邢書芳

（核工業(yè)理化工程研究院，天津300180）

0 引言

在味精、生物、醫(yī)藥等發(fā)酵行業(yè)中，對空氣壓縮機(jī)后端冷凝水的處理和發(fā)酵逃液現(xiàn)象的控制是非常重要的2個環(huán)節(jié)。

在空氣壓縮氣體凈化系統(tǒng)中，液體分子通常作為細(xì)菌的載體，隨壓縮氣體進(jìn)入發(fā)酵罐，導(dǎo)致染菌。在發(fā)酵行業(yè)中因空氣系統(tǒng)除水不盡而造成發(fā)酵染菌，在夏季高濕季節(jié)被迫停產(chǎn)也是一種常見現(xiàn)象，給用戶帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。

另外，發(fā)酵生產(chǎn)過程中，發(fā)酵罐內(nèi)會產(chǎn)生大量泡沫，部分泡沫夾帶大量發(fā)酵液隨尾氣排出罐體。生產(chǎn)過程中若發(fā)生逃液，不僅會造成生產(chǎn)產(chǎn)量降低，而且逃液中的活菌體會使生產(chǎn)環(huán)境的空氣質(zhì)量嚴(yán)重下降，增加染菌機(jī)會，使發(fā)酵生產(chǎn)的連續(xù)性與穩(wěn)定性得不到有效保證。

1 研發(fā)背景

發(fā)酵行業(yè)為解決除水、逃液染菌問題，實(shí)現(xiàn)全天候生產(chǎn)，迫切需要高效、可靠、價廉的分離設(shè)備。因此，為滿足市場需求，在參考國內(nèi)外同類先進(jìn)產(chǎn)品及進(jìn)行了專利查詢的基礎(chǔ)上，我院研發(fā)了QYF-A、QYF-B 2種高效氣液分離器，其中QYF-B又稱高效逃液捕集器。含這2種設(shè)備的空氣凈化系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 空氣凈化系統(tǒng)流程

目前，發(fā)酵行業(yè)普遍通過在冷凝器后端設(shè)置氣液分離器，來解決冷凝水的處理問題，防止染菌產(chǎn)生。而味精、氨基酸等行業(yè)通過在發(fā)酵罐上端的排氣口設(shè)置逃液捕集器，以解決發(fā)酵罐逃液的氣液分離問題。因此，對于氣液、逃液分離2種設(shè)備的選擇很重要。在分離設(shè)備中，國外產(chǎn)品分離效率較高，一般在99%以上，但價格是國內(nèi)產(chǎn)品的10倍以上。由于價格相差懸殊，絕大多數(shù)企業(yè)仍選用國內(nèi)分離設(shè)備，普遍選用傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器。該產(chǎn)品名義分離效率為80%～90%，實(shí)際分離效率只能達(dá)到60%～70%，仍有相當(dāng)一部分液體沒有分離，為生產(chǎn)的正常運(yùn)行帶來了隱患。

常用的機(jī)械分離方法有重力慣性分離、過濾分離和離心沉降分離。其中，過濾分離的效率不高，可靠性差。重力慣性分離方法需要較大的占地空間，而且分離的效率也不高。在實(shí)際應(yīng)用中，普遍使用離心沉降分離技術(shù)。傳統(tǒng)應(yīng)用離心分離技術(shù)的各種旋風(fēng)分離設(shè)備，雖然名義上稱分離效率很高，但處理風(fēng)量的范圍較小，還不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。用于發(fā)酵行業(yè)中的氣液分離設(shè)備性能比較如表1所示。

表1 發(fā)酵行業(yè)中的氣液分離設(shè)備性能比較

2 工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

我院研發(fā)的高效氣液分離器、逃液捕集器的結(jié)構(gòu)與國內(nèi)傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器相比有很大的改進(jìn)。

2.1 傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器

傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)如圖2所示。氣液混合體由進(jìn)氣口切向進(jìn)入分離器，氣體由直線運(yùn)動轉(zhuǎn)為圓周旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，將密度較大的液體顆粒甩向圓筒體內(nèi)壁，顆粒與筒壁碰撞后，在重力的作用下，進(jìn)入收集口。旋轉(zhuǎn)下降的外旋氣流在到達(dá)圓錐體時，因錐形的收縮向分離器靠攏。氣體到達(dá)錐體下端的某一位置時，以同樣的旋轉(zhuǎn)方向從分離器的中部，由下而上繼續(xù)做螺旋運(yùn)動，即內(nèi)旋流。最后凈化氣體經(jīng)排氣口排出分離器外，一部分未被捕集的液體顆粒也由此逃逸。

