碟式離心機的分離影響因素及模型淺析

楊如惠

(中國石化儀征化纖股份有限公司化工項目部,江蘇 儀征 211900）

設備改造

碟式離心機的分離影響因素及模型淺析

楊如惠

(中國石化儀征化纖股份有限公司化工項目部,江蘇 儀征 211900）

分析了碟式離心機的分離影響因素,強調了在不同轉速下的流體速度對分離效果產生的影響,并通過建立碟式離心機工藝流程模型來分析其在實際操作中的應用。

碟式離心機;模型;分離影響因素

由于碟式分離機分離因素高,生產能力大,常用于分離高度分散的物系,如密度相近的液體所組成的乳濁液以及高粘度液相中含細小顆粒所組成的液-固二相懸浮液等,因此在化工、醫藥、石油、交通、食品、輕工以及生物工程等行業有著廣泛的應用。化工行業如PTA工藝中,由于母液催化劑回收單元含有大量草酸鹽沉淀,就是利用碟片式離心機加以分離回收的[1]。筆者對化工單元噴嘴碟式離心機進行液固分離過程分析并建立工藝流程模型,同時對不同轉速下離心機內部流體的流速進行分析研究。

1 碟式離心機分離影響因素淺析

1.1 碟式離心機分離基理

離心澄清是在高度分散的懸浮液中,將極細的固體顆粒從液相中分離的沉降過程,固體顆粒在碟式分離機相鄰二碟片所形成的分離通道中的運動情況如圖1所示。

圖1 碟片間隙內澄清分離過程

從分離最不利處A點出發的顆粒,在到達B′點后能分離出來的最小粒徑,即為臨界粒徑dc,即所有大于dc的顆粒均將得到分離回收,而小于臨界粒徑dc的顆粒,由于它所處出發點位置的不同部分回收。粒徑越小的顆粒,必須在靠近B點進入分離通道才能被分離,因而分離出的百分數也越小。

由離心機工作原理可知,影響固體顆粒離心分離的臨界粒徑關系如式1[2]所示:

式中,d—顆粒的臨界粒徑,m;rmax—碟片的最大半徑,m;rmin—碟片的最小半徑,m;Δ ρ—固體顆粒與液體的密度差,kg/m3;Q—碟式離心機的生產能力,m3/s;η—液體的粘度,Pa·s;ω—碟式離心機的旋轉角速度,s-1;Z—碟片數;α—碟片的半錐角。

1.2 碟式離心機分離影響因素

從式1可知,臨界粒徑與進料量、漿料粘度、旋轉速度以及碟片的結構參數等有關,因此在不改變離心機結構參數的條件下,轉速、漿料粘度、進料量以及碟片數都是影響分離效率的主要因素。增加轉速可以使臨界粒徑減小,提高分離效果,還可以減小臨界粒徑,提高分離效率;降低懸浮液的粘度同樣可以降低臨界粒徑,增大分離效率。

針對轉速的影響,有研究指出,并不是轉速越快,分離效率越高,因為當轉速非常高時,離心機內部在靠近碟片處的高的流體速度所形成的對流可能對碟片上分離的固體顆粒造成沖擊,離心效果反而下降[3]。

為了考察實際工廠中離心速度對離心機分離影響,現利用流態參數λ值,如式2所示,來判別碟片間流速的分布情況[2]。

從以上公式可看出碟片間的液體流速分布沿x方向是對稱的,極值在x=h/2處。

根據離心機結構和參數(Z=100,α=45°,流體粘度=0.9×10-3Pa·s,液體密度ρ=1 025 kg/m3,碟片間隙h=0.002 m）以及轉速可知,λ>5,因此按照離心機內部碟片間的液體流速分布有兩個方向,一個是沿碟片母線方向的流速ωlx,一個是相對圓周速度ωψx,不同轉速下,碟片間流體徑向和周向速度分布如圖2、圖3所示。

圖2 碟片內部流體徑向速度分布

圖3 碟片內部流體周向速度分布

從圖2、3中可知,隨著轉速的增加,碟片內流體徑向速度方向隨轉速增大逐漸好轉,周向速度則隨轉速增大而增大,當轉速n=3 000和n=3 300時,其流體徑向速度向下,說明流體對顆粒產生向下作用,利于顆粒沿碟片向下分離至噴嘴處,轉速越高,流體向下的徑向和周向速度越大,分離效果越好。但從圖中看出,徑向和周向流速圖離理想的拋物線形有些差距,碟式離心機內部可能產生對流,使得已經到達離心機碟片的顆粒溢流進入頂部出料,會對離心機的分離效果產生負面影響[3]。由于圖中波形震動不大,可忽略其影響。

