磁性分离技术综述

磁性分离技术综述（精选5篇）

篇1：磁性分离技术综述

现代分离技术研究与进展

摘要：从现代化工和新技术的发展需求出发，论述了化工分离技术的重要性，以及各新型分离技术的分离原理，应用优点和缺陷以及应用现状，并对当代化工新型分离技术的发展特点进行了探讨。

关键词：现代分离技术；泡膜分离；膜分离；超临界分离

Modern separation technology research and progress Abstract: From the development needs of the modern chemical industry and new technologies ,it discusses the importance of chemical separation technology and the principle of all kinds of new separation technologies, as well as advantages and shortcomings of the application, and application status ,in addition, it discusses the development characteristics of the contemporary new chemical separation technology.Keywords: modern separation techniques;bubble membrane separation;membrane separation;supercritical separation

无论化学、石油、冶金、食品、轻工等工业都广泛应用分离过程。化工生产中，原料的净制、中间产物和主副产品之间的分离、同位素的分离和重水制备；生化领域中抗菌素的净制、病毒的分离、生物制品的下游技术，冶金工业中矿物的精选等等，都离不开分离技术。

随着工业的现代化，科学研究和生产技术向着高质量、高纯度、精密加工、微型化和高技术密集型发展，而这些都必需有分离过程的密切配合。随着现代工业大型化生产的趋向，分离过程起着重要作用，必需采用有效的分离过程化废为宝，变害为利。因此选择高效、低耗的分离技术还与降低成本、减少能耗以及提高产品质密切联系。科学的发展、学科的交叉提供了这种可能。在使常规分离过程如蒸发、结晶、蒸馏、吸收、萃取、干燥等得到不断完善和发展的同时，又衍生、开发出众多新的分离方法，如泡沫分离、超临界萃取、固膜与液膜分离等，展示了巨大的应用潜势。

1．泡沫分离

泡沫分离技术是近几十年发展比较快的新兴分离技术，通常把凡是利用气体在溶液中鼓泡，以达到分离或浓缩的这类方法，总称为泡沫分离技术。泡沫分离技术的研究开发已经有将近一个世纪的历史。作为分离对象的某溶质，可以是表面活性物质和洗涤剂，也可以是不具有表面活性的物质，但它们必须具备和某一类型的表面活性物质能够络合或螯合的能力，当在塔式设备内部鼓泡时，该溶质可被选择性的吸附在自下而上的气泡表面，并在溶液主体上方形成泡沫层，将排出的泡沫消泡，可获得泡沫液（溶质的富集回收），在连续操作时，液体从塔底排出，可以直接排放，也可以作为精制后的产品液。

泡沫分离是根据表面吸附的原理，借助鼓泡使溶液中的表面活性物质聚集在气/液界面，随气泡上浮至溶液主体上方，形成泡沫层，将泡沫和液相主体分开，从而达到浓缩表面活性物质（在泡沫层），净化液相主体的目的。从液相主体中浓缩分离的既可以是表面活性物质，也可以是能与表面活性物质相互亲和的任何溶质，比如金属阳离子、蛋白质、酶、染料等等。另外，一些固体粒子（沉淀微粒或矿石小颗粒），也可以被表面活性物质吸附，从溶液中分离出来。

泡沫分离必须具备两个基本条件，首先，所需分离的溶质应该是表面活性物质，或者是可以和某些活性物质相络合的物质，它们都可以吸附在气/液界面上；其次，富集质在分离过程中借助气泡与液相主体分离，并在塔顶富集。因此，它的传质过程在鼓泡区中是在液相主体和气泡表面之间进行，在泡沫区中是在气泡表面和间隙液之间进行。所以，表面化学和泡沫本身的结构和特征是泡沫分离的基础。

该技术具有3个特点：（1）设备比较简单、能耗低、投资少，而且操作和维修都方便；（2）在常温或低温下操作，因此适用于热敏性和化学性质不稳定的成分的分离；（3）适用于低温度组分的浓缩和同收。尽管泡沫分离技术具有很多优势，但是它也存在着一些不足之处，如表面活性物质大多是高分子化合物，消化量较大，有时也难以回收，泡沫塔内的返混严重影响分离的效率，溶液中的表面活性物质的浓度难以控制等。随着现代工业的发展，泡沫分离技术在一种物质的分离往往需要几种分离方法才能达到分离的要求，泡沫分离常常与萃取、沉降、生化等方法共同应用于化工、生化、食品、医药、污水处理等领域，用以达到更加广泛的使用领域。

因此对泡沫分离技术分离效率的影响因素及其影响程度的研究就显得十分重要。并且分离设备的创新和改善对于泡沫分离技术的工业化应用也起到了重要作用。

为提高泡沫分离的效率，改善泡沫分离设备的性能，有关各种表面活性剂在气-液界面处发生分离的吸附机理以及吸附特性还有待于继续研究，尤其是吸附动力学、以及表面活性物质混合物的竞争吸附。有关吸附动力学和流体力学行为，目前还没有统一的数学模型。此外，由于吸附而引起的溶液粘度等物性的变化，也可能会影响到泡沫排液和泡沫稳定性。聚并对分离效率有显著的作用，所有会影响聚并的因素也应加以研究。单级、半间歇及连续操作的泡沫塔的分离能力已有较详细的论述，而多级逆流或错流模型还需进一步考察。有效的泡沫分离和破沫模型的放大，对于多级泡沫塔的操作也是非常重要的。

2．膜分离技术

膜分离技术是在20世纪末兴起的一种新型分离技术，预计在21世纪还会以更快的速度发展。膜分离技术是以选择透过性膜作为分离介质，通过在膜两侧施加某种推动力(如压力差、蒸汽分压差、浓度差、电位差等)，使得原料侧组分有选择性地透过膜，从而达到分离、提纯和浓缩的目的。虽然膜分离技术的机理、操作方式各异，但在食品加工、医药和生化技术领域有其独特的适用性。近年来，膜分离已逐渐成为化学工业、食品加工、废水处理、医药技术等方而的重要分离技术。

膜分离过程具有以下特点：（1）一般膜分离过程不发生相变化、能耗低；（2）膜分离过程可在常温下进行，特别适合于热敏性物质(如果品、酶、药物)的分离分级和浓缩；（3）适于膜分离过程的对象广泛，大到肉眼看得见的颗粒，小到离子和气体分子；（4）膜分离过程装置简单、操作容易、易于自动控制，维修方便。由于膜材质价格高，大多数膜工艺运行费用昂贵，因此阻碍膜分离技术的进一步推广与普及。

膜分离技术具有分离效率高，设备简单，操作方便，无相变和省能等优点，它在环保领域中的应用潜力很大, 发展前景十分广阔。但是，总体上来讲，膜成本太高，膜污染及压实等问题缩短了膜的使用寿命，这些问题阻碍了膜技术的进一步大规模应用。今后应在以下几方面进行研究：（1）开发耐高温、抗污染、耐酸碱等性质稳定、成本低廉的新型膜材料，以降低造价；（2）开发能充分发挥膜性能的膜组件并向大型化发展；（3）弄清膜污染的机理, 找到解决膜污染的最佳途径以延长膜的使用寿命；（4）建立并完善机理模型, 充分考虑影响膜分离过程的因素, 减少模型中需经实验测定的参数, 用理论指导实践；（5）各种膜分离技术的组合使用、膜分离技术与常规环境处理单元的有机结合、分离性能更高、操作更简便的处理工艺系统是今后的发展的方向。总之, 我国膜分离技术在环保领域中的应用水平与世界先进水平尚有较大差距, 开发适合环保领域应用的高效分离膜及方便、能耗小、易产业化的膜分离过程和大型组件是当务之急。随着膜研究的不断深人, 膜分离技术的应用范围将越来越广。

