液—液相分离装置的制作方法

液
—
液相分离装置
技术领域
1.本实用新型属于分离纯化技术领域，具体涉及液—液相分离装置、液—液相自动分离系统。


背景技术：

2.液—液两相分离应用在化工、石油、生物工程、环保等行业的工艺流程中，是分离、纯化、萃取等单元操作和资源回收利用不可或缺的技术手段。
3.现有的液—液相分离技术，为提高液—液两相的分离效率，通常向分离体系中引入分离介质或材料，前者例如添加化学或微生物破乳剂，可削弱两相混合时的液—液膜强度，强化分离作用，但化学破乳剂会造成二次污染，微生物法受限于特定微生物的生长环境和应用范围，且对于连续流的液—液相分离体系而言，还意味着需要间歇补充破乳剂，导致该方法的不可持续性；后者例如采用膜法或吸附法分离，通过膜的选择透过性或吸附剂的选择吸附性，达到分离的目的，不过分离膜或吸附剂被污染后其效能会降低，且吸附剂需间歇式再生处理，均影响其在连续工艺操作中的运用。此外，适用于连续流液—液相分离的技术还包括引入外加力场或电场等，前者例如采用旋流分离法，通过离心力实现两相分离，不过该法的分离效率和产品纯度都受一定限制，且创造连续、稳定的离心力场需要耗能的动设备；后者例如采用电破乳技术，通过引入高压电场加速液滴的团聚和分离，但该法的安全性、电耗都是其大规模工业应用时的潜在问题。最后，经典的基于重力沉降原理的分离方法，例如传统的斜板沉降技术，受限于液—液两相的密度差。
4.为了克服上述诸方法的缺点，本实用新型提出了一种任意进样—优化分离—稳态出样的全程自动、操作简便的连续流液—液相分离的智能装置，将重力沉降法与智能控制相耦合，可同时达到分离效率高，产品纯度高，分离能耗低，液—液两相流连续、自动、稳定分离操作等诸多目的。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：液—液相分离装置，其特征在于，包括待分离液贮槽、分离箱、重相贮槽、轻相贮槽，所述分离箱内部设有液体进料区和液体出料区，分离箱上设有连通待分离液贮槽和液体进料区的液体进料口。所述液体进料区和液体出料区之间通过竖直设置的档板b分隔，液体出料区通过档板e分隔形成轻相液体区和重相液体区，所述轻相液体区上设有轻相出料口，通过轻相出料管线连通轻相贮槽，所述重相液体区上设有重相出料口，通过重相出料管线连通重相贮槽。
6.作为上述技术方案的优选，所述档板b上从上往下依次设有至少2个排液口，最底部的排液口连通重相液体区，最上部的排液口连通轻相液体区，每个排液口上均安装有控制阀。所述档板e的一端垂直连接档板b构成水平段d，另一端竖直朝上折弯后形成竖直段c。档板b的上端、档板e竖直段c的上端与分离箱的顶板之间均具有间隙，竖直段c与分离箱的侧板保持间距，所述间距上方位于分离箱的顶板上设有紧急出口。
7.作为上述技术方案的优选，所述液体进料区内竖直安装有档板a，档板a将液体进料区分隔形成缓冲区和沉降区，所述档板a上分布有若干通孔，所述液体进料口连通缓冲区。
8.液—液相自动分离系统，包括智能控制系统、辅助设备和上述液—液相分离装置，
9.所述辅助设备包括进液泵、轻相出料泵、重相出料泵，液位传感器，第一流量计、第二流量计、第三流量计，第一粘度计、第二粘度计、第三粘度计，第一密度仪、第二密度仪、第三密度仪，所述进液泵安装在液体进料口与待分离液贮槽之间，所述轻相出料泵安装在轻相出料管线上，所述重相出料泵安装在重相出料管线上，所述液位传感器安装在沉降区内，所述第一流量计、第一粘度计、第一密度仪安装在液体进料口上，所述第二流量计、第二粘度计、第二密度仪安装在轻相出料口上，所述第三流量计、第三粘度计、第三密度仪安装在重相出料口上；
10.所述智能控制系统包括供电模块、数据采集模块、处理与计算模块、输出模块、显示模块和通信模块。所述供电模块给整个智能系统供电；所述数据采集模块连接第一流量计、第一粘度计、第一密度仪，第二流量计、第二粘度计、第二密度仪，第三流量计、第三粘度计、第三密度仪和液位传感器；所述输出模块连接进液泵、轻相出料泵、重相出料泵和控制阀；所述显示模块提供智能系统运行状态和各项指标的实时显示；所述通信模块提供数据实时上云的功能，为云ai计算提供数据源，同时也提供处理与计算模块远程更新升级及用户远程操控系统的功能。
