基于液滴分離時(shí)間的斜板沉降器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

趙 岳， 龔 斌， 吳劍華

（沈陽化工大學(xué)， 遼寧 沈陽 110142）

在石油，化工，制藥等工業(yè)生產(chǎn)過程中，非均相液液物系的分離是一項(xiàng)不可缺少的單元操作。早在上世紀(jì)七十年代Williams，Morrison等國外學(xué)者就在傳統(tǒng)沉降分離裝置的基礎(chǔ)上提出了斜板沉降器的概念[1]，它是在普通重力沉降器內(nèi)加入了若干塊平行等間距的斜板，進(jìn)而縮短了液滴的沉降距離，同時(shí)增加了液滴的聚結(jié)面積，大大提高了設(shè)備的處理能力及分離效率。同時(shí)，工業(yè)生產(chǎn)中一般都存在其他組分或表面活性物質(zhì)，抑制了分散相液滴在界面上的聚結(jié)和分離[2]，而在斜板沉降器內(nèi)，由于斜板上層膜的不斷流動(dòng)，使活性物質(zhì)不能在相界面上積累，解決了活性物質(zhì)對液滴聚結(jié)的影響。

由于斜板沉降器相對普通重力沉降器優(yōu)點(diǎn)顯著，吸引了很多學(xué)者對其進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，如Meon等建立了斜板間流體的曳力模型[3]；Rommel等通過對平板間兩相流體的速度分布與層膜流動(dòng)厚度的研究，建立了液滴在兩相流界面上的雙膜模型[4]；美國石油協(xié)會(huì)在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了一系列關(guān)于液滴分離的經(jīng)驗(yàn)公式[5]等。然而在諸多研究中，在液滴沉降段一般都采用斯托克斯終端沉降速度而忽略了液滴加速段，而在聚結(jié)部分很少考慮液滴的穩(wěn)定時(shí)間，這樣導(dǎo)致計(jì)算出的分離時(shí)間會(huì)小于實(shí)際分離時(shí)間，而分離時(shí)間不夠會(huì)引發(fā)在分離所得兩相產(chǎn)品中互相夾帶對方的不良后果。針對這一情況，本文通過建立液滴分離模型，確定了沉降器中液滴分離所需的必要時(shí)間與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，并通過實(shí)驗(yàn)研究了斜板沉降器各結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離效率的影響，為其在工業(yè)上的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 分離時(shí)間

1.1 分離模型

若要實(shí)現(xiàn)充分分離，分離時(shí)間應(yīng)取分離路徑最長的質(zhì)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)分離所需的時(shí)間，如圖1所示，即在斜板沉降器的板間通道內(nèi)，在下板面底角處的質(zhì)點(diǎn)由A點(diǎn)到達(dá)D點(diǎn)所需的時(shí)間。

針對斜板沉降器流體流動(dòng)特點(diǎn)，可以進(jìn)行如下假設(shè)：假設(shè)液滴在上升過程中，不存在內(nèi)循環(huán)且無變形；假設(shè)液滴在斜板間沿垂直方向分布均勻；假設(shè)斜板沉降器中的液體處于穩(wěn)定的層流狀態(tài)；假設(shè)液滴沿鉛垂方向和斜板方向運(yùn)動(dòng)不受進(jìn)料速度的影想。液滴由A點(diǎn)到達(dá)D點(diǎn)所需的時(shí)間可以分為4部分：由A點(diǎn)到達(dá)B點(diǎn)的加速段分離時(shí)間，在B點(diǎn)處液滴達(dá)到受力平衡狀態(tài)；由B點(diǎn)到達(dá)C點(diǎn)的勻速段分離時(shí)間；在C點(diǎn)的聚結(jié)時(shí)間；由C點(diǎn)到達(dá)D點(diǎn)的沿板面上升時(shí)間。

1.2 分離時(shí)間

1.2.1 加速段的分離時(shí)間t1

液滴在斜板通道內(nèi)由A點(diǎn)向B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，受浮力、阻力和本身重力作用。其中：

式中：A—阻力系數(shù)；

d—液滴直徑；

ρl和ρh—分散相和連續(xù)相的密度；

μ—連續(xù)相粘度；

u—液滴與連續(xù)相的相對速度。

當(dāng)t=0時(shí)，u=0。當(dāng)液滴到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，速度為us而受合力為0，開始進(jìn)入勻速分離階段。

1.2.2 加速段的分離時(shí)間t2

在t1時(shí)刻，液滴通過的距離lAB為：

在B點(diǎn)處，液滴開始進(jìn)入斯托克斯區(qū)受力平衡，以 勻速上升至上板面C點(diǎn)，根據(jù)斯托克斯定律[6]。此時(shí)F阻=3πμdus則有：

