非均相系统

化工领域术语

由具有不同物理性质的分散相和连续相所组成的物系称为非均相物系或非均相混合物。根据连续相的状态，非均相物系分为两类：气态非均相物系,如含尘气体、含雾气体等;液态非均相物系，如悬浮液、乳浊液及泡沫液等。显然,非均相物系中存着相界面，界面两侧的物料具有不同物理性质。

混合机理

液滴或气泡的分散

两种不互溶液体搅拌时，其中必有一种被破碎成液滴，称为分散相，而另一种液体称为连续相。气体在液体中分散时，气泡为分散相。为达到小尺度的宏观混合，必须尽可能减小液滴或气泡的尺寸，气泡的破碎主要依靠高度湍动。液滴是一个具有明显界面的液团，界面张力力图使液滴的表面积最小，抵抗液滴变形和破碎。因此，对液体分散而言，界面张力是过程的抗力。为使液滴破碎，首先必须克服界面张力使液滴变形。当总体流动处于高度湍动状态时，液滴表面会产生不均匀的压力分布和表面剪应力．将液滴压扁并扯碎。总体流动的湍动程度越高，可能产生的液滴尺寸越小。

实际搅拌釜内不仅能发生大液滴的破碎过程，同时也存在小液滴相互碰撞而合并的过程。破碎与合并过程同时发生，必然导致液滴尺寸的不均匀分布。实际的液滴尺寸分布取决于破碎和合并过程之间的抗衡。

此外，在搅拌釜各处流体湍动程度不均也是造成液滴尺寸不均匀分布的重要因素。实际过程通常希望液滴尺寸分布均匀。为达到分散相液滴尺寸的均匀一致，可采取下列措施：

(1)尽量使流体在设备内的湍动程度分布均匀；

(2)在允许的情况下，在混合液中加入少量的保护胶或表面活性物质。使液滴在碰撞时难以合并。

气泡在液体中的分散原因原则上与液滴分散相同，只是气一液表面张力比液一液界面张力大，分散更加困难。此外，气、液密度差较大，大气泡更易浮升逸出液体表面。单位体积的气体，小气泡不但具有较大的相际接触面积，而且在液体中有较长的停留时间。所以气泡的分散度非常重要，搅拌能达到的气泡尺寸通常为2~5 mm。

固体颗粒的分散

细颗粒投人液体中搅拌时，首先发生固体颗粒的表面润湿过程，即液体取代颗粒表面层的气体，并进人颗粒之间的间隙；接着是颗粒团聚体被流体动力打散,即分散过程。通常,搅拌过程中不会使颗粒的大小发生变化，只能达到原来颗粒尺度上的均匀混合。

对粗颗粒，如果搅拌速度较慢，颗粒会全部或部分沉于釜底,这会大大降低固、液接触界面。只有足够强的扫底总体流动和高度湍动才能使颗粒悬浮起来。当搅拌器转速由小增大到某一临界值时，全部颗粒离开釜底悬浮起来，这一临界转速称为搅拌器的悬浮临界转速。实际操作时,搅拌器的转速必须大于此临界转速，才能使固、液两相有充分的接触界面。

分离目的

化工生产中经常涉及非均相系统的分离。其主要目的如下。

(1)收集有用物质，以制取产品。例如，回收从结晶器出来的晶浆中携带的晶粒。

(2)去除有害物质。例如，气体进入反应器之前必须除净其中的杂质，以保证催化剂的活性。

(3)环境保护。近年来，各种工业污染成为国计民生中亟待解决的严重问题，因此要求工厂对排出的废气、废液中的有害物质加以处理，使其浓度符合规定的标准，以保护环境。

非均相混合物的特点是系统内部存在不同的相态，且相界面两侧的物质性质(如密度)有差别，如悬浮液、乳状液、泡沫液和含尘气体等。在非均相系统中，处于分散状态的物质（如悬浮液中的固体颗粒）称为分散相或分散物质；包围着分散物质而处于连续状态的流体（如悬浮液中的液体）称为连续相或分散介质。由于非均相系统中的连续相和分散相具有不同的物理性质（如密度不同），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问发生相对运动，因此，非均相系统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，机械分离可分为沉降和过滤两种。