11.作为上述技术方案的优选，所述轻相出料管线上设有第一三通阀，第一三通阀的进口连接轻相出料泵，第一三通阀的一个出口连接轻相贮槽，另一个出口通过轻相回流管线连接待分离液贮槽；所述重相出料管线上设有第二三通阀，第二三通阀的进口连接重相出料泵，第二三通阀的一个出口连接重相贮槽，另一个出口通过重相回流管线连接待分离液贮槽。所述第一三通阀、第二三通阀连接输出模块。
12.液—液相自动分离系统的运行控制方法，包括初始进料阶段、系统自调运行阶段、优化稳态阶段；
13.所述初始进料阶段包括以下过程：待分离的两相混合液通过进液泵由液体进料口送入缓冲区，混合液穿过档板a上的通孔平稳进入沉降区，此时档板b上的排液口全部关闭，混合液在重力作用下实现相分离，其中轻相液体在上层，重相液体在下层；
14.智能控制系统设定初始液位高度值，当液位传感器感应到沉降区的液位达到预设高度值时，智能系统进入自调运行阶段，系统自调运行阶段包括以下过程：进液泵流量不变，控制阀令最底部的排液口打开，使重相液体流入重相液体区，根据液位传感器得到的液位数据，相应的控制阀令沉降区内轻相液体距离液面下方最近的排液口打开，使轻相液体流入轻相液体区；打开第一三通阀、第二三通阀，分别使轻相出料口沿轻相回流管线与待分离液贮槽导通，使重相出料口沿重相回流管线与待分离液贮槽导通，开启轻相出料泵、重相出料泵，分别使较低纯度的轻相液体和较低纯度的重相液体重新返回至待分离液贮槽中；
15.系统自调运行阶段过程中，数据采集模块采集数据，经处理与计算模块分析后，当各状态变量未达到优化稳态所需的全部条件时，判断系统偏离了优化稳态，并根据所采集数据随时间的变化趋势(如斜率)判断系统当前运行是更趋向或更偏离稳态，从而规划出系统自当前运行状态至达到优化稳态运行的最短路径。此时，输出模块发出相应指令，自动调
节相应液体泵和控制阀，控制排液口的开合或开度，梯度改变轻相、重相液体的实时流量，进而调节沉降区的持液体积，使沉降区的液位向适宜的高度靠近。数据采集模块继续收集更新的实时状态数据，重复上述步骤，经处理与计算模块分析后，直至当系统运行满足优化稳态所需的全部条件时，判断当前系统已达到优化稳态，此时输出模块不发出任何新指令，沉降区的持液体积和高度稳定在某一小范围，系统开始进入优化稳态阶段；
16.所述优化稳态阶段包括以下过程：输出模块发出相应指令，沉降区液位高度下方距离最近的排液口开启，使轻相液体进入轻相液体区，最底部的排液口开启，使重相液体进入重相液体区，同时其余排液口保持关闭状态；调节第一三通阀、第二三通阀，分别使轻相出料口沿轻相出料管线与轻相贮槽导通，使重相出料口沿重相出料管线与重相贮槽导通，使轻相出料泵、重相出料泵维持开启状态，分别使高纯度的轻相液体和重相液体进入轻相贮槽、重相贮槽中备用。
17.本实用新型的有益效果是：本实用新型针对具有密度差的不混溶液—液两相连续流分离的需要，同时满足分离效率、分离后液体组分纯度高，无需添加分离材料或施加外力场/电场，分离能耗、成本低。增加智能控制系统后，本装置成为通用型液—液相自动分离装置，内件结构简约，可完全依据实际应用场景进行尺寸设计，可广泛适应不同液—液两相组成的分离需求，可实时响应待分离液体进料的流量负荷和两相体积比，自动优化分离，操作便捷，实现两相液体的连续、稳定分离和输出。
附图说明
18.图1是液—液相分离装置的结构示意图；
19.图2是智能控制系统的结构示意图；
20.图3是智能控制系统工作的逻辑流程图。
具体实施方式
21.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
22.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
23.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
