颗粒大小与分离过程的选择

颗粒大小与分离过程的选择颗粒大小与分离过程的选择 摘 要 分离过程的设计就是在综合考虑混合物的特性 分离要求 分离过程 的特性等基础上 选择并组合分离单元操作 成为技术 经济等方面都可行的 分离系统 分离方法的选择与设计要考虑的因素包括混合物的特性 分离要求 分离能力 分离费用 产品价值和生产规模 分离剂的选用 对产品和环境的 损害或污染等 其中 混合物特性中的颗粒粒度是分离过程选择的重要参考条 件 关键字 混合物 均相混合物 非均相混合物 颗粒粒度 分离过程 1混合物 在生产或处理过程中的混合物是做种多样的 每一种混合物的特性也会因 为来源或原料种类 操作条件的变化而变化 它体现了混合物的多样性和复杂 性 不同特性的混合物的分离往往需要不同的分离方法和分离条件 对混合物 在一定温度和压力下特性的分析和全面透彻的了解是分离过程设计的前提 也 是分离过程设计好坏 成败的关键 因此 在为混合物的分离选择分离方法前 首先应该明确混合物的来源 种类 组分或相的特性 根据混合物内是否有相界面 混合物可分为均相混合物和非均相混合物两 大类 物质互相溶解后形成的混合物称为均相混合物 均相混合物由溶质和溶 剂组成 气体混合物中 虽然不同的气体可能有密度差 但由于气体良好的扩 散性 往往不同的气体会均匀混合而形成均相混合物 由互不相溶的物质组成 的或物质以不同的形态形成的混合物称为非均相混合物 因此 非均相混合物 有分散相和连续相 即分散质和分散介质组成 根据混合物内组分或相的形态的异同 混合物又可分为同态混合物和异态 混合物 同态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 异态混合物包括除液液和固固混合物以外的非均相混合物 广义地讲 均相混合物和非均相混合物的分类是根据分散相颗粒的粒度大 小而定的 一般的分法如图 1 所示 非均相混合物中的粒子为粗粒子 均相混 合物中的粒子为离子或分子 在均相混合物和非均相混合物之间 有一个过渡 性混合物 即胶体 胶体粒子的大小为 这种分类界限往往是比较模 1 100nm 糊的 因为分类的目的是要区别混合物的性质 而不同物质的混合物在具有相 同粒度的分散相时 某些性质是有差异的 换句话说 不同物料的混合物在具 有不同粒度的分散相时 可能具有相近的性质 因此 这个分类界限往往因物 质及其存在条件而异 如有人认为 胶体颗粒的范围应是 有的甚至 1 1000nm 认为大到几个微米 不管怎么样 胶体可以认为是分散相为微细颗粒的非均相 混合物 图 1 混合物的分类 由于物质具有三种基本存在形态 即气态 液态和固态 所以非均相混合 物有多种组成形式 如图 2 所示 图 2 非均相混合物可能的组合 2颗粒粒度 在非均相混合物中 颗粒的特性是人们最为关心的 颗粒的特性可以用来 描述悬浮系统的状态 可以作为选择分离技术和设备的指南 譬如 知道了颗 粒力度 就可以选择适当的分离设备 如力度大于 可用沉降槽 小于 5 m 5 m 则用离心机 深层过滤器等 并可预测滤饼层的渗透性或比阻 因为滤饼比阻 与颗粒粒度的平方成反比 也可以了解纸张涂层特性 颜料覆盖能力 水泥凝 固时间 药物活性 等 颗粒的形状变化很大 大部分颗粒的形状是不规则的 这些颗粒的力度可 以用当量直径来表示 常用的当量直径有当量球径 equivalent sphere diameter 当量圆径 equivalent circle diameter 和统计学直径 