聚结分离技术

随着对环境保护的要求越来与严格，对于不相容的流体体系中分散相的处理变得越来越重要，对于它的分离变得也越来越困难，这就要求聚结聚结技术的发展。

聚结是对流体颗粒而言的，又称为粗粒化，是通过某种或者几种复合的方法将互不相容的流体体系中分散相颗粒由小变大的过程，通常为聚结及相应分离过程的总称。根据聚结对象可以分为湿润聚结和碰撞聚结。目前聚结方法主要有在重力场中的聚结、电场聚结、超声聚结、螺旋聚结等。

1.聚结机理

1.1碰撞聚结机理

碰撞聚结发生的主要原因是由于分散相颗粒相互碰撞是的颗粒之间的界面破裂，两个或者几个颗粒合并为一个颗粒。颗粒碰撞后出现以下几种情况：①碰撞后又相互回弹；②碰撞后聚合为一个更大的颗粒；③碰撞后先集合为大液滴后又分开；④彭中后发生破碎。对于碰撞聚结，颗粒恩能够拒接为大颗粒的条件是促使颗粒聚结的力超过连续相和分散相之间的界面张力，即：F＞πdδ，其中F为促使颗粒聚结的各类力的合理，d为颗粒粒径，δ为几面张力。影响聚结的主要因素是破碎，表征破碎的量主要有两相粘度比λ和韦伯数We。

1.2润湿聚结机理

润湿是液体与固体界面的一种现象，即固体（或液体）表面的气体被液体取代的过程。润湿现象的发生是由于液体额各个分子之间的相互作用力小于液体分子与固体分子间相互作用力。不同液体对不同固体的润湿能力不同，这种情况的产生是由于液体和固体本身物理化学性质，特别是表面性质的不同造成的。润湿聚结是由于流体体系中的液滴首先在聚结介质（固体物质）表面上润湿并吸附，然后其他液滴与先吸附的液滴碰撞并聚集，使介质上被吸附的液滴不断增大，当增大到一定程度时，流体的曳力将聚结的液滴从介质表面脱除，连续的润湿吸附、碰撞、聚集和脱除，使连续相和分散相分层，进而达到两相分离。润湿聚结效果和大程度上取决于润湿介质的选取。

2.液气体系中的聚结

2.1气/液体系中对气泡的聚结

当气/液体系中的气泡在液体中扩散，它所受的合外力与界面张力相平衡时，可以得到气泡的最大临界粒径，并得到其相应的临界韦伯数。临界韦伯数的意义在于：当临界韦伯数较大时，即表面张力作用较弱时，如果韦伯数大于临界韦伯数，大气泡将会破灭为小气泡；若韦伯数小于临界韦伯数，小气泡将会因为达不到临界直径而不会聚合。在其他情况下气泡若与其他气泡相遇，则会聚结为更大的气泡，韦伯数可以作为气泡稳定性判断的依据。当气泡在液体中的运动状态不稳定存在聚结和破碎作用时，可能由聚结而产生的的分层流动，由破碎而产生扩散流动，最终导致流通系统中出现扩散流和分层流。

2.2液/气体系中对液滴的聚结

液/气聚结器主要用于去除工艺气体中的固体和液体污染物，以保护下游设备和管道 ，减少操作维修费用以及因意外停车造成的损失。

3.液/液体系中的聚结

目前聚结的方式主要有在重力场下的聚结、电场聚结、超声波聚结、旋流聚结等。

3.1重力场下的聚结

这类聚结主要是基于油水体系中两相密度不同，在重力场中各自受力不同，从而使得轻相上浮而聚结。由于脱除效率与有的浮升高度没有关系，因此常常采用多层板，以增加聚结的表面积。多层板之间越狭窄，表面积越大，在相同处理量情况下可以去除更小粒径的油滴，或者在相同效率下，处理量可以更高。当油污水通过由颗粒状或者纤维状的聚结床层时，借助填料间的作用，将一定粒径的小油滴聚集为油膜，随着油膜厚度的不断增加，油膜外层的附着能力降低，在水流的作用下，油膜变形，并最终破裂，形成大的油滴并迅速上升。聚结床层材料表面一般具有亲油疏水性，其聚结机理是润湿聚结。油污水通过聚结床层的速度不能太大。

