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斜板沉降器板间距对处理负荷的影响

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第 14 卷第 4 期 1999 年 12 月

     郑 州 轻 工 业 学 院 学 报      
JOU RNAL O F ZH EN GZHOU I ST ITU T E O F L IGH T I N NDU STR Y

. V o l 14 N o. 4 D ec. 1999

斜板沉降器板间距对处理负荷的影响
戚俊清   刘亚莉  许培援  张华林  佘庆彦
( 郑州轻工业学院化学工程系 郑州 450002)
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摘 要 在介绍斜板沉降器结构及操作特性的基础上, 分析了处理负荷与结构尺寸、 体系物性 的关系. 通过实验研究了斜板沉降器板间距对处理负荷的影响. 结果表明, 斜板沉降 器的处理负荷与同尺寸的普通重力沉降器相比有大幅度的提高. 对于一定的分散带 厚度, 板间距与处理负荷间存在着最宜设计, 该最宜设计值取决于物系性质、 操作条 件及两相比率 . 关键词 斜板沉淀器; 处理; 载荷; 分散带; 板间距 中图分类号 TQ 027. 42

0 引言

非均相液2液物系的分离是石油、 化工及环保等工程中重要的单元操作之一. 斜板沉降器 因其结构简单、 处理负荷高而备受关注. 60 年代, P rincen, Hodg son, B u rrill 等人对液滴在界面 上及液滴间的相互聚结等进行了大量的研究[ 1~ 5 ]. 70 年代,M izrah i, B a rnea 报道了用于油2水 高浓度分散体系 ( 分散相浓度 15%~ 70% ) 的不溶液滴与连续液体分离的斜板沉降器, 与同尺 寸的普通重力沉降器相比, 处理负荷可提高 6. 7 倍, 因而受到人们的关注. 进入 80 年代,M e2 聚结过程等数学模型. 目前对斜板沉 on, B la ss, Row ley 等先后建立了斜板间两相流体的运动、 降器中液滴聚结机理的研究较多, 而其结构尺寸对处理负荷的影响, 文献报道不多. 本文在介 绍斜板沉降器结构及操作特性的基础上, 对斜板沉降器结构尺寸、 体系物性与处理负荷的关系 进行了探讨, 以优化斜板沉降器的工业化设计.

1 斜板沉降器的结构特性

斜板沉降器是在普通重力沉降器中放置若干块相互*行、 间距相等的倾斜*板构成的. 图 1 为具有两排斜板的沉降器结构示意图 分散体系由加料口通过分布器进入分离室的斜板间 . 通道, 轻液相 ( 在此作为分散相) 液滴升至上部板面聚结并形成层膜, 在静压的作用下, 层膜沿 *板向上流动, 后续上升的液滴停滞在层膜上并随其流动, 经过一定的时间后融合于层膜, 实 现了分散相液滴的分离, 在沉降器出口便得到被分离的两相. 这种沉降器与普通重力沉降器相 比, 具有以下优点: 1) 斜板的加入使沉降器内形成若干流体通道, 缩短了液滴的沉降距离, 增加 了聚结面积, 处理负荷和分离效率得到提高; 2) 液滴和层膜运动方向和速度不同, 增加了其间 的相互作用, 有利于液滴的聚结; 3) 斜板上的层膜处于连续运动状态, 表面不断更新, 活性物质
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本文收到日期: 1999205210 河南省科技攻关项目 ( 豫科 961120318) 男, 37 岁, 副教授

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不能在相界面上积累, 因此大大降低了其对液滴聚结的影响 .

  图 1 斜板沉降器结构示意图   在实际操作中, 根据层膜与分散体系流动 方向的不同, 通常可分为 3 种流动形式: 1 ) 错 流流动. 错流流动是指一组斜板沿设备轴线方 向*行放置, 分散体系沿轴线流动, 如图 2 所 示 在每个通道 ( 分离空间) 内, 分散相液滴随 . 分散体系沿轴线方向流动, 同时, 密度差产生 的浮力作用又导致其沿垂直方向运动. 当分散 相密度小于连续相密度时, 液滴将在*宓南   图 2 错流操作示意图 表面形成层膜, 反之, 液滴在下板的上表面形 成层膜, 即层膜流动与分散体系 流动呈错流. 2) 逆流流动. 逆流流 动是指层膜与分散体系的流动方 向相反, 如图 3 所示. 这种流动形 式发生在分散相密度小于连续相 密度的情况. 3 ) 并流流动. 其形式 与逆流流动相同, 只是层膜与分 散体系的流动方向相同, 适于分 散相密度大于连续相密度的   图 3 逆流 ( 并流) 操作示意图 情况.

