化肥廠并聯(lián)布置的旋風(fēng)分離器組的優(yōu)化研究

馬 欣 徐 洋

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

化肥廠并聯(lián)布置的旋風(fēng)分離器組的優(yōu)化研究

馬 欣*徐 洋

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

通過(guò)研究旋風(fēng)分離器的特性，了解筒體直徑和壓降是影響旋風(fēng)分離器成本的主要因素，建立了并聯(lián)布置的旋風(fēng)分離器組的成本模型。取某一化肥廠的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，得出通過(guò)減少旋風(fēng)分離器的個(gè)數(shù)、合理增大旋風(fēng)分離器的筒體直徑、改變旋風(fēng)分離器的局部結(jié)構(gòu)，可在一定程度上降低成本。分析成本模型的特殊性，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，可以得到基于總成本最小情況下的最優(yōu)旋風(fēng)分離器筒體直徑，為旋風(fēng)分離器組的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

旋風(fēng)分離器 并聯(lián)布置 成本 優(yōu)化

化肥生產(chǎn)屬于流程工業(yè)，以安全、穩(wěn)定、均衡、長(zhǎng)周期、滿負(fù)荷、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和減少污染為生產(chǎn)目標(biāo)[1]。隨著能源形勢(shì)的緊張和對(duì)環(huán)境質(zhì)量要求的提升，對(duì)旋風(fēng)分離器的分離效率要求也隨之提高。使用一臺(tái)旋風(fēng)分離器往往不能滿足生產(chǎn)需要，在這種情況，對(duì)多個(gè)旋風(fēng)分離器進(jìn)行組合布置顯得很有必要[2]。通常采取的方法是對(duì)多個(gè)旋風(fēng)分離器進(jìn)行串并聯(lián)布置，以達(dá)到生產(chǎn)要求。夏欣等在干餾爐旋風(fēng)除塵工藝中，旋風(fēng)分離器采用內(nèi)置六桶分離器圓形并聯(lián)結(jié)構(gòu)，分離效率達(dá)80%～90%[3]。廖磊等針對(duì)6個(gè)旋風(fēng)分離器并聯(lián)布置方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，分析了旋風(fēng)分離器并聯(lián)布置的分離特性[4]。這些研究側(cè)重于分析旋風(fēng)分離器組的分離特性，而忽略旋風(fēng)分離器組的成本問(wèn)題。Abdul-Wahab S A等采用成本模型，運(yùn)用GAMS(通用代數(shù)建模系統(tǒng)軟件)對(duì)旋風(fēng)分離器的串并聯(lián)布置進(jìn)行非線性規(guī)劃優(yōu)化[5]，來(lái)減少整體成本。目前，已有很多關(guān)于旋風(fēng)分離器分離原理的理論模型和經(jīng)驗(yàn)公式用來(lái)表征旋風(fēng)分離器內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律和氣固兩相分離機(jī)理[6,7]。筆者通過(guò)其中筒體直徑和壓降公式建立成本模型，對(duì)化肥廠并聯(lián)布置的旋風(fēng)分離器組的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行研究。

1 旋風(fēng)分離器

1.1 分類(lèi)與基本結(jié)構(gòu)

一般而言，旋風(fēng)分離器的種類(lèi)很多，按入口結(jié)構(gòu)形式分為圓形入口、矩形入口、環(huán)繞式入口和導(dǎo)向旋流葉片入口；按分離器的本體形狀分為筒錐組合型和直筒型；按氣流進(jìn)出方向分為逆流式和直流式[8]。工業(yè)上最常見(jiàn)的旋風(fēng)分離器為矩形切向入口的筒錐型逆流式旋風(fēng)分離器，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。圖1中，a是入口截面的高度，b是入口截面的寬度，B是排塵口直徑，D是旋風(fēng)分>離器筒體直徑(指分離器筒體截面的直徑)，De是升氣管直徑，S是升氣管插入深度，h是旋風(fēng)分離器筒體高度(從分離器頂板到排塵口)，H是旋風(fēng)分離器總高。

