斜板沉降器的设计.pdf

1 0 化工设计 2 0 0 3，1 3(6)斜板沉降器 的设计 吴剑华 唐洪涛于驰沈阳化工学院沈阳1 1 0 0 4 2 摘要 简要叙述了流离倾斜斜板的层膜上的单个液滴的基本聚结原理。着重介绍重力沉降器的设计 方法，并指出在设计过程中可能出现的错误。关键词 液滴聚结界面扩散体系 层膜 非均相液一液物系的分离是石油、化工、环 保等生产中的重要单元操作。随着现代工业的发 展，人们对非均相液一液物系的分离的要求越来 越高，某些传统的分离方式已经不能满足要求，因此，人们在不断地探索新的分离模式。早在上 世纪六七十年代国外一些学者就提出采用斜板沉 降器的理论并做了大量的实验，因为斜板沉降器 结构简单，投入低，效率高，因此引起人们的关 注。在此基础上，Mo r r i s o n、H o p p e r 对斜板沉降 器进行了实验研究，指出斜板沉降器与传统的沉 降器相比具有以下优点：(1)斜板的加入缩短了液滴的沉降距离，增 加了聚结面积，提高了处理量和分离效率。(2)增加了板和液滴的相互作用，减少了液 体对液滴的扰动，有利于液滴的聚结。(3)由于斜板上层膜的不断流动，使得层膜 与扩散体系之间的相界面表面不断更新，减少了 表面活性物质的聚集机会。因此，降低了表面活 性物质对液滴聚结的影响 8。在此基础上，B la s s 和 Me o n建立了曳力模 型【5 J，并建立了有利于聚结的标准。1 9 9 2年，R o m me l、B l a s s 和 Me o n 合作推导了双膜模型等。他们的实际数学推导和实验结果基本符合。但 是，由于模型建立和推导过程中使用了很多的假 设，因此与实际应用有一定的差距。另外，也由 于在实际应用过程中缺乏数据和利用该模型计算 太繁琐使得板式分离器的设计应用缓慢。针对这 种情况，美国石油协会(A P I)通过大量实验建 立一套经验公 式。同时，J M柯尔森 也在大 量实验基础上建立了力学模型，简化了复杂的设 计过程，但是否能在众多的设计中能保持他的理 论初衷的正确性还有待于实践的检验。笔者在进 行沉降器的设计过程中做了大量的实验，并综合 了 A P I 和J M柯尔森观点的长处设计制作出 重力沉降器，并将其应用到生产实际中，这一突 破对我们今后的设计应用具有极大的指导作用。1 聚结机理 平板装置现正在成功地应用于固 一液和液 一 液系统的工业沉降器的液滴聚结辅助装置，其 目 的是提高扩散液体的分离速度，如图 1 所示。A广 B r A 一 图 1 用于 液 一液分离 的重 力沉降罾 1 稳 定室2 分层器3 重相液位控制 出 IZ l 4 轻 相液 位控 制出 IZ l 5 重相出 IZ l 6 轻相 出I Z l 这些装置由平行斜板组成，这些板被安装在 分层器内。被分离的液体流经进料管进入分层器 后，扩散的液体被导向通过一个短的稳定室，然 后，进入一个分布器(即左立板)，进入实际分 离装置(分层室)，该分层室内容纳有 4 5。斜板(见图 1 剖视图 AA)。在液 一 液扩散分离过程 中，轻的液滴由于浮力的作用开始上升，在开始 阶段湿润板，形成大液滴，并与斜板相互作用，最后形成基元流束，在板上形成细流薄膜(如 图 2)。吴剑华：教授。1 9 8 7 年毕业于天津大学化学工程专业。曾多次获奖，发表论文 1 0 余篇。联系电话：[phone]。维普资讯 吴剑华等斜板沉降器的设计 1 1 扩散相 O Q 2 。图 2 液 一液 扩散平板装置 的液 滴分离 注：扩散体系实际上是垂直于该图的页面流动 在板 的下面，层膜以流束或在主液面界面被 分离 出的大液滴的形式流离板。连续 的液滴停留 在流动薄膜上，浸入薄膜内，并撞击层膜，与板 产生相互作用，在随层膜运动过程中，液滴破 裂，与层膜溶为一体而流离板，这样就形成聚结 过程，分散相的液滴就会脱离主界面最终进入它 的澄清的母液中。