【文章推薦*王運東】液液萃取過程單液滴的實驗和模擬研究綜述

液液萃取過程廣泛應用於溼法冶金、石油化工、製藥工程和環境保護等領域，主要的萃取設備包括萃取塔、萃取澄清槽及離心萃取機等。在萃取過程中，液液分散情況決定了相間傳質，並影響最終的萃取效果，是萃取過程設計需要考慮的關鍵因素之一。儘管有關萃取過程的研究自上個世紀以來已取得較多進展，但萃取過程的設計和放大仍大量依賴於中試實驗和經驗模型，耗費大量的人力物力，且設計過程未充分考慮液液兩相之間的相互作用，尚需進一步優化。針對此過程設計，以單個液滴作為研究對象提供了一種新的思路，即首先將萃取過程簡化，只考慮單個液滴在連續相中的行為，如液滴自由上升、破碎、聚並和傳質等，在此基礎上建立子模型，並將子模型帶入到群體平衡模型中進行求解，進而可以得到萃取塔中的液滴尺寸分布、濃度分布等信息，從而輔助萃取塔的設計。另外，隨著計算技術的發展，如今計算流體力學模擬方法可以對兩相流體的行為進行較為準確的預測，在單液滴研究中更是有著廣泛的應用。因此，基於單液滴的萃取過程研究對設計放大有著重要意義。

    對於單液滴的自由上升和下降，雖然在萃取設備中這樣理想的情況並不多見，但是對於了解液滴的運動至關重要。實驗研究主要在萃取塔式設備中進行，並藉助攝像等手段記錄液滴的運動軌跡、形狀變化及運動速度，並針對不同性質的體系建立不同的形變比、終端速度等關聯式。模擬研究的難點在於如何準確捕捉液滴在運動過程中的界面變化，對於此，研究者們提出了多種方法，常見的有水平集（level-set method），VOF等，方法之間各有優劣。

    對於單液滴的傳質研究內容廣泛，直到現在仍有研究者在進一步探究。傳質過程在時間和空間上同時進行，較為複雜。一些研究繼單液滴自由運動後，進一步考慮液滴自由運動時傳質過程的影響；還有一些研究關注於界面不穩定性，即馬蘭戈尼效應，至今在實驗和模擬領域尚有許多未能解釋清楚的問題。另有一些研究關注於界面汙物對單液滴傳質過程的影響，因為界面性質對傳質的結果影響十分顯著，而汙物的存在會吸附在界面從而降低傳質的效率。

    而對於單液滴的破碎和聚並研究，主要目的在於建立準確的聚並破碎子模型，用於群體平衡模型。主要的子模型包括破碎速率、子液滴分布、聚並速率和聚並頻率，這些子模型可以藉助實驗和模擬的方法建立。實驗研究依賴於高性能的高速攝像機，用於捕捉液滴的瞬時變化，模擬方面其精度則依賴於十分細緻的網格。

    關於萃取過程中單液滴的研究仍有很多需要進一步探索的領域，如對於新型萃取體系的研究尚不充分，對於界面不穩定的現象仍缺乏理解，對於計算流體力學和群體平衡模型之間的耦合及求解還需完善。但相信隨著對於單液滴行為的研究更加深入，將單液滴的思想用於萃取設備的放大設計會是一種十分高效準確的方法。