CN101204635A - 一种分离方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分离液体混合物的方法，包括a.使一种液体混合物流经一个纤维束；b.使纤维束上流动的混合物各液体组分分别沿纤维束进入已分层的各自液体组分中，其中纤维束的末端位于已分层的液体组分间的相界面之下。本发明还涉及一种分离液体混合物的装置，包括a.一个内装纤维束的、基本为竖直设置的筒体；及b.一个位于筒体下方并与筒体相连的接收器，所述接收器与筒体相连；其中，纤维束的一端置于筒体内靠近上端端部的位置，纤维束的另一端则穿过筒体伸入到接收器内部，处于预期的各液体组分间的相界面以下。
Description
技术领域
本发明涉及一种分离液体混合物的方法与装置。更具体而言，本发明涉及一种分离互不相溶的两组分液体混合物的方法与装置。
背景技术
关于分离互不相溶的液体混合物，最简单的莫过于采用沉降的方法，即将互不相溶的液体混合物输入通常设计成卧式的沉降罐中，经过一定的停留时间而获得分离，然后经由不同的出料口流出。为了提高分离效果，通常采用具有较大容积的沉降罐，或在沉降罐中内装阻尼板，以延长液体分离的时间，也可采用促进互不相溶液体各自聚结或凝析的固体材料(如活性炭等)，或采用其它化学手段促进分离等。
然而，互不相溶的两组分液体混合物分离时，两组分液体的液滴各自迁移、聚集，随后形成两个单独的液相，无论是采用常规的聚结或凝析材料促使液滴聚结成相，还是加大沉降罐的容积或采用阻尼板增加液体分离的时间，均因湍流、散流及对液体流动的扰动之故，致使互不相溶的两组分液体混合物的分离效率往往不尽理想，特别是对于有一定乳化作用的或粘度较大的液体混合物进行分离时。
另一方面，美国专利US3,758,404、US3,839,487、3,992,156及5,904,849分别报道了一种液-液传质的接触方法与装置，所用装置内装纤维束作为传质介质，设有第一液体进口和第二液体进口，互不相溶的第一液体与第二液体分别从第一液体进口和第二液体进口流入，第一液体经第一液体分配器分散到纤维丝上，在纤维丝与纤维丝之间形成液膜，流入的第二液体拖曳着第一液体的液膜沿着纤维丝流动且连续接触，具有很高的传质效率。
中国实用新型专利02258985.6也报道了一种与上述类似的用纤维束作为装填材料的液-液传质反应器，用于第一相液体与第二相液体或气体之间的传质反应过程。
然而，在上述专利中，采用纤维束的液-液传质的接触方法与装置是按照使两种互不相溶的液体之间发生传质的要求而设计的，两种互不相溶的液体是从不同的进口流入到纤维束装置中，而不是以混合物的形式流入其中而分离。
发明内容
本申请人意外地发现，采用内装纤维束的接触装置进行互不相溶液体混合物的分离，混合物在流经纤维束后，竟然获得了明显的分离效果，即使对于有一定乳化作用的或粘度较大的液体混合物，仍可获得很好的分离效果。
因此，本发明提供一种分离液体混合物的方法，包括
a.使一种液体混合物流经一个纤维束；
b.使纤维束上流动的混合物各液体组分沿纤维束进入已分层的各自液体组分中，其中纤维束的末端位于已分层的液体组分间的相界面之下。
本发明的方法中，液体混合物至少由两种液体组分构成，优选由两种液体组分构成。
优选地，在本发明的方法中，液体混合物为由两种互不相溶的液体组分构成。
优选地，本发明方法中的液体混合物由两种密度不同的液体组分构成。
优选地，本发明方法中的液体混合物由两种粘度不同的液体组分构成。
本发明还提供一种分离液体混合物的装置，包括
