液-液兩相的分離過程實際上是分散相液滴在連續相中聚結和分離的過程。兩相的聚結分離過程因其所應用的單元操作以及處理的物料特性不同而不同，另一方面，由于聚結材料的多樣性也決定了其聚結分離過程操作的不同。本文主要以纖維類聚結介質為例，詳細闡述聚結機理以及影響液-液兩相分離的主要因素。

• 聚結機理

由于聚結材料的不同，從而決定了聚結分離過程的不同，但不管是板式材料還是纖維類聚結介質，完成聚結分離過程的首要因素是其能被分散相液體浸潤或潤濕。以纖維類聚結材料為例，聚結過程分為三個階段：

**階段：液滴捕集

液滴捕集過程也叫破乳過程。在石油化工操作過程中加入的各種表面活性劑、添加劑，使得乳化后的分散相得以穩定地存在與連續相中，形成“油包水”或“水包油”兩種分散體系。表面活性劑的分子結構兼具親油（疏水）和親水（疏油）兩種特性，能吸附在兩相界面上，呈單分子排列使溶液的表面張力降低。

? 表面活性劑的存在，降低了連續相與分散相之間的表面張力。由于表面活性劑存在于聚結介質和分散相液滴之間，增加了纖維捕集分散相液滴的難度，從而影響纖維破乳效果。聚結介質是親水性（極性）還是親油性（非極性）決定了分散相液滴能否被捕獲，由于纖維類介質的纖維絲徑和長短不一，形成了內部的層狀結構。纖維絲徑越細，聚結介質表面積越大，從而增加了捕集液滴的幾率。當分散相液滴穿過介質時， 分散相小液滴被纖維捕獲，從而完成破乳過程。

第二階段：液滴聚結

在完成液滴捕集過程后，由于分散相液滴與纖維的接觸角小于連續相流體，使得分散相液滴可以在纖維絲徑上鋪展，從而形成液膜，液膜在流體推動以及曳力作用下，沿著纖維絲徑運動。由于液滴不斷與液膜和纖維的碰撞、聚并，使得分散相液滴變得越來越大。如圖 2 所示為纖維類介質聚結示意圖。聚結變大后的液滴在流體推動下，隨著液滴直徑的不斷變大，大液滴**在自身重力或浮力作用下脫落。

第三階段：液滴沉降

經過液滴捕集、聚結后，分散相液滴由小變大，變大后的液滴在重力或浮力的作用下開始沉降或上升，**從聚結介質上脫落。在通常情況下液滴在液-液物系中的運動服 Stockes 規律，由于不考慮液滴表面的可動性及滴內環流的影響，液滴的終端沉降速度采用 Stokes 公式[2],即終端沉降速度由下式計算得出：

? U??=?(?ρc-ρd?)?gdi2/S 18μ

在完成上述三個階段過程后，液-液兩相由于密度不同而在設備內分層，這時的兩相流體只是初步分離，并沒有實現完全意義上的分離。因此為了實現兩相的徹底分離，需要對設備進行合理設計，以滿足兩相徹底分離的目的。

• 影響聚結分離的因素

由于液-液聚結過程受很多因素影響，其聚結要求和難度也高于固-液、氣-液分離操作。影響液-液聚結過程的因素主要有聚結介質的表面特性、纖維的絲徑、界面張力、操作狀態下的流速等， 此外還包括如兩相密度差、粘度比、pH 值等

在石油化工實際工業生產中，濾芯式液-液聚結分離設備被廣泛應用于各種工藝中，如在乙烯工業中的急冷水去除裂解汽油[3]，環己烷氧化裝置中廢堿液的分離和回收，PVC?行業中氯乙烯單體的脫水，柴油加氫裝置中成品柴油的凈化，此外，如在煤化工、生物柴油等新興領域也有應用。本文主要論述目前在石油化工中常用的二種濾芯式液-液兩相分離設備：單級聚結器、兩級聚結分離器。

• 單級聚結器

單級聚結器濾油機內部聚結元件主要有濾芯式和填料形式兩種結構形式，所處理的流體可以是純凈的也可以是含微量固體雜質的液-液擴散體系。如圖 3 和圖 4 所示，分別為濾芯式單級聚結器和填料式單級聚結器示意圖。

