萃取塔是石油炼制、化学工业和环境保护等部门广泛应用的一种传质设备，具有结构简单、便于安装和制造等特点。在液-液传质系统中，两相间的密度差较小，界面张力相差不大，导致推动相际传质的惯性力较小，已分层的两相分层分离能力也不高。填料技术的发展为萃取效率的提高打开了一扇大门，填料对于萃取效果有着显著的影响。
为解决萃取效率低的问题，本文提出一种气-液-液的萃取方式，以煤油( TBP) -水-空气为体系，在塔径0. 15m 的萃取塔内进行实验，研究了不同萃取方式，不同填料对流体力学的影响。
1 流体力学实验
1. 1 实验装置与实验方法
实验装置如图1。实验采用Φ150mm 的萃取塔作为主要的实验装置，采用350X 金属波纹板填料、700X 网架填料和QH-2 型扁环填料作为塔内装填填料，装填高度为1100mm，以空气-水-煤油为主要测试物系进行测量，其中煤油为分散相，水为连续相。本实验中观察了气-液-液三相萃取的流动现象，测定了气含率、液含率、液泛速度等参数。
 
1—离心泵; 2—水相涡轮流量计; 3—水相储罐; 4—气泵; 5—气相涡轮流量计; 6—底阀; 7—塔体; 8—油相分布器; 9—气相分布器;10—水相分布器; 11—齿轮油泵; 12—油相涡轮流量计; 13—油相储罐
图1 实验装置及流程图
1. 2 实验结果与讨论
1. 2. 1 观察实验
实验分别在金属波纹板填料、网架填料和QH-2 型扁环填料中对加入气相前后液-液萃取中分散相液滴的形态、数目、分布变化情况进行了拍摄，变化情况如图2。其中，左侧图片为通入气相前液滴图，右侧图片为通入气相后液滴图。

( a) 金属波纹板填料

( b) 网架填料

( c) QH-2 型扁环填料
图2 不同填料中通入气相前后分散相液滴变化图
由图2 可清晰的看到，在各种填料未通入气相，即传统液液两相萃取中，分散相( 油相) 经过填料后液滴体积较大，数目较少，形状不规则，附着于填料之上，向上运动趋势并不十分明显，且液滴为实心，光泽均匀; 通入气相后，气相被油相包覆其中，气泡位于油滴上部，呈现明显的“油包气”形态，分散相在气相的扰动作用下液滴体积较小，单位面积填料上液滴数目较多，分布较为分散，形状规则，为细长椭球形，仅小部分附着于填料上，向上运动趋势较为明显。
1. 2. 2 气含率的变化
固定连续相流速Uc = 0. 4cm/s，分散相流速Ud=0. 4cm/s，缓慢增加气相速度，填料萃取塔气含率随气相速度的增大有着明显的变化趋势，如图3。

图3 气含率随气相速度变化图
从图3 可以看出，随着气相速度的增大，三种填料中气含率均有明显的提升，且在气相速度较低时，气含率随气速的增加而上升的趋势更为明显，之后变化略有减缓，但总体的上升趋势并未发生变化。同时，网架填料、板波纹填料的气含率变化情况较为一致，同等气相速度下液含率数值相差无几;而扁环填料的气含率-气相速度折线一直处于最下方，说明其气含率数值整体偏低。这是由于相较于液-液两相萃取，气相的加入使得萃取体系中气体含量陡增，气含率急剧上升; 随着气相速度的增大，塔内流体的湍动程度增大，气体上升的阻力变大，气体存留量增加，故气含率仍旧呈上升趋势，直至无法维持较为稳定的传质过程，塔内平衡被打破。
此外，网架填料、波纹板填料均为规整填料，而QH-2 型扁环填料则为散装填料。规整填料整齐堆砌，结构规则、均匀，相同的比表面积时比散装填料的空隙率更大。而散装填料流道不均匀，易发生局部短路，故在相同气相速度下其内部停留气相体积较小，因此QH-2 型扁环填料的气含率明显低于规整填料。
固定连续相流速Uc = 0. 4cm/s，气相流速Ug= 0. 08cm/s，缓慢增加分散相速度，填料萃取塔气含率随分散相速度的增大同样有明显的变化趋势，如图4。