a.一个内装纤维束的、基本为竖直设置的筒体，所述筒体上端具有一个进口，下端具有一个出口；及
b.一个位于筒体下方并与筒体相连的接收器，所述接收器具有一个进口和至少两个出口，所述接收器的进口与筒体的下端的出口相连；
其中，纤维束的一端置于筒体内靠近上端端部的位置，纤维束的另一端则穿过筒体的出口并经由接收器的进口伸入到接收器内部，处于预期的已分离的液体组分间的相界面以下。
优选地，在本发明的装置中，置于筒体内靠近上端端部的位置的纤维束的一端形成流体分配器或与流体分配器相连。
附图说明
图1a为本发明一个实施例方案的示意图；
图1b为流体分配器的径向尺寸基本等于筒体体身的直径的情形；
图1c为流体分配器的径向尺寸大于筒体体身的直径的情形；
图2为形成本发明流体分配器的板状或盘状物的外观示意图，其中在板状或盘状物上凿有若干通孔。
具体实施方式
本发明的分离液体混合物的方法，包括
a.使一种液体混合物流经一个纤维束；
b.使纤维束上流动的混合物各液体组分分别沿纤维束进入已分层的各自液体组分中，其中纤维束的末端位于已分层的液体组分间的相界面之下。
本发明的方法中，液体混合物至少由两种液体组分构成，优选由两种液体组分构成。
优选地，在本发明的方法中，液体混合物由两种互不相溶的液体组分构成。
为本发明的目的，“互不相溶的液体”是指这样的液体：在本发明方法的处理温度和压力条件下，其中一种液体在100克的另一种液体中达到饱和状态时所溶解的量在1克以下(亦即在10mg/g以下)，优选在0.1克以下(亦即在1mg/g以下)，更优选在0.01克以下(亦即在0.1mg/g以下)。
优选地，本发明方法中的液体混合物由两种密度不同的液体组分构成。更优选地，组成液体混合物的两种液体组分的密度差为0.05g/cm3以上，进一步优选为0.10g/cm3以上，极优选为0.15g/cm3以上。
优选地，本发明方法中的液体混合物由两种粘度不同的液体组分构成。
特别优选地，本发明方法中的液体混合物由两种密度和粘度不同的液体组分构成。
本发明的液体混合物例如有水-油混合物、甘油-油脂混合物等。
在本发明的分离方法中，液体混合物优选均匀地分布于纤维束(通常固定于一个筒体中)的各纤维丝之间。为此目的，优选地，液体混合物经过一个流体分配器再分布至纤维束的各纤维丝之间，并沿着纤维束的轴向方向流动。流动过程中，各液体组分通常形成液滴，并逐渐成为具有不同相对速度的单独的相，沿着纤维束流动至已分相的各液体组分中，其中相对密度小的液体从纤维丝上脱落处于上层，相对密度大的液体沿着纤维丝穿过上层液体进入下层；分离后的上下两层液体于是可以分别取出。无意于囿于任何理论，现认为在本发明的方法中，液体混合物在纤维束上的分离源自各液体组分在纤维束上具有不同的附着力和表面张力——而在液体组分密度不同时还加上自身重力——在这些力的作用下，各液体组分不断地在纤维丝上聚结或凝析(若有一定的乳化现象将会得到克服或弱化)，逐渐形成沿着纤维丝的流动具有不同相对速度，从而达成分离的效果。
为促进本发明方法的进行，还可以适当采取加热或冷却的方法，使本发明方法的操作体系处于一定的温度。另外，还可以在压力下操作。
本发明的分离液体混合物的装置包括
a.一个内装纤维束的、基本为竖直设置的筒体，所述筒体上端具有一个进口，下端具有一个出口；及
b.一个位于筒体下方并与筒体相连的接收器，所述接收器具有一个进口和至少两个出口，所述接收器的进口与筒体的下端的出口相连；
其中，纤维束的一端置于筒体内靠近上端端部的位置，纤维束的另一端则穿过筒体的出口并经由接收器的进口伸入到接收器内部，处于预期的各液体组分间的相界面以下。