statistical diameter 当量球径 与颗粒本身具有相同性质 体积相同 表面积相同 表面积 与体积之比相同 沉降速度相同等 的球的直径 如 体积直径 volume x diameter 面积直径 surface diameter 表面积体积直径 surface volume xsx diameter Stokes 直径等 x 当量圆径 与颗粒的投影轮廓具有相同的元的直径 如 等投影面积直 径或 projected area diameter 等轮廓周长直径 perimeter diameter 等 xax x 统计学直径 指通过显微镜测量得到的某一方向的线度尺寸 如 Feret 直径 两切线间的距离 Martin 直径等 x x 不同的测量方法往往会得到不同的粒度 不同的过程也需要不同量度性质 的粒度 如在悬浮液分离中 把一颗粒相对于流体的运动作为控制因素时 如 重力沉降 采用自由沉降直径或更多地用 Stokes 直径 沉降法得到的 最为 适宜 如在过滤中与分离机理关系最密切的是表面积体积直径 由渗透法得到 3颗粒大小与分离过程的选择 在为达到混合物的分离要求选择分离技术之前 首先应对混合物 或原料 的组成及其物理 化学和生物化学等特性进行分析 在分离技术的初选过程中 一般的选择原则是 对于均相混合物 常采用传质分离方法或传质分离方法与 机械分离方法的组合来达到目的 对于非均相混合物 首先考虑采用机械分离 的方法 然后考虑采用传质分离的方法 3 1颗粒大小对分离过程的影响 3 1 1颗粒的扩散运动与布朗运动 与溶液中的分子一样 非均相体系中的细小质点也具有从高浓度区向低浓 度区的扩散作用 最后使浓度达到 均匀 当然 扩散过程也是自发过程 Einstein 指出 扩散系数 k 与质点在介质中运动的摩擦系数 f 之间的关系为 1 k 式中 Avogadro 常数 气体常数 R 若例子为球形 可根据 Stokes 定律确定摩擦系数 f 2 f 3 式中 介质的粘度 将式 2 带入式 1 得 3 k 1 3 此式常称为 Einstein 第一扩散公式 由上述可知 就颗粒而言 粒径越小 扩散速度越快 扩散能力越强 颗粒扩散的方式与布朗运动有关 一般来讲 对于非均相体系中的细小粒子 微米及微米级以下的颗粒会像 溶液中的溶质分子一样 不停地 无序地运动 颗粒越小 这种运动强度越大 从分子运动的角度看 微细颗粒的运动和分子运动并无本质区别 它们都符合 分子运动理论 不同的是细颗粒比一般分子大得多 故运动强度小 由于布朗 运动是无规则的 因而就单个质点而言 它们向各个方向运动的几率均等 但 在浓度较高的区域 由于单位体积内质点数较周围多 因而必定是 出多进少 使浓度降低 而低浓度区域则相反 这就表现为扩散 所以扩散是布朗运动 的宏观表现 而布朗运动是扩散的微观基础 1905 年 Einstein 曾经研究过在布朗运动中 粒子的平均位移 与粒子直径 x 介质粘度 温度 T 和时间 t 之间的关系为 4 2t 3 此式常称为 Einstein 布朗运动 公式 Einstein 布朗运动 公式表明 当其他条件不变时 微粒的平均位移的平 方与时间 t 及温度 T 成正比 与 及 x 成反比 2 3 1 2颗粒的沉降速度 颗粒沉降对矿物的固液分离 矿物输送 粉尘收集以及重力分选等方面的 研究 设计均有重要意义 还可以利用颗粒沉降规律来测量颗粒尺寸和形状特 征 颗粒重力沉降的基本参数是沉降速度 颗粒沉降经过最初加速阶段后 随着阻力的增加达到有效重力与阻力的平 