楊如惠

(中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司化工項(xiàng)目部,江蘇 儀征 211900）

設(shè)備改造

碟式離心機(jī)的分離影響因素及模型淺析

楊如惠

(中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司化工項(xiàng)目部,江蘇 儀征 211900）

分析了碟式離心機(jī)的分離影響因素,強(qiáng)調(diào)了在不同轉(zhuǎn)速下的流體速度對(duì)分離效果產(chǎn)生的影響,并通過(guò)建立碟式離心機(jī)工藝流程模型來(lái)分析其在實(shí)際操作中的應(yīng)用。

碟式離心機(jī);模型;分離影響因素

由于碟式分離機(jī)分離因素高,生產(chǎn)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(xì)小顆粒所組成的液-固二相懸浮液等,因此在化工、醫(yī)藥、石油、交通、食品、輕工以及生物工程等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。化工行業(yè)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(jī)加以分離回收的[1]。筆者對(duì)化工單元噴嘴碟式離心機(jī)進(jìn)行液固分離過(guò)程分析并建立工藝流程模型,同時(shí)對(duì)不同轉(zhuǎn)速下離心機(jī)內(nèi)部流體的流速進(jìn)行分析研究。

1 碟式離心機(jī)分離影響因素淺析

1.1 碟式離心機(jī)分離基理

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

圖1 碟片間隙內(nèi)澄清分離過(guò)程

從分離最不利處A點(diǎn)出發(fā)的顆粒,在到達(dá)B′點(diǎn)后能分離出來(lái)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(fā)點(diǎn)位置的不同部分回收。粒徑越小的顆粒,必須在靠近B點(diǎn)進(jìn)入分離通道才能被分離,因而分離出的百分?jǐn)?shù)也越小。

由離心機(jī)工作原理可知,影響固體顆粒離心分離的臨界粒徑關(guān)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(jī)的生產(chǎn)能力,m3/s;η—液體的粘度,Pa·s;ω—碟式離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度,s-1;Z—碟片數(shù);α—碟片的半錐角。

1.2 碟式離心機(jī)分離影響因素

從式1可知,臨界粒徑與進(jìn)料量、漿料粘度、旋轉(zhuǎn)速度以及碟片的結(jié)構(gòu)參數(shù)等有關(guān),因此在不改變離心機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的條件下,轉(zhuǎn)速、漿料粘度、進(jìn)料量以及碟片數(shù)都是影響分離效率的主要因素。增加轉(zhuǎn)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(duì)轉(zhuǎn)速的影響,有研究指出,并不是轉(zhuǎn)速越快,分離效率越高,因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)速非常高時(shí),離心機(jī)內(nèi)部在靠近碟片處的高的流體速度所形成的對(duì)流可能對(duì)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(shí)際工廠中離心速度對(duì)離心機(jī)分離影響,現(xiàn)利用流態(tài)參數(shù)λ值,如式2所示,來(lái)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(duì)稱的,極值在x=h/2處。

根據(jù)離心機(jī)結(jié)構(gòu)和參數(shù)(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(zhuǎn)速可知,λ>5,因此按照離心機(jī)內(nèi)部碟片間的液體流速分布有兩個(gè)方向,一個(gè)是沿碟片母線方向的流速ωlx,一個(gè)是相對(duì)圓周速度ωψx,不同轉(zhuǎn)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(nèi)部流體徑向速度分布

圖3 碟片內(nèi)部流體周向速度分布

從圖2、3中可知,隨著轉(zhuǎn)速的增加,碟片內(nèi)流體徑向速度方向隨轉(zhuǎn)速增大逐漸好轉(zhuǎn),周向速度則隨轉(zhuǎn)速增大而增大,當(dāng)轉(zhuǎn)速n=3 000和n=3 300時(shí),其流體徑向速度向下,說(shuō)明流體對(duì)顆粒產(chǎn)生向下作用,利于顆粒沿碟片向下分離至噴嘴處,轉(zhuǎn)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(jī)內(nèi)部可能產(chǎn)生對(duì)流,使得已經(jīng)到達(dá)離心機(jī)碟片的顆粒溢流進(jìn)入頂部出料,會(huì)對(duì)離心機(jī)的分離效果產(chǎn)生負(fù)面影響[3]。由于圖中波形震動(dòng)不大,可忽略其影響。