液滴由B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)所需時(shí)間為：

t2為兩斜板間豎直間距。

1.2.3 加速段的分離時(shí)間t3

液滴到達(dá)層膜表面時(shí)，液滴與層膜表面發(fā)生變形如圖2所示。在液滴和層膜表面間存在著液相夾層，隨著液滴的侵入，液相夾層逐漸減薄，當(dāng)夾層達(dá)到臨界厚度hc時(shí)，夾層破裂，液滴融入層膜，完成聚結(jié)過程。

圖3 液相夾層內(nèi)的單元體受力示意圖Fig.3 Force of the unit in the liquid phase sandwich

液相夾層內(nèi)的單元受力情況如圖3所示，根據(jù)斯托克斯方程有：代入有：

由邊界條件可知：當(dāng)z=h時(shí)，液滴剛與液相夾層接觸，夾層無變形，此時(shí)，u=ur，ur為液相夾層初始速度。當(dāng)z=0時(shí)，液相夾層破裂融入層膜。此時(shí)，u=uh，uh為層膜表面速度。

把邊界條件代入上式并對z積分，得：

設(shè)液滴以速度w向?qū)幽み\(yùn)動(dòng)，由連續(xù)性方程，對z積分得：對x積分得：由邊界條件：當(dāng)x=0時(shí)，p最大，(s為 表面張力)。當(dāng)

x=rf時(shí)，p=0。代入上述邊界條件對x積分，

代入上述邊界條件對t積分，得：

對于液滴臨界厚度，Lee和Hodyson在文獻(xiàn)中[7]已給出：

1.2.4 液滴沿板面上升時(shí)間t4

聚結(jié)后的液滴融于層膜，隨層膜沿上板下表面繼續(xù)流動(dòng)，直到分離。該速度可根據(jù)Blass的“曳力模型”[2,3]求出。

該模型下速度分布為：式中d為層膜厚度，K為粘度系數(shù)，為分散相粘度。故式中l(wèi)CD為斜板板長。若要獲得良好的分離效果，液滴在斜板沉降器內(nèi)的宏觀停留時(shí)間應(yīng)不小于t1、t2、t3、t4之和。由以上分析可知，t1與t2主要受兩斜板間豎直間距影響；t3主要受ur+uh影響，而ur+uh與斜板材質(zhì)有關(guān)；t4主要受斜板板長與斜板傾斜角度影響，而液滴的宏觀停留時(shí)間則與設(shè)備的橫截面積和進(jìn)料量相關(guān)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

本文以大豆油和水作為分離物系在室溫下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

實(shí)驗(yàn)的流程及裝置如圖4所示。水和大豆油分別由離心泵打入到靜態(tài)混合器中混合后進(jìn)入斜板沉降器中沉降分離。在出口處得到分離好的兩相。靜態(tài)混合器選用SV型混合元件，斜板沉降器為透明有機(jī)玻璃，外形尺寸為500 mm×250 mm×250 mm。

圖4 實(shí)驗(yàn)流程與裝置Fig.4 Experimental processes and devices

實(shí)驗(yàn)考查影響斜板沉降器分離效率的主要參數(shù)有斜板傾角、板間距、板長和宏觀流速等，采用在其他參數(shù)相同情況下逐一改變單一結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)方法。在出口處用采樣瓶收集樣品，用卡爾-費(fèi)休水分測試儀對油相產(chǎn)品的純度進(jìn)行檢測。最終得到該條件下斜板沉降器的分離效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果用Origin進(jìn)行曲線回歸，通過對比可得到斜板沉降器的適宜值，從而對斜板沉降器進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 斜板傾斜角的優(yōu)化

本組實(shí)驗(yàn)設(shè)置板長為350 mm，板間距35 mm,進(jìn)料體積流量200 L/h，油水比例為1∶2。在15°～75°范圍內(nèi)改變斜板的傾斜角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 傾斜角對斜板沉降器分離效率影響曲線圖Fig.5 The efficiency of different angle

由前面分析可知，斜板傾斜角越大，液滴沿板面上升時(shí)間越短，同時(shí)斜板傾斜角度的增大還會(huì)引起層膜變薄，可以減少聚結(jié)時(shí)間，加快層膜的流動(dòng)，降低表面活性物質(zhì)對聚結(jié)的影響。然而，當(dāng)傾斜角度達(dá)到一定數(shù)值后再繼續(xù)增大，層膜的體積流率會(huì)過大，導(dǎo)致層膜流動(dòng)過快，出現(xiàn)液滴還沒有完全聚結(jié)就被流動(dòng)的層膜帶走現(xiàn)象，影響分離效率。圖 5表明當(dāng)傾斜角小于 30°時(shí)，分離效率隨傾斜角加大而加大，超過 30°后隨傾斜角加大而減低，因此，30°是實(shí)驗(yàn)斜板沉降器的適宜角度。

