HDPE裝置離心機(jī)生產(chǎn)能力的工藝分析

沈千林，楊崇倡

（東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201620）

HDPE裝置離心機(jī)生產(chǎn)能力的工藝分析

沈千林，楊崇倡

（東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201620）

從挖掘設(shè)備增產(chǎn)潛力和節(jié)能出發(fā)，對(duì)HDPE懸浮液螺旋沉降離心機(jī)的生產(chǎn)能力進(jìn)行了工藝計(jì)算和分析評(píng)價(jià)。在聚合懸浮液（m3）與原料氣（t）的相比為3.5的條件下，確定出了離心機(jī)的最大生產(chǎn)能力，現(xiàn)有螺旋沉降離心機(jī)能夠滿足增產(chǎn)要求。

HDPE；離心分離；離心機(jī)；生產(chǎn)能力

中國(guó)石油遼陽(yáng)石化公司建于二十世紀(jì)70年代末期，工藝裝置全部為當(dāng)時(shí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和生產(chǎn)裝置。乙烯產(chǎn)量為7.28萬(wàn)t·a-1，乙烯完全由公司內(nèi)生產(chǎn)高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，簡(jiǎn)稱為HDPE）、環(huán)氧乙烷及乙二醇。

經(jīng)過(guò)多年技術(shù)改造和擴(kuò)產(chǎn)改造，乙烯產(chǎn)量已于1995年達(dá)到9萬(wàn)t·a-1，現(xiàn)已提高到20萬(wàn)t·a-1。增產(chǎn)的乙烯也用于生產(chǎn)HDPE和環(huán)氧乙烷及乙二醇。

HDPE裝置采用德國(guó)淤漿法生產(chǎn)技術(shù)。HDPE裝置設(shè)有聚合、離心分離、干燥等生產(chǎn)過(guò)程。懸浮液離心沉降分離是HDPE裝置的一個(gè)重要生產(chǎn)單元過(guò)程，離心沉降分離所采用的設(shè)備是70年代末從德國(guó)購(gòu)買的螺旋沉降離心機(jī)。像選擇離心機(jī)這樣定型設(shè)備時(shí)，都有較大余量，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)按設(shè)計(jì)條件操作就要多消耗大量的能量。

由于HDPE產(chǎn)品性能好、市場(chǎng)需求量較大，所以在主要增產(chǎn)環(huán)氧乙烷及乙二醇的同時(shí)，擬在現(xiàn)有裝置生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高HDPE產(chǎn)量，以增加經(jīng)濟(jì)效益。從1995年開(kāi)始，遼陽(yáng)石化公司烯烴廠工程技術(shù)人員對(duì)乙烯聚合反應(yīng)釜進(jìn)行了改造，聚合釜增設(shè)了外循環(huán)移熱換熱器，僅此一項(xiàng)技術(shù)改造，聚合釜的HDPE產(chǎn)量可以提高20%以上。

為了詳細(xì)弄清聚合反應(yīng)釜后序各主要設(shè)備能否滿足增產(chǎn)要求，在聚合釜懸浮液（m3）/原料氣（t）為3.0的生產(chǎn)條件下，1996年沈國(guó)良等人[1]對(duì)HDPE裝置主要生產(chǎn)過(guò)程設(shè)備生產(chǎn)能力進(jìn)行了工藝核算及設(shè)備改造的工藝設(shè)計(jì)。到1999年，在螺旋沉降離心機(jī)等所有主要設(shè)備均沒(méi)有更換的情況下，遼陽(yáng)石化公司烯烴廠HDPE產(chǎn)量已實(shí)現(xiàn)由原來(lái)的4.375t·h-1提高到5.6t·h-1。

目前，HDPE裝置擬將聚合釜懸浮液（m3）/原料氣（t）的相比提高為3.5。為繼續(xù)增產(chǎn)HDPE和節(jié)能降耗的需要，有必要在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下對(duì)HDPE裝置離心機(jī)等主要設(shè)備的生產(chǎn)能力進(jìn)行深入分析。

1 離心沉降分離

1.1 固相粒子在液相連續(xù)介質(zhì)中的沉降速度

在離心力作用下，粒子的沉降速度可用下面的公式進(jìn)行計(jì)算[2]。 1

離心沉降中常為層流、過(guò)渡狀態(tài)，只有當(dāng)極大增加離心力強(qiáng)度時(shí)才有可能出現(xiàn)湍流情況。

當(dāng)確定粒子沉降速度時(shí)，須先判斷粒子運(yùn)動(dòng)所處的狀態(tài)。由于沉降速度不知，不能根據(jù)雷諾數(shù)Re來(lái)判斷。因此，必須從上述判斷式中消去沉降速度u。

一般地，改用Ar=GaSA的數(shù)值來(lái)判斷粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其中加里列準(zhǔn)數(shù)Ga=d3ρ12j·μ-2、阿基米德準(zhǔn)數(shù)SA=△ρ/ρ1

