分相罐的選型設計

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-液分離的主要設備之一，具有結構簡單、易制作、物料停留時間長的特點，適應于液-液分相較難、處理量大的場合，被廣泛應用于不互溶的兩相液體分離操作中,因此分相罐的正確設計是化工分離連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的保障。

一、連續(xù)分相罐的工作原理與結構

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，可形成相對穩(wěn)定的分相面，液-液兩相在分相罐內(nèi)自動連續(xù)分相后分別從分相罐輕重組分出口采出，實現(xiàn)二組分混合液有效分離。

2.分相罐的基本結構形式

分相罐的基本結構形式如圖A所示。

分相罐具有占地面積小，操作靈活性大，抗干擾能力強的特點。

二、分相罐的設計計算

1.分相罐的分離任務

總分離任務——輕相：QL－體積流量m3/s，重相：QH－體積流量m3/s。

2.分相器的直徑及長度計算

（1）分散相和連續(xù)相的確定

對于液—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，見下表。

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，設計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

由總分離任務代入式（1）中，計算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

對于沉降粒子直徑最好用實際測的數(shù)據(jù)，當缺乏實驗數(shù)據(jù)時可采用Middleman推薦的設計值150μm。代入式（2）計算UD值。

（3）分相器的直徑及長度計算

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。對于立式容器；對于臥式容器，Z為分界面距容器底的高度m，L為其長度。當分離任務量不大時，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。當分離任務量較大時，選用臥式分相器為宜。

三、分相罐的設計計算

1.設計依據(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)進料量、出料量確定各進出口管口直徑；最后確定輕重兩相出口的位置。

2.分相罐的設計方案

（1）設計方案A如圖A所示

（2）設計方案B如圖B所示

將分相界面設定在重相側(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，將罐一分為二構成連通器

（3）設計方案C如圖C所示

必要時，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間

分散相在分散帶中的停留時間t'd

HD：分相帶的高度（經(jīng)驗值為0.1m），計算出分散相在分散帶中的停留時間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）進料口直徑的計算

為了最大限度地減少進入容器的噴射液流所引起的“夾帶”，分相器的入口速度應保持低于1m/s，同時進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）分相器自動出料管道的設計

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，重相管道最高點距分相器底高為h3，忽略管道阻力，根據(jù)壓力平衡得：

四、設計方案實際應用效果及比較

分別應用設計方案A，B，C的方法進行選型設計并應用于生產(chǎn)，分離任務相同的條件下，分相罐的分離精度如下表

重相出口濃度 %889398設計方案A B C輕相出口濃度 %828997

結論

應用本文介紹的方法選型設計的分相器雖然比原來設備體積減小近一半，但實際運轉(zhuǎn)情況表明，設計方案A、B、C運行及分離效果均較好，進出料穩(wěn)定，但方案C分離精度更高，設計方案與機械加工更復雜。在實際生產(chǎn)過程中可根據(jù)分離任務進行選型設計。