分离工程
絮凝过程及机理 高 分 絮 凝
子
架 桥 作 用
过
程 模 型
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絮凝剂的种类和性质
絮凝剂为有一定线性长度的高分子有机聚合物。 种类很多，按来源可分为天然的和人工合成的两大 类。 天然高分子絮凝剂主要有：淀粉、丹宁、纤维
素、动物胶和白明胶等，可经过化学改性适应不同
的需要。 一般说来，天然高分子絮凝剂价格低廉但分子 量较低和不稳定，用量大，使用时效果不佳。 大多数工业应用中，使用人工合成的高分子絮
分离工程 非均相混合物中颗粒的实际沉降过程
沉降实验
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影响沉降分离的因素 重力沉降分离的依据是分散相和连续相之 间的密度差，其分离效果与分离相颗粒的大小、 形状、浓度、连续相的粘度、凝聚剂和絮凝剂 种类及用量、沉降面积以及物料在沉降槽中的 停留时间等因素有关。
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重力沉降设备 重力沉降设备称为沉降槽、浓缩机、澄清 器、隔油池等。分为间歇式和连续式两大类。 1905年道尔公司发明了第一台耙式浓缩机， 此后，重力沉降设备发展迅速。目前的发展方
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3.2絮凝
絮凝是通过高分子聚合物（即絮凝剂－通常为含有极性
官能团的聚合物）在分子上吸附多个微粒的架桥作用而使多 个微粒形成絮团。 絮凝剂在水溶液中具有伸展性、可挠性。伸展性是指具 有一定的伸展长度，可以在颗粒间架桥，将微粒桥联起来，
故最有效的絮凝剂为水溶性的高分子量聚合物；可挠性是指
絮凝具有一定的强度能经受一定程度的剪功而不破碎。 相对凝聚而言，絮凝产生的聚集物要大的多（有时凝聚 的絮团也能被絮凝）。絮凝体的特点是粒度粗、疏松、强度 较大，但破碎后一般不成团，即絮凝过程不可逆。
很多含碳物质及金属细粉与空气形成爆炸物，必须除去这 些物质以消除爆炸的隐患。
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2颗粒的动力学性质
颗粒动力学是研究颗粒在流体中运动的学科，主要 探讨颗粒的沉降过程。在沉降分离、流化输送和流化干 燥等过程中具有重要的价值。 颗粒的沉降与流态化对分离过程影响较大。
4(ρ P - ρ) gdP ut = 3ρξ
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6.3旋流器的功能及应用 功能
(1)澄清或增浓 可用于有密度差的非均相混合物的分离 过程。分离后固含量可达40％～75％，或含水量从90％以 上降到60％或更低。 (2)洗涤 由于旋流器内具有强烈的流体剪切作用，旋流 器可以作洗涤器将粘在颗粒上的污染物质。 (3)分级 不同粒度的颗粒具有不同的沉降速度，旋流器 可将颗粒按粒度分离。强烈的流体剪切作用，颗粒分散作 用良好，可用于聚结性颗粒。 (4)强化传热传质 具有强烈的流体剪切、湍流，可用于 分离和传热传质耦合过程，如燥分离器、反应分离器等。
Hale Waihona Puke 离工程分离工程分离工程
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6 旋流分离
6.1概述
旋流分离技术包括旋流分离器及其与之配套的技术
与设备，如供料系统－动力源(泵或风机)、流程系统、 检测和控制系统等。 旋流分离技术的关键是旋流分离器，简称旋流器。 根据使用介质的不同(气体或液体)，旋流分离可分
为干法与湿法两大类。前者为旋风分离，后者为旋液分
离，相应地有旋风分离器(cyclone)和旋液分离器 (hydrocyclone)。
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美国Bretney于1891年注册旋液分离器第一专利。 1814年，美国在一家磷酸盐厂使用了一种直径为 1.5m的旋液分离器。 20世纪30年代末，成功用于纸浆原料的清洗。 40年代，荷兰M.G．Driessen在选煤厂成功地用旋液 分离器洗煤及浓缩黄泥浆和砂浆。 40年代后期，旋液分离器才开始比较广泛的应用。 60年代末开始，英国南安普顿大学MartinThew教授 发明了液液旋流分离器， 应用于产油污水处理领域。 我国在20世纪60年代末才开始接触旋流分离，研究 报导较少（进口和仿制），主要应用于选矿、石油及淀 粉工业。
旋流器与离心机都是利用离心沉降的工作原理，所
不同之处是产生物料高速旋 转的方法。离心机是由转鼓 的高速旋转带动，而旋流器是由切线方向进料引起的。
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旋流器的性能包括分离性能和操作性能。
分离性能包括分离效率（如总效率），分割粒度或
分级锐度。操作性能包括压力降、流量(处理量) 及分流
比。分流比也可以看作是分离性能，因其反映了产品的 产量。 利用旋流器，可以有效地从流体介质中分离出几个 微米的微细颗粒。所需分离粒度可通过改变几何尺寸或
粒的脱除。
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1概述
由于非均相物系中的连续相和分散相具有不同的物 理性质（如密度、粒度），故一般可用机械方法将它们 分离。要实现这种分离，必须使分散相和连续相之间发 生相对运动，因此，非均相物系的分离操作遵循流体力
学的基本规律。按两相运动方式的不同，机械分离大致
分为沉降和过滤两种操作。 机械分离过程主要有：凝聚与絮凝、重力沉降、离 心分离、旋流分离、浮选、过滤、筛分、压榨、超声、 磁、电分离等。
