真空氣液分離模型設(shè)計(jì)與應(yīng)用

羅金蓮

長(zhǎng)嶺煉化岳陽工程設(shè)計(jì)有限公司 岳陽 414000

過濾是催化劑制備過程中常見的固液分離技術(shù)，也是使用頻率較高的單元操作，該單元設(shè)備選擇是否合理，不但影響裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，而且決定裝置的收率高低、產(chǎn)品質(zhì)量及能耗水平。因此，針對(duì)過濾單元設(shè)備的選型問題，各大催化劑制備企業(yè)與單元設(shè)備供應(yīng)商都在不斷的進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)與技術(shù)創(chuàng)新。

過濾的分類方式有很多種，按工作方式分有間歇過濾、連續(xù)過濾；按過濾壓力分有常壓過濾、加壓過濾、真空過濾；按過濾設(shè)備的形狀分有轉(zhuǎn)鼓過濾、圓盤過濾、板框過濾、廂式過濾、帶式過濾等。本文重點(diǎn)對(duì)水平帶式真空過濾機(jī)的真空氣液分離方式進(jìn)行研究，并提出其設(shè)計(jì)模型，為生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

1 基本原理

過濾介質(zhì)(懸浮液)在外力作用下通過多孔介質(zhì)截留住固體顆粒而讓液體通過，從而實(shí)現(xiàn)固液分離。實(shí)現(xiàn)過濾的外力可以是重力、離心力、機(jī)械壓力及真空抽力。

真空氣液分離的基本原理是氣液兩相混合介質(zhì)利用其密度差而進(jìn)行自然分離。

2 水平帶式真空過濾機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

相對(duì)于其它形式的過濾設(shè)備，水平帶式真空過濾機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)集過濾、離子交換、洗滌、濾布再生于一體且可同時(shí)進(jìn)行。

(2)實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高。

(3)濾餅厚度可調(diào)，操作靈活。

(4)實(shí)現(xiàn)多次離子交換與洗滌，產(chǎn)品質(zhì)量好。

(5)真空度可調(diào)，可有效控制下料濾餅濕度。

(6)濾布可正反兩面同時(shí)清洗再生，操作簡(jiǎn)單、維護(hù)容易。

3 結(jié)構(gòu)形式

水平帶式真空過濾機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 水平帶式真空過濾機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖(零位排液)

懸浮液通過進(jìn)料裝置均布于水平帶式真空過濾機(jī)的濾帶上，隨濾帶向下料端移動(dòng)，在真空抽力的作用下，濾液透過濾帶進(jìn)入真空受液罐進(jìn)行氣液分離，固體顆粒則被截留于濾帶上送入下一過濾區(qū)。

本文研究的對(duì)象是真空氣液分離模型的構(gòu)成、關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)選型及相應(yīng)的特點(diǎn)。下面分真空零位排液及高位排液兩種情況進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。

4 模型設(shè)計(jì)與應(yīng)用

4.1 模型設(shè)計(jì)條件

過濾機(jī)的處理能力為Q=30m3/h；過濾漿料密度ρ1為1100 Kg/m3；固含量X1為15%(m)；過濾真空度P為-0.06MPa(表壓)；過濾后濾餅固含量X2為50%(m)；濾液密度ρ2為1005 Kg/m3；過濾面積A為30 m2；過濾機(jī)有效總長(zhǎng)度L為15m；共分過濾、離子交換及凈水洗滌三段，每段長(zhǎng)5m；濾帶移動(dòng)速度u為1 m/min；真空抽吸切換周期為10s；項(xiàng)目所在地大氣壓力為0.1 MPa (絕壓)；忽略固形物隨濾液跑損量。

4.2 真空零位排液模型

過濾濾液的排放方式不受真空分液罐及濾液接收罐相對(duì)高度的影響，只需考慮系統(tǒng)自身匹配合理即可，這種過濾排液方式叫做零位排液(模型見圖1)。

當(dāng)真空抽吸時(shí)，真空切換閥打開、真空分液罐底部翼閥因真空吸力關(guān)閉，過濾機(jī)處于過濾工作狀態(tài)、濾液不斷被吸出；當(dāng)真空釋放時(shí)，真空切換閥關(guān)閉、真空泄壓、真空分液罐底部翼閥因重力作用而打開、濾液排出。