本发明的分离装置中，内装纤维束的、基本为竖直设置的筒体可以为任何中空的设备，在其内部靠近上端端部处具有固定纤维束的构件或设施，并优选在该处设置流体分配器，所采用的流体分配器的直径可以与筒体直径相同，也可以大于筒体其他部分处的直径(为此，筒体的直径在不同的筒体高度处可以不同)。筒体材质相对于所分离的液体为惰性。筒体呈基本竖直的取向，即其轴向与竖直方向成0-25°角，优选0-15°角，更优选0-5°角，最优选0°角。可以理解的是，纤维束在轴向方向优选随筒体的轴向取向。
优选地，在本发明的装置中，置于筒体内靠近上端端部的位置的纤维束的一端形成流体分配器或与流体分配器相连；也就是说，所述纤维束的处于筒体上端端部附近的一段可以形成有助于液体分配的形状，或者与其他部件一起形成有助于液体分配的形状，或者结合到适用的流体分配器上，使液体均匀分布在各个纤维丝上。所述流体分配器可以为设置有若干通孔的板状或盘状物流体分配器，如此，从筒体进口流入的液流通过流体分配器的板状或盘状物的通孔能够均匀地分散到每一根纤维丝上，从而有效避免在纤维束内部以及纤维束与筒体内壁之间产生沟流，并有效避免压降和堵塞。为了进一步减少流体通过流体分配器通孔流动所产生的压降，避免堵塞，或者适应于纤维束在筒体中的较大的填充密度，流体分配器的径向大小即设置有通孔的板状或盘状物的径向尺寸可以设计成大于筒体体身，如此作为进料的筒体端部尺寸随之扩大，并大于筒体体身，这样形成流体分配器的板状或盘状物可以设置更多的通孔，允许流体较顺畅地流经开孔而均匀分散到纤维丝上。形成流体分配器的板状或盘状物及其上面的通孔、筒体和接收器的形状没有特别的限制。一种极端的情况是，由于流体分配器的板状或盘状物上通孔较为密集，所述板状或盘状物可变成一种具有网孔结构的网状物，即可以用具有网孔结构的网状物取代板状或盘状物而形成流体分配器。所述网状物应有一定的支撑件加以支撑，支撑件的形状没有特别的限制。
在本发明中，所述纤维丝相对于所要处理的液体混合物而言为化学惰性，可选用无机或有机材料，如玻璃材料、陶瓷材料、聚烯烃材料、碳纤维材料及金属、金属的合金材料等，优选为不锈钢材料。所述纤维丝的形状和结构没有特别的限制，纤维丝形成纤维束的形状及结构也没有特别的限制。所述纤维丝的直径为0.002-2mm，优选0.02-0.2mm，纤维丝在所述筒体中的填充率(纤维丝填充率表示为：所有纤维丝的横截面积之和÷所述筒体的内横截面积×100/100)为0.25-70％，优选5-60％，进一步优选30-50％。纤维丝的长度以达到分离的目的而定，因此随待分离的混合物有所变化，并可在本发明的教导之下通过简单的实验即可确定。
所述纤维丝可以是实心的，也可以是中空的。但是为清理方便计，优选纤维丝为实心的。
在本发明的装置中，内装纤维束的、基本为竖直设置的筒体与接收器相连接；接收器的进口与筒体的出口相连，筒体与接收器的连接可以是密封的(即与外界相通)，也可以不是密封的。
本发明的分离装置中，接收器可以为任何容器，其材质相对于所分离的液体为惰性。接收器的出口优选为两个，其位置优选为分别高于、低于预期的分离后的液体的相界面；这样，即可直接从出口处分别获取分离后的液体。另外，还可以在接收器的上部设置一个出口，以排出接收器内部的气体。
由于采用纤维束作为互不相溶液体混合物的分离介质，互不相溶的液体混合物在流入接收器之前已变成单独的两相，因此与内装纤维束的筒体相连接的接收器可以制造得小一些，而不必如上述常规的沉降罐那样，因为要获得较长的分离时间而制造得较大。