3．超临界萃取

超临界流体指的是物体处于其临界温度和临界压力以上状态时，向该状态气体加压，气体不会液化，只是密度增大，具有类似液体的性质。同时还保留气体性能。超临界流体即具有液体对溶质有较大溶解度的特点，又具有气体易于扩散和运动的特点。更重要的是超临界流体的许多性质如：粘度、密度、扩散系数、溶剂化能力等性质随温度和压力变化很大，因此对选择性的分离非常敏感。

近二三十年来，随着科技进步和生活水平提高，人们对健康、环境有了新的认识，对食品、医药、化妆品等有关身心健康的产品及相关生产方法提出了更高标准和要求。超临界萃取技术作为一种独特，高教，清洁的新型提取、分离手段，在食品工业、精细化工、医药工业、还是环境等领域己展现出良好的应用前景，成为取代传统化学方法的首选。目前，世界各国都集中人力物力对超临界技术基础理论、萃取设备和工业应用等方面进行系统研究，耿得了长足进展。

超临界流体萃取分离是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的。在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地依次把极性大小、沸点高低和相对分子质量大小不同的成分萃取出来。与传统化学分离提取方法相比，超临界流体萃取分离技术具有许多优点，但也存在许多问题，主要是处理成本高、设备生产能力低、对有些成分提取率低，另外还有能源的回收、堵塞、腐蚀等技术问题有待解决。但它作为一种国际上公认的绿色提取技术，其本身特性显示它巨大生命力。随着当今社会高度发展，维护和保持一个可持续发展的环境是人类共同的要求和期望，无论是环境保护、污染的治理，还是人们对天然产物和绿色食品的青睐，传统的加工分离技术是难以企及的，所用的这些都预示着超临界技术将会拥有更为广阔的发展空间，目前超临界流体萃取分离技术的研究和应用研究成为国际研究热门，中国有丰富的天然植物、药物资源，开发和利用这些资源具有重要意义，我们应加强超临界流体萃取分离技术的基础理论和应用研究。

由于每种分离方法都存在自身的有点以及缺点，并不是现代分离技术就可以通用所有分离问题。科学技术的不断发展导致分离技术要求越来越高，分离的难度也越来越大。为了适应这些要求，除了对常规分离过程加以改进和加强外，还应不断开发新的分离方法。

参 考 文 献

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篇2：磁性分离技术综述

1.基本原理

渗透汽化(渗透蒸发,Pervaporation，简称PV)是一种新型膜分离技术。渗透汽化膜的基本原理是渗透汽化是利用致密高聚物膜对液体混合物中组分的溶解扩散性能不同来实现其分离的一种膜过程，有机混合物原料液经加热器加热到一定温度后，在常压下送入膜分离器与膜接触，在膜的下游侧用抽真空或载气吹扫的方法维持低压。这样，渗透物组分在膜两侧的蒸汽分压差(或化学位梯度)的作用下透过膜，并在膜的下游侧汽化，被冷凝成液体而除去。不能透过膜的截留物流出膜分离器。因此，渗透汽化过程是依靠不同组分在特定聚合物膜中溶解扩散能力不同，透过速率不同，从而实现不同组分分离的目的。

2.研究进展

渗透汽化是膜分离技术的新秀。渗透汽化是同时包括传质和传热的复杂过程,在80 年代初开始建立小型的工业装置，近十余年来,用于有机物水溶液的分离已经从应用基础研究发展为大规模的工业应用。1982 年德国GFT 公司率先开发亲水性的GFT 膜、板框式组件及其分离工艺,成功地应用于无水乙醇的生产[6]。生产能力为1 500 L/ d 成品乙醇，从而奠定了PV 的工业应用基础。同年在巴西也建成了日产1 300 L 无水乙醇的工厂[2～4 ].此后,PV 生产规模越来越大,欧、美、日等国的公司、厂商竞相引进这一技术.1988 年法国建成了迄今世界上最大的年产4 万吨无水乙醇的工厂。紧接着。

日本也建立了若干有机溶剂脱水工厂，用于乙醇、异丙醇、丙酮、含氯碳氢化合物等有机水溶液混合物的脱水。目前,世界上已相继建成了140 余套渗透汽化工业装置。

3.特点

与蒸馏等传统的分离技术相比,渗透汽化过程的特点是:(1)高效。选择合适的膜,单级就能达到很高的分离度。(2)能耗低。一般比恒沸精馏法节能1/ 2～2/ 3。(3)过程简单,附加的处理少,操作方便。

(4)过程不引入其它试剂,产品和环境不会受到污染。(5)便于放大及与其它过程耦合和集成。

渗透汽化膜的基本特征是具有各相异性形态的能起分离作用的致密薄层。有各种不同的渗透汽化膜, 按材料分有有机高分子膜和无机膜;按结构分有均质膜、非对称膜和复合膜。匀质膜呈结构均一的致密无孔状, 通常用自然蒸发凝胶法制成, 厚度较大(一般为几十μm),组分透过膜的阻力大,通量小,无实用意义,一般在实验室研究中使用。非对称膜由无孔致密皮层及多孔支撑层组成, 皮层的厚度为0.1～1μm, 由同一种材料经相转化方法一次制成。目前尚未制得分离性能很好的非对称渗透汽化膜。复合膜是由多孔的支撑层上覆盖一层致密分离层而成, 分离层与支撑层一般由不同的材料制得,分离层的厚度为0.1μm到几个μm。在多孔支撑层表面制取分离层的方法有浸渍法、涂布法、等离子聚合法和界面聚合法等。按功能分有亲水膜、亲有机物膜和有机物分离膜。亲水膜也称水优先透过膜, 由具有亲水基团的高分子材料或高分子聚电解质的分离活性材料制成。最典

型的如GFT膜,其分离层由亲水的PVA材料制成。亲有机物膜,也称有机物优先透过膜,采用低极性及低表面能的聚合物作为分离活性材料制成,目前主要有硅橡胶及其改性物、聚取代烃、含氟高聚物及改性物。有机物分离膜即有机混合物分离膜, 其膜材料的选择没有普遍原则, 必须针对所分离体系的物理化学性质, 目前开发较为成功的有芳烃/ 烷烃分离膜、醇/ 醚分离膜。

4.传质模型

渗透汽化是同时包括传质和传热的复杂过程,用于描述其传递过程机理的模型有多种,如溶解扩散模型、孔流模型、不可逆热力学模型、虚拟相变溶解扩散模型、非平衡溶解扩散模型等。其中普遍认可的是溶解扩散模型。根据溶解扩散模型,渗透物组分通过膜的传递分为3个步骤:料液中渗透组分的液体分子在膜上游侧表面溶解;然后扩散通过膜;最后在膜下游侧解吸进入汽相。简称为溶解 —扩散 —解吸。溶解扩散模型实现的方法是:将欲分离的有机混合液(供给液)置于膜的一侧,另一侧抽真空或让快速流动的惰性气体通过,这样,供给液(欲分离体系)中的各液体组分选择性溶解、扩散透过膜,然后从膜的透过侧表面气化,蒸气直接放空或被冷却重新转变为液态,从而达到浓缩分离的目的。所以渗透汽化是一个既有质量又有热量通过膜的传递过程,离开膜的物料温度和浓度都与原加入料液不同。渗透汽化过程中由于温度降低使得易渗透组分的分压既随滞流物浓度降低而降低,又随温度降低而降低,导致滞流物的推动力比原加料的低,同时也使横跨膜的流量减少。为了避免温度过低带来不良影响,现在普