分离方法

工业上有四种分离非均相混合物的基本方法为：沉降、浮选、离心分离、过滤。

沉降

在沉降过程中，颗粒受重力的作用从流体中分离出来。这里所指颗粒为固体颗粒或液滴，而流体是指液体或气体。对于气液混合物分离过程的闪蒸设备，要求气体蒸出速度小于液滴沉降速度。而简单分相器，用于液-液两相分离，这种设备要求流体水平速度足够低，以便使低密度液滴从容器底部上升到界面，高密度液滴沉降到界面并聚并到一起。这种分相器中，有时不需要内件，有时则设有水平隔板以抑制返混、促进液滴聚并，也可以设置筛孔垫或电场以促进液滴聚并。

浮选

浮选是根据颗粒表面性质的不同来进行混合物的分离。通过液体中产生的气泡与颗粒表面或不互溶液滴表面作用，使某些颗粒或液滴上升到表面达到分离目的。这种分离方法常用于分离固-固和液-液混合物，特别是在矿物加工过程中常用这种方法分离不同矿物。

当分离固―固混合物时，首先将物料粉碎，粒度应小至能将待回收的化学组分分离出来，然后将粉碎得到的小粒度颗粒混合物悬浮于某介质中（常用水作为悬浮介质）。由于气泡的作用，颗粒也一起上升到液体表面。某些成分的固体颗粒在表面富集，并通过刮刀或溢流堰卸出。固体的分离取决于颗粒表面性质的不同，有些易于粘附于气泡表面，有些则难于粘附，通常向悬浮液中加入许多试剂以满足不同的浮选要求。

a.调节剂；调节剂的目的是控制pH值，常用酸、生石灰、氢氧化钠等。

b.捕浆剂；捕浆剂为疏水剂，可优先吸附到某种颗粒表面上，将颗粒表面覆盖或部分覆盖，以增加颗粒的疏水性，使之易于与气泡粘附。

c.活化剂；活化剂能活化矿物表面，使矿物颗粒易于捕集。

d.抑浮剂；优先吸附到某种颗粒表面，降低其疏水性，阻止其与气泡粘附。

e.发泡剂；发泡剂为表面活性剂，加入悬浮介质中生成稳定的泡沫有助于分离。

浮选也常用于从油水混合物中分离出油，此时不需加入试剂，因为油是强疏水物质。气泡可通过以下三种方法产生。

a.通过某种形式的鼓泡系统，直接形成泡沫。

b.将气体加压溶解于液体中，然后减压释放到浮选池中，自然形成气泡。

c.液体电解产生气泡。

离心分离

前面的颗粒分离方法都是重力分离。而有时依靠重力分离速度很慢，其原因可能是颗粒与流体的密度相近、颗粒粒度太小或形成了稳定的乳化液。

当一个物体绕轴作等距转动时就产生了离心力，而离心力增加了对流体出口颗粒的作用，因此很多不能通过重力沉降分离的颗粒可通过离心力实现分离。

最简单的离心分离设备是旋风分离器，如图《旋风分离器示意图》所示。旋风分离器是由一个带锥形底的垂直圆简组成，混合物由靠近顶部的人口，沿切线方向进人分离器，依靠流体的运动产生离心力，使颗粒向壁面运动。进料流体进入分离器时沿壁面旋转向下运动到达锥底后，再以分离器中心为轴半径旋转向上，流体向上旋转比向下旋转半径小但方向相同，颗粒沿壁面向下移动并从锥底卸出。

过滤

过滤是用于分离悬浮在液体或气体中的固体颗粒的过程。悬浮液通过多孔介质，多孔介质只能透过流体而固体不能透过，如果固体留在介质表面的称为滤饼过滤; 如果固体留在多孔介质内部的则称为深层过滤。过滤介质可以多种形式安装在过滤设备内。

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