本发明的分离装置及方法可用于各种液体混合物的分离，其中包括用于粘度较大的液体混合物的分离，如用于粘度较大的生物柴油与甘油混合物的分离，其分离效果较现有技术分离方法好。
以下结合附图对本发明作进一步的介绍。附图仅仅一般表示优选的示意流程图，而并不打算给出有关加热器、泵、阀、工艺过程的控制设备等以及各部件的具体结构及连接方式等详情，即只表示出对熟知本技术领域的人们了解本发明来说是基本的或非显而易见的设备情况。另外，必须指出，图中的尺寸关系并不代表实际装置中的大小和比例关系。
参照附图1，互不相溶的且密度不同的两组分(分别表示为数字1和2)液体混合物经进口3流入筒体4中，通过流体分配器5的分配作用，分散流到纤维束6的处于端部6a的纤维丝上，然后流过筒体4的出口4b与接收器7的进口7a流到纤维束6的另一端部6b。分配器5由连接于纤维束端部6a的板状或盘状物5a构成(图2)，其径向尺寸(直径)可以基本上等同于筒体4体身的内径(见图1b)，也可以大于筒体4体身的内径，而筒体4的端部4a的尺寸随之扩大，并大于筒体4的体身部分，基本上呈倒锥形(见图1c)。纤维束端部6a的纤维丝以一小束又一小束的形式分散穿过板状或盘状物5a上的通孔5b而固定，固定可以采用本领域技术人员已知的各种方式进行，如将穿过通孔5b的纤维丝小束箍紧后吊装在通孔5b上，而所用紧固件的尺寸必须大于通孔5b。流体从纤维丝上脱落后分成上下两层(界面表示为数字8)，上层为相对密度小的液体1，下层为相对密度大的液体2。下层液体由接收器7的出口7b流出，上层液体由接收器7的另一出口7c流出。接收器7还可设置气体出口7d。
本发明也可用于互不相溶液体-气体混合物的分离。当这样的互不相溶液体-气体混合物进入本发明装置后，分离的气体从接收器的出口7d流出。
实施例
采用下列实施例对本发明作进一步说明，但是这些实施例只是为了说明目的，而不为是对本发明的限制。
实施例1
本实例说明采用本发明的装置和方法进行油水分离的效果。
在高为60mm、内径为6mm的竖直放置的不锈钢管内，装填由0.1mm的实心不锈钢丝构成的纤维束，纤维束的一个端部与进料口相连，另一端部插入作为接收器的烧杯(150ml)底部，纤维束长度为200mm，由此制成纤维丝装填率为5.4％的简易纤维束分离装置。
将焦化汽柴油(馏程99～355℃，密度(20℃)0.8172g/cm3，运动粘度(20℃)3.2mm2/s，由中国石化股份公司扬子石化分公司提供)与一定量的蒸馏水(密度(20℃)1.0g/cm3，运动粘度(20℃)1.0mm2/s)在剪切状态下混合泵入纤维束分离装置，流量为2.82ml/min，室温操作。从接收器中远离纤维束的液面取样，分析水含量。水分测定：卡尔·费休法，执行国家标准GB/T 11133-1989。
测得进分离装置前的焦化汽柴油中水含量1197μg/g(即乳化在油中的水)，在下述的实施例2与对比例1中也是如此。
下述取样的方式、时间及水含量测定方法与实施例1相同。实验结果见表1。
实施例2
本实施例采用与实施例1相同的装置和方法进行油水分离，只是纤维丝装填率为16.2％。
油水分离实验与实施例1相同，实验结果见表1。
对比例1
本对比例说明不采用纤维束装置进行油水分离的效果。
分离装置与实施例1相同，只是纤维丝装填率为0，即分离装置中不装填纤维丝。
油水分离实验与实施例1相同，实验结果见表1。
表1
| 项目 | 实施例1 | 实施例2 | 对比例1 |
| 纤维丝填充率，％ | 5.4 | 16.2 | 0 |