濾芯式單級聚結器濾油機的主要核心為由良好的聚結材料制成的聚結濾芯，適用于”油包水”和”水包油”體系。分散相小液滴經過聚結濾芯破乳、聚結、沉降后，聚結變大的液滴開始在設備內進行沉降/ 浮升，因此，設備應留出足夠的沉降空間，以便分散相和連續相能夠在設備內部實現分層。

填料式聚結器的聚結介質為金屬絲或纖維絲制成圓柱形填料包，由于金屬絲網或復合絲網的絲徑通常較粗，因此聚結效果通常低于濾芯式聚結器，尤其是乳化程度高的物系。但其優點是設備壓損底，沉降時間長。該設備通常體積較大，在某些工藝中也充當著沉降罐的作用，

連續相和分散相的密度差影響單級聚結器的設計，是兩相能否實現分離的關鍵因素。因此，在確定單級聚結器適用于流體分離時，為了實現*經濟、有效的兩相分離目的，首先確定連續相和分散相流體，根據兩相的所占的百分比，對設備進行合理的結構設計。其次應重點考慮設備的結構尺寸設計，這涉及到連續相和分散相在設備內的流動速度，以及分散相液滴在設備內的沉降/浮升時間等。

• 兩級聚結分離器

兩級聚結分離器內部裝有兩種不同功能的濾芯：一級聚結濾芯和二級分離濾芯。由于聚結濾芯可以設計成帶有過濾層的結構，因此被處理的流體中可以含有少量固體顆粒雜質。該設備在某些行業和領域中通常也被叫做過濾分離器，如 API 1581 標準中用于航空噴氣燃料的過濾分離器。濾芯式兩級聚結分離器適用于連續相為有機烴類、分散相為水性的物系的液-液分離。根據實際使用情況及場地限制，有立式和臥式兩種結構。圖 5 為立式航空燃油過濾分離器[7]的結構示意圖。

圖 5?所示聚結器將聚結濾芯和分離濾芯分開布置，可有效地減小設備高度，有利于濾芯更換和維護。PALL?公司的立式 AquaSep?液-液聚結分離器是將聚結濾芯和分離濾芯連接成一個整體，其優點是設備緊湊，利于現場布置。但無論是哪種結構，流體都是先由內向外通過聚結濾芯，然后再由外向內流過分離濾芯。

濾芯式兩級聚結分離器是目前應用范圍*廣、使用效率**的一種液-液兩相聚結分離設備。液-液兩相的分離效果和效率依據液-液體系不同，對分散相含量的要求也不相同。如 API1581中規定處理后的航空噴氣燃料水含量應不大于15 ppm。在某些石油化工工藝中，甚至要求分散相達到<1 ppm。

聚結濾芯內部*主要的介質是破乳層和聚結層，流體由內向外通過聚結濾芯，先后經過破乳和聚結過程后，分散相液滴**在聚結濾芯表面積聚、沉降，這種結構有利于液滴的聚結分離以及提高處理流量。二級分離濾芯由親油疏水材料制成， 通過在金屬網孔管上噴涂聚四氟乙烯或有機合成材料，來實現親油憎水的功能。

在實際使用過程中，液-液聚結器的選型和設計決定了兩相是否能夠實現**分離。首先應明確連續相和分散相的物性參數，如密度、粘度，以及兩相界面張力等參數；其次應了解實際操作工況以及分離要求，明確影響聚結分離的主要因素， 以此來確定聚結和分離的介質；**根據所選定的分離形式，計算和設計設備的結構尺寸。

隨著計算流體力學（CFD）的發展和應用范圍的擴大，國內已經有學者將 CFD 技術應用于液- 液聚結分離領域，如對聚結分離器內部流場的模擬分析[8]。CFD 技術的應用可以優化濾芯與濾芯、濾芯與筒體的間距，確定**流速分布規律和優化濾芯的高度以及流體分布器的結構，從而為設備的結構設計提供重要的理論依據，為液-液聚結器實現**、節能、經濟的設計和應用提供重要的指導作用。隨著石油化工領域對液-液聚結分離技術的要求提高，以及液-液聚結器的應用范圍的擴大，尤其是應用于乳化程度高的擴散體系以及酸堿或有機物腐蝕工況下的應用，因此開發高性能破乳聚結材料以適應不同流體以及不同要求的非均相分離就顯得尤其重要。