，即Ar=d3ρ1△ρj·μ-2，式中j=ω2r＝（2πn／60）2·D/2。

根據(jù)雷諾Re和列辛科的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，相應(yīng)用Ar值劃分3個(gè)區(qū)域?yàn)椋?/p>

層流區(qū)Ar＜28.8

過(guò)渡區(qū)28.8＜Ar＜5 7600

湍流區(qū)Ar＞57600

1.2 沉降分離的極限粒徑

在一定的離心力作用下，當(dāng)固體粒子小到某一定尺寸而不能被離心分離時(shí)，稱為離心沉降分離的極限，這個(gè)粒子的尺寸稱為極限粒子直徑dmin。

由于粒子尺寸很小，所以沉降通常處于層流區(qū)域，此時(shí)極限粒子直徑為：

1.3 分離因數(shù)

分離因數(shù)是表示離心機(jī)性能的重要標(biāo)志之一。分離因數(shù)愈大，說(shuō)明物料受的離心力愈大，分離效果也就愈好。

離心機(jī)分離因數(shù)值一般是以轉(zhuǎn)鼓的半徑和轉(zhuǎn)速表示的。當(dāng)離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓直徑和轉(zhuǎn)速確定以后，其分離因數(shù)就唯一確定。

在生產(chǎn)實(shí)際中，用高速離心機(jī)來(lái)分離高分散性的懸浮液時(shí)，通常根據(jù)待分離的最小粒子直徑來(lái)確定所需的最小分離因數(shù)，進(jìn)而確定離心機(jī)的機(jī)型。

由待分離的最小粒子直徑確定的分離因數(shù)為：

2 沉降離心機(jī)的生產(chǎn)能力

沉降離心機(jī)的生產(chǎn)能力是指能將所需分離的最小固相粒子沉降在鼓內(nèi)，而不致隨分離液帶出的最大懸浮液流量。

2.1 沉降離心機(jī)的理論生產(chǎn)能力

1952年，Ambler依據(jù)懸浮液的流動(dòng)特性，提出了用以計(jì)算離心機(jī)生產(chǎn)能力的理論。由于該理論表達(dá)式簡(jiǎn)單、概念明確，所以一直被沿用至今。

對(duì)于圖1所示的柱錐形沉降轉(zhuǎn)鼓，其生產(chǎn)能力計(jì)算分為柱形轉(zhuǎn)鼓和錐形轉(zhuǎn)鼓兩部分。2.1.1柱形轉(zhuǎn)鼓部分的當(dāng)量沉積面積

圖1HDPE沉降離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的幾何圖形Fig.1Geometrical figure of barrate for HDPE centrifugal subsider

對(duì)于柱形轉(zhuǎn)鼓，A（r）=2πrL1，F(xiàn)r（r）=ω2r／g，代入公式（8），并根據(jù)r2－r1=h，r1＝r2－h(huán)，D=2r2，令λ=h/r2，則

當(dāng)粒子的沉降過(guò)程處于層流區(qū)時(shí)，離心機(jī)的理論生產(chǎn)能力為：

其中S=FrA稱為當(dāng)量沉積面積，又稱為離心機(jī)的生產(chǎn)能力指數(shù)。

由于S=FrA，A和Fr均隨r變化，所以特拉文斯基提出用二者乘積積分的平均值直接求S值。

2.1.2 錐形轉(zhuǎn)鼓部分的當(dāng)量沉積面積錐形轉(zhuǎn)鼓的沉積面積不僅在徑向上而且在軸向上均是變化的。液層中任意半徑r處的沉降面積和分離因數(shù)分別為

A（r）=2πrL2（（r2－r）／（r2－r1））、Fr（r）=ω2r／g。

將A（r）和Fr（r）代入式（8），經(jīng)積分并整理后，可得

2.1.3 柱錐形轉(zhuǎn)鼓總的當(dāng)量沉積面積柱錐形轉(zhuǎn)鼓的S值可由柱形轉(zhuǎn)鼓和錐形轉(zhuǎn)鼓的S值相加即得：

2.2 沉降離心機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)能力

按Ambler理論計(jì)算的生產(chǎn)能力比實(shí)際大，因此，在使用Ambler理論計(jì)算沉降離心機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)能力時(shí)，需加以修正。

對(duì)于螺旋沉降離心機(jī)，修正系數(shù)ζ可以取為0.2115[2，4]。

3 HDPE離心機(jī)生產(chǎn)能力的工藝計(jì)算

3.1 離心機(jī)的結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)鼓由兩段組成：一段為圓柱體，另一段為圓錐體，兩段用螺絲聯(lián)接成一體。圓柱部分直徑φ600mm、長(zhǎng)度為730mm；圓錐部分錐角16°、長(zhǎng)度為666mm。螺旋為整體等距螺旋葉片，裝在一空心軸上，懸浮物料通過(guò)空心軸輸入離心機(jī)。