3.2电场聚结

电场聚结用于水/油体系中对细小水珠的聚结。由于连续相油和分散相水的电导率相相差很大，水滴能够被外电场极化，极化水滴通过碰撞在极短的时间内完成聚结过程。

电场聚结只能发生在绝缘介质即油包水中，而不能发生在水包油中，水包油中无法建立强电场。静电聚结的两个最主要的过程是运移聚结和偶极子聚结。在电场中水滴会通过许多方式获得电荷，包括化学反应导致的离子化作用，界面上对离子的选择性吸附，水滴破裂以及直接与电极接触等。油包水乳状液中分散的油滴在外加电场电泳力的作用下发生碰撞聚结。偶极子聚结是由于外加电场使水滴极化而相互吸引产生的。水滴对之间的相互吸引的偶极力一般小于运移聚结时的电泳力。但是当水滴分离减少时，偶极力会迅速上升并占主导地位。在水滴碰撞过程中，水滴间的油膜逐渐被排挤而变薄。

3.3超声波聚结

超声聚结分离的原理是利用液体中两个不同频率、振动方向相反、相对方向传播的两个平面声波，在传播过程中叠加，产生若干个振动速度为零的点，并且此点以一定速度向某一方向移动，而分散相液滴在声波作用下总是在蔗农速度为零处聚集。由于大小不同的液滴具有不同的相对振动速度，液滴将会相互碰撞、聚结，使得他们体积和质量增大，并运动到装置的一侧，从而实现分离。

超声频率、声强的选择是相关联的，一定频率、一定声强的波作用于液体，有时候后会发生空化现象，这将使得液滴破碎，这是聚结分离所要避免的。当频率越高、声强越小的平面波在液体中越不会产生空化现象，且声强比频率对空化的产生影响较大。当声强较小时，连续相对分散相的推动较小，因此，换能器的频率和声强的选择依据是：①在此频率下，分散相中的微小液滴受声波的作用，产生相对运动互相碰撞，使之产生聚结。②在此频率和声强下，液体不会产生空化现象，分散相液体不会被粉碎。

3.4旋流场聚结

传统上，旋流器中的分离过程只是从离心沉降理解，但研究者在实验室研究和工程应用中发现，旋流器内分散液滴的分离过程是旋流场中聚结和离心沉降的复合过程。两者相互强化：旋流场内分散液滴的聚结导致大的沉降速度，离心沉降速度又增大了分散油滴的碰撞聚结机会。旋流器重碰撞的发生主要是由于油滴存在切向速度的径向梯度差值和径向上受力不同。旋流场中的聚结为碰撞聚结。影响旋流场中聚结的主要力有：①由于离心加速度的作用 获得的向轴心方向的作用力；②马格纳斯力；③Saffman力；④剪切破碎力，油滴所受剪切破碎力与流场的速度梯度和粘度有关，当促使油滴聚结的力向油的界面张力时，油滴界面破裂，油滴聚结。影响油滴破碎的原因主要有两个：（1）是当油滴与水之间的相对速度较大的情况下，剪切力导致油滴破碎；（2）是当紊动能大于几面自由能时，导致破碎。当流场中的湍流越厉害，液滴越容易破碎，越不容易聚结。

对于不相容两相体系中分散相的聚结是一个比较复杂的过程，聚结性能是分散相的化学特性和它所处物理状态的一个复合反映。对于分散相的聚结方式也常常是将多种方式进行综合运用，如将润湿聚结和碰撞聚结相结合。目前国内对于聚结技术的探讨还比较少，但由于聚结技术对分离的重要意义，这就使得对它的金益烟酒变得必须和紧迫。