2 碟式離心機工藝流程模型建立

2.1 工作原理

碟式離心機中具有再循環裝置,由噴嘴出來的一部分濃縮物料被排走,一部分再循環至轉碗底部,再循環流不進入碟片進行分離,只是進入轉碗底部特殊的分布器,再通過再循環管送到噴嘴附近。進料則是通過頂部進料管進入轉碗底部的分布器,并通過碟片上的進流孔進入碟片進行分離,因此被送到噴嘴處的再循環物料不會干擾進料的離心分離,進料在進入碟片分離后,被分離固體經過高速旋轉,沿著碟片向下分離至噴嘴處,與循環回來的物流在噴嘴處匯合,而澄清的分離液則向上溢流進入出料管,從離心機頂部出料。離心機通過不斷的循環回流最終使得底流的固含量達到最終平衡。在實際操作過程中,底部常會有可降低噴嘴處固含量的一股補充酸。碟式離心機工藝示意如圖4所示。

圖4 碟式離心機工藝流程簡圖

2.2 ASPENPLUS工藝模型建立

根據離心機內部物料工藝流動過程,可利用Aspenplus軟件建立工藝模擬流程,如圖5所示。

模擬流程主要由兩個模塊組成,Split分離模塊和Mixer混合器模塊。其中Fin為離心機進料流量; Fdown為離心機底部出料流量;Fup為頂部溢流量; Fmakeup為底部補充流量。物性方法則根據所模擬物料性質來確定,流體分級定義為M IXCISLD[4]。

其中Split1(B1）模塊的分離比率主要體現固體經碟片分離后的比率,M I X模塊體現了在噴嘴處的混合作用,Split2(B2）模塊主要體現從噴嘴出來的流體的循環比率,因此應用該離心機ASPENPLUS流程模型對現場進行分析模擬時需采集現場的各個流股的進出流量、組分以及溫度、壓力數據對其模型進行靜態模擬,計算出不同工況下的固體分離率。如正常操作工況、進料流量不同工況、進料固含量(分離固體組分）不同工況、影響粘度的不同溫度工況、離心機不同轉速工況、不同碟片數安裝工況、不同底部流量等,得到不同工況下SPL IT1(B1）固體分離的分離效率,給實際離心機的操作提供參考意見。

圖5 碟片式離心機工藝流程模擬

在應用模型對實際工況進行分析時,應根據實際情況改變模型參數,并與實際情況相結合,達到診斷“瓶頸”的作用。以改變離心機進料固含量為例,模型SPL IT模塊中輸入的分離效率如果不變,而實際工廠操作分析值大部分時間情況下低于該模型計算的底部固含量模擬值,這說明離心機進料固含量增高會造成碟式離心機分離效率降低。

3 結 論

a）轉速、漿料粘度、進料量以及碟片數都是影響分離效率的主要因素,另外,在增加碟式離心機轉速時,還應考慮碟片間流態對顆粒分離造成的影響。

b）通過碟式離心機的工作原理分析建立ASPENPLUS工藝流程模擬模型,在模型應用過程中,需針對工藝工程中的實際工況,與模型進行結合,主要通過調節SPL IT模塊來分析判斷離心機分離影響因素,以達到診斷“瓶頸”的作用。

1 時在國,黃亮.粗對苯二甲酸母液中的催化劑回收再利用[J].現代化工,2005,(25）1:51～53

2 時鈞,汪家鼎,等.化學工程手冊[M].第二版.下卷.北京:化學工業出版社

3 Wang Yanmin,Eric Forssberg,et al.Continuous Ultra-fine Classification in aDisc-stackNozzle Centrifuge-Effectsof G-Force andDisc Geometry[J].China Particuology,2003,(1）2:70～75

4 Aspenplus 11.1 user guide,Aspenplus Technology,Inc

The analysis of classification inflaence factor and si mulation about disc contrifuge

Yang Ruhui(Sinopec Yizheng Chem ical Fiber Co.,L td.,Chem ical Project Departm ent,Yizheng Jiangsu211900,China）

This paper describe the classification influence factor of the disc centrification and emphasize he fluid velocity influence on the efficiency of the classification in different rotational speed.And introduce the method how to apply the process simulation model to the actual operation by disc centrifuge′smodel constuction.

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TQ051.84

B

1006-334X(2010）03-0056-03

2010-08-10

楊如惠(1974-）,工藝副主任師,貴州鎮寧人,主要從事化工技術研究及化工項目建設工作。