顆粒大小與分離過(guò)程的選擇

顆粒大小與分離過(guò)程的選擇摘要：分離過(guò)程的設(shè)計(jì)就是在綜合考慮混合物的特性、分離要求、分離過(guò)程的特性等基礎(chǔ)上，選擇并組合分離單元操作，成為技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面都可行的分離系統(tǒng)。分離方法的選擇與設(shè)計(jì)要考慮的因素包括混合物的特性、分離要求、分離能力、分離費(fèi)用、產(chǎn)品價(jià)值和生產(chǎn)規(guī)模、分離劑的選用、對(duì)產(chǎn)品和環(huán)境的損害或污染等。其中，混合物特性中的顆粒粒度是分離過(guò)程選擇的重要參考條件。關(guān)鍵字：混合物；均相混合物；非均相混合物；顆粒粒度；分離過(guò)程混合物在生產(chǎn)或處理過(guò)程中的混合物是做種多樣的，每一種混合物的特性也會(huì)因?yàn)閬?lái)源或原料種類、操作條件的變化而變化，它體現(xiàn)了混合物的多樣性和復(fù)雜性。不同特性的混合物的分離往往需要不同的分離方法和分離條件。對(duì)混合物在一定溫度和壓力下特性的分析和全面透徹的了解是分離過(guò)程設(shè)計(jì)的前提，也是分離過(guò)程設(shè)計(jì)好壞、成敗的關(guān)鍵。因此，在為混合物的分離選擇分離方法前，首先應(yīng)該明確混合物的來(lái)源、種類、組分或相的特性。根據(jù)混合物內(nèi)是否有相界面，混合物可分為均相混合物和非均相混合物兩大類。物質(zhì)互相溶解后形成的混合物稱為均相混合物。均相混合物由溶質(zhì)和溶劑組成。氣體混合物中，雖然不同的氣體可能有密度差，但由于氣體良好的擴(kuò)散性，往往不同的氣體會(huì)均勻混合而形成均相混合物。由互不相溶的物質(zhì)組成的或物質(zhì)以不同的形態(tài)形成的混合物稱為非均相混合物。因此，非均相混合物有分散相和連續(xù)相，即分散質(zhì)和分散介質(zhì)組成。根據(jù)混合物內(nèi)組分或相的形態(tài)的異同，混合物又可分為同態(tài)混合物和異態(tài)混合物。同態(tài)混合物包括均相混合物和非均相混合物中的液液和固固混合物。異態(tài)混合物包括除液液和固固混合物以外的非均相混合物。廣義地講，均相混合物和非均相混合物的分類是根據(jù)分散相顆粒的粒度大小而定的。一般的分法如圖1所示。非均相混合物中的粒子為粗粒子，均相混合物中的粒子為離子或分子。在均相混合物和非均相混合物之間，有一個(gè)過(guò)渡性混合物，即膠體。膠體粒子的大小為1~100nm。這種分類界限往往是比較模糊的，因?yàn)榉诸惖哪康氖且獏^(qū)別混合物的性質(zhì)，而不同物質(zhì)的混合物在具有相同粒度的分散相時(shí)，某些性質(zhì)是有差異的。換句話說(shuō)，不同物料的混合物在具有不同粒度的分散相時(shí)，可能具有相近的性質(zhì)。因此，這個(gè)分類界限往往因物質(zhì)及其存在條圖1混合物的分類由于物質(zhì)具有三種基本存在形態(tài)，即氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)，所以非均相混合物有多種組成形式，如圖2所示。圖2非均相混合物可能的組合顆粒粒度在非均相混合物中，顆粒的特性是人們最為關(guān)心的。顆粒的特性可以用來(lái)描述懸浮系統(tǒng)的狀態(tài)，可以作為選擇分離技術(shù)和設(shè)備的指南。譬如，知道了顆粒力度，就可以選擇適當(dāng)?shù)姆蛛x設(shè)備，如力度大于5μm，可用沉降槽；小于5μV0=0.20[gρp-ρρ圖3顆粒的最終沉降速度對(duì)于紊流區(qū)c，800V0=1.74[gρp-ρρ這些沉降最終速度的方程，可用圖3形象的表示。顆粒的凝聚異向凝聚因布朗運(yùn)動(dòng)顆粒發(fā)生碰撞而凝聚的過(guò)程稱為異向凝聚。