2.2.2 斜板板長的優(yōu)化

本組實(shí)驗(yàn)選用斜板傾斜角度 30°，板間距 50 mm，進(jìn)料體積流率200 L/h，油水比例1∶2。在200～350 mm范圍內(nèi)改變斜板板長做對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同斜板長度下斜板沉降器的效率曲線Fig.6 The efficiency of the different length

由圖6可知，斜板沉降器的板長對分離效率的影響也比較大，在一定范圍內(nèi)增加斜板的長度，分離效率隨之提高。這是因?yàn)殡S著斜板的長度增加，液滴在斜板沉降器內(nèi)斜板間的停留時(shí)間增加。保證了液滴有充分的時(shí)間去分離。然而，隨著斜板長度的繼續(xù)增大，斜板沉降器的分離效率基本保持不變，這說明液滴在此斜板長度上已經(jīng)滿足了足夠的分離時(shí)間，再增大斜板長度只是徒勞。而且，斜板越長，設(shè)備的體積就會(huì)變大，設(shè)備就會(huì)愈加笨重。本實(shí)驗(yàn)斜板沉降器的斜板適宜長度為350 mm。

2.2.3 斜板間距的優(yōu)化

本組實(shí)驗(yàn)選用斜板傾斜角度30°，斜板板長350 mm，進(jìn)料體積流量200 L/h，油水比例1∶2。在10～50 mm范圍內(nèi)改變斜板間距做對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同斜板間距下斜板沉降器的效率Fig.7 The efficiency of different plate spacing

隨著板間距的減小，斜板沉降器的分離效率增高。因?yàn)榘彘g距越短，液滴在兩斜板間的沉降的距離就越短，就越先升至上板表面進(jìn)行聚結(jié)分離，可減少垂直向沉降時(shí)間。同時(shí)，板間距越小，處理負(fù)荷增加[8]。進(jìn)而提高了沉降器的分離效率。然而，由圖7可知，當(dāng)板間距縮短至一定范圍后，分離效率反而降低。這是因?yàn)殡S著板間距的減小，在容積尺寸不變的情況下斜板的數(shù)量就會(huì)增加，容積的利用率就會(huì)降低。當(dāng)容積利用率降低的幅度大于處理負(fù)荷增加的幅度時(shí)，分離效率降低。實(shí)驗(yàn)斜板間距最優(yōu)值可確定為截面高度的1/10左右。

2.2.4 進(jìn)料體積流量和油水比例對效率的影響

本組實(shí)驗(yàn)選用斜板傾斜角度30°，斜板板長350 mm，斜板間距20 mm。在100～350 m2/h范圍內(nèi)改變進(jìn)料體積流量和油水混合比例做對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同進(jìn)料量和油水混合比下斜板沉降器的效率Fig.8 The efficiency of different feeding quantity and water-oil mixing ratio

由圖8可知，油水混合比例對分離的效率幾乎沒有影響。然而進(jìn)料體積流量對斜板沉降器分離效率的影響較大。進(jìn)料體積流量越大，分離效率越低。因?yàn)殡S著進(jìn)料體積流量的增大，液滴的軸向流速也變大，使得液滴不宜在斜板上聚結(jié)。進(jìn)料量增大使斜板沉降器內(nèi)液滴的停留時(shí)間減小，影響了液滴的穩(wěn)定。同時(shí)，流速增大，雷諾數(shù)也增大，流體流動(dòng)較為紊亂，影響了分離效率。當(dāng)流量減低到一定范圍后，分離效率幾乎沒有變化。此時(shí)，若再降低流量，設(shè)備的處理量就會(huì)降低。同時(shí)也降低了設(shè)備的利用率。

3 結(jié) 論

論文通過建立斜板沉降器液滴分離模型，將液滴分離時(shí)間分為4部分，并分別得到各部分時(shí)間的表達(dá)式，確定了沉降器中液滴分離所需的必要時(shí)間與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。

論文還在一定范圍內(nèi)通過實(shí)驗(yàn)研究了斜板傾斜角、斜板板長、斜板間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)及進(jìn)料流量與油水混合比例等對分離效率的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對實(shí)驗(yàn)斜板沉降器：斜板傾斜角的最佳角度是30°，斜板板長最佳值為350 mm左右，最佳斜板間距為20 mm；實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)油水混合比例對分離效率幾乎沒有影響，但隨進(jìn)料體積流量的減小分離效率逐漸增加，當(dāng)流量減低到一定范圍后，液滴的宏觀停留時(shí)間超過液滴所需分離時(shí)間時(shí)，分離效率會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)比較高的水平而基本不受進(jìn)料體積流量影響。

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