24.如图1所示，一种液—液相分离装置，包括有待分离液贮槽1、分离箱2、重相贮槽3、
轻相贮槽4。所述分离箱2内部设有液体进料区和液体出料区，分离箱2上设有液体进料口5，通过进料管线连通待分离液贮槽1和液体进料区。所述液体进料区和液体出料区之间通过竖直设置的档板b6分隔，液体出料区通过档板e的竖直段c7和水平段d8分隔形成轻相液体区9和重相液体区10。所述轻相液体区9上设有轻相出料口11，通过轻相出料管线连通轻相贮槽4，所述重相液体区10上设有重相出料口12，通过重相出料管线连通重相贮槽3。如图1所例示，所述档板b6上从上往下依次设有七个排液口13，最底部的排液口13-1连通重相液体区10，其余六个排液口13-2～13-7连通轻相液体区9，每个排液口13上均安装有控制阀14。
25.进一步的，所述档板e水平段d8的一端垂直连接档板b6，另一端垂直连接档板e竖直段c7，档板b6、竖直段c7的上端与分离箱2的顶板15之间均具有间隙，使分离箱2内部腔体上部空间保持连通状态，竖直段c7与分离箱2的侧板16保持间距，所述间距上方位于分离箱2的顶板15上设有紧急出口17。
26.进一步的，所述液体进料区内竖直安装有档板a18，所述档板a18将液体进料区分隔形成缓冲区19和沉降区20，档板a18上分布有若干通孔21，所述液体进料口5连通缓冲区19。
27.一种液—液相自动分离系统，包括上述液—液相分离装置，辅助设备和智能控制系统，后二者分别如图1和图2所示。
28.所述辅助设备，包括进液泵22、轻相出料泵23、重相出料泵24，液位传感器25，第一流量计26、第二流量计27、第三流量计28，第一粘度计29、第二粘度计30、第三粘度计31，第一密度仪32、第二密度仪33、第三密度仪34，所述进液泵22安装在液体进料口5与待分离液贮槽1之间，所述轻相出料泵23安装在轻相出料管线上，所述重相出料泵24安装在重相出料管线上，所述液位传感器25安装在沉降区20内，所述第一流量计26、第一粘度计29、第一密度仪32安装在液体进料口5上，所述第二流量计27、第二粘度计30、第二密度仪33安装在轻相出料口11上，所述第三流量计28、第三粘度计31、第三密度仪34安装在重相出料口12上。
29.所述智能控制系统，包括供电模块，数据采集模块，处理与计算模块，输出模块，显示模块和通信模块。所述供电模块给整个智能系统供电；所述数据采集模块接入各在线监测仪器、仪表的数据，包括第一流量计26、第一粘度计29、第一密度仪32，第二流量计27、第二粘度计30、第二密度仪33，第三流量计28、第三粘度计31、第三密度仪34和液位传感器25；所述输出模块连接进液泵22、轻相出料泵23、重相出料泵24和控制阀14；所述显示模块提供智能系统运行状态和各项指标的实时显示；所述通信模块提供数据实时上云的功能，为云ai计算提供数据源，同时也提供处理与计算模块远程更新升级及用户远程操控系统的功能。
30.进一步的，所述轻相出料管线上，设有第一三通阀35，第一三通阀35的进口连接轻相出料泵23，第一三通阀35的一个出口连接轻相贮槽4，另一个出口通过轻相回流管线37连接待分离液贮槽1；所述重相出料管线上，设有第二三通阀36，第二三通阀36的进口连接重相出料泵24，第二三通阀36的一个出口连接重相贮槽3，另一个出口通过重相回流管线38连接待分离液贮槽1。所述第一三通阀35、第二三通阀36连接输出模块。
31.一种液—液相自动分离系统的控制方法，所述液—液相自动分离系统的运行控制，包括初始进料阶段、系统自调运行阶段和优化稳态阶段。
32.所述初始进料阶段包括以下过程：待分离的两相混合液于待分离液贮槽1中被搅拌器39充分搅拌并混合均匀，通过进液泵22由液体进料口5送入缓冲区19，混合液穿过档板a18上的通孔21进入沉降区20，此时档板b6上的排液口13全部关闭，沉降区20中进液不断累积且液位逐渐升高，混合液中的两相在重力作用下实现相分离，其中密度较小的轻相液体在上层，密度较大的重相液体在下层。智能控制系统设定初始液位高度值，通常为沉降区20最大允许持液高度的某一百分比(设计值建议为40～60％)。当该百分比大于90％时，显示模块将提示系统液位警报状态，当该百分比达到100％时，紧急出口17处于开启状态，以防因分离箱2内任意区域腔体液位失控导致系统无法安全运行，紧急出口17连接输出模块。当液位传感器25感应到沉降区20的液位达到预设高度值时，系统进入自调运行阶段。