遍采用将膜区分成多级的方式。经预热的原料液进入第一级膜,在此级中由于渗透蒸发失去热量使得温度降低,经膜分离的料液通过中间热交换器被重新加热到原料液温度,进入第二级膜,直到最后经分离的料液达到指定组成为止。根据溶解扩散模型假定,扩散是控制步骤,而液2膜界面的溶解及膜2汽界面的解吸速度非常快,膜表面与液相及汽相均处于平衡状态,也就是说过程的速率由渗透物通过膜的扩散来决定。由这一模型来预计渗透通量和分离系数将会出现较大的偏差,因此许多研究人员在致力于研究和改进渗透汽化过程的膜传递模型。

5.应用体系

渗透汽化技术在化工生产上的应用十分广泛,主要用于有机溶剂的脱水、水中少量有机溶剂的脱除和有机/ 有机混合物的分离。首个渗透汽化的中试装置是用于发酵乙醇产品的脱水。目前,渗透汽化已广泛用于醇类、酮类、醚类、酯类、胺类等有机水溶液的脱水(例如润滑油生产中脱蜡溶剂的脱水),为这类有机溶剂的生产提供新的经济有效的方法。用于其它含少量水的有机溶剂(如苯、含氯的烃类化合物)中少量水的去除有更大的优势。该技术在有机水溶液脱水方面潜在市场很大。从废水中除去少量有机物,目的是解决环境污染问题。可处理的污染物有苯、甲苯、酚、氯仿、三氯乙烷、丙酮、甲乙酮、醋酸乙酯等。用有机物优先透过膜使少量有机物透过,可使水中有机物含量符合排放标准,且整个过程的能耗很低。对于回收有机水溶液中含1 %～5 %的有机溶剂,传统的方法是精馏或萃取,利用渗透汽化与传统方法结合回收溶剂,总操作费用为单纯精馏的1/ 2～2/ 3 ,整

个生产装置的总投资比传统的分离方法省20 %～60 %。化工生产中有大量的有机混合物需要分离,有相当一部分有机混合物是恒沸物、近沸物及同分异构物。用普通的精馏方法不能分离或难于分离,用恒沸蒸馏或萃取精馏需加入第三组分,这不但使分离过程复杂化,设备投资增加,能耗及操作费用上升,而且不可避免第三组分(共沸剂或萃取剂)的损失及对产品的污染。用PV法具有过程简单、能耗低、投资及操作费用省、无污染等优点,因此,有机混合物分离是PV技术中节能潜力最大的应用,代表性的有醇与醚、芳烃与烷烃、烷烃与烯烃的分离。如果这些应用取得突破性的进展,成功地应用于工业生产,那么,许多高能耗的工艺将会被此项技术所取代或部分取代,在化学工业中将产生举足轻重的影响。

目前的研究方向主要是: 聚离子型高性能渗透汽化透水膜;高性能透有机物膜;有机物/ 有机物分离膜;过程和设备的设计与优化;渗透汽化膜分离机理与膜材料预测基础研究。PV 技术具有广阔的应用背景及市场，在未来的十多年中，它将与其他膜技术一道，成为影响我国经济发展的一个关键技术，谁先占有它，谁将在商品竞争中获益。

6.结语

我国PV 技术的研究开发起始于80 年代初,目前已进入中试研究阶段.研究的重点是脱水膜的制备及膜对有机水溶液的渗透分离特性，所涉及的膜材料主要是聚乙烯醇和壳聚糖,及二者的共混物。清化大学化工系研究的改性PVA/ PAN 复合膜,小试膜性能已达到GFT

膜的水平，并于1992 年11 月通过了技术鉴定[12]。目前,已能稳定制出幅宽为250 mm 的机制平板复合膜.已使用该膜对C1～C4的醇类和水的二元及多元混合物的分离，并对丙酮中少量水及苯中微量水的脱除进行了研究。清华大学化工系与燕山石化公司合作，计划在燕山化工二厂建立千吨级苯脱水渗透汽化装置。该项目的实施将为渗透汽化技术在我国实现工业化应用奠定基础。

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篇3：超导磁分离技术综述

1. 1磁分离原理

当对一个被磁化颗粒施加梯度磁场时, 作用在它两级的磁场力不等, 颗粒受到净力作用发生运动被分离出来, 这就是磁分离的原理。

磁化颗粒在磁场中受到的净力与颗粒产生的磁化强度、颗粒体积、外磁场强度及其梯度有关。计算公式为式中FM为磁场力, χ 为磁化强度, V为颗粒体积, H为磁场强度, d H/dx为磁场梯度。由此可见, 磁场强度越高磁场梯度越大, 颗粒受到净力作用就越大, 磁分离效果也就越好。

1. 2主要磁分离类型

按取得较高磁场梯度的方法, 磁分离技术分为两类: 一类是高梯度磁分离, 形成相对均匀的高磁场区, 在此区域中填充一定量的磁性介质, 使得磁性介质周围的磁场发生畸变, 形成磁分离需要的高梯度磁场; 另一类就是开梯度磁分离, 其可直接形成场强较高、磁场梯度也较高的区域, 在此区域实现对磁性物质的分离, 而不需使用磁性材料做介质。

在高梯度磁分离系统中, 分选过程一般是湿式的, 流体通过分选区时, 其中的磁性物质被吸附到磁性介质 ( 一般为金属丝状物) 上, 从而达到分离的目的。它的优点是磁场梯度大, 磁力密度可达1012N m2［1］, 易于分选细颗粒、弱磁性的物质。缺点是处理量受空间限制, 分选过程是湿式的, 需设计专门的自动装置实现连续工作、避免堵塞; 作用力程短, 只有0. 1mm左右。如果希望有尽可能的大磁选应用范围, 即便是弱磁性物质也易被分选, 可选择高梯度磁分离技术。开梯度磁分离系统的分选过程可以是湿式的, 也可以是干式的。其分选原理是待分选物质通过分选区时, 其中的磁性物质在磁力作用下发生偏转, 而非磁性物质继续原来的运动轨迹, 实现磁性与非磁性物质的分离。优点是单机处理量大; 不易发生阻塞, 可连续工作; 作用力程较长, 可达10mm左右。缺点是磁力密度较小, 只有大约为105N / m2。主要适用于处理量大、大颗粒物质的分离。

1. 3超导磁分离技术

常规磁分离技术按照磁场来源分为永磁技术和电磁技术两种。永磁体产生的最大磁场较小, 加铁芯的常规电磁体产生的最大磁场受到饱和磁化强度限制, 很难超过2T; 而不用铁芯的常规电磁体要获得大磁场需要非常大的电能励磁, 同时使用大量的冷却水来防止绕组熔化, 运行成本极高。而超导磁分离技术是使用超导磁体作为磁分离磁场来源, 无论超导磁体是使用超导块材还是超导线作, 本身几乎不消耗电能, 只需很小的维持低温条件的电能就能获得强磁场, 不需铁芯, 也没有水冷问题, 有很大的发展前途。

超导磁分离技术按照使用超导材料不同, 分为低温超导磁分离和高温超导磁分离。低温超导技术已经较为成熟, 现有超导磁分离系统多使用低温超导磁分离技术。但是低温超导技术需要极低的环境温度, 实现这个工作温度需要使用液氦冷却 ( 4. 2K) , 成本很高。