这样就阻止了表面活性剂在流 动薄膜上(或层膜)的聚集，因此，同一物质的 聚结过程能极大地得到推进而不被液体涌动影 响，使聚结过程 得到加快。在分层器 出口处就可 以得到两种清液相。2 设计原理 2 1 A P I 设计方法 该方法是根据最低 限度分离 伽 0 0 1 5 mm液 滴的原则制定的。该原则实际上是避免了由于液 滴直径的未知而引起的设计不便和大量的实验。通常用的 A P 1 分离器分离水 中的游离油，分离 效率可达 6 5 9 9，它的设计方法考虑了比 例长度和湍流效果，但忽略了液滴的变形和内循 环，并以斯托克斯定律的终端速度来计算 2。对于低粘度(小于 0 0 0 5 P a s)的纯液体，可按以下步骤来计算曳力系数 的值。(1)假定曳力系数 的值，按下列计算沉降 速度 u ：4(p a-p )g d 式中，p d 为液滴的密度，k g m 3；p c 为连续相的 密度，k g m3；d为液滴的直径，m；专 为曳力系 数。(2)按特征数的定义分别计算雷诺数 R e 和 韦伯数 We，并按下式计算参数 P：P =p(2p da3 (2)R e=(3)W e：(4)式中，P为计算参数；R e 为雷诺数；We 为韦伯 数；d 为界面张力，N m；为连续相的粘度，P a s；g为重力加速度，m。(3)利用 H u K i n t n e r 关系图计算，计算曳 力系数的过程是循环求解的过程，由于不断要查 图，给计算带来很多麻烦，因此笔者利用 m a t l a b 将 H u K i n t n e r 关系图模拟成多项式 的形式如 下：Y=0 4 9 6 x 6 2 1 9 1 7 x 3+33 4 3 5 x 4 15 4 2 8 x 3 0 3 9 6 3 x 2+13 4 (5)这里 Y 是 H u K i n t n e r 关系图中的纵坐标，X 是 横坐标，即：y=We F D 。x：R e F o 1 5 (4)核算 的计算值和假定值之差是否在要 求的精度范围内。笔者利用如上所示的多项式用 ma t l a b 编程求得 值非常精确，而且程序短小简 练，可用计算机求解，减少了繁琐的计算过程，极大地增加 了该方法 的实用性。对粘 度 大(但不 超 过 0 0 3 P a s)的情况，在图的纵坐标中应该乘以(o itt L)。H。图中，纵坐标若小于 1 0，对于低连续相粘度(小于 0 O 0 2 P a s)，用下面的公式计算液滴 的沉降速 度：0 8 3 6 4 (。p“p-5 p 1o l 9)5 74。D-l l l 7 4 g D 5 7 4U t m (6)p 10“a o。川 以上讨论只适用于在牛顿型液体中自由下落 的颗粒。同时在液滴颗粒的尺寸不能太小(如小 于0 1 )、器壁效应可不考虑、连续相所含液 滴的体积分数不太高的情况下，用以上公式及图 表计算出的沉降速度才比较精确。当液滴颗粒的 体积分数较大时，可按下式对其沉降速度进行修 正。u s=u t(1 一 )“(7)式中，u s 为球形单一粒度悬浮物的终端速度，m s；为液滴的体积分数；n 为指数，是 R e 的 函数。在层 流区为 4 6 5、在湍流 区为 2 3 3，见 维普资讯 1 2 化工设计 2 0 0 3，1 3(6)图 3。圈 3 指数 n与 R e 的函数关系曲线 2 2 J M柯尔森的观点 J 假定液滴尺寸为 1 5 0 ti m沉降速度，这个尺 寸远小于分层器进料中通常具有的液滴尺寸，如 果计算得到的沉降速度大于 4 1 0 m s，则使 用 4 1 0 m s 的数值，公式如下：曼!二 2U t=_一i-一一 2 3 共性(8)两种方法的共性在于他们都限定了最小的液 滴尺寸为 0 0 5 m m-0 1 5 m m 的范围，然后应用 公式进行计算，事实上，这个最小的液滴直径在 实际操作中很难产生。