用。

如圖2所示，萃取劑分散相膜式分配器的組成及安裝如下：

萃取劑分散相膜式分配器是由A)和B)兩種膜管安裝方式的方位每層錯開安裝，這保證了分散相微球液滴群能充分均勻分解在反應器內的連續相之內，保證萃取傳質功效是均勻充分的。構成膜組件的膜管是高分子改性剛玉質陶瓷膜，膜 孔徑為0.5μm～1㎜。

本實用新型反應器內安裝了萃取劑分散相膜式分布器。萃取劑分散相膜式分布器層間空隙中裝填了空隙率大的改性金屬填料；萃取劑分散相膜式分布器與裝填在萃取劑分散相膜式分布器層間的改性金屬填料層分層疊加的安裝方式，構成了萃取反應器的萃取傳質反應的主體結構。

構成萃取劑分散相膜式分布器的膜是用含親萃取劑憎連續相基團化合物改性的微孔陶瓷膜，膜孔徑為0.1μm～1㎜，膜的外觀形狀可以是管狀膜或板式膜。膜分布器的安裝方式是：分層安裝，相鄰上下兩層膜組件中的膜管或膜板方裝方位按相隔60度交叉錯開分布。

本實用新型提供的萃取反應器的工作原理和優點：

利用微孔膜萃取劑分散相分布器將分散相分散成微小的液滴球。

微孔膜的微孔孔徑為0.5μm～1mm，當萃取劑(分散相)穿過微孔膜微孔通道進入連續相中時，由于分散相時很難溶解在連續相的組分。分散相與連續相兩個組分之間會產生一個相際界面，再加上分散相與連續相密度不一樣，連續相對分散相有一個向上的浮動，托舉分散相向上運動，這一向上的浮力與相際界面張力相互作用，在分散相分布器微孔膜表面形成連續的剪切力，將從分散相分布器微孔膜表面穿透過來的分散相切割成分散相液滴微球。

本實用新型提供的萃取反應器還適應于萃取抽提連續相中含有多種組分的情況，利用相似相溶的原理及質量傳遞的傳質效應，將連續相中的需要抽提的組分全部萃取抽提到分散相中。為了更有利于連續相與萃取相更好的分離，利用連續相與萃取相兩相間會產生一個相際界面的原理，在萃取反應器頂部加一段含親萃取相憎連續相基團改性的填料層，能加強萃取相在改性填料段富聚的效果，從而強化萃取相與連續相分離的效果，強化整個萃取反應器萃取抽提傳質的功效。

本實用新型提供的萃取反應器中的分散相微孔膜分布器的膜組件是如圖2所示萃取劑分散相膜式分布器由多層膜組件構成，膜組件的膜管(膜板)層與層之間按分布膜管方位60度交叉錯開分布的。這樣可以確保分散相在萃取反應器中的分布從下到上都是均勻的，可以確保各段分散相分布器膜管(膜板)中分散出來的分散相液滴群都是抽提效果最好的，具有最佳抽提傳質功效的。可以避免傳統塔式萃取通常上部產生的液泛現象。

本實用新型提供的萃取反應器中在膜式萃取劑分散相分布器膜組件的膜管層與層中間添加填料段，起到將分散相和連續相打散延緩兩相凝并的作用，起到將分散相微球液滴群、連續相二次均勻分布的作用，起到強化萃取傳質功效的作用。

萃取劑分散相膜分布器與填料層分層疊加的安裝方式，決定了萃取傳質的分層反應模式，避免了傳統填料塔式萃取容易出現徑向傳質死區，產生傳質失效的液流，壁流，溝流現象，提高了單位面積的傳質功效。

萃取劑分散相膜分布器與填料層分層疊加的安裝方式構成了萃取反應器的主體反應結構，這種方式可以極大地避免堵塔現象的產生，也便于萃取反應器運行一個階段后的反應器的清洗。

附圖說明

圖1為本實用新型萃取器的結構示意圖；

圖2為本實用新型萃取器的俯視結構示意圖；

圖3為本實用新型萃取器的圖1的A-A面剖視圖；

圖4為本實用新型萃取器的圖1的B-B面剖視圖；

其中，1.反應器殼體，2.改性聚結填料，3.填料支撐圈，4.反應器連續相分配器，5.改性金屬填料，6.萃取劑分散相膜式分配器，7.萃取劑分散相入口，8.排污口，9.反應器支撐裙座，10.反應器連續相出口，11.萃取劑分散相膜式分配器支撐圈，12.第一填料壓圈，13.反應器連續相入口，14.第二填料壓圈，15.萃取劑分散相出口。

具體實施方式

本實用新型的一種液液萃取反應器，如圖1和圖2所示，包括：反應器殼體1、改性聚結填料2、填料支撐圈3、反應器連續相分配器4、改性金屬填料5、萃取劑分散相膜式分配器6、萃取劑分散相入口7、排污口8、反應器支撐裙座9、反應器連續相出口10、萃取劑分散相膜式分配器支撐圈11、第一填料壓圈12、反應器連續相入口13、第二填料壓圈14和萃取相出口15；