根據(jù)斯莫索夫斯基理論，異向凝聚的速率方程可表示如下：-dNdt=KvN2式中N——單位容積內(nèi)的顆粒個(gè)數(shù)；Kv——速率常數(shù)若顆粒每次碰撞都導(dǎo)致一次顆粒凝聚的過(guò)程，稱為快速凝聚，對(duì)于快速凝聚，其速率常數(shù)為KrKr=4kT3μ同向凝聚由于介質(zhì)的層流和紊流運(yùn)動(dòng)，而引起顆粒碰撞、凝聚的過(guò)程稱為“同向凝聚”。假定由層流的速度梯度所引起的顆粒每一次碰撞都產(chǎn)生一次凝聚，于是對(duì)于同向凝聚，方程式（6）變?yōu)椋?dNdt=23G式中G——剪切速度；d——顆粒直徑。為了了解分散體系中攪拌速度和顆粒直徑與凝聚速度的關(guān)系，將（8）式與（6）式（7）式合并得同向凝聚速度異向凝聚速度=Gμd3由上式可以算出當(dāng)同向凝聚速度與異向凝聚速度相等時(shí)，顆粒直徑與速度梯度對(duì)應(yīng)值：速度梯度G1102050100顆粒直徑d2.101.00.80.60.46由此可見，在高速度梯度作用下，小于1μm的顆粒以異向凝聚為主，而大于1μm的顆粒則以同向凝聚為主。分離過(guò)程的選擇均相混合物分子量、分子體積、分子形狀等分子性質(zhì)對(duì)決定各種分離過(guò)程中可達(dá)到的分離因子的大小是重要的，如表1。表1分離因子對(duì)分子性質(zhì)差異的依賴表1表明上述不同的分子性質(zhì)對(duì)確定各種分離過(guò)程中分離因子數(shù)值的重要性。在確定不同分離過(guò)程的分離因子時(shí)，各種不同的分子性質(zhì)的重要作用是基本上不同的。按照對(duì)分離因子起決定作用的分子性質(zhì)來(lái)對(duì)分離過(guò)程進(jìn)行分類，對(duì)任何混合物選擇可能的分離過(guò)程是十分有用的。特別是各組分的分子性質(zhì)相差很大的過(guò)程，應(yīng)當(dāng)給予特殊關(guān)注。非均相混合物混合物內(nèi)顆粒的粒度、兩相密度差是混合物沉降分離的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力。顆粒小到一定的程度會(huì)產(chǎn)生布朗運(yùn)動(dòng)而無(wú)法用重力沉降法分離。要分離這樣的小顆粒，必須施加外力（如離心力、靜電力或磁力等）或者用其他的分離方法，如超聲波分離、浮選、過(guò)濾、微濾或加化學(xué)藥劑如凝聚劑、絮凝劑等。圖4為在較低濃度下不同的分離過(guò)程所適應(yīng)的顆粒粒度的大致范圍，圖5為在較低濃度下不同的分離方法所適應(yīng)的顆粒粒度的大致范圍。如果濃度較大，沉降法、深層過(guò)濾、微濾以及膜分離等等往往不能適應(yīng)，而只能用濾餅過(guò)濾，包括離心過(guò)濾、壓濾和轉(zhuǎn)鼓真空過(guò)濾。在較低濃度下，濾餅過(guò)濾往往不合適。這是因?yàn)橐环矫鏋V餅形成慢，難于進(jìn)行濾餅過(guò)濾，達(dá)不到分離要求；另一方面，大量的液體通過(guò)濾餅和過(guò)濾介質(zhì)，所需能耗大，特別當(dāng)濾餅具有可壓縮性時(shí)，會(huì)形成密實(shí)的濾餅。圖4不同的分離過(guò)程所適應(yīng)的顆粒粒度的大致范圍圖5不同的分離方法所適應(yīng)的顆粒粒度的大致范圍結(jié)論顆粒的大小是分離過(guò)程選擇的重要參考依據(jù)，特別對(duì)于非均相混合物，意義更是重大。顆粒小到一定程度形成的均相混合物，往往采用傳質(zhì)分離，其成本高，難度大。而對(duì)于非均相混合物，顆粒過(guò)小可采用先凝聚再分離；顆粒過(guò)大則要先進(jìn)行粉碎，并不是顆粒越大越好。分離過(guò)程的選擇需要綜合考慮多方面因素，顆粒的大小僅僅是其中一方面。參考文獻(xiàn)[1]袁惠新.分離工程.北京：中國(guó)石化出版社，2001.[2]袁惠新，馮斌，陸振曦.混合物分離技術(shù)的選擇.化工裝備技術(shù)，1999.[3]曾凡，胡永平.礦物加工