而高温超导材料临界温度高, 使用液氮 ( 77K) 制冷即可。空气的主要成分是氮气, 将空气冷却至77K便液化, 因而液氮成本很低。高温超导磁体的临界磁场和临界电流密度与温度有关, 只要使用制冷机降温至20K左右, 就能大幅提高其产生的磁场, 使得性能大幅提高。高温超导磁分离技术国内外研究基本处于实验室阶段, 但因其具有低温超导磁分离技术无法比拟的优势, 必将取代低温超导磁分离技术。

2国内外研究现状

2. 1低温超导磁分离技术研究现状

多年前美国伊利磁学公司就研制了用于提纯高岭土的超导高梯度磁分离机, 处理量为20t/h, 此高梯度磁分离机磁体为Nb Ti线绕制的超导螺管, 工作电流840A时中心磁场可达2T, 磁体绕组内径为2. 36m, 外径2. 61m, 高0. 508m［1－3］。

英国CCL公司也曾为南非Foskor磷灰矿研制了一台开梯度超导磁分离机, 用于弱磁性中等粒度磷灰石的分选, 分选磁场强度为3. 5T, 处理量达60t / h［1－3］。

德国KDH公司为土耳其伊斯坦布尔菱镁矿制作了一台鼓筒形开梯度低温超导磁分离机, 可进行干式磁选, 对弱磁性粗粒蛇纹石有很好的分选效果, 分选区磁场大于3T, 处理能力最高可达100t/h［1－3］。

80年代捷克也曾研制出一台磁场强度达5T的往复式高梯度超导磁分离机, 用于提纯高岭土, 仅在矿山做试运行［1－3］。我国多个研究单位先后开展了超导磁分离技术的研究工作, 为了实现对赤铁矿石的分选, 北京有色金属研究院和北京大学联合研制磁场强度达6T的超导高梯度磁分离装置并进行试验。北京大学和北京自动化研究所也联合研制了一台分选区直径10cm, 中心磁场约为5T的超导高梯度磁分离装置, 对金刚石尾矿进行分选试验。北京有色金属研究院还利用一台超导开梯度磁分离机分别进行了一系列干式、湿式分选试验［1，3］。

中国科学院电工研究所1990年建成了我国第一台工业化的超导高梯度磁分离装置。其分选口径80mm, 有效分选长度400mm, 超导磁体为Nb Ti线绕制的螺管磁体, 可产生5T的磁场。分选试验结果是高岭土的白度提高了4度, 高硫煤的无机硫和总硫脱除率分别可达60% 和50%［1，3－5］。

中国科学院电工研究所与低温技术实验中心合作研制了处理量达3t/h的试验用超导高梯度磁分离工业样机, 用于分选高岭土。其中心磁场达3. 5T, 装置孔径为0. 5m, 有效分选长度达1m。试验结果表明, 高岭土的白度提高3. 7 ~ 5. 3度［1，3］。

2008年11月, 高能物理研究所与企业合作, 成功研制我国首台低温超导除铁器。除铁器是将混在物料中的磁性金属杂质清除的设备, 可提高原料品质, 主要应用于港口、矿山, 是磁分离装置的一种。 这台除铁器底部表面最高磁场大于2T, 设备直径2. 3m, 高2. 3m, 重11. 8t, 可达到较好的除铁效果［6］。

2. 2高温超导磁分离技术研究现状

美国超导公司研制了一台高温超导高梯度磁分离机, 分离机装置内直径2. 5cm。高温超导磁体使用624m Bi-2223高温超导线材绕制而成, 其外直径18cm, 内直径5cm, 高度为15. 5cm, 线圈匝数为1830匝, 有双饼线圈17个。磁体分别在12 ~ 29K温度下进行了测试, 测试结果表明其在27K时能产生1T以上的磁场, 后又使用此磁分离机进行了高岭土磁分离试验［7－8］。

阿跨法恩公司、住友商事电气工业公司和杜邦公司联合完成了一项高温超导高梯度磁分离研究, 所使用磁分离装置内直径4cm。高温超导磁体使用宽3. 5mm、厚0. 24mm的Bi-2223高温超导线材绕制, 线圈内直径6cm, 外直径18cm, 高15cm, 有19个双饼线圈, 匝数为2600匝, 总重27kg, 电感0. 31H。 此磁体在21K时能产生3T的磁场, 试验结果表明将其用于去除高岭土中磁性物质, 高岭土亮度可明显提高［9］。

澳大利亚卧龙岗大学也使用Bi-2223线材研制了一款高温超导高梯度磁分离机, 磁体由12个单元组成, 在30K时能产生3T的磁场［10］。

日本九州电力公司和日立公司则联合研制了一款高温超导开梯度磁分离装置, 使用已充磁的边长33mm、厚20mm的YBCO方形高温超导块材作为分选磁体, 进行湿式分选。此装置可用于分选湖泊中的富营养物质, 也可从高岭土与水的混合物中去除高岭土, 试验表明提取高岭土的去除比例可以达到92. 7%［11］。

中国科学院电工研究所也研制了高温超导高梯度磁分离机, 磁体使用Bi-2223线材绕制, 内外直径分别为12cm和21. 2cm, 高11. 18cm, 冷却至10K时可以产生3. 22T的磁场。电工所将其用于钢铁厂工业废水的处理的实验结果表明, 其分离效率可达84. 1%［12］。

3对高温超导磁分离技术设计改进方案

高温超导磁分离技术分为高梯度与开梯度磁分离两种。就这两类模式, 本课题组分别进行了调查、 研究, 对现有技术的缺陷提出自己的设计方案, 此两项方案相比现有技术都有很大改进。

3. 1高温超导高梯度磁分离系统设计

上述高温超导高梯度磁分离装置都是使用螺管形高温超导磁体产生一个高强度的匀强磁场, 在匀场区填充磁性介质实现磁场发生畸变, 形成高梯度磁场。但螺管磁体只有中心部分磁场较为均匀, 这就缩小了分选区。为了扩大分选区, 实现对现有磁分离系统的改良, 我们提出给螺管磁体加补偿线圈来提高磁场均匀度。

3. 1. 1高温超导材料选择

用高温超导技术实现磁分离, 可以选用高温超导块材或线材, 块材在77K最高可产生3T以上的磁场。由于临界电流密度限制, 线材制作的磁体则只能产生略高于1T的磁场, 相比处于劣势。但块材的磁场作用距离小, 不适宜高梯度磁分离对分选空间的要求, 本研究选用线材, 二代YBCO线材性能好, 为研究首选。运行状态则考虑使用制冷机降至20K以下温度, 以提高磁场至3T以上。

3. 1. 2磁体绕组改进方案

经过研究发现高梯度磁分离系统设计中分选区外磁场强度最好要有一定的均匀度。这是因为磁分离效果与磁场强度、磁场梯度均有关。当流体流过分选区时垂直于流向的截面上各处外磁场强度不同会导致在不同位置流动的流体分离效果不同, 影响分离效果。而流向上各处外磁场强度不同则会导致分离效果在流体经过分选区时前后不一, 特别是使需要较高外磁场才能分离的小粒度颗粒只短时间经历高外磁场, 可能需要多次磁分离才能达到分离效果。至于需要多大的磁场均匀度, 就已有的一些装置的设计要求来看, 最高要求达到95% 。

