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FCSE 综述:环隙式离心萃取机流体力学特性及应用研究进展

来源:来球网斯诺克 时间:2024-06-30 03:02:12

  溶剂萃取是重要的分离技术,具有分离效率高、灵活易操作、可规模化生产等特征,已被大范围的应用于制药、化工、核工业等领域。常见的溶剂萃取设备有混合澄清槽、萃取塔、离心萃取机。环隙式离心萃取机(ACE)是集混合和分离于一体的萃取设备(图1),由于其停滞时间短、结构紧密相连、传质效率高,在许多工程领域得到了应用。以往大部分的综述都专注于其流动不稳定性、流动可视化及计算流体力学模拟。最近,研究者们将目光转向ACE的流体动力学和结构优化的研究。随着ACE技术的发展,其应用也拓展到了一些新的领域。针对于此,本文综述了ACE的最新研究进展,并提出了ACE的未来研究方向。

  论述了近年来ACE在流型、分散相存留量、液滴尺寸分布、停滞时间分布等方面的研究进展(图2),分析了ACE在环隙区域、转筒区域、和顶部堰区域的结构优化方法,介绍了离心萃取器在稀土回收(图3)、核燃料后处理、生物萃取(图4)、催化反应、废污水处理等领域内的最新应用,最后指出了为推动离心萃取技术发展需要着重解决的问题:

  环隙区域的流动已得到了比较深入的研究,转筒内部多相流场的研究由于其观测的困难性主要是采用的还是数值模拟的方法。未来应使用先进的流场测量方法(如PIV、PLIF、CT、高速摄像等)对ACE,尤其是转筒内的多相流场进行进一步的研究。

  目前研究缺乏对液滴在环隙区域内的破碎和转筒内的聚并机理的揭示,难以解释如设备突然启动时液滴破碎等现象。未来的工作应考虑采用实验和数值模拟相结合的方法研究ACE中单个液滴的破碎和聚并行为。破碎和聚并机理的揭示可以为ACE内传质性能的预测提供理论指导。

  为了改善ACE内部的流体动力学行为,应进一步针对特定工艺进行ACE的结构改进。此外,ACE的制造目前大多采用的是不锈钢,在极端环境下,金属即容易被腐蚀,应当考虑将适用于极端环境的功能性材料用于ACE的加工制造。

  近年来,ACE在湿法冶金,核燃料后处理,生物萃取,催化反应和废污水处理等领域内得到了广泛应用,然而这些应用大部分都停留在实验室规模阶段,寻求合理的ACE的放大方法和放大后的稳定性和可靠性研究是该领域今后研究的重点。同时,拓展ACE在新的领域内的应用也将是未来的主要工作之一。

  应用外场例如磁场和超声波等强化传质已经在其他萃取设备中得到了验证。然而,尚未考虑增加外场对ACE传质效率提升的影响。因此,通过添加磁性纳米颗粒和使用超声波发生装置以研究磁场和超声波对ACE传质速率和分离效率的影响是未来的研究方向之一。

  本文对ACE在流体动力学和结构优化方面的研究做了详细的论述,介绍了其在不同领域内的最新应用,分析了制约离心萃取技术发展的诸多因素,指出了液滴破碎和聚并机理的研究,针对不同工艺的结构改进,多物理场耦合强化传质,ACE的放大方法和放大后的稳定性和可靠性研究将是未来的重点研究方向。

  杨航(第一作者),华东理工大学2022级博士研究生,研究方向为流体机械内的流体力学行为。