液-液兩相的分離過程實(shí)際上是分散相液滴在連續(xù)相中聚結(jié)和分離的過程。兩相的聚結(jié)分離過程因其所應(yīng)用的單元操作以及處理的物料特性不同而不同，另一方面，由于聚結(jié)材料的多樣性也決定了其聚結(jié)分離過程操作的不同。本文主要以纖維類聚結(jié)介質(zhì)為例，詳細(xì)闡述聚結(jié)機(jī)理以及影響液-液兩相分離的主要因素。

• 聚結(jié)機(jī)理

由于聚結(jié)材料的不同，從而決定了聚結(jié)分離過程的不同，但不管是板式材料還是纖維類聚結(jié)介質(zhì)，完成聚結(jié)分離過程的首要因素是其能被分散相液體浸潤或潤濕。以纖維類聚結(jié)材料為例，聚結(jié)過程分為三個階段：

**階段：液滴捕集

液滴捕集過程也叫破乳過程。在石油化工操作過程中加入的各種表面活性劑、添加劑，使得乳化后的分散相得以穩(wěn)定地存在與連續(xù)相中，形成“油包水”或“水包油”兩種分散體系。表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)兼具親油（疏水）和親水（疏油）兩種特性，能吸附在兩相界面上，呈單分子排列使溶液的表面張力降低。

? 表面活性劑的存在，降低了連續(xù)相與分散相之間的表面張力。由于表面活性劑存在于聚結(jié)介質(zhì)和分散相液滴之間，增加了纖維捕集分散相液滴的難度，從而影響纖維破乳效果。聚結(jié)介質(zhì)是親水性（極性）還是親油性（非極性）決定了分散相液滴能否被捕獲，由于纖維類介質(zhì)的纖維絲徑和長短不一，形成了內(nèi)部的層狀結(jié)構(gòu)。纖維絲徑越細(xì)，聚結(jié)介質(zhì)表面積越大，從而增加了捕集液滴的幾率。當(dāng)分散相液滴穿過介質(zhì)時， 分散相小液滴被纖維捕獲，從而完成破乳過程。

第二階段：液滴聚結(jié)

在完成液滴捕集過程后，由于分散相液滴與纖維的接觸角小于連續(xù)相流體，使得分散相液滴可以在纖維絲徑上鋪展，從而形成液膜，液膜在流體推動以及曳力作用下，沿著纖維絲徑運(yùn)動。由于液滴不斷與液膜和纖維的碰撞、聚并，使得分散相液滴變得越來越大。如圖 2 所示為纖維類介質(zhì)聚結(jié)示意圖。聚結(jié)變大后的液滴在流體推動下，隨著液滴直徑的不斷變大，大液滴**在自身重力或浮力作用下脫落。

第三階段：液滴沉降

經(jīng)過液滴捕集、聚結(jié)后，分散相液滴由小變大，變大后的液滴在重力或浮力的作用下開始沉降或上升，**從聚結(jié)介質(zhì)上脫落。在通常情況下液滴在液-液物系中的運(yùn)動服 Stockes 規(guī)律，由于不考慮液滴表面的可動性及滴內(nèi)環(huán)流的影響，液滴的終端沉降速度采用 Stokes 公式[2],即終端沉降速度由下式計算得出：

? U??=?(?ρc-ρd?)?gdi2/S 18μ

在完成上述三個階段過程后，液-液兩相由于密度不同而在設(shè)備內(nèi)分層，這時的兩相流體只是初步分離，并沒有實(shí)現(xiàn)完全意義上的分離。因此為了實(shí)現(xiàn)兩相的徹底分離，需要對設(shè)備進(jìn)行合理設(shè)計，以滿足兩相徹底分離的目的。

• 影響聚結(jié)分離的因素

由于液-液聚結(jié)過程受很多因素影響，其聚結(jié)要求和難度也高于固-液、氣-液分離操作。影響液-液聚結(jié)過程的因素主要有聚結(jié)介質(zhì)的表面特性、纖維的絲徑、界面張力、操作狀態(tài)下的流速等， 此外還包括如兩相密度差、粘度比、pH 值等

在石油化工實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，濾芯式液-液聚結(jié)分離設(shè)備被廣泛應(yīng)用于各種工藝中，如在乙烯工業(yè)中的急冷水去除裂解汽油[3]，環(huán)己烷氧化裝置中廢堿液的分離和回收，PVC?行業(yè)中氯乙烯單體的脫水，柴油加氫裝置中成品柴油的凈化，此外，如在煤化工、生物柴油等新興領(lǐng)域也有應(yīng)用。本文主要論述目前在石油化工中常用的二種濾芯式液-液兩相分離設(shè)備：單級聚結(jié)器、兩級聚結(jié)分離器。

• 單級聚結(jié)器

單級聚結(jié)器濾油機(jī)內(nèi)部聚結(jié)元件主要有濾芯式和填料形式兩種結(jié)構(gòu)形式，所處理的流體可以是純凈的也可以是含微量固體雜質(zhì)的液-液擴(kuò)散體系。如圖 3 和圖 4 所示，分別為濾芯式單級聚結(jié)器和填料式單級聚結(jié)器示意圖。

濾芯式單級聚結(jié)器濾油機(jī)的主要核心為由良好的聚結(jié)材料制成的聚結(jié)濾芯，適用于”油包水”和”水包油”體系。分散相小液滴經(jīng)過聚結(jié)濾芯破乳、聚結(jié)、沉降后，聚結(jié)變大的液滴開始在設(shè)備內(nèi)進(jìn)行沉降/ 浮升，因此，設(shè)備應(yīng)留出足夠的沉降空間，以便分散相和連續(xù)相能夠在設(shè)備內(nèi)部實(shí)現(xiàn)分層。