33.所述系统自调运行阶段包括以下过程：进液泵22流量不变，控制阀14令最底部的排液口13-1打开(图1中
①
号排液口)，使重相液体流入重相液体区10并开始累积，根据液位传感器25得到的液位数据，相应的控制阀14令沉降区20内轻相液体距离液面下方最近的排液口13-6(图1中
⑥
号排液口)打开，使轻相液体流入轻相液体区9并开始累积，其余排液口13均保持关闭状态；打开第一三通阀35、第二三通阀36，分别使轻相出料口11沿轻相回流管线37与待分离液贮槽1导通，使重相出料口12沿重相回流管线38与待分离液贮槽1导通，开启轻相出料泵23、重相出料泵24，分别使轻相液体区9排出的较低纯度的轻相液体，和重相液体区10排出的较低纯度的重相液体重新返回至待分离液贮槽1中进一步分离。
34.系统自调运行阶段过程中，智能控制系统工作的逻辑流程如图3所示。数据采集模块采集系统运行数据，处理与计算模块处理数据采集模块收集的实时数据，即时响应待分离液、重相出料、轻相出料性质的改变，分析系统当前运行状态。当各变量未达到优化稳态所需的全部条件时，判断系统偏离了优化稳态，并根据所采集数据随时间的变化趋势(如斜率)判断系统当前运行是更趋向或更偏离稳态，例如采集轻相液体密度逐渐变小，同时重相液体密度逐渐变大，表明系统正趋于稳态，从而规划出系统自当前运行状态至达到优化稳态运行的最短路径。此时，输出模块发出相应信号指令，自动调节档板b6上的控制阀14、轻相出料泵23和重相出料泵24，控制相应排液口13的开合或开度，梯度改变轻相液体和重相液体的实时流量，进而调节沉降区20的持液体积，使沉降区20的液位自当前值升高或降低，并快速、自动向适宜的高度值逼近。当数据采集模块继续收集更新的实时状态数据，重复上述步骤，经处理与计算模块分析后，直至当系统运行满足优化稳态所需的全部条件时，判断当前系统已达到优化稳态，此时输出模块不再发出任何新指令，沉降区20的持液体积和高度稳定在某一小范围内，系统进入优化稳态阶段。
35.在优化稳态阶段，待分离液体进料的流量(q
in
)约等于重相液体出料的流量(qh)和轻相液体出料的流量(q
l
)之和。沉降区20的实时持液体积(v)和液位高度(h)均收敛至优化稳定状态，v不超过沉降区20最大允许持液体积(v
max
)，不小于沉降区20恰好覆盖底部两个排液口13-1和13-2(分别为图1中
①
号和
②
号排液口)的持液体积(v2)，h不超过沉降区20最大允许持液高度(h
max
)，不小于沉降区20恰好覆盖底部两个排液口13-1和13-2(图1中
①
号和
②
号)的持液高度(h2)，重相层液体体积(vh)不小于沉降区20恰好覆盖最底部排液口13-1(图1中
①
号)的持液体积(v1)，重相层液体高度(hh)不小于沉降区20恰好覆盖最底部排液口13-1(图1中
①
号)的持液高度(h1)。qh与q
l
之比值，vh和轻相层液体体积(v
l
)之比值，hh和轻相层液体高度(h
l
)之比值，均近似等于待分离液重相的体积分数(θh)和轻相的体积分数
(θ
l
)之比值。轻相液体在沉降区20的停留时间(τ
l
)近似等于重相液体在沉降区20的停留时间(τh)。轻相液滴的最大上浮时间(t
l
)和重相液滴的最大沉降时间(th)由斯托克斯定律计算而得，其中待分离液体液滴的直径由用户根据经验借助通信模块输入，取值范围一般为0.1～1mm。所述停留时间(τh或τ
l
)一般是所述分离时间(t
l
和th二者的大值)的2～5倍，该比值过大会降低分离效率，造成分离箱2较大的设计尺寸，增加分离成本，比值过小则两液体相无法充分分开，降低分离纯度，实际运行中可由用户根据待分离液体的具体情况，借助通信模块输入经验值。q
in