螺旋與轉(zhuǎn)鼓間的間隙為0.5mm。

3.2 離心機(jī)的主要參數(shù)

轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速2300 r·min-1，螺旋轉(zhuǎn)速2342 r·min-1，其差轉(zhuǎn)速為42 r·min-1；設(shè)計(jì)壓力5MPa；設(shè)計(jì)溫度100℃；電動(dòng)機(jī)功率75kW；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1450 r·min-1。

3.3 離心機(jī)的操作條件

HDPE的稀釋劑為C8～C11的鏈烷烴，在離心機(jī)中的脫除率要求為80%，操作溫度為45℃，操作壓力為1MPa。

3.4 離心機(jī)的物料平衡

HDPE裝置原設(shè)計(jì)能力為35000t HDPE粉末/年，其HDPE每小時(shí)生產(chǎn)能力為4.375t?，F(xiàn)聚合釜懸浮液（m3）/原料氣（t）的相比為3.5，HDPE懸浮液螺旋沉降離心機(jī)的物料平衡見(jiàn)表1。

表1 螺旋沉降離心機(jī)11401的物料平衡Tab.1Mass balance of centrifugal subsider 11401

3.5 螺旋沉降離心機(jī)的工藝計(jì)算

3.5.1 沉降速度

（1）粒子運(yùn)動(dòng)所處的區(qū)域

45℃時(shí)，μ=0.563×10-3Pa·s，ρ1=749kg·m-3，△ρ= 211kg·m-3，并知d=10-5m，則

即Ar=8.67＜28.8，所以粒子沉降屬層流。

（2）粒子沉降速度

對(duì)于層流區(qū)，粒子沉降速為：

即u=0.073m·h-1。

3.5.2 極限粒子直徑

設(shè)計(jì)上，要求離心機(jī)分離出粒徑在1μm以上顆粒的HDPE。由計(jì)算結(jié)果可以看出，離心機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5.3 所需的最小分離因數(shù)

3.5.4 離心機(jī)的分離因數(shù)

HDPE裝置采用的螺旋沉降離心機(jī)，其分離因數(shù)為

離心機(jī)的分離因數(shù)大于所需的最小分離因數(shù)，說(shuō)明該離心機(jī)的分離因數(shù)符合工藝要求，且離心力比較大，有利于沉降離心分離。

3.5.5 離心機(jī)的當(dāng)量沉積面積

根據(jù)離心機(jī)的結(jié)構(gòu)，有D=0.6m、L=0.730+0.666= 1.396m、h=0.666tg16=0.19m，λ=0.19/0.30=0.63，則

3.5.6 離心機(jī)的生產(chǎn)能力

離心機(jī)處理懸浮液的最大體積流量：

由表1所給出的物料平衡結(jié)果，通過(guò)計(jì)算可以得到離心機(jī)HDPE懸浮液的質(zhì)量流量：

W=29007.00kg·h-1

HDPE的最大生產(chǎn)力：

4 結(jié)論

根據(jù)工藝計(jì)算，反映出現(xiàn)有螺旋沉降離心機(jī)的技術(shù)指標(biāo)完全符合HDPE生產(chǎn)工藝要求，且有一定的余量，可以繼續(xù)增產(chǎn)HDPE。

目前，現(xiàn)有離心機(jī)處理懸浮液的最大體積流量已達(dá)30m3·h-1，相當(dāng)于HDPE的產(chǎn)量達(dá)到6.8t·h-1，且離心機(jī)操作平穩(wěn)，說(shuō)明工藝計(jì)算公式的選擇和計(jì)算結(jié)果都是正確的。

增產(chǎn)HDPE，勢(shì)必增加離心機(jī)的懸浮液進(jìn)料量，使離心機(jī)承載量增加，會(huì)增大電動(dòng)機(jī)功率。因此，如繼續(xù)增產(chǎn)HDPE，應(yīng)考慮更換功率大于75kW的電機(jī)。

［1］沈國(guó)良，宋永吉，任曉光，等.聚乙烯懸浮液離心沉降分離能力的計(jì)算與評(píng)價(jià)［J］.合成樹(shù)脂及塑料，2000，17（1）：29-31.

Analysis for production capacity of HDPE device

SHEN Qian-lin,YANG Chong-chang
（College of Mechanical Engineering,Donghua University,Shanghai 201620,China）

The production capacity of centrifuge of HDPE device was calculated and analyzed from increase production and energy saving.Under the condition of the ratio of polymeric soliquoid（m3）to feed gas（t）is 3.5,the capacity production was defined.The production could be increased for centrifugal subsider.

HDPE；centrifugal separation；centrifuge；production capacity

book=2010,ebook=257

TQ051.8

A

1002-1124（2010）11-0023-04

2010-10-07

沈千林（1989-），男，在讀本科生，從事機(jī)械工程學(xué)科研究。

導(dǎo)師簡(jiǎn)介：楊崇倡（1965-），男，博士，教授，從事新型化纖機(jī)械、光機(jī)電一體化領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。