旋液分離器的設(shè)計(jì)

鄭世富，黃佩佩，黃子威，易元剛，祝志堯

（江西贛鋒鋰業(yè)集團(tuán)股份有限公司，江西新余 338000）

1 前言

固液分離是最普遍的化工生產(chǎn)單元操作之一，根據(jù)固液分離方法的不同，可將其分為沉降分離、過濾和膜分離等[1]。沉降分離按照作用力的不同，分為重力沉降和離心沉降，重力沉降主要是依靠地球引力的作用，利用顆粒與流體的密度差異，使其發(fā)生相對運(yùn)動，從而達(dá)到沉降分離的目的；離心沉降是利用物體在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力，使溶液中的懸浮物發(fā)生沉降或漂浮，以致達(dá)到顆粒濃縮和分離的目的[2]。過濾通常是通過某種介質(zhì)以阻擋及截留懸浮物中的固相，從而達(dá)到固液分離的目的[3]。膜分離是以膜為阻擋介質(zhì)，通過在膜兩側(cè)施加推動力，其可以是濃度差、電壓差等，以此為推動力使混合物達(dá)到分離的目的[4]。

旋液分離器是通過離心力的原理把固體和液體分離出來的設(shè)備[5]。其主體由圓筒和錐殼組成，旋液分離器頂部中央管為溢流口；底部錐形出口為底流口。懸浮液從旋液分離器圓筒上側(cè)沿切線方向進(jìn)入，部分液體沿著螺旋形路線向旋液分離器底旋轉(zhuǎn)排出，部分液體到達(dá)底部后，轉(zhuǎn)而往上從頂部中央的溢流口排出；懸浮液中較大的固體顆粒在離心力的作用下，隨著液體的旋轉(zhuǎn)被逐漸地甩向器壁，沿著器壁落下，滑向底部的底流口[6]。

旋液分離器由于結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行成本低，常被應(yīng)用于固液分離操作單元，隨著旋液分離器在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用，其選型設(shè)計(jì)也受到越來越多關(guān)注。前人經(jīng)過多年的研究設(shè)計(jì)，對旋液分離的設(shè)計(jì)進(jìn)行了歸納，總結(jié)出了下列經(jīng)驗(yàn)公式。

設(shè)計(jì)旋液分離器中，在不考慮固體顆粒從哪一顆粒開始分級，只考慮料液增稠的情況下，可按式（1）粗略地計(jì)算出旋液分離器的直徑[6]。

式中，Dc為旋液分離器的圓筒直徑，cm；系數(shù)K通常取0.8~1.10；Qi為旋液分離器的處理量，L/min。

計(jì)算旋液分離器的壓降，可通過式（2）計(jì)算[6]。

式中，Δp為旋液分離器的壓強(qiáng)降，atm。

旋液分離器底流與進(jìn)料體積比的計(jì)算公式見式（3）[7]。

式中，Ri為旋液分離器底流與進(jìn)料的體積比；pi為旋液分離器進(jìn)口絕對壓力，Pa；pa為旋液分離器溢流口絕對壓力，Pa；Do為旋液分離器溢流口直徑，cm；Du為旋液分離器底流口直徑，cm。

顆粒粒徑為d級效率G的計(jì)算公式見式（4）[7-8]。

應(yīng)用范圍：3%≤G≤98%，當(dāng)d≥2~2.30d50，G達(dá)到100%，即該尺寸的顆粒全部進(jìn)入分離器的底流中。

邊界粒度d50：該尺寸的顆粒經(jīng)旋液分離器后，在溢流口和底流中恰巧各占一半?？筛鶕?jù)式（5）計(jì)算得到[7-8]。

式中，α為旋液分離器的半錐角；Di為旋液分離器進(jìn)料管直徑，m；μ為懸浮液動力黏度，N?s?m-2；Δp為固液相密度差，kg/m3。

旋液分離器的底流排出量與料液供給量比值，由底流口和溢流口的尺寸所決定，其間關(guān)系可近似以式（6）表示[9]。

式中，Qu為旋液分離器的底流排出量，L/min；K等于0.9~1.0，通常取0.95。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)指出，旋液分離器溢流口插入長度Lo[10]：溢流管深入到旋液分離器內(nèi)部一定程度時(shí)，可以避免進(jìn)料中固體顆粒直接從頂部出口隨著清液排出的短路傾向，并隨著Lo的增加，抑制固體粒子短路的作用越明顯。d50也隨著Lo的增加而增加，從而導(dǎo)致分離效率下降，因此，通常Lo取Dc/3至2Dc/5。

為制造方便，旋液分離器由圓筒段和圓錐段組成，其總長度為兩段之和。提高總長度、減小圓錐角角度，均可提高旋液分離器的分離效率和處理能力。通常情況下，旋液分離器的總長度L為5Dc，圓筒段長度L’=2Dc/3~2Dc，圓錐角為θ≤20°[11-12]。

本文根據(jù)總結(jié)前人對旋液分離器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對某鋰鹽廠改造過程中的氫氧化鋰晶漿增稠用的旋液分離器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)后，氫氧化鋰晶漿達(dá)到了預(yù)期的增稠效果。