图4 气含率随分散相速度变化图
从图4 可以看出，在一定的连续相和气相流速下，各种填料的气含率均随着分散相速度的增大而呈明显的上升趋势。相较于2 种规整填料，QH-2型扁环填料的气含率数值整体偏低，这是由散装填料流道不均匀，易发生局部短路所致。
由于气-液-液三相萃取会产生“油包气”现象，分散相速度较小时，气相会对其产生带动作用，使分散相尽快通过萃取塔; 而当分散相流量逐渐增大时，其阻碍气相上升的拉拽作用逐步显现，影响气相的通过，进而使塔内停留的气相体积增加，填料萃取的气含率数值增大。
1. 2. 3 液含率变化
在固定连续相流速Uc = 0. 4cm/s，气相流速Ug = 0. 08cm/s，改变分散相速度测算填料萃取塔的液含率，其随分散相速度的增大有一定的变化趋势，具体如图5。

图5 液含率随分散相速度变化图
由图5 可以看出，固定连续相和气相流速，各种填料的液含率随着分散相速度的增大而呈明显的增大趋势，且增长快慢相对各种填料无明显的差别。这是由于分散相表观流速增大导致分散相总量增多，同样导致其上升的阻力增大，从而使液含率增大，直至发生液泛，体系失衡。而扁环填料的液含率远高于另外2 种填料，这是因为散装填料堆放无规则，流道极不均匀，使分散相液体无法顺畅通过，相同进料速度下大量积存于塔体内，故液含率较大。而规整填料结构规则，通道顺畅，液体积存量小，液含率相应较小。相比之下，散装填料液含率高，更利于传质; 规整填料在保证分散相通量，对提高产量则更为有利。
固定连续相流速Uc = 0. 4cm/s，分散相流速Ud = 0. 4cm/s，缓慢增加气相速度，测算填料萃取塔的液含率，其随气相速度的增大有一定的变化趋势，如图6。

图6 液含率随气相速度变化图
由图6 可以看出，在连续相和固定相流速一定的情况下，随着气相速度的增加，液含率先是有一定幅度的下降，之后是增长，但趋势较为平缓。这是由于气速低时，“油包气”结构形成，导致油水两相密度差增大，油相速度增大，气体带动液体迅速上升，萃取体系中油相含量减少，故液含率下滑趋势明显; 而随着气速的不断增大，体系的气含率增大，大量气体阻碍了分散相液体的向上通道，从而导致液体滞存量增大，液含率上升。
1. 2. 4 液泛速度变化
固定连续相流速Uc = 0. 4cm/s，逐渐增大气相速度，对应的液泛速度随气相速度的增大有较为明显的变化，具体趋势如图7。

图7 液泛速度随气相速度变化图
由图7 可以看出，随着气相速度的增大，各种填料下分散相的液泛速度均呈明显的下降趋势。三种填料相比，波纹板填料的液泛线最高，网架填料次之，而QH-2 型扁环填料的液泛线最低。此外，前两者的液泛速度相差较小，相较于扁环填料约提高25%，可见规整填料的流体通量较高。
这是由于气相速度的增加导致塔内气含率的增大，大量气体滞存使液相的流道空间减少，使得液泛速度减小。同时，随着气速的增大，气泡在迅速上升过程中撞击分散相液滴，使之容易破碎为直径更小的液滴。乳化现象一经产生，则两相分层困难，太小的液滴难以再聚结，使澄清时间增长。因此，气相速度的增大将使萃取体系提前迎来液泛点。相较于散装填料，规整填料整齐堆砌，结构规则，通道顺畅，空隙率更高，流道比较稳定，减少了轴向返混，因此在相同的气相速度和表观油相速度下具有更大的通量，液泛点高于散装填料。
2 结论
(1) 气相速度的提高使得气-液-液三相萃取体系的气含率和液含率都相应上升，但分散相液泛速度随之降低，说明气-液-液三相萃取的分散相通量受到一定的限制，这种情况下其处理能力相较于传统液-液两相萃取有所下降。
(2) 在气-液-液三相萃取中，分散相流量增大导致体系中液滴数目增多，分散相滞存量增大，进而使液含率上升，表观传质单元高度下降，传质系数增加。因此，实际操作中应在液泛速度以下努力提高分散相流量，既能提高传质效果，提升产品质量，又能保证流体通量和塔处理能力。
(3) 填料对气-液-液三相萃取性能的影响极为重要。相比之下，规整填料堆砌规则，流道均匀，可以有效抑制径向混合和轴向返混，气含率较高，液含率偏低，液泛速度比散装填料平均提高25%。因此，规整填料通量大，适于工业生产应用。