、q
l
和qh分别由第一流量计26、第二流量计27、第三流量计28数据直接获得；θh和θ
l
由第一粘度计29、第二粘度计30、第三粘度计31，和第一密度仪32、第二密度仪33、第三密度仪34根据溶液混合规则估算而得；v、h、v2、h2、v1、h1、v
max
和h
max
均由分离箱2的设计尺寸和液位传感器25数据直接获得，液位传感器25由档板b6上固定位置的诸排液口13相较于分离箱2底板40的高差所校准。液位传感器25可以采用超声波液位仪。
36.所述优化稳态阶段包括以下过程：输出模块发出相应指令，距离液面高度下方最近的排液口13以适当开度开启，使轻相液体进入轻相液体区9，最底部的排液口13以适当开度开启，使重相液体进入重相液体区10，同时其余排液口13均保持关闭状态；调节第一三通阀35、第二三通阀36，分别使轻相出料口11沿轻相出料管线与轻相贮槽4导通，使重相出料口12沿重相出料管线与重相贮槽3导通，使轻相出料泵23、重相出料泵24维持开启状态，分别使高纯度的轻相液体和重相液体进入轻相贮槽4、重相贮槽3中备用，从而实现两液相的连续、自动、稳态分离。如上安排的好处是，在重力沉降过程中，重相液体靠下层的部分和轻相液体靠上层的部分率先实现液—液分离，所以上述的流出液采集方式，避免采集位于相界面附近尚未完全分离的混合液，亦无需等待分层彻底完成再采集流出液，既不破坏被分离液的纯度，还保证了较高的分离效率。
37.值得一提的是，本实用新型专利申请涉及的液体泵、管线、控制阀、在线监测设备等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本实用新型专利的发明点所在，本实用新型专利不做进一步具体展开详述。
38.以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思做出诸多修改和变化，因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种液—液相分离装置，其特征在于，包括待分离液贮槽、分离箱、重相贮槽、轻相贮槽，所述分离箱内部设有液体进料区和液体出料区，分离箱上设有连通待分离液贮槽和液体进料区的液体进料口，所述液体进料区和液体出料区之间通过竖直设置的档板b分隔，液体出料区通过档板e分隔形成轻相液体区和重相液体区，所述轻相液体区上设有轻相出料口，通过轻相出料管线连通轻相贮槽，所述重相液体区上设有重相出料口，通过重相出料管线连通重相贮槽。2.如权利要求1所述的液—液相分离装置，其特征在于，所述档板b上从上往下依次设有至少2个排液口，最底部的排液口连通重相液体区，最上部的排液口连通轻相液体区，每个排液口上均安装有控制阀，所述档板e的一端垂直连接档板b构成水平段d，另一端竖直朝上折弯后形成竖直段c，档板b的上端、档板e竖直段c的上端与分离箱的顶板之间均具有间隙，竖直段c与分离箱的侧板保持间距，所述间距上方位于分离箱的顶板上设有紧急出口。3.如权利要求2所述的液—液相分离装置，其特征在于，所述液体进料区内竖直安装有档板a，档板a将液体进料区分隔形成缓冲区和沉降区，所述档板a上分布有若干通孔，所述液体进料口连通缓冲区。

技术总结
本实用新型公开了液—液相分离装置，包括待分离液贮槽、分离箱、重相贮槽、轻相贮槽，所述分离箱内部设有液体进料区和液体出料区，分离箱上设有连通待分离液贮槽和液体进料区的液体进料口，所述液体进料区和液体出料区之间通过竖直设置的档板B分隔，液体出料区通过档板E分隔形成轻相液体区和重相液体区，所述轻相液体区上设有轻相出料口，通过轻相出料管线连通轻相贮槽，所述重相液体区上设有重相出料口，通过重相出料管线连通重相贮槽。本实用新型针对具有密度差的不混溶液—液两相连续流分离的需要，同时满足分离效率、分离后液体组分纯度高，无需添加分离材料或施加外力场/电场，分离能耗、成本低。成本低。成本低。


技术研发人员：肖齐
受保护的技术使用者：嘉兴市碳捕手科技有限责任公司
技术研发日：2022.05.19
技术公布日：2023/10/20