但是，他们选用这个范围 是在大量实验和实际应用中总结的可适用的最低 范围它为我们的设计指明了方向。另一方面，他们在选择变量时尽量使板间的流动为层流。因 此 A P I 的某些设计原则在一定程度上可以适用 于第二种设计方法。2 4区别 两种方法 的区别在于不 同的使用方向，A P I 的设计方法主要是针对稀的不相溶多相液体，且 连续相的粘度较低，一般为水。而用 J M柯 尔森的观点进行的设计可以用于较高的粘度范 围，连续相不一定是水。3 混合物的表面张力和粘度 3 1 表面张力 根据 m a c le o d s u g d e n 法 0】：o T n 4=P i(】(i p )(9)式中，为混合物的表面张力，d y n c m(m n c m)；P i 为组合物 i 的等张比容；X i，Y i 为液 相和气相中组分 i 的摩尔分数；p k n 为液相 昆 合物 密度，m o l c m 3；p n 为气相混合物的密度，mo l c m 3。在低 压下，包括蒸汽密度和组成的那一项可 以忽略不计。3 2 粘度?昆 合物的粘度按下式计算：T 7 l l x 2 (1 0)式中，X为分子分率；T l 为液体粘度，m P a s；下标 m及 1，2分别表示混合物及 1，2两相。4 常压分层器的设计 以下将年产 1 2 k t 的分离处理量的生产示例 为计算 目标，应用并计算校核该理论的正确性。设计参数见表 1。表 1 设计参数 4 1 结构计算 取 d=0 1 0 m m，硝基苯为分散相。代入公 式(8)得：u t=1 5 81 0一 m s Vs=3 0 8 4X 1 0一 m3 s 浓硫酸的体积分率为 0 8 7 7 5；硝基苯的体 积分率为 0 1 2 2 5。浓硫酸的体积流量为：Lc=2 7 0 71 0一 m3 s 硝基苯的体积流量为：Ld=3 7 7 3X1 0 5 m3 s 分层器的横截面面积：A=u c=17 1 3 m2 Ut 硝基苯的速度为：u d=_2 2 o 21 0 m s 将 u d 代入 =圭 _ 5 6 x l m 故夹带走的硝基苯液滴直径为 5 61 0 m，可以满足工艺要求。但是，为了提高硝基苯的回 收率，我们取设计分层器的最小分离液滴直径为 0 1 mm，该直径 为 A P I 推 荐 的板式 分层 器 的设 计最小尺寸。则应重新计算液滴的最小速度(该 速度是直接和分离器分层数有关的数值)，并将 该直径代入公式(8)得到液滴的最小直径的终 维普资讯 吴剑华等斜板沉降器的设计 1 3 端速度：U t：1 5 81 0一 m s 所以，分层平板数为：n=士2 5 6一 总 平板面积为：nA：1 9 5 1 m2 取分离器长 L=0 9 6 m，则宽为：b=A：0 如果将板数增加 1 倍为 n=5 1 2，则宽度 b 为0 4 m，所以分离器的体积变小 1 倍，但总面 积不变；根据 A P I 推荐的斜板分层器的倾斜角 度最佳值为 4 5。，总斜板平板面积为：2 7 6 m2。根据 A P I推 荐 的板 间 距 为 6 3 5 m m 1 0 0 m m，所以可取板间距为 2 0 m m。推荐的最小 深宽比为 0 3。这样就可以在总斜板面积不变的 情况下调整设备结构。在结构设计中仍然要保证最后的设计面积大 于上述计算面积，以此使设备在运行操作中能适 应变化的工况条件，即设备的可调范围应宽一 些。因此，取竖直截面尺寸为 4 5 0 m m 4 5 0 m m，充分地利用竖直截面上的空间，合理地安排间距 为 2 0 m m的斜板。最后校核实际的总斜板面积 是否符合计算的斜板面积。实际的总斜板面积为：5 3 6 m2 27 6 Im2 因为分离器的底部平板也算做一块板，所 以，设计面积比实际使用的面积小，还是合理 的。那么为什么计算时不取最小液滴的分离直径 为 0 0 5 m m呢?