圖2 傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡圖

影響旋風(fēng)分離器分離效率的主要原因是由于其殼體內(nèi)部存在二次渦流。

（1）短路流：旋風(fēng)分離器頂蓋、排氣口外面與筒壁間，由于徑向速度與軸向速度的存在，將形成局部渦流，夾帶著相當(dāng)數(shù)量的顆粒向中心流動，并沿排氣口外表面下降，最后隨著中心上升氣流逸出排氣口。

（2）縱向旋渦流：縱向旋渦流是以分離器內(nèi)、外旋流分界面為中心的器內(nèi)再循環(huán)而形成的縱向流動。

（3）外層旋流中的局部渦流：由于分離器壁面不光滑，可以產(chǎn)生與主流相垂直的渦流。這種流動會使壁面附近或者已被分離到器壁的粒子重新甩到內(nèi)層流，使液體微粒在分離后的氣體中出現(xiàn)。

（4）底部夾帶：外層旋流在錐體底部向上返轉(zhuǎn)時，可產(chǎn)生局部渦流，將顆粒重新卷起，被上升氣流帶走。

2.2 高效氣液分離器、逃液捕集器

高效氣液分離器、逃液捕集器利用旋風(fēng)分離、離心沉降分離和重力分離巧妙地合為一體，對氣體、液體進(jìn)行了有效分離，在結(jié)構(gòu)上消除渦流對分離效率的影響。氣液分離器的結(jié)構(gòu)主要由8個部分組成，如圖3所示。逃液捕集器的安裝簡圖如圖4所示。

圖3 氣液分離器結(jié)構(gòu)簡圖

圖4 逃液捕集器安裝簡圖

2.2.1 原理簡介

高效氣液分離器QYF-A、逃液捕集器QYF-B是根據(jù)不同的工況設(shè)計的2種高效氣液分離器。在傳統(tǒng)的離心分離技術(shù)上，其根據(jù)氣液混合體的具體情況進(jìn)行獨(dú)特的構(gòu)思和新穎的設(shè)計，推出具有特色的離心沉降分離結(jié)構(gòu)。

2.2.2 工作原理

從圖3可以看到，混合氣體由進(jìn)氣口切向進(jìn)入殼體，氣體從直線運(yùn)動改為圓周旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)氣流沿筒壁呈螺旋形旋轉(zhuǎn)向下。在離心力的作用下，密度較大的液體顆粒被甩向殼壁，失去慣性力，由于重力的作用沿筒壁下落，進(jìn)入冷凝區(qū)，完成第1次氣液分離。向下旋轉(zhuǎn)的氣體進(jìn)入整流罩與筒體之間的環(huán)縫，強(qiáng)制進(jìn)行離心分離，當(dāng)氣流在脫離環(huán)縫的瞬間，氣流體積膨脹，濕度略降低，形成快速的局部混合流場，使氣流中的液體發(fā)生碰撞，并形成有效的沉降，完成第2次氣液分離過程。旋轉(zhuǎn)向下的氣流經(jīng)過整流板，流向發(fā)生改變，轉(zhuǎn)向中心軸線（排氣孔）移動。在前2次分離過程中沒有來得及分離出的液體，在上旋過程中由于離心力的作用被分離出來，通過設(shè)置的間隙進(jìn)入上腔體內(nèi)，經(jīng)回水管流回腔體底部，這樣第3次氣液分離完成?；旌蠚怏w經(jīng)過3次分離后，氣體經(jīng)出氣口的上部排出器外。分離后的液體在殼體底部匯集，通過殼體底部相連接的收集口排出。筒體整流板以下部分設(shè)計較大空間是為了對被處理氣體起到進(jìn)一步冷凝的作用。

2.2.3 性能特點(diǎn)

氣液分離器的這種結(jié)構(gòu)有效地消除了旋風(fēng)分離器的4種渦流。

（1）整流板迫使氣流在整流板及筒體的間隙中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，氣流沒有機(jī)會形成短路，直接進(jìn)入排氣孔。這樣消除了上述第1種渦旋。

（2）在出氣管里進(jìn)行氣液的第3次離心分離，大大減弱了因?yàn)榭v向旋渦流、外層旋流中的局部渦流、底部夾帶所引起的液體逃逸現(xiàn)象。

渦流的消除，極大地提高了分離器的分離效率，比一般旋風(fēng)分離器效率提高10%～20%，該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單、分離效率高、運(yùn)行可靠。在風(fēng)量產(chǎn)生波動的情況下，分離效率穩(wěn)定，風(fēng)量適應(yīng)度好。設(shè)備內(nèi)部無死角，用于發(fā)酵液逃液捕集器時，可隨發(fā)酵罐一同消毒。消毒完成后，逃液捕集器內(nèi)部也清洗完畢。高效氣液分離器可長期連續(xù)使用，設(shè)備為免維護(hù)運(yùn)行設(shè)計，正常運(yùn)行時不需要維護(hù)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不會出現(xiàn)堵塞破損。高效氣液分離器、逃液捕集器主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 高效氣液分離器、逃液捕集器主要技術(shù)參數(shù)