填料式聚結(jié)器的聚結(jié)介質(zhì)為金屬絲或纖維絲制成圓柱形填料包，由于金屬絲網(wǎng)或復(fù)合絲網(wǎng)的絲徑通常較粗，因此聚結(jié)效果通常低于濾芯式聚結(jié)器，尤其是乳化程度高的物系。但其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備壓損底，沉降時間長。該設(shè)備通常體積較大，在某些工藝中也充當(dāng)著沉降罐的作用，

連續(xù)相和分散相的密度差影響單級聚結(jié)器的設(shè)計，是兩相能否實(shí)現(xiàn)分離的關(guān)鍵因素。因此，在確定單級聚結(jié)器適用于流體分離時，為了實(shí)現(xiàn)*經(jīng)濟(jì)、有效的兩相分離目的，首先確定連續(xù)相和分散相流體，根據(jù)兩相的所占的百分比，對設(shè)備進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計。其次應(yīng)重點(diǎn)考慮設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計，這涉及到連續(xù)相和分散相在設(shè)備內(nèi)的流動速度，以及分散相液滴在設(shè)備內(nèi)的沉降/浮升時間等。

• 兩級聚結(jié)分離器

兩級聚結(jié)分離器內(nèi)部裝有兩種不同功能的濾芯：一級聚結(jié)濾芯和二級分離濾芯。由于聚結(jié)濾芯可以設(shè)計成帶有過濾層的結(jié)構(gòu)，因此被處理的流體中可以含有少量固體顆粒雜質(zhì)。該設(shè)備在某些行業(yè)和領(lǐng)域中通常也被叫做過濾分離器，如 API 1581 標(biāo)準(zhǔn)中用于航空噴氣燃料的過濾分離器。濾芯式兩級聚結(jié)分離器適用于連續(xù)相為有機(jī)烴類、分散相為水性的物系的液-液分離。根據(jù)實(shí)際使用情況及場地限制，有立式和臥式兩種結(jié)構(gòu)。圖 5 為立式航空燃油過濾分離器[7]的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖 5?所示聚結(jié)器將聚結(jié)濾芯和分離濾芯分開布置，可有效地減小設(shè)備高度，有利于濾芯更換和維護(hù)。PALL?公司的立式 AquaSep?液-液聚結(jié)分離器是將聚結(jié)濾芯和分離濾芯連接成一個整體，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備緊湊，利于現(xiàn)場布置。但無論是哪種結(jié)構(gòu)，流體都是先由內(nèi)向外通過聚結(jié)濾芯，然后再由外向內(nèi)流過分離濾芯。

濾芯式兩級聚結(jié)分離器是目前應(yīng)用范圍*廣、使用效率**的一種液-液兩相聚結(jié)分離設(shè)備。液-液兩相的分離效果和效率依據(jù)液-液體系不同，對分散相含量的要求也不相同。如 API1581中規(guī)定處理后的航空噴氣燃料水含量應(yīng)不大于15 ppm。在某些石油化工工藝中，甚至要求分散相達(dá)到<1 ppm。

聚結(jié)濾芯內(nèi)部*主要的介質(zhì)是破乳層和聚結(jié)層，流體由內(nèi)向外通過聚結(jié)濾芯，先后經(jīng)過破乳和聚結(jié)過程后，分散相液滴**在聚結(jié)濾芯表面積聚、沉降，這種結(jié)構(gòu)有利于液滴的聚結(jié)分離以及提高處理流量。二級分離濾芯由親油疏水材料制成， 通過在金屬網(wǎng)孔管上噴涂聚四氟乙烯或有機(jī)合成材料，來實(shí)現(xiàn)親油憎水的功能。

在實(shí)際使用過程中，液-液聚結(jié)器的選型和設(shè)計決定了兩相是否能夠?qū)崿F(xiàn)**分離。首先應(yīng)明確連續(xù)相和分散相的物性參數(shù)，如密度、粘度，以及兩相界面張力等參數(shù)；其次應(yīng)了解實(shí)際操作工況以及分離要求，明確影響聚結(jié)分離的主要因素， 以此來確定聚結(jié)和分離的介質(zhì)；**根據(jù)所選定的分離形式，計算和設(shè)計設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸。

隨著計算流體力學(xué)（CFD）的發(fā)展和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，國內(nèi)已經(jīng)有學(xué)者將 CFD 技術(shù)應(yīng)用于液- 液聚結(jié)分離領(lǐng)域，如對聚結(jié)分離器內(nèi)部流場的模擬分析[8]。CFD 技術(shù)的應(yīng)用可以優(yōu)化濾芯與濾芯、濾芯與筒體的間距，確定**流速分布規(guī)律和優(yōu)化濾芯的高度以及流體分布器的結(jié)構(gòu)，從而為設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供重要的理論依據(jù)，為液-液聚結(jié)器實(shí)現(xiàn)**、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計和應(yīng)用提供重要的指導(dǎo)作用。隨著石油化工領(lǐng)域?qū)σ?液聚結(jié)分離技術(shù)的要求提高，以及液-液聚結(jié)器的應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，尤其是應(yīng)用于乳化程度高的擴(kuò)散體系以及酸堿或有機(jī)物腐蝕工況下的應(yīng)用，因此開發(fā)高性能破乳聚結(jié)材料以適應(yīng)不同流體以及不同要求的非均相分離就顯得尤其重要。