经笔者计算发现，选用的最小液 滴的分离直径越小则设备的体积越大，投资越 高。因此，在设计时应认真考虑，最小液滴分离 直径太大则分离效率不高，太小则成本高。分界面的位置应该是使液滴层不要延伸到容 器的底部(或顶部)，那里的液滴是在分界面处 集中等侯、聚结和穿过分界面。R a y o n等人以及 Miz r a h i 和B s l n e a(1 9 7 3)已经证实了分散带的 深度是液体流量和分界面积的函数。通常取分层 器高度的 1 0 作为设计数据。如果对分层器的 性能要求很严格，则可以用按比例缩小的模型对 设计进行实验研究。这个模型的比例尺寸应该是 使该模型在操作时具有和提出的设计相同的雷诺 数，以便能够对湍流度的影响进行研究。取分散带为：H1 0 ：4 5 mm 水平流速：u ：1 8 7 9l 0 3 m sHb 0 2 0 2 5 u -，、i u IIJ 液体水平通过的时间：0：l：5 1 1 s 液体沉降时间：H了1 0一：2 8 5 s 0 U t 又 u u =1 1 8 9 1 5满足 A P I 提出的要求(A P I 推荐 U U t 1 5，其 目的是使液体在斜板之 间流动尽量保持在层流范围)。J M柯尔森对于油和水相分离时间推荐 为 2-5 min，上述计算也在推荐范围之内，因此 合理。4 2 工作点计算 工作点的设计是分层器的设计关键，其原理 是连通器原理，见图 3。图 3 工作点 的位置 根据等压原理：h p c：h l p d+h 2 p c 其中，h、h l、h 2 分别为重液排出口、轻液排出 口及分层面的高度。通过公式(1 0)可求出重液的排放高度 h。以液滴直径为最小液滴直径(伽 1 m m)的 分离器设计为例说明它的应用。取物料在分层器内的液面高度为容器高的 8 5，则总物料液位高度 H=4 2 5 m m。硝基苯高度 h 1=e l H=5 2 0 6 m m；分界面的高度 h 2=e 2 H=3 7 2 9 4 m m。式中，e l、e 2 分别为硝基苯和浓硫酸的体积分率。(下转第 3 6页)维普资讯 C I t E MI C A L E N GI N E E R I NG D E S I GN 化 工设计 2 0 0 3，1 3(6)位，产品要 向系列化、功能化发展，要帮助用户 更好地使用本公司的产 品，加强和用户之间的沟 通，引导用户使用新产 品，关 注市场需求，根据 用户反馈来的信息，不断调整产品结构，改进新 产品。同时，积极关注国外环氧树脂应用研究新 进展，要跟上他们前进的步伐，缩小差距。(6)适度 向上游拓展，新建或扩建生产双酚 A、环氧氯丙 烷 的装 置，提高 产量，减少进 口，保证充足的原料供应，以免引起环氧树脂价格的 大起大落。(7)充分发挥全国环氧树脂应用技术学会的 作用，传递 国外发展动态，加强与国外技术交 流；预测发展趋势，沟通行业信息；制定行业标 准，实行行业 自律；关注市场需求，减少盲 目发 展；强化有序竞争，避免恶性竞价。对我国的环 氧树脂工业 的发展起指导、推动作用。参考文献 1 浅淡今后工作 1 O年我国环氧树脂工业的制胜战略中国环 氧树脂 网，2 0 0 3(9)2 查文海 环 氧树脂 发展趋势 中国环氧树脂 网 2 0 0 3(9)3 钱伯章 环 氧树脂 产需齐头并进 中国化工 报，2 0 0 3 0 7 2 3 4 吴 良义，陈德萍国外环氧树脂应用研 究技术进 展 中国化 工信息，2 0 0 0(4 7-4 8)(收稿 日期2 0 0 3 0 9 2 7)(上接 第 1 3页)P d=1 2 0 0 k g m3 p c=1 6 9 2 5 k g m3 代入公式(1 0)得：h=4 1 0 m m 如图 1的 AA视图中的 h和 H就是工作点 的位置。4 3 形状因素 形状因素是制约工作点的重要因素，它决定 工作点的位置。