CN1440828A - 振荡流絮凝工艺方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型的絮凝工艺方法及相应装置，其要点是待处理的微粒悬浮液连续地流经一设置有挡板内件的管(塔)状通道，并通过振荡流发生机构在平均流速上叠加振荡速度分量，在振荡流场中实现絮凝剂在悬浮液中的分散混合、絮凝剂与悬浮微粒表面的吸附反应、悬浮粒子间的碰撞和聚并、絮凝体的形成和生长等物理化学过程，借助振荡流场对传递过程的强化作用，在装置出口获得大尺寸絮凝体的悬浮液，从而有利于提高后续液/固分离设备的处理。

Description

振荡流絮凝工艺方法及装置

技术领域

本发明涉及一种新型的絮凝工艺方法及实施该方法的装置。

本专利申请书全套文件所提及的絮凝含义涵盖混凝和絮凝，即英语coagulation、flocculation等。

背景技术

絮凝技术利用化学物质(絮凝剂)与悬浮液中的微粒间的化学物理相互作用，使其聚并成为几何尺寸较大的团聚物(絮凝体)，以便在后续分离过程(如沉降、气浮、过滤、离心分离等)中易于从液体中分离出去，从而获得较为纯净的液体或固体产物。絮凝技术广泛应用于环境保护、化学工业、采矿和冶金工业、轻工业等许多领域。

在工业絮凝装置(絮凝器)中进行的絮凝过程可划分为以下子过程：1)絮凝剂分散溶解到悬浮液中；2)絮凝剂分子吸附到固体微粒的表面；3)悬浮固体微粒之间的碰撞；4)某些吸附有絮凝剂的微粒在碰撞时发生聚并，形成更大的絮凝体；5)某些絮凝体(尤其是尺寸较大者)在流体流动时所产生的剪切应力作用下发生破碎，分裂成较小尺寸的絮凝体。上述子过程中的3个：絮凝剂分散、悬浮微粒之间的碰撞和絮凝体的破坏，直接依赖于絮凝器中流场的流体动力学特性，尤其是混合效率和相应的剪切速率。

对絮凝机理的研究表明，悬浮粒子表面被吸附絮凝剂分子所覆盖的分率对粒子碰撞时发生聚并的几率影响很大，中等程度的覆盖率下聚并几率最大，而低覆盖率和高覆盖率都会使聚并几率显著降低，从而使最终得到的絮凝体平均尺寸减小。有鉴于此，相对于吸附子过程的速率而言，絮凝剂分散子过程的速率应该足够快，以避免在絮凝剂注入点附近的流场中形成絮凝剂高浓度区而导致悬浮粒子表面的过度覆盖。

悬浮粒子间的聚并只能在它们进行碰撞时发生。对一定的聚并几率，粒子碰撞频率越高，絮凝速率(聚并速率)越大。在悬浮液流动过程中，宏观尺度的混合使分隔较远的粒子彼此接近，而微观尺度的混合使靠近的粒子发生碰撞。因此良好的宏观和微观混合对提高絮凝效果都是非常重要的。

为了提供絮凝剂分散和悬浮粒子碰撞所需的混合条件，传统的絮凝工艺方法主要采用静态混合器或搅拌式反应槽作为过程装置。设计优良的静态混合器可以产生良好的宏观混合，但因其停留时间太短，故而难以提供满意的微观混合以及无法让絮凝体生长到较大的尺寸。搅拌式反应槽的混合作用靠搅拌桨的旋转运动产生，其内部流场的特点之一是剪切速率(以及相应的剪切应力)的分布具有较大的非均匀性：剪切速率在槽壁附近区域远小于流场平均值，而在搅拌浆叶面附近区域则远大于流场平均值。在采用搅拌式反应槽作为过程装置的絮凝工艺中，为了在槽内的大部分区域里产生良好的分散和混合作用，必须采用较高的搅拌强度。但高强度搅拌会在搅拌桨叶附近区域产生高剪切速率和剪切应力，从而引起悬浮液中已经形成的大尺寸絮凝体发生破碎，分裂成小尺寸絮凝体。絮凝体的生成和破碎过程的动态平衡决定了悬浮液中最终的絮凝体平均粒径和粒径分布，因而搅拌式反应槽的流场特点限制了采用其作为过程装置的絮凝工艺所能获得的絮凝体尺寸，进而限制了后续固—液分离过程的分离效果，不利于提高设备和过程的经济性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的絮凝工艺方法及其实施该方法的装置。

振荡流絮凝工艺方法的特征在于：在悬浮液流经絮凝装置的平均流速上叠加振荡速度分量，在絮凝装置流道内形成振荡流场，悬浮微粒的絮凝过程在振荡流条件下进行。

实施上述振荡流絮凝工艺方法的絮凝装置的特征在于：在絮凝器前、后或内部设置有振荡流发生机构，从而在絮凝器内部产生振荡流场；在絮凝器的流道内设置挡板，使流道的流通截面发生较大的突变。