4.2.1 過濾濾液量確定

過濾前：漿液總質(zhì)量W=Q×ρ=33000 Kg/h

其中,固形物：W1=W×X1=4950 Kg/h

水：W2=W―W=28050 Kg/h

過濾后：干基含量不變，仍為W1=4950 Kg/h

濾餅總質(zhì)量：W3=W1/X2=9900 Kg/h

故：濾液質(zhì)量G=W―W3= 23100 Kg/h

濾液體積V=G/ρ2=22.99 m3/h

對(duì)上述計(jì)算過程進(jìn)行公式疊代和簡(jiǎn)化整理，可得出濾液體積計(jì)算數(shù)學(xué)模型為：

(1)

4.2.2 濾液集合管管徑確定

當(dāng)過濾機(jī)的某功能段較長(zhǎng)時(shí)，為了方便濾液收集與排液順暢，該功能段內(nèi)部又會(huì)分為若干小段，每小段均通過濾液支管匯合入濾液集合管，濾液集合管的流通面積需大于各支管截面積之和的1.2倍。

如過濾段分二小段，每小段的排液負(fù)荷為0.5V=11.495 m3/h，選用濾液支管為DN80、氣液兩相流，考慮填充系數(shù)0.5，其管內(nèi)流速U=1.26 m/s，此流速設(shè)計(jì)合理。

其集合管直徑DN≥2×(1.2×2×0.042)0.5=0.124 m

設(shè)計(jì)時(shí)，一般往上圓整取值，因DN125為不常用管徑，所以，實(shí)際上取值為DN150。

設(shè)濾液支管根數(shù)為n，支管直徑為￠，對(duì)上述計(jì)算過程進(jìn)行歸納整理，可得出濾液集合管直徑φ計(jì)算數(shù)學(xué)模型為：

(2)

實(shí)際取值時(shí)，按(2)式計(jì)算結(jié)果圓整后向上套用常用工程口徑。

4.2.3 真空分液罐罐容V1確定

真空分液罐的有效罐容為真空氣液入口以下的部分，液體一旦超過入口高度就會(huì)形成液封，阻礙真空抽吸的正常進(jìn)行。

以過濾段為例，其濾液量為22.99 m3/h，真空操作切換頻率τ為10s，真空分液罐的最小有效罐容Vmin必須滿足一個(gè)真空周期的濾液量。

Vmin≥22.99×10/3600=0.064 m3

真空氣液混合流從中部進(jìn)入真空分液罐，則V1=2Vmin=0.128 m3

最終確定該真空分液罐大小為Φ600×1000(直筒高) 罐容0.3 m3

設(shè)真空操作切換頻率為τ，真空分液罐的有效容積率為η，對(duì)上述計(jì)算過程進(jìn)行歸納整理，可得出相應(yīng)數(shù)學(xué)模型為：

(3)

(4)

最終確定真空分液罐尺寸時(shí)，在滿足(4)式的前提下，選取常用工程尺寸。真空分液罐一般采用橢頂橢底立式圓筒形結(jié)構(gòu)。

4.2.4 受液池容積V2確定

受液池一般為真空分出液體中轉(zhuǎn)站，池中濾液為隨進(jìn)隨出，理論上，V2不小于V1即可，為防止真空泄放時(shí)濾液外濺，常將受液池設(shè)置為方形立式敞口，大小為600×800×800。

4.3 真空高位排液模型

真空高位排液模型見圖2。

圖2 水平帶式真空過濾機(jī)高位排液模型

過濾濾液的排放方式受真空分液罐及濾液接收罐相對(duì)高差H的影響，當(dāng)H低于某個(gè)值時(shí)，真空度不夠，過濾工作無法完成或者過濾效果極差,這種過濾排液方式叫做高位排液。此H叫做最小真空高度，也叫真空密封腿高、真空分液罐出口管道叫真空密封管或真空密封腿。

高位排液與零位排液模型主體結(jié)構(gòu)基本相同，不同之處在于零位排液的真空分液罐出口設(shè)有翼閥，由翼閥的開關(guān)來配合完成真空過濾過程。而高位排液的真空分液罐出口沒有閥門，由管道連接直接插入濾液接收罐液面以下，濾液可兼作真空密封液，形成密閉排放。

當(dāng)真空抽吸時(shí)，真空切換閥打開，過濾機(jī)處于過濾工作狀態(tài)，濾液不斷被吸出進(jìn)入濾液集合管及真空分液罐中，濾液接收罐的液體在大氣壓力的作用下通過真空密封管回流，上升至一定高度；當(dāng)真空釋放時(shí)，真空切換閥關(guān)閉，真空釋放，分離出的濾液通過真空密封管排入濾液接收罐。