对于高梯度磁分离系统而言, 一般要求在一个圆柱体内受到轴向磁场作用并有均匀度要求。这通常使用螺管绕组来实现, 并在绕组内部解决磁场均匀度问题。有限长直螺管磁体长度与直径比越大, 其内部磁场均匀度就越高。这样的磁体可以保证在其中心相当大范围的与其同轴的圆柱体空间内磁场的均匀度。例如中科院电工研究所建成的我国第一台低温超导高梯度磁分离装置的磁体即为螺管磁体, 其内径为136mm, 长度560mm。为满足磁分离的要求该装置在口径为80mm, 有效分选长度为400mm, 分选区内磁场均匀度达到95%［4］。但是实际设计中有时要求分选区口径较大, 以增加处理量。 为节约超导磁体制造成本也可能使用较短分选长度的分离装置多次分选来达到效果。这样就可能出现磁体长度与直径比较小, 从而分选区内磁场均匀度较小。

因此, 我们提出通过在螺管磁体两端加补偿线圈来提高磁场均匀度, 它只用增加少量的带材消耗就能扩大匀场分选区范围, 可使用相关磁体设计软件完成设计。但作为超导磁体要考虑磁体两端径向磁场较大, 可能导致临界电流密度下降, 可以在这里使用两根带材并联或厚度高、临界电流密度大的带材取代原有带材来解决。

3. 2高温超导开梯度磁分离系统设计

现有超导开梯度磁分离装置多使用超导线圈制作, 也有使用单块高温超导块材的, 但尚未有使用多块高温超导块材的。高温超导块材性能优于超导线圈, 但体积较小, 产生磁场范围小。而使用多块高温超导块材可以提供较大范围的磁场, 可提高磁分离效果, 所以我们提出制作包含多块高温超导块材的开梯度磁分离系统的方案, 以达到相比现有技术更好的分离效果。

3. 2. 1高温超导材料选择

开梯度磁分离系统有不同类型, 比如线形、偏移形、鼓筒形、对极形等。其中鼓筒形装置效果好、使用普遍, 这里主要对其进行研究。

用高温超导实现磁分离, 可以选用高温超导块材或线材。块材需进行充磁但不需直流电源, 在77K临界电流密度限制下最高可产生3T甚至更高的磁场。而同样由于临界电流密度限制, YBCO线材制作的磁体则只能产生略高于1T的磁场, 相比处于劣势。而开梯度磁分离不存在块材磁场范围小的问题, 所以这里主要考虑使用块材制作的鼓筒形开梯度磁分离系统。运行状态则考虑节约制冷成本, 设计在液氮温区。

日本有使用单块高温超导块材制作湿式鼓筒形开梯度磁分离系统［11］, 但其磁力作用面较小, 这里考虑使用多块高温超导块材制作鼓筒形开梯度磁分离系统。

3. 2. 2与高梯度磁分离相结合的方法

开梯度磁分离系统可以结合高梯度磁分离技术提高磁场梯度, 改善分离效果。办法是在其外壳上覆盖钢毛, 提高对磁性物质的吸附效率。钢毛宜选用软磁材料, 避免旋转之后磁性物质不易脱落。钢毛长度应设计在开梯度磁分离系统的作用范围内, 过短没有完全起作用, 过长则没有意义。粗细、密度等应按高梯度磁分离的要求综合考虑。钢毛均应垂直于外壳, 有一定硬度, 避免带分离粉状物过多附着, 不易脱落。

3. 2. 3鼓筒形干式超导开梯度磁分离机设计方案

依照上述设计思想, 本课题组设计了一种鼓筒形超导开梯度磁分离机 ( 见图1) , 已获得国家发明专利。其主要由中心恒磁源、可环绕中心恒磁源旋转的转筒、置于转筒上方的矿粉漏斗和置于转筒下方的非磁性物质收集箱及磁性物质收集箱构成。所述中心恒磁源由一液氮温区杜瓦瓶和贴合在杜瓦瓶内表面的高温超导块材贴块组成的有磁区构成。

其基本结构与常规永磁、电磁或超导鼓筒形开梯度磁分离机基本相同。矿粉从矿粉漏斗下落, 然后随附着钢毛的转筒沿中心恒磁源有磁区的外侧运动, 非磁性或弱磁性物质 ( 图中白色颗粒) 直接下落至非磁性物质收集箱, 而较强磁性物质 ( 图中黑色颗粒) 则被磁场吸附, 继续随附着钢毛的转筒运动, 当运动至中心恒磁源的非磁性区时磁性物质下落至较强磁性物质收集箱。这样就将磁性与非磁性物质或强磁性与弱磁性物质分离。

1-中心恒磁源; 2-可环绕中心恒磁源旋转的转筒; 3-置于转筒上方的矿粉漏斗; 4-置于转筒下方; 5-磁性物质收集箱; 6-中心恒磁源有磁区; 7-中心恒磁源非磁性区; 8-液氮温区杜瓦瓶

中心恒磁源由一液氮温区杜瓦瓶和贴合在杜瓦瓶内表面的高温超导块材贴块组成的有磁区构成。 液氮杜瓦瓶设计为的圆柱形分离式杜瓦, 便于块材取放。有磁区由在无磁支架支撑下按极性不同连续交错排列多块充磁后表面磁场达3T以上的高温超导块材贴块构成。有磁区高温超导块材贴块覆盖杜瓦瓶弧形内表面不低于三分之一圆周弧度, 此列块材应为从杜瓦壁一侧中上部延伸至底部。排布单列块材也可扩大为排列多列块材, 扩大分选区。块材先充磁3T以上后再放入杜瓦。块材充磁后, 其两表面可分别形成N极与S极, 相邻块材极性若相同产生的磁场空间分布稳定, 但相邻块材间会有巨大的斥力, 故将组成有磁区的各高温超导块材贴块设计为按充磁后的磁场极性连续交错排列。图1有磁区中黑白相间的块状物即代表按不同极性方向放置的高温超导块材贴块。

为改善分离效果, 开梯度磁分离可以与高梯度相结合提高磁场梯度。这里可在转筒外侧附着钢毛, 钢毛周围的磁场发生畸变, 提高了磁场梯度, 对磁性物质的吸附效率自然提高。

4结语

本文简要介绍了高温超导磁分离技术的原理和研究现状, 并就高梯度和开梯度高温超导磁分离技术分别提出了自己的改进方案。相信随着科学技术的发展, 高温超导材料高成本、低稳定性的缺陷必将得到改善。届时, 依靠其独特的优势, 高温超导磁分离技术将不再会只是实验室技术, 实现实用化、产业化是其必然发展趋势。

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篇4：浅析膜分离技术内容

关键词: 现代分离技术;膜分离技术;前景;

DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.08.026

一、前言

在人类生活和生产实践中,人们早已经不自觉地接触和应用了膜过程。20多年前,Nolet在1748年就注意到了水能自发地扩散穿过猪膀肤而进入到酒精的渗透现象,过了10多年后,1564年J丫aube才成功研制了人类历史上第一片人造膜— 亚铁氰化铜膜。但直到20 世纪中叶,随着物理化学、聚合物化学、生物学、医学和生理学等学科的深入发展,新型膜材料及制膜技术的不断开拓,各种膜分离技术才相继出现,并深入研究应用到工业生产的各个领域。20 世纪60年代以后,当时在大规模生产高通量、无缺陷的膜和紧凑的、高面积/体积比的膜分离器上取得突破,开发了水中脱盐的反渗透过程。七八十年代又将这些进展转移至其他膜分离过程,获得巨大的经济效益和社会效益。近几年来膜分离技术发展相当迅速,应用也越来越广泛。在国际膜会议上曾将“在21世纪多数工业中膜过程所扮演的战略角色”列为专题,进行深入讨论,并认为它是20 世纪末到21 世纪中期最有发展前途的高新技术之一。