高效氣液分離器QYF-A、逃液捕集器QYF-B有4個顯著特點(diǎn)：（1）設(shè)計新穎，結(jié)構(gòu)合理。（2）分離效率高，可以達(dá)到99%。（3）杜絕逃液，改善環(huán)境。（4）免維護(hù)運(yùn)行，性價比高。

3 應(yīng)用情況

高效氣液分離器、逃液捕集器投入市場10多年，受到了廣大用戶的肯定，該產(chǎn)品獲國家實(shí)用新型專利證書，現(xiàn)在已有數(shù)百家發(fā)酵企業(yè)使用了這2種產(chǎn)品，使用數(shù)量達(dá)1 000多臺，收到了很好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

梅花味精集團(tuán)是國內(nèi)生產(chǎn)谷氨酸的大型知名企業(yè)，與我們合作多年，高效氣液分離器、逃液捕集器成功地在空氣前處理系統(tǒng)和發(fā)酵罐尾氣逃液處理大面積使用，很好地解決了因除水不達(dá)標(biāo)和尾氣逃液給生產(chǎn)帶來的染菌問題。從廊坊梅花味精廠到通遼梅花味精廠，再到新疆梅花味精廠的數(shù)次新上項(xiàng)目和擴(kuò)建項(xiàng)目，高效氣液分離器和逃液捕集器的使用效果明顯。高效氣液分離器在梅花味精廠的應(yīng)用如圖5所示，該集團(tuán)二公司將4臺200m3/min高效氣液分離器用于空氣壓縮機(jī)后端冷凝水的處理，有效地處理了管道中的液體。設(shè)備使用后，沒有發(fā)生因除水不盡而造成的染菌，保證了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。使用的10臺80m3/m in的高效逃液捕集器分別用于10條320 t發(fā)酵罐生產(chǎn)線進(jìn)行料液的回收。發(fā)酵罐的罐容積比同類廠家高8%左右，同時杜絕了逃液的發(fā)生，使用效果明顯優(yōu)于一般的旋風(fēng)分離器。通遼梅花味精生物科技有限公司在發(fā)酵尾氣排放中選用了我院過濾技術(shù)研究所的QYF-B-80型逃液捕集器后，有效杜絕了逃液，無液滴和泡沫帶出，發(fā)酵罐體積增加了5%～6%，發(fā)酵罐消泡劑用量減少了20%。之后該公司又將QYF-A-200型高效氣液分離器用于凈化空氣的除塵除水，效果很好。

圖5 氣液分離器在梅花味精廠的應(yīng)用

浙江醫(yī)藥股份有限公司新昌制藥廠是醫(yī)藥行業(yè)知名度很高的上市企業(yè)。由于企業(yè)地理位置在南方，空氣濕度較高，發(fā)酵生產(chǎn)的染菌問題一直困擾著企業(yè)的發(fā)展，而染菌問題的關(guān)鍵在于空氣前處理系統(tǒng)的除水問題。企業(yè)在發(fā)酵工程項(xiàng)目中先后使用了160 m3/m in、450m3/m in、650m3/m in、1 500m3/m in等不同型號的高效氣液分離器和100m3/min高效逃液捕集器多臺，均收到了很好的使用效果，為企業(yè)的發(fā)展、效益的提高發(fā)揮了重要作用。逃液捕集器在浙江新昌制藥廠的應(yīng)用如圖6所示。

4 結(jié)語

圖6 逃液捕集器在浙江新昌藥廠的應(yīng)用

用戶使用的結(jié)果證明，高效氣液分離器、逃液捕集器設(shè)計合理、技術(shù)先進(jìn)，領(lǐng)先國內(nèi)同類產(chǎn)品。在在建和改造的壓縮空氣系統(tǒng)除水應(yīng)用方面，市場需求可以達(dá)到數(shù)千萬元。國內(nèi)發(fā)酵行業(yè)中，如果每臺發(fā)酵罐配置一臺氣液分離設(shè)備，則氣液分離設(shè)備可以達(dá)到億萬元以上的市場需求。由于該產(chǎn)品具有技術(shù)的超前性和卓越的性能價格比，在國內(nèi)同類產(chǎn)品中有較強(qiáng)的競爭優(yōu)勢，市場前景廣闊，符合發(fā)酵行業(yè)的需求，是傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器的替代產(chǎn)品，必將在味精、生物、醫(yī)藥等行業(yè)得到更好的推廣和應(yīng)用。