液液聚结分离器原理及石油化工中的应用

液-液两相的分离过程实际上是分散相液滴在连续相中聚结和分离的过程。两相的聚结分离过程因其所应用的单元操作以及处理的物料特性不同而不同，另一方面，由于聚结材料的多样性也决定了其聚结分离过程操作的不同。本文主要以纤维类聚结介质为例，详细阐述聚结机理以及影响液-液两相分离的主要因素。

• 聚结机理

由于聚结材料的不同，从而决定了聚结分离过程的不同，但不管是板式材料还是纤维类聚结介质，完成聚结分离过程的首要因素是其能被分散相液体浸润或润湿。以纤维类聚结材料为例，聚结过程分为三个阶段：

**阶段：液滴捕集

液滴捕集过程也叫破乳过程。在石油化工操作过程中加入的各种表面活性剂、添加剂，使得乳化后的分散相得以稳定地存在与连续相中，形成“油包水”或“水包油”两种分散体系。表面活性剂的分子结构兼具亲油（疏水）和亲水（疏油）两种特性，能吸附在两相界面上，呈单分子排列使溶液的表面张力降低。

  表面活性剂的存在，降低了连续相与分散相之间的表面张力。由于表面活性剂存在于聚结介质和分散相液滴之间，增加了纤维捕集分散相液滴的难度，从而影响纤维破乳效果。聚结介质是亲水性（极性）还是亲油性（非极性）决定了分散相液滴能否被捕获，由于纤维类介质的纤维丝径和长短不一，形成了内部的层状结构。纤维丝径越细，聚结介质表面积越大，从而增加了捕集液滴的几率。当分散相液滴穿过介质时， 分散相小液滴被纤维捕获，从而完成破乳过程。

第二阶段：液滴聚结

在完成液滴捕集过程后，由于分散相液滴与纤维的接触角小于连续相流体，使得分散相液滴可以在纤维丝径上铺展，从而形成液膜，液膜在流体推动以及曳力作用下，沿着纤维丝径运动。由于液滴不断与液膜和纤维的碰撞、聚并，使得分散相液滴变得越来越大。如图 2 所示为纤维类介质聚结示意图。聚结变大后的液滴在流体推动下，随着液滴直径的不断变大，大液滴**在自身重力或浮力作用下脱落。

第三阶段：液滴沉降

经过液滴捕集、聚结后，分散相液滴由小变大，变大后的液滴在重力或浮力的作用下开始沉降或上升，**从聚结介质上脱落。在通常情况下液滴在液-液物系中的运动服 Stockes 规律，由于不考虑液滴表面的可动性及滴内环流的影响，液滴的终端沉降速度采用 Stokes 公式[2],即终端沉降速度由下式计算得出：

  U  = ( ρc-ρd ) gdi2/S 18μ

在完成上述三个阶段过程后，液-液两相由于密度不同而在设备内分层，这时的两相流体只是初步分离，并没有实现完全意义上的分离。因此为了实现两相的彻底分离，需要对设备进行合理设计，以满足两相彻底分离的目的。

• 影响聚结分离的因素

由于液-液聚结过程受很多因素影响，其聚结要求和难度也高于固-液、气-液分离操作。影响液-液聚结过程的因素主要有聚结介质的表面特性、纤维的丝径、界面张力、操作状态下的流速等， 此外还包括如两相密度差、粘度比、pH 值等

在石油化工实际工业生产中，滤芯式液-液聚结分离设备被广泛应用于各种工艺中，如在乙烯工业中的急冷水去除裂解汽油[3]，环己烷氧化装置中废碱液的分离和回收，PVC 行业中氯乙烯单体的脱水，柴油加氢装置中成品柴油的净化，此外，如在煤化工、生物柴油等新兴领域也有应用。本文主要论述目前在石油化工中常用的二种滤芯式液-液两相分离设备：单级聚结器、两级聚结分离器。

• 单级聚结器

单级聚结器滤油机内部聚结元件主要有滤芯式和填料形式两种结构形式，所处理的流体可以是纯净的也可以是含微量固体杂质的液-液扩散体系。如图 3 和图 4 所示，分别为滤芯式单级聚结器和填料式单级聚结器示意图。