圖1 旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)原理

1.2 并聯(lián)布置的旋風(fēng)分離器組

旋風(fēng)分離器組并聯(lián)布置指的是將一定量的物料粉塵通過(guò)多個(gè)旋風(fēng)分離器并聯(lián)連接，進(jìn)行凈化處理，圖2為并聯(lián)旋風(fēng)分離器組布置圖。目前，工業(yè)上廣泛采用的并聯(lián)形式有兩種，即圓形布置和八字形布置形式，也有的采用階梯型布置[9]。并聯(lián)布置的旋風(fēng)分離器組不同于具有多個(gè)旋風(fēng)管的旋風(fēng)分離器，最主要的差異在于前者可以分配每個(gè)旋風(fēng)分離器的不同通氣量，而后者由于共用一個(gè)進(jìn)氣口、且每個(gè)旋風(fēng)管的位置不同，易造成氣流量分配不均的現(xiàn)象，有可能發(fā)生串氣、流場(chǎng)紊亂等情況[10]。

圖2 并聯(lián)旋風(fēng)分離器組布置示意圖

每個(gè)旋風(fēng)分離器處理其中一部分的物料粉塵。各個(gè)物料粉塵的流量之和等于總的粉塵流量Q，即Q=Q1+Q2+…+QN，其中，N為旋風(fēng)分離器的個(gè)數(shù)，則第i個(gè)旋風(fēng)分離器的氣體入口速度Vi為：

(1)

其中，ai是第i個(gè)旋風(fēng)分離器入口截面的高度，bi是第i個(gè)旋風(fēng)分離器入口截面的寬度。ai0是ai與Di的比值，bi0是bi與Di的比值。Di是第i個(gè)旋風(fēng)分離器的筒體直徑。根據(jù)Martinez-Benet J M和Casal J提出的公式[11]可以推出旋風(fēng)分離器筒體直徑Di和壓降Δpi的公式：

(2)

(3)

式中dp——粉塵的分割粒徑；

Ns——顆粒在旋風(fēng)分離器內(nèi)的螺旋圈數(shù)；

μ——?jiǎng)恿φ承韵禂?shù)；

ρ——?dú)怏w的密度；

ρp——粉塵的密度。

2 經(jīng)濟(jì)成本模型

2.1 旋風(fēng)分離器的成本

C總=C動(dòng)力+C設(shè)備

(4)

2.2 并聯(lián)布置的旋風(fēng)分離器組成本

將式(2)、(3)代入式(4)中，得到并聯(lián)布置的旋風(fēng)分離器組的成本，該成本是以單位時(shí)間內(nèi)所花的費(fèi)用來(lái)衡量的。在Abdul-Wahab S A等提出的成本公式的基礎(chǔ)上[5]進(jìn)行改進(jìn)，當(dāng)N個(gè)旋風(fēng)分離器并聯(lián)布置使用時(shí)，總的成本公式如下(主要用于計(jì)算化肥廠物料除塵中并聯(lián)布置的旋風(fēng)分離器組的成本)：

(5)

3 實(shí)例計(jì)算

復(fù)合肥料的化肥廠在制造NPK復(fù)合肥料的過(guò)程中，通常采用氣氨通入槽式反應(yīng)器預(yù)中和，采用轉(zhuǎn)鼓氨化造粒工藝生產(chǎn)DAP，采用轉(zhuǎn)鼓磷酸回滴工藝生產(chǎn)MAP。產(chǎn)品冷卻氣經(jīng)旋風(fēng)分離器除塵后作為干燥熱爐氣的稀釋空氣。稀釋后的熱爐氣經(jīng)干燥機(jī)與磷銨物料并流換熱后，分別經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器、洗滌器除塵洗滌后排放。反應(yīng)尾氣、造粒尾氣與經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器的設(shè)備通風(fēng)尾氣經(jīng)過(guò)洗滌器洗滌后排放[12]。在這一整套制作復(fù)合肥料的過(guò)程中要選用適量通徑大小、合理個(gè)數(shù)的旋風(fēng)分離器來(lái)完成除塵分離的工作。