衡 变成匀速运动 这个匀速运动速度成为最终速度或颗粒沉降速度 以球形 颗粒为例 可以导出颗粒沉降最终速度的通式 即 0 5 0 d 6 对于层流区 a e 1 5 1 0 2 18 对于过渡区 b 1 e 103 5 2 0 0 20 0 72 1 18 0 45 图 3 颗粒的最终沉降速度 对于紊流区 c 800 e 2 105 5 3 0 1 74 0 5 0 5 这些沉降最终速度的方程 可用图 3 形象的表示 3 1 3颗粒的凝聚 3 1 3 1异向凝聚 因布朗运动颗粒发生碰撞而凝聚的过程称为异向凝聚 根据斯莫索夫斯基 理论 异向凝聚的速率方程可表示如下 6 2 式中 单位容积内的颗粒个数 速率常数 若颗粒每次碰撞都导致一次颗粒凝聚的过程 称为快速凝聚 对于快速 凝聚 其速率常数为 r 7 r 4k 3 3 1 3 2同向凝聚 由于介质的层流和紊流运动 而引起颗粒碰撞 凝聚的过程称为 同向凝 聚 假定由层流的速度梯度所引起的颗粒每一次碰撞都产生一次凝聚 于是 对于同向凝聚 方程式 6 变为 8 2 3 3 3 式中 剪切速度 d 颗粒直径 为了了解分散体系中搅拌速度和颗粒直径与凝聚速度的关系 将 8 式与 6 式 7 式合并得 9 同向凝聚速度 异向凝聚速度 d 3 2 由上式可以算出当同向凝聚速度与异向凝聚速度相等时 颗粒直径与速度 梯度对应值 速度梯度 1 1102050100 颗粒直径 d 2 101 00 80 60 46 由此可见 在高速度梯度作用下 小于的颗粒以异向凝聚为主 而大 1 于的颗粒则以同向凝聚为主 1 3 2分离过程的选择 3 2 1 均相混合物 分子量 分子体积 分子形状等分子性质对决定各种分离过程中可达到的 分离因子的大小是重要的 如表 1 表 1 分离因子对分子性质差异的依赖 表 1 表明上述不同的分子性质对确定各种分离过程中分离因子数值的重要 性 在确定不同分离过程的分离因子时 各种不同的分子性质的重要作用是基 本上不同的 按照对分离因子起决定作用的分子性质来对分离过程进行分类 对任何混合物选择可能的分离过程是十分有用的 特别是各组分的分子性质相 差很大的过程 应当给予特殊关注 3 2 2非均相混合物 混合物内颗粒的粒度 两相密度差是混合物沉降分离的内在驱动力 颗粒 小到一定的程度会产生布朗运动而无法用重力沉降法分离 要分离这样的小颗 粒 必须施加外力 如离心力 静电力或磁力等 或者用其他的分离方法 如 超声波分离 浮选 过滤 微滤或加化学药剂如凝聚剂 絮凝剂等 图 4 为在 较低浓度下不同的分离过程所适应的颗粒粒度的大致范围 图 5 为在较低浓度 下不同的分离方法所适应的颗粒粒度的大致范围 如果浓度较大 沉降法 深 层过滤 微滤以及膜分离等等往往不能适应 而只能用滤饼过滤 包括离心过 滤 压滤和转鼓真空过滤 在较低浓度下 滤饼过滤往往不合适 这是因为一 方面滤饼形成慢 难于进行滤饼过滤 达不到分离要求 另一方面 大量的液 体通过滤饼和过滤介质 所需能耗大 特别当滤饼具有可压缩性时 会形成密 实的滤饼 图 4 不同的分离过程所适应的颗粒粒度的大致范围 图 5 不同的分离方法所适应的颗粒粒度的大致范围 结 论 颗粒的大小是分离过程选择的重要参考依据 特别对于非均相混合物 意 义更是重大 颗粒小到一定程度形成的均相混合物 往往采用传质分离 其成 本高 难度大 而对于非均相混合物 颗粒过小可采用先凝聚再分离 颗粒过 大则要先进行粉碎 并不是颗粒越大越好 分离过程的选择需要综合