二、膜分离过程的定义、分类及膜的基本理论

膜分离是以膜作为分离介质,以外界能量或化学位差作为推动力,对双组分或多组分的流体进行分离、分级、纯化和浓缩的方法。1984年,Lakshinarayanaiah把膜广义地定义为:起栅栏作用,阻止块体移动而允许一个或几个物类有序通过的相。国际理论与应用化学联合会(R理Ac)将膜定义为“一种三维结构,三维中的一度(如厚度方向)尺寸要比其余两度小得多,并可通过多种推动力进行质量传递”,该定义在原来定义(’膜”是两相之间的不连续区间周)的基础上强调了维度的相对大小和功能(质量传递)。

定义中强调膜的“三维”或“区间”以与通常所说的两互不相溶液体之间或一种气体和一种液体之间的相界面或一种气体和一种固体之间的相界面相区别。按照这个定义,根据膜结构可分为固膜和液膜。固膜又分为对称膜(柱状孔膜、多孔膜、均质膜)和不对称膜(多孔膜、具有皮层的多孔膜、复合膜);液膜又分为存在于固体多孔支撑层中的液膜和以乳液形式存在的液膜。按化学组成分为有机材料的纤维素类、聚酞胺类、芳香杂环类、聚讽类、聚烯烃类、硅橡胶类、含氟聚合物;无机材料的陶瓷(A1203、氧化硅、氧化错等)、硼酸盐玻璃、金属(铝、把、银等);天然物质改性或再生而制成的天然膜。按作用机理分为吸附性膜(多孔膜、反应膜)、扩散性膜(高聚物膜、金属膜、玻璃膜)、离子交换膜、选择渗透膜(渗透膜、反渗透膜、电渗析膜)、非选择性膜(加热处理的微孔玻璃、过滤型的微孔膜)。以压力差为推动力的膜分离过程根据分离对象通常可分为微滤(MF)、超滤(饰)、纳滤(NF)和反渗透(R0)。

微滤用于截留直径为0.02一10?m的微粒、细菌等,常用做超滤的预处理过程。超滤可分离相对分子质量为数千至数百万的物质,如蛋白质、胶体、病毒、热原、酶、多糖等,膜孔径约为2～20 nm。纳滤用于分离溶液中相对分子质量为200～1000的低分子量物质,如抗生素、氨基酸等,允许水、无机盐、小分子有机物等透过,膜孔径约1～2nm ,其分离性能介于超滤与反渗透之间。反渗透因膜的致密结构对离子实现有效截留,仅允许溶剂水分子通过,主要用于海水脱盐、纯水制造以及小分子产品的浓缩等。膜分离过程的工作原理为:一是根据混合物物质的质量、体积、大小和几何形态的不同,用过筛的方法将其分离;二是根据混合物的不同化学性质分离开物质。物质通过分离膜的速度(溶解速度)取决于进入膜内的速度和进入膜的表面扩散到膜的另一表面的速度(扩散速度)。而溶解速度完全取决于被分离物与膜材料之间化学性质的差异,扩散速度除与化学性质相关外还与物质的分子量有关。速度愈大,透过膜所需的时间愈短。

混合物透过膜的速度相差愈大,则分离效率愈高。微滤 膜 的 分离机理普遍认为类似于“筛分”。过程主要通过三种方式实现:1、比膜孔大的颗粒的机械截留;2、颗粒之间的相互作用(如聚集、吸附)及颗粒与膜表面的吸附;3、颗粒之间的架桥作用。主要分离截留直径为住0.01～10?m以上的粒子。超滤同微滤相似,也是利用膜的“筛分”作用进行分离的膜分离过程,只是其过滤精度更高,膜孔更小。膜表面实际存在着不同孔径的微孔就像“筛子”一样,可以截住比孔径大的溶质和颗粒。超滤对大分子溶质较容易截留的原因是:a在膜面及微孔内的吸附〔一次吸附):b.在孔中的停留而被除去(堵塞);c.在膜面的机械截留(筛分)。

在实际操作中,要尽量避免一次吸附和堵塞的发生.纳滤 分 离 技术主要基于筛分效应和电荷效应13]。其孔径范围在纳米级,其截留相对分子质量范围为200一100道尔顿,其对大分子的分离机理与超滤相似,但对无机盐粒子的分离行为不仅由化学势梯度控制(溶解扩散机理)也受电势梯度的影响,即纳滤膜的分离行为与其荷电特性、溶质荷电状态以及二者的相互作用均有关系。人们往往将它和其它分离及生产过程相结合,起到降低处理费用、提高分离效果的作用。NF 膜在某些方面可替代传统的费用高、工艺烦琐的分离方法。与其他压力驱动型膜分离相比,反渗透是最精细的过程,因此又称“高滤”(h即erfiltration),它是利用反渗透膜选择性地只能透过溶剂而截留离子物质的性质,以膜两侧净压差为推动力,克服溶剂的渗透压,是溶剂通过反渗透膜而实现对液体混合物进行分离的膜分离过程。

现已工业化的主要膜分离过程均为被动传递过程,物质通过膜的分离过程较为复杂。不同物理、化学性质(如粒度大小、分子量、溶解情况等)和传递属性(如扩散系数)的分离物质,对于各种不同的膜(如多孔型、非多孔型)其渗透情况不同,机理各异,因此,建立在不同传质机理基础上的传递模型也有多种,在应用上各有其局限性,不论哪类模型都涉及物质在膜中的传递性质。膜分离过程的基本传质形式:

1、 促进传递过程,各组分通过膜的推动力仍是膜两侧的化学势梯度。组分由特定的载体带入膜中,是一种具有高选择的被动传递

2、 主动传递,其推动力是由膜内某化学反应提供,主要存在于生命膜

3、 被动传递,为热力学“下坡”过程,其中膜的作用就象是一物理的平板屏障。所有通过膜的组分均以化学势梯度为推动力,组分在膜中化学势梯度可以是膜两侧的压力差、浓度差或电逝差。

膜材料的性质

膜材料的性质主要受到其化学组成、膜表面的性质(如表面电荷,粗糙度,亲、疏水性等膜的形态(膜表面的孔隙率、孔径分布)等方面的影响。有些膜材料带有极性基团或可离解的基团,因而在与溶液接触后会由于溶剂分子极性或离解作用而使膜表面带有荷电,并与溶液中带有电荷的溶质产生相互作用。当这一作用为相互排斥时,膜表面不易污染;而为相互吸引时,膜面易吸附溶质而被污染。据Guell等的研究报道,蛋白质对亲水性超滤膜主要表现为膜面的吸附或沉积;对疏水性膜主要表现为膜孔内的堵塞。聚偏氟乙烯膜由于有较多的开孔,呈筛状形态而呈现较低的污染率。陆晓峰等用振荡吸附的方法研究了蛋白质对5种材质膜的污染情况,各种膜材料接触角与蛋白质污染度〔FR)的关系见下表

结果表明 :各种膜的污染度随接触角值的增大(疏水性增大)而增加,即膜表面亲水性越好,它受蛋白质的污染越小。显然 ,膜面光滑,易污染,膜面粗糙,容易吸附溶质而污染。膜自身的结构也是影响膜污染的一个重要方面。膜的制造经历了从对称膜到不对称膜、复合膜的发展阶段。在同样的条件下,非对称膜比对称膜具有。