它有两种情况，额定含量的物料 情况和非额定含量的物料情况。额定含量是生产 中常遇到的情况，如上所举例就是额定含量的问 题。笔者认为该种情况的形状因素不会影响工作 点的位置，即所谓的“水涨船高”。对于非指定 含量的情况应该做适当的计算和试验。4 4 斜板材质 如前所述，大量液滴在平板上展开并同其它 液滴形成连续的层膜、液体流束或细流。它们易 与沉降器内的主界面旁边的母相结合。液滴相有 能力从板上排出连续相并允许平板再湿润。只有 板容易被湿润这才是可能的。湿润质量由湿润角 表征。湿润角有湿润前角和后角之分，分别为 r l 和 r 2。有机相液体直接地以小的湿润角再湿润聚 四氟乙烯板。当使用玻璃或不锈钢板时，再湿润 过程开始于逐渐和相对大的前角。因此可以肯 定，对 于前 角小 于 7 0。的情况 有利 于板 的湿 润 5 5。为了能使液滴聚结粘附在板上，也为了使 液滴能离开分离室，它们必须从聚结装置中分离 出来而不引起强烈的再扩散。值得注意的是，聚 四氟乙烯材料的前角在许多有机相液体中小于 7 0。同时它可以耐腐蚀，因此，推荐使用聚四 氟乙烯作为本设计的斜板的材料。根据如上所述方法就可 以成功地设计出板式 沉降器。5 结论 综上所述，在化工单元操作过程中使用斜板 分离器既经济适用，又有利于环境保护，同时弥 补了传统工艺设计的不足，因此，具有很大的实 际推广价值。参考文献 1 国家医药管理局上海医药设计院主编，化工工艺设计手册 6 5 5 6 7 7 2 袁一主编，化学工程 师手册 3 0 2-3 0 7 3 R HP e r r y 化学工程手册 第六版，2 1 1 0 0-2 1 1 0 4 4 J M柯尔森，J F 李嘉森 化学工程，2 7 2-2 7 6 5 W a 1 t e rMe o n a n dE c k h a r tBl a s s Dr o pCC Ia ks c c e o i 1I n di n e d P l a t e s i n L i q u i d s，Ch e m En g Te e h n o 1 1 4(1 9 9 1)l 11 9 6 Wa l t e r Me o n a n d Ec k h a r t Bl a s s Dr o p P a r t i c le Ve l 0 c i t y i n a S t r a t i f i e d Two p h a s e Flo w b e t we e n I n c l i n e d Pa r a l l e l Pl a t es C h e m E n g T e c h n o 1 1 0(1 9 8 7)2 8 1-2 8 9 7 W0LFGANG R0 眦L ECKHART BLAS S AND MEON P I A TE S E P A RA T1 0N F oR DI S P E R S ED L I QUI DLI QUI D S Y M：兀T球lHA F1 0W。D】R oPLETDROPLET COAI ES CENCE SEI ARAT1 0N P ERF()RM A NCE AND DE S I GNCh e mi c a l E n g i n e e r i n g S c i e n c e，Vo 1 4 7(1 9 9 2)，No 3P P5 5 55 6 4 8 D r JMiz r a h i a n dE&In 1 髓C o mp a c t s e t t l e r g i v e s e f f i c ie n t s e pa r a t i o n o f l i q u i dl i q u i d d i s p e r s i o n s Pr o c e s s En g n g1 9 7 3，1：6 o (收稿日期2 0 0 3 0 70 1)维普资讯