斜板重力分离器的研究

第19卷第3期沈阳化工学院学报Vol119,No132005.9JOURNALOFSHENYANGINSTITUTEOFCHEMICALTECHNOLOGYSep.2005文章编号:1004-4639(2005)03-0204-05斜板重力分离器的研究常勇1,吴剑华1,杨芙2(1.沈阳化工学院机械工程学院,辽宁沈阳110142;2.沈阳大学机械工程学院,辽宁沈阳110044)摘要:简要叙述斜板分离器斜板处层膜上的单个液滴的基本聚结原理.以Navier2Stokes方程为基础,通过对实际情况的分析与简化导出液2液两相层流流动速度分布的数学模型及液层厚度的计算公式.为进一步研究液2液分离过程提供了基础.介绍了斜板重力分离器的设计方法.关键词:液滴聚结;两相层流;层膜中图分类号:TR028.4+2文献标识码:A收稿日期:2004-11-27作者简介:常勇(1977-),满族,男,辽宁鞍山人,在读硕士研究生,主要从事高效节能设备的研究.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.目前工业生产中采用的分离设备大多为普通重力沉降器,虽其结构简单,但对于一定尺寸的设备,分散相液滴沉降距离长,分离效率和处理能力较低.此外,工业液2液体系中或多或少地存在着表面活性物质,在分离过程中,表面活性物质易在相对固定的水平界面上吸附、积累,强烈抑制了分散相液滴在界面上的聚结分离.针对普通重力沉降器的不足,国外一些学者提出了斜板沉降器[1],因其结构简单、性能优良而倍受关注.Morrison等就斜板沉降器进行了实验研究,结果表明斜板沉降器作为液2液分散体系的初步分离,与同尺寸的普通重力沉降器相比,处理量可高达2～5倍.EckhartRowley、WolfgangBlassandWalterMe2on[2～6]等人对斜板沉降器的机理进行了大量的实验和理论研究.斜板沉降器是用于分离液2液混合物的有效设备,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,处理能力和分离效率得到提高;(2)液滴与轻相层膜的运动方向和速度不同,增加了其相互间的作用,有利于液滴聚结;(3)斜板上的层膜处于连续流动,表面不断更新,活性物质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.1聚结机理平板装置现正在成功地应用于固2液和液2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.平板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),该分层室内容纳有斜板(见图1剖视图A2A).在液2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,在板上形成流动薄膜(如图2),位于板的下表面.图1用于液2液分离的重力沉降器图2液2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.后续的液滴到达层膜表面时,仍以一定的速度向层膜浸入,在层膜及斜板的阻滞下减速并产生振荡运动,此时液滴与层膜表面发生变形(如图3a、图3b),变形的液滴和层膜表面间存在着一个液相夹层,夹层受液滴的压力逐渐向外排液、减薄(如图3c),该过程对液滴聚结过程起着决定性作用,当液相夹层减薄达到临界厚度δc时破裂,液滴融合于层膜,聚结过程结束(如图3d、图3e).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.由于斜板的作用,使得形成的薄膜沿板持续流动,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2种清液相[7].图3液滴聚结过程示意图2两相液层在斜板间的层流流动研究板间液2液两层的流动速度分布,是深入研究板式聚结器的基础.2.1两相层流的的速度分布图4为板间流场速度分布示意图.假设双液相的相界面平行于液层流动的壁面,两倾斜板为平行大平板[8,9],故液层流动可视为在平板间的一维分层流动,设轻相厚度为δ,板间距h=δλ,Navier2Stokes方程可表示为图4液2液分层流动5ps5x=-ρsgsinα+μ52us5y2,0ΦyΦδ.(1)5p5x=-ρgsinα+μ52u5y2,0ΦyΦλδ.(2)壁面处的边界条件为“无滑脱”,即y=0,us=0;y=δλ;u=0(3)界面处边界条件的确定很困难,需进行适当的假设.速度为同一值,而界面处剪应力是单值的,即y=δ,us=u;(4)μs=5us5y|y=δ=μ5u5y|y=δ.(5)由式(3)和式(4)的