旋液分離器分析與控制

蔡尚辰

中沙（天津）石化有限公司，天津 300271

0 引言

2012 年旋液分離器A 共投用9 次，造成堵塞3 次；旋液分離器B 共投用5 次，造成堵塞3 次。根據具體情況進行了精細分析和優化操作，在2013 年上半年沒有堵塞現象。

旋液分離器堵塞現象：頂部回流密度緩慢上升，返回到反應器的粉料增加，需要提高反應器稀釋劑流量保證反應器內部固體濃度穩定。

1 工藝流程

HDPE 裝置將反應器排出的物料濃縮，頂部夾帶少量粉料的液體返回到反應器中，濃稠的漿料通過底部進入后系統，降低了下游設備的運轉負荷，降低了稀釋劑輸出泵的功率，保證了生產的穩定性。是節約裝置能耗物耗的關鍵設備。

HDPE 裝置從反應器排出的漿料以切線進料方向進入旋液分離器，漿料向下作螺旋運動產生離心力，密度較小的液體（包括：稀釋劑、乙烯、氫氣、1-己烯）夾帶少量粉料從旋液分離器的中心向上流動，而濃度較高的粉料及剩余的稀釋劑混合液受慣性離心力作用被甩向器壁，再通過底部壓力控制閥排向漿料加熱器。

旋液分離器是一種利用離心沉降作用分離懸浮液的設備, 料液由圓筒部分以切線方向進入,向下作螺旋運動產生離心力,固體顆粒受慣性離心力作用被甩向器壁,并隨旋流降至錐底由底部排出的稠厚懸浮液稱為底流；清液或含較小顆粒的液體則形成螺旋上升的內旋流,由器頂溢流管排出,稱為溢流。旋液分離器可用于懸浮液的增稠，也可以用于懸浮液中固體粒子的分級，即由底流中獲得少量液體和尺寸較大或密度較大的顆粒。而由溢流中獲得大量液體和尺寸較小或密度較小的顆粒，它還可以用于液—液萃取操作中兩種不互溶液體的分離。

旋液分離器的特點是：直徑小、圓錐部分長，因為固液間的密度差較小，在一定流速下，小直徑有利于增大慣性離心力，提高沉降速度，同時錐形部分加長可以增大流體的行程，延長流體在旋液分離器中的停留時間，提高分離效率。

旋液分離器的優點是：1）構造筒單，無活動部分；2）體積小，占地面積也小；3）生產能力大；4）分離的顆粒范圍較廣。但分離效率較低。常采用幾級串聯的方式或與其他分離設備配合應用，以提高其分離效率。

2 旋液分離器對裝置的影響

HDPE 裝置由于生產和設備本身問題，多次出現旋液分離器內壁發生結垢現象，長時間運轉下去導致內部堵塞現象，從而影響旋液分離器的分離效果，失去了濃縮漿料的作用，只能通過降低產率保證漿料加熱器正常運轉和稀釋劑輸送泵正常運轉。

3 影響旋液分離器分離效率的因素

3.1 周圍的速度

漿料在分離器內的圓周速度對分離效率有較大影響，周圍速度越大，離心力越大，則分離效率越高，但過高的圓周速度會使大量的顆粒被二次渦流帶入清液出口，反而降低了分離的效率，同時也增加了動力消耗及粉料對設備的磨損。