4.3.1 參數(shù)確定

過濾濾液量G、濾液集合管管徑DN、真空分液罐罐容V1確定方法同零位排液模型。

4.3.2 “U”形測(cè)壓計(jì)原理

當(dāng)真空工作進(jìn)行時(shí)，其系統(tǒng)壓力與環(huán)境壓力之間的關(guān)系遵循“U”形測(cè)壓計(jì)原理，其工作原理見圖3。

圖3 U型測(cè)壓計(jì)工作原理圖

不論正壓狀態(tài)還是負(fù)壓狀態(tài)，圖中1、2二處壓力相等。

正壓時(shí)：Pa+ρ1gh1=P0+ρgR

(5)

負(fù)壓時(shí)：Pa+ρ1gh1+ρgR=P0

(6)

以上兩式中ρ1為A處工作液密度；h1為工作液靜液柱高度。

4.3.3 最小真空密封腿高Hmin數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

依據(jù)(6)式：

P+ρ1gh1+ρ2gH=P0

(7)

式中，ρ1為真空氣密度，Kg/m3；h1為真空氣體高度(氣液混合氣入口至真空密封液頂面高差)，m；H為真空密封腿高，m；其它符號(hào)及單位同前。

當(dāng)H達(dá)到最小真空密封高度Hmin時(shí)，h1=0，此時(shí)(7)式可簡(jiǎn)化為：

P+ρ2gHmin=P0

(8)

經(jīng)單位換算、歸納整理可推導(dǎo)出最小真空密封腿高Hmin數(shù)學(xué)模型為：

(9)

式中，P0、P均采用表壓，MPa。

4.3.4 真空密封腿高H

仍以零位排液模型數(shù)據(jù)為例，已知：操作時(shí)真空壓力P=-0.06 MPa(表壓)；環(huán)境壓力P0=0.1MPa(絕壓)=0 MPa(表壓)；濾液密度ρ2為1005 Kg/m3；g=9.81 N/Kg。真空工作時(shí)氣液介質(zhì)狀態(tài)見圖4。

圖4 真空狀態(tài)下的氣液狀態(tài)圖

依據(jù)式(9)，P+ρ2gHmin= P0，可求得Hmin=6.09 m。

當(dāng)實(shí)際選取H≥Hmin時(shí)，均可滿足生產(chǎn)要求。

4.4 兩種模型特性對(duì)比

兩種模型特性對(duì)比見表1。

4.5 模型應(yīng)用實(shí)例

某企業(yè)對(duì)老裝置進(jìn)行技改過程中，因交換介質(zhì)中含有機(jī)胺(嚴(yán)重異味且有毒)，濾液只能密閉排放，因此采用高位排放的真空氣液分離方式，因受老廠房層高限制，真空密封腿高H=4m。改造完成后，裝置投產(chǎn)試車，發(fā)現(xiàn)濾餅吸不干、且真空度上不去，裝置技術(shù)人員懷疑是真空泵抽力不夠。后經(jīng)過設(shè)計(jì)人員分析后，認(rèn)為是真空密封腿高H未能滿足H≥Hmin的要求所致。仍以前述工藝參數(shù)作為背景，復(fù)核計(jì)算真空度。

表1 真空分液模型特性對(duì)比表

真空密封腿高H=Hmin=4m；環(huán)境壓力P0=0.1MPa(絕壓) =0 MPa(表壓)；濾液密度ρ2=1005 Kg/m3；g=9.81 N/Kg。依據(jù)(9)式，P=P0-ρ2gH×106=-0.039 MPa(表壓)。

依據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)真空度達(dá)到-0.039 MPa(表壓)時(shí)，就再也升不上去了，與生產(chǎn)操作實(shí)際情況相吻合。

依據(jù)設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見，將濾液接收罐由地面安裝改為埋地安裝，H由4m擴(kuò)大到7m，真空度可達(dá)到-0.06 MPa(表壓)以上，過濾效果非常好。

5 結(jié)語

對(duì)于真空氣液分離排放方式的選擇，首先依據(jù)物料特性(如有無易揮發(fā)組份)、操作條件(過濾溫度、壓力)確定，其次結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件、業(yè)主使用意愿等進(jìn)行。一般情況應(yīng)優(yōu)先選用零位排放方式；但當(dāng)過濾濾液中包含有損職業(yè)安全衛(wèi)生與健康的組份如有毒、有剌激性氣味等不允許直接泄放時(shí)，高位排液模型將是唯一選擇。