2 碟式離心機(jī)工藝流程模型建立

2.1 工作原理

碟式離心機(jī)中具有再循環(huán)裝置,由噴嘴出來(lái)的一部分濃縮物料被排走,一部分再循環(huán)至轉(zhuǎn)碗底部,再循環(huán)流不進(jìn)入碟片進(jìn)行分離,只是進(jìn)入轉(zhuǎn)碗底部特殊的分布器,再通過(guò)再循環(huán)管送到噴嘴附近。進(jìn)料則是通過(guò)頂部進(jìn)料管進(jìn)入轉(zhuǎn)碗底部的分布器,并通過(guò)碟片上的進(jìn)流孔進(jìn)入碟片進(jìn)行分離,因此被送到噴嘴處的再循環(huán)物料不會(huì)干擾進(jìn)料的離心分離,進(jìn)料在進(jìn)入碟片分離后,被分離固體經(jīng)過(guò)高速旋轉(zhuǎn),沿著碟片向下分離至噴嘴處,與循環(huán)回來(lái)的物流在噴嘴處匯合,而澄清的分離液則向上溢流進(jìn)入出料管,從離心機(jī)頂部出料。離心機(jī)通過(guò)不斷的循環(huán)回流最終使得底流的固含量達(dá)到最終平衡。在實(shí)際操作過(guò)程中,底部常會(huì)有可降低噴嘴處固含量的一股補(bǔ)充酸。碟式離心機(jī)工藝示意如圖4所示。

圖4 碟式離心機(jī)工藝流程簡(jiǎn)圖

2.2 ASPENPLUS工藝模型建立

根據(jù)離心機(jī)內(nèi)部物料工藝流動(dòng)過(guò)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(gè)模塊組成,Split分離模塊和Mixer混合器模塊。其中Fin為離心機(jī)進(jìn)料流量; Fdown為離心機(jī)底部出料流量;Fup為頂部溢流量; Fmakeup為底部補(bǔ)充流量。物性方法則根據(jù)所模擬物料性質(zhì)來(lái)確定,流體分級(jí)定義為M IXCISLD[4]。

其中Split1(B1）模塊的分離比率主要體現(xiàn)固體經(jīng)碟片分離后的比率,M I X模塊體現(xiàn)了在噴嘴處的混合作用,Split2(B2）模塊主要體現(xiàn)從噴嘴出來(lái)的流體的循環(huán)比率,因此應(yīng)用該離心機(jī)ASPENPLUS流程模型對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分析模擬時(shí)需采集現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)流股的進(jìn)出流量、組分以及溫度、壓力數(shù)據(jù)對(duì)其模型進(jìn)行靜態(tài)模擬,計(jì)算出不同工況下的固體分離率。如正常操作工況、進(jìn)料流量不同工況、進(jìn)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(jī)不同轉(zhuǎn)速工況、不同碟片數(shù)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(shí)際離心機(jī)的操作提供參考意見(jiàn)。

圖5 碟片式離心機(jī)工藝流程模擬

在應(yīng)用模型對(duì)實(shí)際工況進(jìn)行分析時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況改變模型參數(shù),并與實(shí)際情況相結(jié)合,達(dá)到診斷“瓶頸”的作用。以改變離心機(jī)進(jìn)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(shí)際工廠操作分析值大部分時(shí)間情況下低于該模型計(jì)算的底部固含量模擬值,這說(shuō)明離心機(jī)進(jìn)料固含量增高會(huì)造成碟式離心機(jī)分離效率降低。

3 結(jié) 論

a）轉(zhuǎn)速、漿料粘度、進(jìn)料量以及碟片數(shù)都是影響分離效率的主要因素,另外,在增加碟式離心機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí),還應(yīng)考慮碟片間流態(tài)對(duì)顆粒分離造成的影響。

b）通過(guò)碟式離心機(jī)的工作原理分析建立ASPENPLUS工藝流程模擬模型,在模型應(yīng)用過(guò)程中,需針對(duì)工藝工程中的實(shí)際工況,與模型進(jìn)行結(jié)合,主要通過(guò)調(diào)節(jié)SPL IT模塊來(lái)分析判斷離心機(jī)分離影響因素,以達(dá)到診斷“瓶頸”的作用。

1 時(shí)在國(guó),黃亮.粗對(duì)苯二甲酸母液中的催化劑回收再利用[J].現(xiàn)代化工,2005,(25）1:51～53

2 時(shí)鈞,汪家鼎,等.化學(xué)工程手冊(cè)[M].第二版.下卷.北京:化學(xué)工業(yè)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.

disc centrifuge;simulation;classification influence factor

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(zhèn)寧人,主要從事化工技術(shù)研究及化工項(xiàng)目建設(shè)工作。