3.2 設備的阻力

漿料運動的順利進行，要求分離器的制作必須保證其內壁光滑度和較小的錐角，從而減少了分離器運動過程中產生的設備阻力，提高了分離效率。

3.3 物料顆粒直徑

介質中懸浮顆粒的直徑對分離效率的影響很大，分離器制作成型后，它對顆粒的直徑有一個極限值，當顆粒直徑小于極限值時，分離器便不可能把它們分離出來。

4 旋液分離器設計原理

旋液分離器的工作原理是依靠泵的動力在分離室內造成旋渦速度場，這些速度場符合旋渦理論。混合液中的固體顆粒進入旋渦場后，隨顆粒的粒度不同所受到液流力及浮力作用的不同，使分離室內顆粒處于不同的空間位置，由于分離為一錐形結構，其不同軸向位置的剖面旋轉速度不同，從而造成一定粒度或重度的顆粒發生下沉從而達到固液分離的目的。旋流的設計是根據要分離固體粒度等級和分離效率來確定旋渦強度的大小。根據旋渦強度的要求，來確定進口流速和進口壓力的大小，根據處理量的大小，來確定旋液分離器的大小。對不同物質來講并不是旋渦強度越大分離效果就越好，而是不同的物質有著不同的要求。

5 旋液分離器趨勢分析

圖1 旋液分離器回流量與稀釋劑趨勢圖

圖1 說明：

旋液分離器頂部漿料泵要根據稀釋劑進料量進行匹配調整。

圖2 旋液分離器回流量與轉速趨勢圖

表1 不同牌號對應的回流密度

圖2 說明：

泵回流轉速與流量成正比。溫度與密度成反比。單獨投用旋液分離器A 或B 時，旋液分離器頂部回流量要根據密度而定（見表1），返回的粉料盡可能少，泵不容易堵塞，轉數相應的穩定。建議最小流量不低于24T/H。旋液分離器A 和B 同時投用時，低回流量運轉，泵內部遠端流量容易堵塞（內部共兩道流路），轉數和密度上升趨勢快。稀釋劑進料量一定，兩路回流總量在45-50T/H 左右，返回的粉料會相應增加，密度計值相應升高。

圖3 旋液分離器回流轉速與壓力趨勢圖

圖3 說明：

旋液分離器頂部漿料泵與旋液分離器底部出口壓力成正比，說明底部出料暢通，旋液分離器離心分離效果好，頂部夾帶粉料少，泵體流路不容易堵塞，泵功率和轉數穩定。

6 旋液分離器堵塞原因分析

6.1 旋液分離器堵塞現象

1）旋液分離器頂部漿料回流密度增加。旋液分離器頂部漿料密度是表征旋液分離器分離效果最直觀的參數。當分離效果好時，生產不同牌號時旋液分離器頂部的密度會對應相應的烴類混合液密度（如表1），旋液分離器頂部漿料密度與反應器漿料密度的差值可以體現出旋液分離器液固分離的效果。當旋液分離器內發生結垢甚至堵塞時，使旋液分離器其分離效果降低，稀釋劑會夾帶越來越多的粉料返回到反應器中，旋液分離器頂部漿料密度會呈現逐漸上升的趨勢，如果不及時切換旋液分離器，很快會與反應器漿料密度相同，堵塞更加嚴重很難清理；

2）反應器漿料密度增加。在反應器中稀釋劑流量穩定情況下，旋液分離器內部發生堵塞時，旋液分離器頂部回流液中的粉料會增多，這樣通過頂部回流泵輸送回到反應器的混合液中的稀釋劑比例相應的減少，稀釋劑的返回量會隨著旋液分離器頂部漿料密度的增加而逐漸變小。導致反應器密度逐漸增大，乙烯濃度相應降低；

3）下游加熱系統的負荷增加。隨著旋液分離器內部發生堵塞，分離效率降低，會導致從旋液分離器底部排出的漿料濃度變小(即反應器外部固體含量減小)，需要加大稀釋劑進料量保證反應器的內部固體濃度穩定，導致下游加熱系統負荷增大；

4）旋液分離器堵塞經常伴有泵回流量穩定時，轉速和電流增大的跡象。由于更多的粉料進入到泵體，長時間運轉堵塞泵內部流道和管道結垢。

6.2 現場堵塞情況

序號位置堵塞情況圖片清理方式旋液分離器內部全部堵塞，器壁粘結塊料，中心留有細孔狀的流道，旋液分離器從頂部至底部均有結塊現象，內部結壁結實。images/BZ_260_1896_2681_2121_2839.png塊料用鐵锨清理，內壁用高壓水清洗