2 沉降器的处理负荷
沉降分离过程中, 当分离物系及操作条件 ( 主要是操作温度和混合条件) 一定时, 不溶液滴 在连续液体中的尺寸分布相对较窄. 操作时在液滴的聚结前沿形成一个由连续相液体和分散 相液滴组成的混合相, 称为分散带 分散带的流体力学性质介于轻重两相液体的性质之间, 其 . 上下分别为被分离的轻重两相的轻液层. 操作过程中, 当处理负荷较小时, 分散带自料液入口 至出口间呈楔形, 随着流量的增加, 分散带遍及整个水*面上并趋于等厚 在稳定的条件下, 分 . 散带的位置和厚度是固定不变的. 研究证实[ 7 ] , 在一定的操作条件下, 分散带的厚度只取决于沉降器单位面积的处理量 ( 以 下称为处理负荷) , 其间的相互关系可*似表达为

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   ?H = K (Q A ) y ① 式中 ?H ——分散带厚度 mm ;       K ——分散体系特性常数; 2    Q ——分散体系处理量 m 3 ?h - 1; A ——沉降器底面积 m ;    y ——分离指数 ( 通常 y ≥2. 5).   特性指数 K 和分离指数 y 的值取决于分散体系物性及操作条件, 如轻重两相的物性、 两 相比率、 操作温度以及混合条件等, 对于不同的体系, 分离指数的变化范围为 2. 5 7. 理论和 ~ 实验表明, 以上关系是指数 y 随处理负荷 Q A 的增加而增大, 但对工业沉降器的设计, 方程① 具有良好的*似性. 目前在沉降器的设计中, 是以在沉降器出口处分离面上下为轻重两相的清 液层为依据, 因此设计过于保守, 对一定的处理量, 设备尺寸过大. 工业用沉降器的设计, 分散 带厚度可取 500 mm~ 1000 mm.   方程①表明, 沉降器的处理量与其沉降面积有关, 因此采用扁*的结构或增加有效沉降面 积更为有利. 斜板沉降器是在普通重力沉降器中插入一系列隔板, 为避免被分离的两相二次混 合, 隔板稍有倾斜, 使轻重两相以相反的方向排出. 假设斜板间的距离为 d , 由方程①可知, 若 分散带厚度 H 小于板间距 d , 则斜板沉降器与普通重力沉降器没有差别. 当处理负荷 Q A > ( K - 1 y d 1 y ) , 即分散带厚度大于板间距时, 分散带将充满第一个分离空间, 继而向下一个空间 发展. 分散带充满两个空间时, 处理负荷为 Q A = 2K - y d y . 同理, 当 n 个空间被充满时, 处理 负荷为  Q A = nK y d y 式中沉降空间 n 若以 H d 代替, 则方程②变为
1 1 - 1 1 1 1



   Q A = ?H ( K y d (1- y ) ) ③ 方程③即为一定的设计值 ?H 下, 板间距 d 与斜板沉降器处理负荷的关系. 以 R 表示斜板沉 降器的处理负荷与普通重力沉降器的处理负荷之比 ( 称为比负荷) , 则
1

   R = n (1- y ) ④ 由方程④可知, 对一定的设计值 ?H , 采用 n = 2 的斜板沉降器, 如前所述, 通常分离指数 y ≥ 2. 5. 以 y = 2. 5 较低分离指数的分散体系为例, 比负荷 R = 1. 52, 即比普通重力沉降器的处理 负荷增加 52% , 随分离空间的增加比电荷增加, 分离指数愈大的分散体系, 其比负荷愈大 .   以上分析是假设在每个分离空间内, 分 散带的边界与*板的表面相重合, 且忽略了 *板的厚度 事实上, 斜板沉降器的分散带厚 . 度比普通重力沉降器的低, 即有效分离容积 降低. 图 4 为斜板沉降器分散带示意图. 由图 4 可见, 使分离容积降低的原因, 一是斜板本 身具有一定的厚度, 且随着板间距的减小, 板 数的增多, 对有效分离容积的影响越来越大; 二是在每一个沉降室内有两层被分离的单相 液层, 其厚度与板间距、 板倾角及相比率等因   图 4 斜板间分散带示意图 素有关, 且影响关系较为复杂. 若把以上因素 对分离容积降低的影响以修正系数 e 表示 ( 称为分离容积利用效率) , 则一个分离空间内分散 带的有效厚度为 e×d , 方程④修正为    R = e y n
1 (1- 1 )
y



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  容积利用效率与斜板的厚度、 板数 ( 或板间距) 、 板倾角以及分散体系的性质、 两相的比率 等有关. 对一定厚度的斜板, 板数增加和板倾角减小, 均使容积利用率降低. 方程⑤表明, 随板 数 n 的增加, 比负荷 R 增大. 因此对于一定的分散带厚度, 板间距和板倾角等结构参数均存在 着最宜设计.