圖3為某一化肥廠NPK復(fù)合肥造粒過(guò)程圖。

圖3 某一化肥廠NPK復(fù)合肥造粒過(guò)程示意圖

在并聯(lián)使用多個(gè)分離器來(lái)處理大量氣體時(shí)，選擇合適的并聯(lián)形式其目的就在于保證每個(gè)旋風(fēng)分離器的進(jìn)氣口氣速都相等。這樣，便可使各分離器的分離效率和壓力降也都分別相等，以使并聯(lián)的分離器在整體上達(dá)到最佳的工況。為了便于計(jì)算，假設(shè)每個(gè)旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)參數(shù)都相同，則單個(gè)旋風(fēng)分離器的處理流量Qi=Q/N。規(guī)定nDmD型旋風(fēng)分離器表示旋風(fēng)分離器筒體高度h和椎體高度H-h分別等于n×D和m×D，1D3D型旋風(fēng)分離器指的是h為D，H-h為3D的旋風(fēng)分離器[13]。1D3D型和2D2D型旋風(fēng)分離器是兩種不同的旋風(fēng)分離器，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1，對(duì)這兩種旋風(fēng)分離器組進(jìn)行成本分析。實(shí)例數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[5]中某一化肥廠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，該化肥廠氣固粉塵的總處理量Q為13.97m3/s，粉塵的密度ρp為1 042kg/m3，氣體的密度ρ為1.33kg/m3，動(dòng)力粘性系數(shù)μ為19.34MPa·s，粉塵的分割粒徑dp為21.63μm。將數(shù)據(jù)代入公式中，得到各自的壓降、入口速度和總成本(表2、3)。

表1 兩種不同的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 2D2D型旋風(fēng)分離器并聯(lián)布置參數(shù)與數(shù)值表

注：總成本C并總指一個(gè)工作日內(nèi)每秒鐘的花費(fèi)(以一天8h計(jì))。

表3 1D3D型旋風(fēng)分離器并聯(lián)布置參數(shù)與數(shù)值表

從表2中可以看出，在物料粉塵流量不變的情況下，隨著旋風(fēng)分離器個(gè)數(shù)的增加，通徑減小，總壓降減少，但由于個(gè)數(shù)的增加，使得設(shè)備成本增加導(dǎo)致總的成本的增加。對(duì)比表2、3可以看出，當(dāng)改變旋風(fēng)分離器的局部結(jié)構(gòu)，如筒體段的高度h會(huì)造成總成本的改變。從數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)高度h增加時(shí)，總成本有了略微增加。如果將筒體直徑D看成是自變量，成本C并總看成是關(guān)于D的函數(shù)，則C并總=AD-4+BD1.2，其中，A、B是大于0的系數(shù)，取值與初始條件有關(guān)。該函數(shù)曲線在(0，D0)區(qū)域，隨著D的增大逐漸減??；在(D0，+∞)區(qū)域，隨著D的增大而增大。即C并總在D=D0時(shí)，取得最小值。令F′(D0)=0，即可求出D0值。如在N=2時(shí)，采用1D3D規(guī)格旋風(fēng)分離器，取表1參數(shù)和初始條件，則A=1.66×10-2，B=2.49×10-3，求得最優(yōu)筒體直徑D0為1.82m，最小總成本C并總為0.006 61元。

4 結(jié)論

4.1在滿足處理一定量物料粉塵的條件下，改變旋風(fēng)分離器的局部結(jié)構(gòu)，會(huì)引起旋風(fēng)分離器組總成本的改變。

4.2對(duì)于并聯(lián)布置，在滿足處理一定量物料粉塵的條件下，通過(guò)減少旋風(fēng)分離器的個(gè)數(shù)，增大旋風(fēng)分離器的通徑，在一定程度上可以減少成本。

4.3由于成本函數(shù)的特殊性，可通過(guò)數(shù)值算法算出基于成本最小情況下的最優(yōu)旋風(fēng)分離器通徑值?？梢酝诜蛛x性能最優(yōu)下的旋風(fēng)分離器通徑值作對(duì)比，為旋風(fēng)分離器組的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

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ResearchonOptimizationofCycloneSeparatorArrangedinParallel

MA Xin, XU Yang

(SchoolofMechatronicEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China)

The gas-solid cyclone enjoys wide application and few researches on cyclone separator group can be seen at home and abroad. Through investigating into the cyclone separator’s characteristics and both cylinder diameter and pressure drop’s influence on the separator cost, the cost model for the cyclone separator in parallel was established and the actual parameters from a fertilizer plant were adopted in the cost calculation to show that, reducing the number of cyclones and reasonably increasing the cylinder diameter as well as changing local structure of the cyclone can reduce the cost to a certain extent. Through analyzing the particularity of the cost model, the optimal cylinder diameter can be reached based on the minimum total cost so as to provide a reference for the optimal design of cyclone group.

cyclone separator, parallel arrangement, cost, optimization

*馬 欣，男，1973年12月生，副教授。四川省成都市，610500。

TQ051.8

A

0254-6094(2016)04-0485-05

2015-08-04，

2015-08-21)