转盘萃取塔内环形挡板的流体力学作用与传质强化机制

转盘萃取塔（Rotating Disc Contactor, RDC）作为一种高效的液-液萃取设备，广泛应用于化工、制药、湿法冶金及废水处理等领域。其核心特征在于内部周期性排列的转盘与定子环（即环形挡板）构成的分离腔室。转盘的旋转提供分散能量，而固定的环形挡板作为关键静部件，其作用远不止于简单的“阻挡”。深入理解环形挡板在流场调控、液滴行为管理及传质强化方面的多重作用，对设备优化设计与高效操作具有根本性意义。

一、核心流体力学作用：限定流型与建立局部循环

环形挡板的核心流体力学功能是塔体空间的轴向分隔。它将整个塔体划分为一系列串联的萃取级（隔室）。每个隔室内，转盘旋转带动连续相（通常为重相）运动，而环形挡板的内缘与转轴之间、外缘与塔壁之间分别形成的环形开孔区域，是两相流体轴向流通的唯一通道。

建立逆流流动格局：环形挡板的物理分隔，强制分散相（通常为轻相）液滴在穿过一个隔室后，必须通过挡板上的开孔才能进入相邻隔室。结合两相的密度差，最终在塔顶和塔底形成稳定的连续逆流接触，这是实现高传质效率的基础流体力学条件。

调控局部流场与剪切力场：在每个隔室内，旋转的转盘将机械能传递给流体，形成强烈的径向和切向速度分量。邻近的环形挡板壁面限制了流体的轴向运动，并与转盘相互作用，形成了一个以转盘为中心的、相对独立的涡流循环区。这个局部循环区是实现液滴反复破碎与聚并的关键场所。挡板的存在使得转盘输入的动能更有效地转化为液滴表面的剪切能，而非直接用于推动流体的轴向流动。

二、对液滴行为与传质的调控机制

液滴的粒径分布（液滴群行为）直接决定了相际传质面积和传质系数，而环形挡板对此有至关重要的影响。

控制液滴平均粒径与分布：在转盘旋转产生的剪切力作用下，液滴在隔室中部区域发生破碎，生成较小液滴。当这些液滴随流场运动至靠近环形挡板的相对静止区域时，湍流强度减弱，液滴间碰撞聚并的概率增加。这种“破碎-聚并”的动态平衡过程，在每个隔室内反复发生。环形挡板的尺寸（特别是开孔率）直接影响隔室内的湍流强度分布和液滴的停留时间，从而决定了平衡时的平均液滴直径（Sauter平均直径）。优化设计的挡板能够在提供足够大传质界面的同时，避免生成过细液滴导致乳化或分相困难。

优化流动路径与传质推动力：由于挡板对轴向流动的限制，迫使液滴在穿过每个隔室时，必须经历一个更曲折、更长的流动路径，从而延长了液滴在单个隔室内的有效停留时间。这增加了液滴与连续相接触的机会，并允许浓度边界层得到更充分的更新。同时，挡板分隔形成的多级串联结构，使整个塔内的浓度分布更接近逆流级联的理论模型，增大了全塔的平均传质推动力。

三、环形挡板关键设计参数的影响

环形挡板的设计，特别是其开孔区域的尺寸（内径和外径），是RDC塔设计的核心变量之一，与转盘直径共同决定了塔的水力学与传质性能。

开孔率：环形挡板的总开孔面积（内环孔与外环孔面积之和）与塔横截面积之比。较高的开孔率轴向通量（处理能力）较大，但会减弱对每个隔室内流场的“约束”作用，可能导致液滴分散不均匀和轴向返混加剧。较低的开孔率则强化了级间分隔和隔室内的混合，但会增加流动阻力，降低处理能力并可能提前引发液泛。

转盘与挡板直径比：转盘直径（Dr）与环形挡板内径（Ds）的比值（Dr/Ds）是一个经典设计参数。此比值直接影响转盘边缘与挡板内缘之间的环形缝隙处的剪切速率，从而决定输入能量的耗散方式和液滴的初始破碎尺度。通常，Dr/Ds值在0.6-0.7之间进行优化选择，以在分散效果和循环强度之间取得平衡。

四、总结与展望

综上所述，转盘萃取塔内的环形挡板绝非被动构件。它是流场的分隔器与塑形器，是液滴行为的调控器，是实现高效多级逆流传质的结构基石。通过物理分隔建立级联、通过与转盘互动形成局部循环涡流、通过控制开孔调控流动与混合强度，环形挡板深刻地影响着塔内的流体力学、液滴行为及最终的传质效率。