旋液分離器頂部回流泵入口管線內壁有厚而結實的垢層，并有小塊料images/BZ_261_844_272_1071_446.png用高壓水清洗旋液分離器頂部回流泵流路內部有一個流道堵塞，另一個流道通常images/BZ_261_844_530_1071_702.png火燒處理

6.3 取樣分析

表2 取樣分析結果與生產牌號對照表

從取樣分析的結果來看，與HDPE 裝置近期生產的HD5502牌號開車指數和密度，塊料的顆粒粒徑較大，基本相似。（11月12 日切換牌號，11 月13 日HD5502 開車時反應器中留有1-己烯）。

7 結論

序號操作情況及判斷依據原因處理措施開停車切換牌號示例：5 月15日、6月13日生產數據和旋液分離器A取樣分析結果開車初期，內部固體濃度沒有建立起來，催化劑停留時間短，沒有充分反應，在旋液分離器中繼續反應，造成旋液分離器及泵體逐漸結垢，最終造成旋液分離器失效。開車前準備工作要精細，保證旋液分離器入口稀釋劑流量穩定這樣可以降低旋液分離器和回流線溫度，降低旋液分離器漿料濃度，降低粉料在旋液分離器中反應的機會，因而使管線及設備得以長時間正常運轉。 開車初期建立內部固體濃度時稀釋劑進料量與產量對應調整。提高產率同時，首先調整稀釋劑進料量，然后根據稀釋劑進料流量和旋液分離器泵回流密度調整回流量。開車初期，保證反應器己烯-1 濃度低乙烯濃度高，反應溫度高。（這樣生產的粉料密度高，對應的溶解溫度高，從而防止催化劑在下游系統繼續反應造成系統堵塞。盡可能減少停車切換牌號頻次。將旋液分離器頂部泵回流中固體流量進行計算后放入DCS 畫面上，便于監控及調整。制定不同牌號不同產率情況下回流密度的操作范圍。

同時投用兩臺旋液分離器。示例：6 月13日和10月24日生產數據旋液分離器A和B 同時投用，底部出料閥的開度較小，使粉料顆粒在旋液分離器中的停留時間較長，旋液分離器底部濃度較高，顆粒間相互摩擦產生效應增強，靜電效應明顯。為了保證反應效果穩定泵回流量需要在低流量下運轉，這樣可能造成氣蝕現象，并且會延長漿料在泵體內停留時間，在回流線內部反應，導致結構后堵塞。保證下游加熱器滿足生產情況下，盡可能不同時投用兩臺旋液分離器。保證底部出料系統（下游加熱器管線）的暢通。增大旋液分離器底部出料閥開度，降低停留時間。旋液分離器回流量高于最小流量24T/H。減少物料管道及設備摩擦產生的靜電，加裝靜電接地線。多次檢修。在多次檢修后，造成旋液分離器內壁損傷。重新投用后使物料在內部運動時受到了粗糙管壁的阻力，部分漿料失去了原有的離心作用，并且增大了漿料與管壁的摩擦阻力，降低固體的沉降速率，造成旋液分離器分離效果下降，同時使不光滑粗糙表面掛壁，隨著流體的通過使垢層越結越厚，以至造成旋液分離器完全堵塞。對旋液分離器內壁和泵流路進行拋光提高內壁光滑度。發現旋液分離器有堵塞比較嚴重情況立即隔離清理，此時內部清理不會損傷內壁的光滑度。

[1]高密度聚乙烯操作手冊和工藝手冊：Ineos Europe Limited，2007-7-1.

[2]嚴久杰.化工部科技研究所，2005-11-12.

[3]韓文光.化工裝置使用操作技術指南.化學工業出版社，2001，10.