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絮凝剂在颗粒表面上的吸附机理
絮凝剂在颗粒－水界面上的固着被认为是多点附着，
即絮凝剂分子是依靠多个官能团在颗粒表面多个位臵上吸 附的。 吸附作用可以是物理吸附也可以是化学吸附。物理吸 附包括静电作用、偶极吸附作用、范德华作用和疏水作用。
化学吸附包括化学健、氢健和配位健。
化学吸附是短程力，而静电是长程力，所以带有与固 体表面同号电荷絮凝剂要在固体表面上吸附，须事借助其 它的作用力使两者互相接近，到达对方。
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6.2旋流器的基本结构、工作原理及操作特点
结构图
工作原理示意图
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根据分散相的富集或迁移方向，旋流分离可分为重
分散相分离和轻分散相分离两大类。 对于重分散相分离，即分散相的密度大于连续相的 密度，分散相将在底流富集，如淀粉乳浓缩和含水油脱 水；对于轻分散相分离，即分散相的密度小于连续相的 密度，分散相将在溢流富集，如从水中分离比水密度小 的塑料颗粒和油污水去油。
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非均相混合物分离的目的
（1）回收有价值的分散物质 回收有价值的催化剂颗粒； 金属冶炼过程中烟气中悬浮的金属烟尘； （2）净化分散介质以满足后续生产工艺的要求
催化反应的原料气中夹带有会影响催化剂活性的杂质；
（3）环境保护和安全生产 保护人类生态环境、清除工业污染，对排放的废气、废液
中有毒的物质加以处理，使其达标排放；
分离工程 旋流器的应用
石油、化学工业： 含油废水处理、原油脱水、去砂、催
化剂回收、颗粒分级等。
食品工业：粗分离（去皮屑、胚芽）、去砂子、淀粉洗 涤、乳液增浓、气流干燥回收产品、饮料行业去除杂质。 造纸工业：造纸废水处理、去砂、去杂等。 选矿、洗煤、硅酸盐工业：去杂、去末、分级及脱水。
钢铁工业：浓缩氧化铁悬浮液、烟气脱硫除尘。
涤或分级。 离心机的构造很多，但其基本结构或主要部件 为高速旋转的转鼓，转鼓可水平或竖直安装。 转鼓有两种，一种无孔，另一种有孔。
有孔的为离心过滤，无孔的为离心沉降。
分离工程 离心机按分离因数的大小，分为常速（小于
3000）、高速（3000到5000）和超速离心机（大于
5000）。 按操作原理，可分为过滤式和沉降式。 按操作方式，可分为间歇式和连续式。 按卸料方式分为人工卸料和自动卸料。 按转鼓形状分为圆柱形、圆锥形和柱－锥形。 按转鼓的数目分为单鼓式和多鼓式。
向是大型化和高效化。大型化导致浓缩机笨重、
占地面积大，因而追求高效化是发展趋势。高
效凝聚剂与絮凝剂的使用提高了单位面积处理
能力。
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分离工程 5离心分离
离心机是一种利用转鼓带动物料高速旋转产生
的离心力来强化分离过程的分离设备，是工业上主
要的分离设备之一，可用于澄清、增浓、脱水、洗
核工业：铀矿料洗涤、铀同位素的分离提取。 三废处理：脱硫除尘、废水治理、废渣净化。
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6.4旋流器的性能及其影响因素 影响旋流器分离性能的因素有：物料性质、操作条件
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凝聚剂的选择
所有电解质都能使水中胶粒或悬浮粒子在一定程度上凝
聚，但其添加量和凝聚能力是不同的，其中主要是由于胶粒 或微细粒子电性相反的离子所决定。 反电性离子的价数越多，凝聚能力越大；价数相同，水 化势能弱，凝聚能力越大。
凝聚剂主要为无机盐电解质，其主要类型为：
无机盐类：如硫酸铝和硫酸铝钾（明钒）、硫酸铁和硫 酸亚铁（绿钒）、碳酸镁、铝酸盐、氯化铁等。 金属氢氧化物：如氢氧化铝、氢氧化铁、氢氧化钙等。 聚合无机盐：是一类高效凝聚剂，主要是聚合铝、铁。
凝剂。
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絮凝过程的影响因素
影响絮凝效果的影响因素主要有三方面：絮凝 剂的性质、悬浮液的性质、水力条件。 絮凝剂性质主要有分子量大小（溶解性与絮凝 效果的矛盾）、极性官能团情况。
悬浮液性质包括：悬浮物的影响（颗粒表面电
性、颗粒的尺度）、pH值的影响（伸展程度、表面 电性）、水温的影响（温度低絮凝速度降低）。 水力条件分为混合阶段与絮凝阶段。混合阶段 强搅拌、絮凝阶段适宜的紊动程度。
d Pρut ξ =φ μ
影响颗粒沉降的基本因素主要有：两相密度差、颗 粒直径、流体介质的粘度、外加力场等。除此之外，还
有颗粒形状、悬浮液浓度、容器的壁效应等。
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3凝聚与絮凝
3.1悬浮溶液的电学性质 悬浮液的电学性质通常是指固液悬浮体系的电动现 象，而悬浮体系的电动现象的起因与颗粒表面电荷有关。 当颗粒表面荷电后，荷电的颗粒表面便吸引分散介
调节操作参数来得到。此外，旋流器的分离性能可通过
几个旋流器的串联操作进一步提高，也可通过多个旋流 器并联来满足任意处理量的要求。
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旋流器的优点： ①结构简单；②安装方便；③工作连续可靠；④成本 低，包括制造、安装空间、运行、维护等方面的费用低； ⑤应用范围广；⑥适应性好；⑦具有剪切、洗涤作用；⑧ 易于清洗；⑨易于实现自动控制。 旋流器的缺点： ①与离心机比，即可分离粒度没有离心机的小； ②由于剪切作用，对某些絮凝或聚凝性物料不适用； ③受流动性限制，增浓或脱水操作时，底流浓度不能 太高； ④通用性较差。