减轻膜污染的方法:

1、 料液的有效处理:对料液(原水)采取有效的预处理,以达到膜组件进水的水质指标,除去易形成污染的蛋白质等物质或改变溶液PH值的方法,以脱除一些能与膜相互作用的盐等溶质

2、 改善膜的性质:改善膜的表面性质如表面极性或电荷性。

3、 改变操作步骤:适当提高水温加速分子扩散,增大滤速;或降低膜两侧的压差或料液浓度;调节PH,远离引起蛋白质沉淀吸附的等电点等,使吸附作用减弱。

4、 膜结构的选择:膜的制造经历了从对称到不对称的过程, 目前,复合膜的制造也进入了一个新的阶段。不对称膜、复合膜的耐污染性能要比对称膜要强得多。

5、膜组件结构选择:这主要考虑到料液中固含量的大小,平板、管式、卷式等膜组件的流道差别比较大,对于流动性差、固含量高的料液时应该选择大流道的膜组件,如管式等。除此之外 ,料液的pH值、盐浓度、温度以及流动速率、压力均会对膜面的污染有很大的影响。

三、膜分离过程的特点与优势

膜分离过程一般具有过程较简单,经济性较好,往往没有相变,分离系数较大,节能,高效,无二次污染,可在常温下连续操作,可直接放大,工艺简便,可专一配膜,投资回收高,再污染小等优点,特别是在对于热敏性物质(如食品、药品或生物工程产品)的处理上显示出极大的优越性。选择适当的膜分离过程,可替代真空旋转蒸发、板框压滤、袋式过滤、离心分离、静电除尘、絮凝、沉淀、离子交换、溶媒抽提、吸附和再生、蒸发、结晶等多种传统的分离与过滤方法。

3.1膜分离过程与传统的粒子过滤技术的比较

3.1.1.过滤介质

传统的粒子过滤采用较厚的、开放结构的深层过滤滤材、膜分离过程采用控制孔径的,表面过滤的薄分离膜。

3.1.2.操作压力

传统的粒子过滤施加的压力旨在促进过滤过程;膜分离过程的操作压力为分离过程的推动力。

3.1.3.过程设计

传统的粒子过滤中,进料液的流向垂直于滤材表面,可在开敞系统下操作;在一些膜分离过程中,采用错流技术,即进料液平行于膜表面流动,透过流垂直膜表面流动,分离操作须在密封系统中进行。

3.1.4.分离程度传统的粒子过滤将悬浮固体(粒径10?m)与液体分离:不同孔径的分离膜构成自离子至粒子的完整的分离谱图。

3.2、膜分离过程与蒸发、冷冻浓缩和离心分离等传统脱水过程的比较优势:无相变化,节省能源,没有复杂的传热设备,仅用电能驱动泵。与蒸发器相比,无冷凝器,无需提供大量冷却水,因而避免热污染问题。大多数膜分离过程在室温附近操作,特别适宜热敏物质的处理。小分子自由通过膜,过滤期间它们的浓度在膜两侧相等,且大体与它们在进料液中的浓度相同。因此,膜过滤期间微观环境变化很小,即PH、离子强度等几乎不变,这对离析和净化蛋白质十分有益。

四、膜分离过程的应用

4.1、饮料、化妆品、无菌水制备

4.2、电子产品---反渗透膜

4.3、引用水生产、与生物反应器结合进行的各种废水处理

4.4、淀粉废水处理和日用含糖废水处理与回收,电镀废水处理

4.5、含原油废水处理

4.6、乳化油废水处理

4.7、含油脱脂废水处理与回用

4.8、现代农牧产品加工中的应用等等

五、前景与展望

篇5：磁性分离技术综述

工业中目前已存在较为成熟的泥浆固控技术,然而该技术使用大量的沉降分离设备搭配脱气、脱气设备对泥浆进行多级处理,以达到气-液-固多相分离和泥浆循环使用的目的。该类型装置设备庞大复杂,制造和维护成本高昂,难以在实验室的小型实验装置中复制。鉴于这种问题,本文拟通过查阅当前泥浆固控技术以及其它方面气液固分离技术,总结各技术的优缺点,为工业中钻井液固控技术( 气液固分离技术) 的优化及改进和实验室钻井液动态模。

1 目前工业中钻井液固控技术( 气液固分离技术) 研究进展

随着技术的革新,越来越多的新型钻井技术和钻井工具不断地被应用,这样对钻井液的固相控制水平要求也不断提高。钻井液泥浆中的固相含量增加会降低钻井速度,甚至会导致钻井事故,造成钻井总成本的大幅度上升。研究表明泥浆中固相含量每降低1% ,钻进速度至少可提高10% ,并且颗粒越小的固相对钻速的影响越大［3］。

长期以来,国内外的油田钻井一直应用传统的四级净化系统,主要设备包括双联振动筛、除砂器、除泥器和离心机等［4］,该系统当含沙量高的时候,易引起 “跑泥浆”现象。针对这一现象和新型钻井技术的革新,钻井液的五级净化固控系统被提出,该系统除振动筛、除砂器、除气器、除泥器外,添加离心机和一些辅助设备,过程按照由粗到细的顺序逐步除去钻井液中的有害固相,可分离出粒度为2 ~ 7 的微粒,满足泥浆循环的质量要求［5］。

当前工业中对于钻井液这一高黏流体的气液固三相分离多采用机械的方式进行分离,并且未达到钻井液循环使用标准往往需要多种分离方法组合,其工艺流程复杂,系统庞大,不适合实验室的动态模拟装置的气液固三相分离部分采用。因此,为进一步为实验室研究气液固三相分离提出适宜的方案,下面对其它行业设计多相分离的技术进行总结分析。

2 其它多相分离技术研究概况

2. 1 气-液分离方法

2. 1. 1 重力分离方法

气-液重力分离方法是液体在与气体一起流动时,液体会受到重力的作用,产生一个向下的速度,而气体仍然朝着原来的方向流动,最终利用气液两相的密度差来实现分离。重力式分离器具有结构简单、操作较为方便、适用范围较大的特点,如图2 所示,但该类分离器体积较大、占地面积大、笨重及分离效果差的缺点。改进重力沉降的改进方法: ( 1) 设置内件,加入其它的分离方法,如离心分离、旋流分离等; ( 2) 扩大体积［6］。

2. 1. 2 惯性分离方法

惯性分离原理是气-液两相流通过急速转向或冲向挡板后急速转向,引起气-液两相具有不同的运动轨迹,完成分离。该类分离器主要有波纹( 折) 板式除雾( 沫) 器,它的核心组件是金属波纹板,波纹板与波纹板之间形成Z字形气流通道［7］。其特点结构比较简单、处理量较大,通常用于天然气工业中除去气流中微小的液滴。图3 为除雾器常见版型。

2. 1. 3 过滤分离方法

过滤分离［8］是通过过滤介质将气体中的液滴分离出来的分离方法,由于气体与液体的微粒大小不同,液体与气体混合一起流动时,如果必须通过丝网,就象过筛一样,气体通过了,而液体被拦截而留在丝网上,并在重力的作用下下流至分离器底部排出。该类分离器的关键部件是滤芯,其中以金属丝网和玻璃纤维分离效果较好,但滤芯也不易于清洗。图4 为金属丝网示意图。