| 分离后油中水含量，μg/g | 155 | 146 | 1118 |
从表1看出，采用纤维束分离装置进行油水分离，可以在较短的时间内获得较好的分离效果。
实施例3
本实例说明采用本发明的装置和方法进行粘度较大的生物柴油与甘油混合物的分离效果。
将市售大豆油(密度0.92g/cm3)与甲醇(分析纯，密度0.792g/cm3)按照6∶1的摩尔比泵入容积为75ml的盘管式反应器中进行超临界反应，反应温度300℃，反应压力10MPa，总进料流速2.5ml/min。
将反应后的混合物(主要由甘油与作为生物柴油的脂肪酸甲酯组成)闪蒸除去甲醇后在剪切状态下泵入纤维束分离装置(与实施例1相同，只是纤维丝填充率为10.8％)，流速2.82ml/min，保持流体温度为40℃。流体在接收器中分为上下两层，上层为油脂层(密度(20℃)0.8842g/cm3，运动粘度(20℃)4.32mm2/s)，下层为甘油(密度(20℃)1.261g/cm3，运动粘度(20℃)1180mm2/s)。在接收器中远离纤维束的上层液面取生物油脂相分析所含甘油含量。油脂与甘油的含量分析采用气相色谱法(ASTM 6584)。实验结果见表2。
对比例2
本对比例说明不采用纤维束装置进行生物柴油与甘油混合物的分离效果。
分离装置与实施例3相同，只是纤维丝装填率为0，即分离装置中不装填纤维丝。
分离实验与实施例3相同，实验结果见表2。
表2
| 项目 | 实施例3 | 对比例2 |
| 纤维丝填充率，％ | 10.8 | 0 |
| 接收器中界面状态 | 明显 | 不明显 |
| 分离后生物柴油中甘油重量含量，w％ | 0.048 | 0.976 |
从表2看出，超临界反应生成的生物柴油与甘油混合物经纤维束分离装置处理后两相界面明显，分离效果显著。
Claims (12)
1.一种分离液体混合物的方法，包括
a.使一种液体混合物流经一个纤维束；
b.使纤维束上流动的混合物各液体组分分别沿纤维束进入已分层的各自液体组分中，其中纤维束的末端位于已分层的液体组分间的相界面之下。
2.根据权利要求1的方法，其中液体混合物由两种液体组分构成。
3.根据权利要求1的方法，其中液体混合物由两种密度不同的液体组分构成。
4.根据权利要求1的方法，其中液体混合物由两种粘度不同的液体组分构成。
5.根据权利要求1的方法，其中所述液体混合物由两种密度和粘度不同的液体组分构成。
6.根据权利要求1的方法，其中液体混合物由两种不相溶的液体组分构成。
7.一种分离液体混合物的装置，包括
a.一个内装纤维束的、基本为竖直设置的筒体，所述筒体上端具有一个进口，下端具有一个出口；及
b. 一个位于筒体下方并与筒体相连的接收器，所述接收器具有一个进口和至少两个出口，所述接收器的进口与筒体的下端的出口相连；
其中，纤维束的一端置于筒体内靠近上端端部的位置，纤维束的另一端则穿过筒体的出口并经由接收器的进口伸入到接收器内部，处于预期的各液体组分间的相界面以下。
8.根据权利要求7的装置，其中所述内装纤维束的、基本为竖直设置的筒体在其内部靠近上端端部处具有流体分配器。
9.根据权利要求7的装置，其中所述内装纤维束的、基本为竖直设置的筒体的轴向与竖直方向成0-25°角。
10.根据权利要求7的装置，其中所述纤维丝的直径为0.002-2mm。
11.根据权利要求7的装置，其中所述纤维丝在所述筒体中的填充率为0.25-70％。
12.根据权利要求7的装置，其中所述纤维丝是实心的。
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