滤芯式单级聚结器滤油机的主要核心为由良好的聚结材料制成的聚结滤芯，适用于”油包水”和”水包油”体系。分散相小液滴经过聚结滤芯破乳、聚结、沉降后，聚结变大的液滴开始在设备内进行沉降/ 浮升，因此，设备应留出足够的沉降空间，以便分散相和连续相能够在设备内部实现分层。

填料式聚结器的聚结介质为金属丝或纤维丝制成圆柱形填料包，由于金属丝网或复合丝网的丝径通常较粗，因此聚结效果通常低于滤芯式聚结器，尤其是乳化程度高的物系。但其优点是设备压损底，沉降时间长。该设备通常体积较大，在某些工艺中也充当着沉降罐的作用，

连续相和分散相的密度差影响单级聚结器的设计，是两相能否实现分离的关键因素。因此，在确定单级聚结器适用于流体分离时，为了实现*经济、有效的两相分离目的，首先确定连续相和分散相流体，根据两相的所占的百分比，对设备进行合理的结构设计。其次应重点考虑设备的结构尺寸设计，这涉及到连续相和分散相在设备内的流动速度，以及分散相液滴在设备内的沉降/浮升时间等。

• 两级聚结分离器

两级聚结分离器内部装有两种不同功能的滤芯：一级聚结滤芯和二级分离滤芯。由于聚结滤芯可以设计成带有过滤层的结构，因此被处理的流体中可以含有少量固体颗粒杂质。该设备在某些行业和领域中通常也被叫做过滤分离器，如 API 1581 标准中用于航空喷气燃料的过滤分离器。滤芯式两级聚结分离器适用于连续相为有机烃类、分散相为水性的物系的液-液分离。根据实际使用情况及场地限制，有立式和卧式两种结构。图 5 为立式航空燃油过滤分离器[7]的结构示意图。

图 5 所示聚结器将聚结滤芯和分离滤芯分开布置，可有效地减小设备高度，有利于滤芯更换和维护。PALL 公司的立式 AquaSep 液-液聚结分离器是将聚结滤芯和分离滤芯连接成一个整体，其优点是设备紧凑，利于现场布置。但无论是哪种结构，流体都是先由内向外通过聚结滤芯，然后再由外向内流过分离滤芯。

滤芯式两级聚结分离器是目前应用范围*广、使用效率**的一种液-液两相聚结分离设备。液-液两相的分离效果和效率依据液-液体系不同，对分散相含量的要求也不相同。如 API1581中规定处理后的航空喷气燃料水含量应不大于15 ppm。在某些石油化工工艺中，甚至要求分散相达到<1 ppm。

聚结滤芯内部*主要的介质是破乳层和聚结层，流体由内向外通过聚结滤芯，先后经过破乳和聚结过程后，分散相液滴**在聚结滤芯表面积聚、沉降，这种结构有利于液滴的聚结分离以及提高处理流量。二级分离滤芯由亲油疏水材料制成， 通过在金属网孔管上喷涂聚四氟乙烯或有机合成材料，来实现亲油憎水的功能。

在实际使用过程中，液-液聚结器的选型和设计决定了两相是否能够实现**分离。首先应明确连续相和分散相的物性参数，如密度、粘度，以及两相界面张力等参数；其次应了解实际操作工况以及分离要求，明确影响聚结分离的主要因素， 以此来确定聚结和分离的介质；**根据所选定的分离形式，计算和设计设备的结构尺寸。

随着计算流体力学（CFD）的发展和应用范围的扩大，国内已经有学者将 CFD 技术应用于液- 液聚结分离领域，如对聚结分离器内部流场的模拟分析[8]。CFD 技术的应用可以优化滤芯与滤芯、滤芯与筒体的间距，确定**流速分布规律和优化滤芯的高度以及流体分布器的结构，从而为设备的结构设计提供重要的理论依据，为液-液聚结器实现**、节能、经济的设计和应用提供重要的指导作用。随着石油化工领域对液-液聚结分离技术的要求提高，以及液-液聚结器的应用范围的扩大，尤其是应用于乳化程度高的扩散体系以及酸碱或有机物腐蚀工况下的应用，因此开发高性能破乳聚结材料以适应不同流体以及不同要求的非均相分离就显得尤其重要。