3 实验及结果分析
为进一步说明容积利用效率与斜板结构参数的关系, 分别对斜板沉降器和普通重力沉降 器的分离特性进行对比实验.   实验用沉降器底面积为 240 mm ×240 mm , 可形成分散带厚度为 80 mm , 沉降器内放置单 列斜板; 分离物系及操作条件为甲苯2水, 体积比 1 ∶1, 操作温度 T = 24 ℃, 采用涡轮搅拌混 合, 转速为 80 r m in. 为了研究斜板结构参数对处理负荷的影响, 分别对板间距 d = 20 mm , 15 mm , 10mm 时的不同板倾角下进行实验测试 .   表 1 为分散带 H = 60 mm 时, 板间距 表 1 板间距对处理负荷、 容积利用效率的影响 d 对处理负荷 Q A , 比负荷 R 和容积利用 2 板间距 处理负荷×10 容积利用 效率 e 影响的一组代表性的实验数据. 其 比负荷 效率 mm m 3 ?h - 1 ?m - 2 中分离指数 y 是依据普通重力沉降器的分 1. 79 1. 00 散带厚度与处理负荷的关系 ( 由方程①回 普通沉淀器 20 2. 38 1. 33 0. 213 归得出) ; 比负荷 R 为测得的斜板沉降器 与普通重力沉降器的处理负荷之比; 容积 15 2. 72 1. 52 0. 145 利用效率 e 由方程⑤计算而得. 10 2. 58 1. 44 0. 0438   实验结果表明, 斜板的加入可有效地 提高处理负荷, 但对不同的板间距, 处理负荷存在着差异 随着板间距的减小、 . 板数的增加, 处 理负荷增加 ( 板间距由 20 mm 减至 15 mm ) , 但容积利用效率降低; 而当板间距进一步减小 ( 由 15 mm 减至 10 mm ) 时, 处理负荷反而降低 由表 1 可见, 此时容积利用效率骤降, 表明容积利 . 用效率降低的幅度大于因板数增加对处理负荷的提高幅度. 这与方程⑤相吻合.

4 结论
4. 1 斜板沉降器可增加液滴的有效聚结面积, 抑制表面活性物质对液滴聚结的影响, 处理负

荷与同尺寸的普通重力沉降器相比有大幅度的提高. 4. 2 分离指数与分散体系的物性及操作条件有关, 可通过普通重力沉降器的试验结果, 由方 程①确定. 4. 3 对一定的分散带厚度, 板数 ( 或板间距) 存在着适宜设计, 该值取决于物系性质、 操作条件 及两相比率. 参 考 文 献
1 P rincen H M . Shap e of a flu id d rop a t a liqu id 2liqu id in terface. J Co llo id Sci, 1963, 18: 178 ~ 195 2  L ee J C, Hodg son TD. F ilm flow and coa lescence: B a sic rela t ion s, film shap e and criteria ~ fo r in terface m ob ility. Chem Eng Sci, 1968, 23: 1375 1397 3  B u rrill K A ,W ood s D R. Change in in terface and film shap es fo r a defo rm ab le d rop a t a defo rm ab le liqu id 2liqu id in terface —F ilm hyd rodynam ic p ressu re d ist ribu t ion and in terface

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p er un it a rea and the deg ree of sep a ra t ion com p a red w ith comm on g ravity set t ler. Fo r the g iven size of d isp ersion band Κthe p la te d istance ha s an op t i um so lu t ion w h ich dep end s on m the p rop ert ies of sy stem Κw o rk ing cond it ion and p ha se visco sity ra t io.
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T he feed th roughp u t rela ted to the p la te d istance and the p rop ert ies of sy stem w ere ana 2 lyzed. T he resu lt of exp eri en t s show s tha t the inclined p la te set t lers have a h igh th roughp u t m KeywordsΠ inclined p la te set t lerΜd ispo sa lΜload sΜd isp ersion band Μp la te d istance
Q i J unqing p lace of w ork is C hem ica l E ng ineering D ep a rtm en t of Z IL I

~ shap es. J Co llo id Sci, 1969, 30 ( 4) : 511 524 4  B u rrill K A ,W ood s D R. F ilm shap es fo r defo rm ab le d rop a t liqu id 2liqu id in terfaces—T he ~ m echan ism s of film d ra inge. J Co llo id Sci, 1973, 42 ( 1) : 15 34
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F EED THROU GT PU T R ELA T ED TO TH E I CL I ED PLA T E D ISTAN CE N N
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Q i J unqing   L iu Y a li   X u P eiy uan   Z hang H ua lin   S he Q ingy an

ABSTRACT

T he con st ruct ion and w o rk ing p rincip le of inclined p a ra llel p la te set t ler w ere in t roduced.




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