反應器殼體1與反應器支撐裙座9相連接；在反應器殼體1下部位置安裝萃取劑分散相膜式分配器支撐圈11；反應器殼體1與萃取劑分散相膜式分配器支撐圈11連接；反應器殼體1上部位置安裝第一填料壓圈12；萃取劑分散相膜式 分配器6與萃取劑分散相膜式分配器支撐圈11和第一填料壓圈12相連接；萃取劑分散相膜式分配器支撐圈11和第一填料壓圈12分別安裝在反應器下部和上部，且安裝在萃取劑分散相膜式分配器6兩端起到固定萃取劑分散相膜式分配器6的作用；

反應器連續相入口13的配管與反應器連續相分配器4相連接；反應器連續相入口13的配管與反應器殼體1在反應器殼體1上部連接，組成萃取反應器的連續相進入裝置；

第二填料壓圈14與反應器殼體1頂部相連接；填料支撐圈3與反應器殼體1頂部相連接；填料支撐圈3上部至第二填料壓圈14下部填充改性聚結填料2，組成萃取反應器頂部的萃取相聚合填料段；

萃取劑分散相入口7的配管與萃取劑分散相膜式分配器6相連接；萃取劑分散相入口7的配管與反應器殼體1相連接；萃取劑分散相膜式分配器支撐圈11和填料壓圈12分別在萃取劑分散相膜式分配器6上下兩端連接固定，組成反應器分散相進料系統；

改性金屬填料5裝置在反應器殼體內1的萃取劑分散相膜式分配器6空隙內，置于萃取劑分散相膜式分配器支撐圈11上部和第一填料壓圈12下部；由改性金屬填料5和萃取劑分散相膜式分配器6構成反應器的萃取反應區，即萃取反應主體裝置；

反應器連續相出口10的配管與反應器殼體1底部相連接；

排污口8配管與反應器殼體1底部相連接；

萃取相出口15配管與反應器殼體1頂部相連接。

如圖1、圖3和圖4所示，萃取劑分散相膜式分配器的組成及安裝如下：

萃取劑分散相膜式分配器是由A)和B)兩種膜管安裝方式的方位每層錯開安裝，這保證了分散相微球液滴群能充分均勻分解在反應器內的連續相之內，保證萃取傳質功效是均勻充分的。構成膜組件的膜管是高分子改性剛玉質陶瓷膜，膜孔徑為0.5μm～1㎜。

煤化工領域在生產過程中會產生大量含酚工業廢水。這類含酚廢水一般酚含量高、毒性大、可生化性差，需要先進行脫酚預處理，才可以進入生化處理工段。含酚工業廢水中的酚是各種苯環類化合物的統稱，成份復雜，但苯酚類化合物是 一種具有經濟價值的化學中間體。如能將廢水中的酚類化合物回收，不但能將工業廢水資源化再利用，而且可以降低含酚廢水的處理成本。

本實用新型提供的液液膜式萃取反應器針對煤化工、石油化工、化學制藥等行業生產過程中產生的含酚工業廢水處理。因為現有技術中用塔式萃取脫酚時塔體容易堵塞，萃取劑流失嚴重，萃取脫酚處理費用高。用離心萃取脫酚由于廢水中含有的酚成份復雜，離心萃取時萃取劑和酚類化合物很容易乳化，造成萃取劑流失嚴重，而且反萃回收萃取劑時不但酸堿藥劑費用高，而且產生二次污染。

本實用新型提供的液液萃取反應器在山東省臨沂市山東天元新能源有限公司32萬噸/年煤焦油加氫項目工業廢水處理裝置得到工業化應用，具體情況如下：

天元新能源32萬噸/年煤焦油加氫裝置產生的含酚廢水主要來源于煤焦油預分系統廢水，原料油油庫廢水，這些含酚廢水中含酚的含量一般為8000～10000mg/L，廢水量為3m³/h。

將該類含酚廢水先集中經過同凱科技TKSF油水分離系統去除廢水中的油，再用泵送入本實用新型提供的膜式萃取反應器，采用二異丙基醚和煤油復合的萃取劑，按連續相含酚廢水與復合萃取劑(分散相)配比比例為1:0.3配比，廢水脫酚后反應器底部出水廢水中的酚含量≤300mg/L，萃取脫酚的效率≥97％，回收的粗酚含水量＜17％，粗酚純度＞83％。將粗酚回收用于加氫系統做原料油。每立方廢水處理消耗的萃取劑≤1克，每噸廢水的脫酚處理費用≤28元/噸。按每噸回收的酚計價2500元/噸核算，每噸廢水回收酚產生的收入≥195元/噸，扣除處理的運行費用，每噸廢水萃取脫酚的收入≥167元/噸，具有非常大的經濟效益。

本實用新型膜式萃取反應器連續運行三個月的實際運行效果是：

不堵塔，反應器清洗十分方便。

能耗少，能耗只有傳統塔式反應器的50％。

反應全過程，全系統為密封運行，無二次污染，不產生廢水、廢氣、廢渣。

可以間歇式操作。