颗粒大小与分离过程的选择

1、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

2、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

3、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1100nm。这种分类界限往往是比较模糊的，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

4、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11000nm，有的甚至认为大到几个微米。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5m，可用沉降槽；小于5m，则用离心机、深层过滤器等。并可

5、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xv(volume diameter)，面积直径xs（surface

6、 diameter），表面积体积直径xsv（surface volume diameter），Stokes直径xst等。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xa或xp（projected area diameter），等轮廓周长直径xc（perimeter diameter）等。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）xF，Martin直径xM等。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Sto

7、kes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

8、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k=RTNAf (1)式中 NAAvogadro常数； R气体常数。若例子为球形，可根据Stokes定律确定摩擦系数f：f=3x (2)式中 介质的粘度。将式（2）带入式（1）得k=RTNA13x (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

9、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X与粒子直径x、介质粘度、温度T和时间t之间的关系为X=RTNA2t3x (4)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

10、件不变时，微粒的平均位移的平方X2与时间t及温度T成正比，与及x成反比。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V0的通式，即V0=d(p-)g6CD (5)对于层流区a，Re1V0=g(p-)d218 (5-1)对于过渡区b，1Re103V0=0.20gp-0.72d1.18

11、()0.45 (5-2)图3 颗粒的最终沉降速度对于紊流区c，800Re2105V0=1.74gp-0.5d0.5 (5-3)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：-dNdt=KvN2 (6)式中 N单位容积内的颗粒个数； Kv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Kr：Kr=4kT3 (7)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

12、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：-dNdt=23Gd3N3 (8)式中 G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）式合并得同向凝聚速度异向凝聚速度=Gd32kT (9)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Gs-11102050100颗粒直径dm2.101.00.80.60.46由此可见，在高速度梯度作用下，小于 1m的颗粒以异向凝聚为主，而大于1m的颗粒则以同向凝聚为主。3.2 分离过程的选择3.2.1 均相混合物分子量、分子体积

13、、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

14、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考虑多