2. 1. 4 离心分离方法

气液离心分离主要是指气液旋流分离,由于气体与液体的密度不同,液体与气体混合一起旋转流动时,液体受到的离心力大于气体,从而引起气液的分离。由于旋流产生的离心力能达到重力的数十倍甚至更多,所以与重力分离相比,离心分离具有更高的分离效能［9］。目前,气液旋流分离器主要有轴流式、螺旋式、管柱式等类型,图5 为气液离心分离器原理图。

2. 2 液固旋流分离技术

2. 2. 1 传统水力旋流器除砂工艺

水力旋流器,即旋液分离器,其工作原理与旋风分离器大致相同,料液由圆筒部分以切线方向进入,作旋转运动而产生离心力,下行至圆锥部分更加剧烈; 料液中的固体粒子或密度较大的液体受离心力的作用被抛向器壁,并沿器壁按螺旋线下流至出口( 底流) ; 澄清的液体或液体中携带的较细粒子则上升,由中心的出口溢流而出。水力旋流器主要用于原油除砂过程,其工艺布置非常重要,需根据原油特性及含砂状况选择适宜的设备及工艺路线。

在油田开发方面,采出液的含砂量及伴生气量逐渐增加,另外随着聚合物驱油和三元复合驱油技术的推广应用,使油井采出液的分离难度加大,为解决油田高效脱气、除砂难题,赵立新等［10］采用一种内锥式脱气除砂一体化三相介质分离水力旋流器的应用,简化了油气集输处理工艺,分离效率高,并使能耗降低。通过室内试验,研究了旋流器的内锥直径对脱气、除砂效果和压力损失的影响,优选内锥直径为30 mm,入口流量为1. 1 m3/ h,溢流分流比为60% 。陈秀珍等［11］对风城油田的含泥含砂超稠油采出液,利用轴向导叶式固-液水力旋流器二级串联实验,得出通过串联实验,分离效率可提高至90% 以上,但同时能量损失也较大。

2. 2. 2 转子旋流器除砂工艺

转子旋流器的工作原理［12］为含砂原油通过进液管送入旋流器的进液腔,在重力和系统来液压力的作用下,液体进入转子叶片空隙,电机带动转子高速旋转时,液体做离心和旋流运动,并进入旋流分离腔,砂粒在旋流离心力的作用下被甩向器壁,并旋转向下进入洗砂器,液体则从出液导流管排出; 进入洗砂器的油砂在搓洗器中进行清洗,最后砂粒在沉砂腔中沉积,油浮于洗砂腔的上部过程,最终实现净化的目的。该过程工艺流程简单,投资费用低,除砂洗砂效果好。在利用该技术进行含砂原油净化时,可将粒径大于45 μm的砂粒去除90%以上。

2. 3 现有三相分离方法

2. 3. 1 水力旋流器三相分离技术

Bendasiki等［13］提出一种用于悬浮固相、水和油的三相旋流分离器,并用于船舱污水的处理,对粒径为40 μm油滴去除率可达到80% ,固体去除率达到50% 以上,该设备克服了以往组合式三相旋流分离器存在的液滴破碎、乳化严重与流场不稳等缺点,促进了新型三相旋流分离设备的开发。

随后,Seureau等［14］在总结了Bendasiki设计的三相旋流分离器的优缺点之后,提出了结构更加新颖的新型三相旋流分离器,改善了旋流分离效果; 波兰海事大学的研究人员则采用CTP水力旋流器实现了液- 液- 固的三相旋流分离［15］,他们的改进路线和思路图如6 所示。

国内目前多家单位对气-液-固三相旋流分离器的结构优化和内流场数值模拟等方面做出了较多的研究,蒋明虎等［16］针对一种新型轴流式脱气除砂三相旋流分离器,利用数值模拟分析软件Fluent,对旋流器进行全流场数值模拟,研究得出了旋流器内部速度分布规律、压力降特性和气相、固相体积分数分布情况,对分离器进行变处理量和分流比( 溢流、侧向) 操作参数的对比分析,优选得出分离器最佳分离性能下的处理量、溢流分流比和侧向分流比分别为6. 4 m3/ h、40% 和4% 。他们还对内锥式三相旋流分离器的内部流场进行模拟研究,分析了分离器的分离机理,在理论方面验证了使用该分离器对气液固三相进行分离的可行性,分离器特有的倒锥结构对于气体的分离效果显著,脱气效率在实验数据区间内大多处于90% 以上,最高接近100% ; 除砂效率区间为50% ~ 80% ; 并确定出了该结构尺寸条件下分离器的最佳操作参数范围: 入口流量为2. 0 ~2. 2 m3/ h,气液比0. 2 ~ 0. 6,溢流分流比为0. 15 ~ 0. 2,底流分流比为0. 65 ~ 0. 70［17］。

2. 3. 2 螺旋管三相分离技术

螺旋管管流三相分离工艺继承了旋流器形成旋转流动强化各相体积力差的原理,直接利用油井剩余能量直接驱使油气水砂多相流在螺旋管内形成高速旋转运动,从而达到除砂的目的［18］。为了深入认识螺旋管多相流相分离现象,并为新型螺旋管除砂器设计提供指导,高晖等人［19］应用马尔文粒度仪,测量了螺旋管气水砂三相流底部水平段液膜中的颗粒浓度和粒度分布,研究表明螺旋管除砂器对于实际生产中流动工况的变化具有良好的适应性; 泡状流中提高气速有利于分离,分层流中在中等气速条件下外弯侧颗粒浓度最大,中等气速是相分离的最佳操作工况。

3 小结及实验室动态模拟装置中气-液-固三相分离方案建议

上述的多相分离技术在处理效果方面基本能满足工业生产需要,但随着地质勘探和钻井作业条件的日益复杂化,这些技术也逐渐暴露出了流程复杂、体积及占地面积大、操作条件苛刻、生产和维护成本高、以及各种方法局限性强、应用范围比较狭窄和分离机理不明确等缺点。因此,开发更加高效低阻、具有普遍实用性的气-液-固多相分离技术,优化组合多种分离技术以及研究分离机理将是今后气-液-固多相分离技术的研究重点。

对于钻井液动态模拟循环过程,循环的钻井液需进行脱气脱砂处理,为改善旋流分离器的分离功能,根据旋流分离器和重力分离的工作原理,可通过如下方案改进旋流分离器使其具有气-液-固三相分离功能: 在旋流分离器椎体底部连接另一段不同角度的椎体,形成二级椎体分离( 还可进行三级、四级椎体分离) ,提高气液分离效能,底部底流管下部为一储砂分离罐,如图7 所示; 流体在椎体部位实现气-液分离,然后固液进入储砂分离罐,密度较大的固相和液相自分离器的内壁面进入到底部储存罐内,固相和液相在分离罐内利用弱离心旋流和重力沉降进行分离,分离罐内设置液封结构,分离后的水相通过液封结构自液体出口溢流排出,固体底部排出,实现气-液-固三相连续分离操作。

摘要：钻井液的实验室动态模拟装置可以对钻井液在钻井过程的真实过程进行模拟,对取得钻井液的各项性能指标和优选钻井液配方等方面具有重要意义。对于钻井液动态模拟过程的气-液-固多相分离方法若采用目前工业中普遍采用的泥浆固控技术,则工艺过程复杂、投资成本高等缺点,本文通过分析并总结工业中泥浆固控技术和气-液-固多相分离技术,为钻井液动态模拟装置中的气-液-固多相分离技术优化设计提供建议,并通过实验室技术的改进和优化促进工业泥浆固控技术发展。