斜板沉降器中第三組分對高濃度液—液分離的影響

1.1 斜板沉降器的處理負(fù)荷

沉降分離過程中,在液滴的聚結(jié)前沿形成一個(gè)由連續(xù)相液體和分散相液滴組成的混合相,稱為分散帶｡分散帶的流體力學(xué)性質(zhì)介于輕､重兩相液體的性質(zhì)之間,其上､下分別為被分離的輕重兩相的清液層｡研究證實(shí),在一定的操作條件下,分散帶的高度與沉降器單位面積的處理量(稱為處理負(fù)荷)間的關(guān)系為[3]:

Q/A=K^-1/yΔH^1/y(1)

式中 Q———分散體系處理量,m³/h

  A———沉降器底面積,m²

  K———分散體系特性常數(shù)

  ΔH———分散帶高度,mm

  y———分離指數(shù),與分散體系的性質(zhì)有關(guān),通常y=2.5~7

由式(1)可知,若在沉降器中插入一系列板間距為d的隔板,則在一定的分散帶高度ΔH下,斜板沉降器的處理負(fù)荷為[5]:

Q/A=ΔH/(K^1/yd^1-1/y)(2)

為避免被分離的兩相二次混合,隔板稍有傾斜,使輕､重兩相以相反的方向排出｡若n(n=ΔH/d)為斜板數(shù),以R表示斜板沉降器的處理負(fù)荷與普通沉降器的處理負(fù)荷之比,稱為比負(fù)荷,由式(2)除以式(1)可得:

R=n^1-1/y(3)

式(2)､(3)分別為理論上斜板沉降器的處理負(fù)荷､比負(fù)荷與分散帶高度､板間距及板數(shù)的關(guān)系｡

1.2 斜板沉降器的容積利用效率

實(shí)際斜板沉降器的處理負(fù)荷及比負(fù)荷低于式(2)､(3)的計(jì)算值,其原因是斜板的加入將使有效分離容積降低｡圖1為普通沉降器與斜板沉降器分離容積對比示意圖,假設(shè)沉降器的底面積為A,分散帶高度為ΔH,則普通沉降器(圖1a)的分散帶容積為AΔH,由圖1(b)可見,使斜板沉降器分離容積降低的原因有以下3個(gè):

(1)斜板本身的厚度使有效容積降低,且隨著板間距的減小,板數(shù)的增多,對有效分離容積的影響越大;

(2)每一個(gè)沉降室中的兩層被分離的單相液層使有效容積的降低,其值與板傾角及相比率等因素有關(guān),且影響關(guān)系較為復(fù)雜;

(3)被分離的輕､重兩相的排液空間使有效容積的降低,排液空間一般應(yīng)滿足清液在流動(dòng)中不致引起擾動(dòng),使被分離的液相二次混合｡

把以上因素對分離容積降低的影響以修正系數(shù)e表示,稱為分離容積利用效率｡則一個(gè)分離空間內(nèi)分散帶的有效高度為(e×d),對式(2)､(3)修正可得斜板沉降器實(shí)際處理負(fù)荷及比負(fù)荷的計(jì)算關(guān)系式:

Q/A=ΔHe^1/y/(K^1/yd^1-1/y)(4)

R=e^1/yn^1-1/y(5)

由式(4)､(5)可知,對一定的分散帶厚度ΔH,斜板數(shù)n的增加(即板間距d的減小),其處理負(fù)荷Q/A和比負(fù)荷R增加,但另一方面將使分離容積利用效率降低;斜板傾角是影響被分離單相液層厚度的重要因素｡板傾角增加,使斜板上層膜運(yùn)動(dòng)速度提高,在一定的處理?xiàng)l件下,層膜厚度減薄,可提高分離容積利用效率｡但同時(shí)使液滴與層膜間的靜壓減小,液滴與層膜間的夾層排液不利,從而降低聚結(jié)分離性能[6]｡因此板間距和板傾角等結(jié)構(gòu)參數(shù)在設(shè)計(jì)上存在著最佳值｡