本发明的优点是：

1)周期性往复的振荡流动在流通截面有较大突变的流道内可以产生尺度和位置不断变化的涡旋流动，在全流场范围里提供优异的宏观混合和微观混合作用；

2)流场内没有运动固体部件，剪切速率和剪切应力在全流场范围里分布较为均匀；

3)通过调节流场的振荡特性参数和流道的几何结构参数，可以有效地控制振荡流场的混合特性，以满足不同悬浮液—絮凝剂体系的特殊需求；

4)悬浮液在絮凝器中的停留时间不受振荡特性参数影响，可以根据絮凝过程的需要任意调节；

5)能够获得大尺寸的絮凝体，有效地增强后续固—液分离过程的分离效果，从而显著提高固—液分离装置的设备投资和过程运行的经济性能。

附图说明

图1是振荡流絮凝工艺方法的流程示意图；

A)振荡流发生单元前置式工艺流程

B)振荡流发生单元中置式工艺流程

C)振荡流发生单元后置式工艺流程

1-悬浮液进料单元  2-絮凝剂加药单元  3-反应单元

4-絮凝单元  5-振荡流发生单元

图2是振荡流絮凝装置的振荡流发生机构示意图；

A)活塞式振荡流发生机构

B)隔膜式振荡流发生机构

C)波纹管式振荡流发生机构

图3是振荡流絮凝装置的流道挡板示意图；

图4是振荡流絮凝过程的流场形态示意图；

A)x-z平面的流场可视化图像

B)y-z平面的流场可视化图像

图5是实施例的振荡流絮凝器示意图。

具体实施方式

振荡流絮凝工艺过程由悬浮液进料单元1、絮凝剂加药单元2、反应单元3、絮凝单元4和振荡流发生单元5组成。图1给出了振荡流絮凝工艺的三种典型工艺流程的示意图，其差别在于对振荡流发生单元分别采用了前置、后置和内置方式，实际应用时可根据具体处理对象的特性选用合适的流程。

振荡流絮凝工艺过程的操作方法如下：首先启动悬浮液进料单元，使待处理悬浮液充满系统并以设定的流量稳定地通过系统；其次启动振荡流发生单元，在絮凝单元(亦可包括反应单元)的流道中产生振荡流场；然后启动絮凝剂加药单元向系统加入絮凝剂，使悬浮液在振荡流动条件下发生絮凝过程；调节振荡特性参数使出口悬浮液中的絮凝体尺寸达到最大值，并维持系统连续稳定运行。

振荡流发生单元是振荡流絮凝装置的核心组件，包括产生往复振荡机械运动并将其转化为流体的振荡流动两个主要功能。往复振荡机械运动可以用凸轮、偏心轮、曲轴、电磁驱动机构以及其它机械或电气机构产生，并通过活塞、弹性(柔性)隔膜、波纹管或者其它形式的结构在流体中产生振荡流动。图2给出了三种不同组合形式的振荡流发生单元的结构示意图。

絮凝单元中改变流道流通截面的挡板是使振荡流场产生优异混合作用的重要部件，图3给出了圆筒形流道内的圆环形挡板、圆缺形挡板和月牙形挡板的几何特征示意图。

图4给出了振荡流絮凝过程的流场形态的示意图。在振荡运动的前半周期，流体流动的振荡分量自下向上流动，在挡板后方形成大尺度主漩涡，在挡板前方形成较小的次漩涡，主次漩涡之间还会形成更小尺寸的一系列派生漩涡，提供优异的宏观混合作用。在振荡的后半周期，流体流动的振荡分量自上向下流动，各类漩涡的相位都应该反相发生，在两个相反相位的过渡过程中，在全流场范围里产生强度适中和较为均匀的剪切速率场，提供优异的微观混合作用，同时由于惯性作用，不同悬浮粒子的速度变化过程产生速率差异，从而大大提高了粒子间发生碰撞的频率，为粒子聚并生成絮凝体提供了非常有利的基础环境。

实施例：

将反应单元、絮凝单元和振荡流发生单元集成到一个圆柱形筒体内，形成一体化振荡流絮凝器(参见图5)。絮凝其内部设置了7个圆环形挡板将圆筒形流道分隔成8个腔室，在底部设置橡皮隔膜和偏心轮组成的振荡流发生机构，待处理悬浮液从最下部的腔室加入，絮凝剂注入下部第二个腔室中部，絮凝体悬浮液从最上部的腔室引出。本实施例处理的对象是2％(w)固含量的高岭土悬浮液，高岭土粒子的原始平均粒径为8微米(液相PH＝11)，初始沉降速度为0.025厘米/秒；絮凝剂选用联合胶体公司(AlliedColloid)的Magnaflocl597，用量为5克/立方米；悬浮液在振荡流絮凝器中的表观停留时间为5分钟。对挡板结构尺寸和振荡特性参数进行优化后，在出口悬浮液中获得的絮凝体平均粒径达到320微米，初始沉降速度达到0.65厘米/秒。

Claims (6)

1、一种处理悬浮液的絮凝工艺方法，其特征在于：在悬浮液流经絮凝装置的平均流速上叠加振荡速度分量，在絮凝装置流道内形成振荡流场，悬浮微粒的絮凝过程在振荡流条件下进行。

2、实施权利要求1所诉絮凝工艺方法的絮凝装置，其特征在于：在絮凝器前、后或内部设置有振荡流发生机构，从而在絮凝器内部产生振荡流场。

3、如权利要求1所诉的絮凝工艺方法，其振荡速度分量的振幅和频率可以根据悬浮液体系的特性进行调整，取得最佳絮凝效果。

4、如权利要求1所诉的絮凝工艺方法，待处理悬浮液被连续地加入絮凝装置，处理后的絮凝体悬浮液连续地流出絮凝装置，实现连续化絮凝过程。

5、如权利要求2所诉的絮凝装置，其内部流道中设置有挡板，使局部流通截面发生变化。

6、如权利要求2所诉的絮凝装置，其几何形态是垂直安装的中空圆筒体，圆筒内等距设有圆环形挡板，圆筒底部设置有弹性膜或活塞构成的振荡流发生机构，中部设有絮凝剂注入口。

Images