分相罐的選型設(shè)計(jì)

謝婉霞(河南神馬尼龍化工有限公司芳綸研發(fā)部 467000)

分相罐是化工生產(chǎn)中液-液分離的主要設(shè)備之一，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易制作、物料停留時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，適應(yīng)于液-液分相較難、處理量大的場(chǎng)合，被廣泛應(yīng)用于不互溶的兩相液體分離操作中,因此分相罐的正確設(shè)計(jì)是化工分離連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的保障。

一、連續(xù)分相罐的工作原理與結(jié)構(gòu)

1.工作原理

將待分離混合液輸送入分相罐，在分相罐內(nèi)，密度不同且互溶度較小的二組分混合液，經(jīng)一段時(shí)間的靜置，可分為液-液兩相。由于液-液兩相密度不同，可形成相對(duì)穩(wěn)定的分相面，液-液兩相在分相罐內(nèi)自動(dòng)連續(xù)分相后分別從分相罐輕重組分出口采出，實(shí)現(xiàn)二組分混合液有效分離。

2.分相罐的基本結(jié)構(gòu)形式

分相罐的基本結(jié)構(gòu)形式如圖A所示。

分相罐具有占地面積小，操作靈活性大，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

二、分相罐的設(shè)計(jì)計(jì)算

1.分相罐的分離任務(wù)

總分離任務(wù)——輕相：QL－體積流量m3/s，重相：QH－體積流量m3/s。

2.分相器的直徑及長(zhǎng)度計(jì)算

（1）分散相和連續(xù)相的確定

對(duì)于液—液兩相分離，首先要明確分散相與連續(xù)相，Selker和sleicher提出了依據(jù)θ值判斷分散相和連續(xù)相的方法：

式中QL,QH分別為輕相和重相的體積流量，m3/s；ρL,ρH分別為輕相和重相的密度，kg/m3；μL,μH分別為輕相和重相的粘度，Pa·s。

分散相選擇與θ值大小有關(guān)，見(jiàn)下表。

θ分散相與連續(xù)相判定輕相為分散相輕相可能是分散相輕相重相可能是分散相，設(shè)計(jì)按兩種情況考慮重相可能是分散相重相是分散相＜0.30.3～0.50.5～2.02.0～3.3>3.3

由總分離任務(wù)代入式（1）中，計(jì)算θ值。由上表中可以根據(jù)θ值的大小判定連續(xù)相與分散相。

（2）分散相沉降速度的確定

分散相的沉降速度，一般符合stokes公式

式中：UD為分散相中液滴的沉降速度，m/s；dD為液滴直徑m；PC為連續(xù)相的密度，kg/m3；PD為分散相的密度，kg/m3,；μC為連續(xù)相的粘度Pa·s；g為重力加速度，9.81m/s2

對(duì)于沉降粒子直徑最好用實(shí)際測(cè)的數(shù)據(jù)，當(dāng)缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)可采用Middleman推薦的設(shè)計(jì)值150μm。代入式（2）計(jì)算UD值。

（3）分相器的直徑及長(zhǎng)度計(jì)算

根據(jù)連續(xù)相的速度必須小于分散相液滴沉降速度的原則，可以定出分相器的直徑D0。

其中Ai為分界面的面積。對(duì)于立式容器；對(duì)于臥式容器，Z為分界面距容器底的高度m，L為其長(zhǎng)度。當(dāng)分離任務(wù)量不大時(shí)，選用立式分相器為宜，則其筒體半徑

圓整R值，并根據(jù)H/R≥1.5，選定分相器高度H。當(dāng)分離任務(wù)量較大時(shí)，選用臥式分相器為宜。

三、分相罐的設(shè)計(jì)計(jì)算

1.設(shè)計(jì)依據(jù)

首先根據(jù)液-液兩相分出明顯相界面所需的最低靜置時(shí)間和生產(chǎn)所需的處理能力，確定分相罐的容積；然后根據(jù)長(zhǎng)徑比不小于1.5的原則，確定分相罐的外形尺寸；再根據(jù)進(jìn)料量、出料量確定各進(jìn)出口管口直徑；最后確定輕重兩相出口的位置。

2.分相罐的設(shè)計(jì)方案

（1）設(shè)計(jì)方案A如圖A所示

（2）設(shè)計(jì)方案B如圖B所示

將分相界面設(shè)定在重相側(cè)，位于內(nèi)置隔板頂部距罐底1/3～1/2位置處,有利于提高分相罐操作的穩(wěn)定性。在長(zhǎng)徑比合適的貯罐內(nèi)置入隔板（隔板高度小于罐直徑），隔板滿焊于罐壁，將罐一分為二構(gòu)成連通器

（3）設(shè)計(jì)方案C如圖C所示

必要時(shí)，可在重組分側(cè)罐底加油包，使分相更完全。

3.核查分散相在分散帶中的停留時(shí)間

分散相在分散帶中的停留時(shí)間t'd

HD：分相帶的高度（經(jīng)驗(yàn)值為0.1m），計(jì)算出分散相在分散帶中的停留時(shí)間t'd，從而判斷確定出的分相器直徑、高度是否合理。

4.分相器的管道布置

（1）進(jìn)料口直徑的計(jì)算

為了最大限度地減少進(jìn)入容器的噴射液流所引起的“夾帶”，分相器的入口速度應(yīng)保持低于1m/s，同時(shí)進(jìn)料口宜選擇在分相器中間的位置，則

式中Qtotal=QL+QH(QL－輕相體積流量m3/s，QH－重相體積流量m3/s。)，圓整D入。

（2）分相器自動(dòng)出料管道的設(shè)計(jì)

分相器分界面位置可以利用虹吸管移去重相的方法加以控制，重相出口最高處與分相器上端相連，這樣分相器內(nèi)壓力與出口上端壓力一致，從而起到穩(wěn)定出料的作用。

設(shè)重相厚度為h1，輕相厚度為h2，分相器底到輕相出口高度為h，重相管道最高點(diǎn)距分相器底高為h3，忽略管道阻力，根據(jù)壓力平衡得：

四、設(shè)計(jì)方案實(shí)際應(yīng)用效果及比較

分別應(yīng)用設(shè)計(jì)方案A，B，C的方法進(jìn)行選型設(shè)計(jì)并應(yīng)用于生產(chǎn)，分離任務(wù)相同的條件下，分相罐的分離精度如下表

重相出口濃度 %889398設(shè)計(jì)方案A B C輕相出口濃度 %828997

結(jié)論

應(yīng)用本文介紹的方法選型設(shè)計(jì)的分相器雖然比原來(lái)設(shè)備體積減小近一半，但實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況表明，設(shè)計(jì)方案A、B、C運(yùn)行及分離效果均較好，進(jìn)出料穩(wěn)定，但方案C分離精度更高，設(shè)計(jì)方案與機(jī)械加工更復(fù)雜。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可根據(jù)分離任務(wù)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。