2 設(shè)計(jì)案例

某鋰鹽廠，MVR 蒸發(fā)出料的氫氧化鋰晶漿濃度較低，如增加MVR 蒸發(fā)出料氫氧化鋰的晶漿濃度，容易引起加熱管的堵塞，若晶漿濃度較低，將不利于后續(xù)的離心分離，因此，該鋰鹽廠擬增設(shè)一旋液分離器，以達(dá)到增加晶漿濃度的目的。通過核算及晶體顆粒粒度檢測結(jié)果，確定旋液分離器的進(jìn)料量為30 m3/h；氫氧化鋰晶漿固含量為6%~10%；氫氧化鋰晶體的密度ρs為1.46 g/cm3；氫氧化鋰飽和溶液的密度ρL為1.12 g/cm3；氫氧化鋰晶漿懸浮液動力黏度μ為5 mNs/m2；氫氧化鋰晶漿晶體粒度d90為275 μm。

本設(shè)計(jì)中，希望通過旋液分離器增稠后，氫氧化鋰晶漿的固含量能由原來的6%~10%增稠至12%~20%，下面對該旋液分離器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

1）根據(jù)公式（1）確定分離器的圓筒直徑，系數(shù)K取1.0。取Dc為250 mm。

根據(jù)前人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)料口直徑Di=（1/6~1/7）Dc、溢流口直徑Do=Dc/2.3~Dc/8、底流管直徑Du=（1/10~1/5）Dc。本設(shè)計(jì)中，取進(jìn)料口直徑Di=Dc/6.5=250/6.5=38 mm；取溢流口直徑Do=Dc/5.5=250/5.5=45 mm；取底流管直徑Du=Dc/5.5=250/5.5=45 mm。因此，Di取φ45×3 的鋼管；Do取φ57×3 的鋼管；Du取φ57×3的鋼管。

2）通過公式（2）計(jì)算旋液分離器的壓降。

旋液分離器進(jìn)料泵的揚(yáng)程為25 m，可提供的壓力約2.5 atm，泵進(jìn)口的壓力為-0.33 atm，除去摩擦損失，進(jìn)分離器的壓力pi約為3 atm（絕壓），因此，出分離器的壓力pa為：

3）通過公式（3）計(jì)算出底流出料與進(jìn)料體積比。

4）根據(jù)公式（5）計(jì)算得到d50。

第一個(gè)難題是敦煌服飾沒有出土實(shí)物，只能純粹參考壁畫。但是經(jīng)過千百年的侵蝕，不僅壁畫的顏色流失，上面的人物輪廓、造型也都有所損壞。想要知道某個(gè)完整的裝束是什么樣的，腰間的配飾如何搭扣，甚至還有當(dāng)中的文化和畫中人的故事，壁畫能給的參考實(shí)在太少。楚艷只能和團(tuán)隊(duì)多次前往敦煌，仔細(xì)考察壁畫中的服飾，同時(shí)參考敦煌藝術(shù)研究專家常沙娜的臨摹圖，想盡辦法獲取更多的服飾信息。最終，她們從敦煌石窟8000多個(gè)壁畫人像中，選取了最具特征的20身世俗供養(yǎng)人畫像來還原。

因 此，2~2.3d50=（2~2.3）×21.6=43.2~49.7 μm，這就意味著，氫氧化鋰晶漿中晶體粒度d≥49.7 μm的固體顆粒，將全部從旋液分離器的底流排出。經(jīng)晶體顆粒粒度檢測結(jié)果可知，氫氧化鋰晶體粒度大于275 μm 的粒子，占比大于90%。因此，可認(rèn)為經(jīng)旋液分離器增濃后，有90%以上的氫氧化鋰晶體，從旋液分離器的底流排出系統(tǒng)。因此，進(jìn)料含固量為6%~10%的晶漿30 m3/h，經(jīng)旋液分離器增濃后，底流晶漿的濃度在：6%×30/（0.59×30）~10%×30/（0.59×30）=9%~17%

5）通過公式（6）驗(yàn)證Du和Do的合理性。

因此，Du和Do的設(shè)計(jì)合理。

6）通過前人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定溢流口插入長度Lo、圓筒段長度L’、旋液分離器的總長度L等尺寸。

溢流口插入長度Lo：

Lo=Dc/3~2Dc/5=250/3~2×250/5=83~100，Lo取90

圓筒段長度L’：

L’=2Dc/3~2Dc=2×250/3~2×250=166~500，L’ 取300

旋液分離器的總長度L：

旋液分離器的條件見圖1。

圖1 旋液分離器的條件圖

由圖1可以看出，本設(shè)計(jì)中，旋液分離器的圓錐角θ=13°<20°，符合旋液分離器相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

通過旋液分離器的選型設(shè)計(jì)，對不同氫氧化鋰晶漿濃度的溶液進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。與原工藝相比較，增設(shè)了旋液分離器后，不同氫氧化鋰晶漿濃度的溶液均得到了不同程度的增稠。

其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 旋液分離器增稠實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出，增旋液分離器，原氫氧化鋰晶漿濃度由6%~10%，增稠了1倍左右，晶漿濃度達(dá)到了11%~19%，從而降低了后續(xù)離心機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷，達(dá)到了預(yù)期的效果。

3 結(jié)論

通過總結(jié)前人的經(jīng)驗(yàn)，為某鋰鹽廠設(shè)計(jì)一旋液分離器，用于氫氧化鋰晶漿的增稠。通過設(shè)計(jì)，確定旋液分離器的直徑為DN250；總長度為1 250 mm；進(jìn)料口直徑為DN40；溢流口直徑和底流管直徑均為DN50；圓錐角為13°，各設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)值均在合理的范圍內(nèi)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，氫氧化鋰晶漿由原來的6%~10%增稠至11%~19%，達(dá)到了預(yù)期增稠的目的。