2實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用沉降器底面積為200×400mm,可形成分散帶高度180mm,沉降器內(nèi)放置單列斜板,斜板采用分散相液滴較易形成層膜的聚四氟乙烯板材,斜板間距的調(diào)整范圍為5~90mm,板傾角的調(diào)整范圍為3°~20°｡液—液混合采用渦輪攪拌,分離主體物系為甲苯—水,其中甲苯的體積分率為40%,斜板上層膜與分散體系呈錯(cuò)流流動(dòng)｡為了研究第三組分對處理負(fù)荷的影響,按每升分散體系加入表面活性劑十二烷基磺酸鈉(SDS)5ml和10ml｡

3結(jié)果與討論

3.1 普通沉降器的處理負(fù)荷

圖2為普通沉降器處理負(fù)荷Q/A與分散帶高度ΔH的關(guān)系｡由圖可見,在一定的分散帶高度下,第三組分(SDS)的加入,處理負(fù)荷降低,且隨著SDS加入量的增加而減小｡由于第三組分的加入量很少,因此對體系的密度､粘度等影響不大,而對表面張力的影響顯著｡

實(shí)驗(yàn)表明,甲苯—水體系的表面張力為34mN/m,在分別加入(SDS)5ml/l和10ml/l時(shí),其表面張力則分別下降為24mN/m和19mN/m｡由聚結(jié)機(jī)理可知[1､4],體系的表面張力越小,液滴的聚結(jié)時(shí)間越長｡另一方面,在一定的混合條件下,形成的液滴尺寸越小,使分離越困難｡

3.2 斜板沉降器結(jié)構(gòu)參數(shù)對處理負(fù)荷的影響

為了研究斜板沉降器結(jié)構(gòu)參數(shù)對分散體系處理負(fù)荷的影響,我們對甲苯—水二元體系及含有表面活性物質(zhì)SDS的體系進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)｡圖3為分散帶高度ΔH=90mm､斜板傾角α=14°時(shí)處理負(fù)荷Q/A與板間距d的關(guān)系曲線,圖4為分散帶高度ΔH=90mm､板間距d=15mm時(shí)處理負(fù)荷Q/A與斜板傾角α的關(guān)系曲線｡圖中表明:(1)斜板沉降器的處理負(fù)荷與斜板間距､斜板傾角有關(guān),且存在著適宜值｡適宜的板間距與是否存在第三組分關(guān)系不大;而SDS的存在使斜板傾角的適宜值略有增加,且隨SDS的增加而增加｡其原因是斜板傾角的增加,層膜的運(yùn)動(dòng)速度提高,降低了表面活性劑在層膜界面上的積累,有利于液滴的聚結(jié)分離｡(2)與圖2比較可見,第三組分SDS的加入,斜板沉降器的處理負(fù)荷隨SDS的加入量的變化趨勢與普通沉降器的相同,但大大高于普通沉降器的處理負(fù)荷,且SDS對處理負(fù)荷的影響明顯降低｡以分散帶高度ΔH=90mm､板間距d=15mm､斜板傾角α=14°處理負(fù)荷為例,表1為SDS對沉降器處理負(fù)荷Q/A及比負(fù)荷R的影響｡從表中可以看出,SDS的加入量為10ml/l時(shí),斜板沉降器的比負(fù)荷最高,表明斜板沉降器對含有表面活性劑存在的物系,具有更好的分離特性｡

4結(jié)論

(1)甲苯—水分散體系中,表面活性劑SDS的存在使沉降器的處理負(fù)荷降低,且SDS的含量越大,設(shè)備的處理能力越低｡

(2)斜板沉降器的處理負(fù)荷大大高于普通沉降器的處理負(fù)荷,且第三組分SDS對斜板沉降器的處理負(fù)荷影響較小｡

(3)斜板沉降器的處理負(fù)荷與斜板間距､斜板傾角有關(guān),且存在著適宜值,適宜的板間距與第三組分SDS的存在關(guān)系不大;而使斜板傾角的適宜值略有增加,且隨SDS的增加而增加｡

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