離心式氣流分級機設計與工業(yè)應用

田志鴻

（中國石化石油化工科學研究院）

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離心式氣流分級機設計與工業(yè)應用

田志鴻*

（中國石化石油化工科學研究院）

摘要根據離心式氣流分級機的分級機理和流場規(guī)律，分析了影響分級粒徑和分級精度的主要因素，總結了一套離心式氣流分級機的設計方法。用此方法設計了3套催化劑生產裝置用的細粉分級系統(tǒng)，成功地將催化劑原料中小于20 μm的細粉含量由17％、32％、64％經分級降低為1.8％、2.7％、15.2％，牛頓分級效率達到78％～89％。

關鍵詞離心式氣流分級機分級機理顆粒進風導向器分級輪葉片催化劑

*田志鴻，男，1966年生，碩士，高級工程師。北京市，100083。

0　前言

現代制造業(yè)對粉粒原材料的粒度、形狀、表面特性等提出了嚴格要求。例如，用作精細陶瓷釉料的鋯英石粉，要求平均粒徑為1～2 μm；超細碳酸鈣粉作特種涂料時，要求粒徑小于2 μm的微細粉占90％以上；作為橡膠重要添加原料的炭黑，要求其粒度分布集中在0.5～1 μm之間。上述這些粒度要求嚴格的原材料都無法通過直接加工獲得，必須對粉粒體原料進行精細的分級處理才能獲得[1]。

裂化催化劑（FCC）是煉油廠流化催化裂化生產中的一項關鍵技術，對其反應選擇性、反應活性、粒度分布都有嚴格的要求。就粒度分布而言，由于粒徑小于20 μm的催化劑細顆粒在高溫反應裝置中分離效率低，因此部分催化劑細顆粒進入了后續(xù)油氣分餾塔、油漿和再生煙氣中。這不僅增加了后續(xù)設備的分離負荷，造成了環(huán)境污染，同時也增大了催化劑的消耗量，增加了煉油成本。在國際上要求裂化催化劑中小于20 μm的細顆粒控制在1％以內，我國目前是控制在3％以內[2-3,5]。我國生產的FCC催化劑（未經分級處理）產品中，粒徑小于20 μm的細粉分布在3％～8％之間，雖然各催化劑廠對其噴霧造粒工藝及關鍵設備（如熱風分布器、霧化噴頭和造粒方式等）進行了改造、優(yōu)化，但均未獲得滿意的結果。經對裂化催化劑生產線中的噴霧塔塔底粉料、干燥尾氣旋風分離器底部所排粉料取樣分析可知，小于20 μm的細粉主要來自于旋風分離器底部。為此，提出了對旋風分離器底部粉料進行分級處理的技術路線，分級出的粗粉與塔下排料混合進入下一步的焙燒、洗滌工藝，分級出來的細粉經粉碎、重新成膠后回用。這樣將可以顯著改善催化劑產品的粒度分布。該技術路線中最核心的設備是LHC-F型離心式氣流分級機。該分級機具有分級范圍廣、調節(jié)手段靈活、分級精度高、操作簡便、運轉可靠等特點。本文主要結合裂化催化劑產品的粒度控制要求，介紹了離心式氣流分級機的工作原理和LHC-F型離心式氣流分級機在催化劑廠的應用等情況。

本文所述的LHC-F型離心式氣流分級機如圖1所示。

圖1　LHC-F型離心式氣流分級機結構及分級原理

1離心式氣流分級機機理

粉體分級技術的分類很多，其中依據分級介質的不同,當今工業(yè)精細分級機可分為兩大類：一是以空氣為介質的干法分級機，如空氣旋流式分級機和帶有分級輪的離心式分級機；二是以水等為介質的濕法分級機，如水力旋流器、離心機等。在離心式氣流分級機中，氣體從分級機筒體的側面進入分級機內，為分級物料提供穩(wěn)定的分級環(huán)境，分級輪以一定的轉速對分布在分選空間的顆粒群進行分級處理。顆粒在此受到離心力、氣體向心曳力、重力的共同作用[2-9]。粗顆粒受到的離心力大于氣體的向心曳力，被分離到粗粉室邊壁上沿器壁作向下滑落運動；細顆粒受到的離心力小于氣體的向心曳力，被氣體攜帶向分級輪（細粉室）中心運動[4]。與此同時，旋轉的分級輪通過其周邊的圓柱或葉片將其中夾帶的粗顆粒通過碰撞、捕集攔截下來，與被氣流分離到邊壁處的顆粒一起作向下滑落運動，從分級機下部出口排出；細粉隨氣體進入分級輪后，經排風管、旋風分離器或者布袋除塵器回收，重力為顆粒向下滑落（收集）提供了推動力。如何控制好分離空間內顆粒受到的離心力與氣體向心曳力的平衡，是獲得不同粒度分布的粗細產品和提高產品分級精度的關鍵。

到目前為止，離心分級技術還沒有成熟的理論可直接應用，但可以利用分級輪附近粉體顆粒的受力平衡[4]初略估算切割粒徑。

CD——顆粒氣體阻力系數；

AD——顆粒迎風面積，m2;

v→——顆粒運動速率，m/s；

經對裂化催化劑的粒度分析，其分布范圍在10～150 μm之間。其中，小于80 μm的顆粒其阻力系數服從Stokes規(guī)律；對于80～150 μm的顆粒其阻力系數若按Stokes公式計算，一般誤差在10％以內[7]，可以按照此方法進行初步估算，最終以實驗結果為準。

式中μ——氣體黏度，Pa·s；

δ——顆粒粒徑，m；

Δv——氣體與顆粒速度差，m/s。顆粒受到的離心力Fc：

式中ρp——顆粒密度，kg/m3；

vt——顆粒運動速率，m/s；

r——分級輪半徑，m。

對于一定的分級輪轉速n0，理論上在分級輪附近必然存在某一粒徑δ0（切割粒徑）的顆粒，其受到的離心力Fc與氣體向心曳力Fdr處于平衡狀態(tài)[4]，即Fc=Fdr，該顆粒的粒徑為：

式中δ0——切割粒徑，m；

n0——分級輪理論上對應于切割粒徑的轉速，r/s。

其中粒徑δ＞δ0的那部分顆粒被分離到粗粉室邊壁上；粒徑δ＜δ0的那部分顆粒被氣體攜帶進入分級輪（細粉室）內。當轉速n＞n0時，切割粒徑δ＜δ0，分級后的細粉、粗粉的中位粒徑偏小；當轉速n＜n0時，切割粒徑δ＞δ0，分級后的粗粉、細粉的中位粒徑偏大。

從上述的分級機理可以得出：（1）分級粒徑（切割粒徑）與分級輪轉速成反比，轉速越高，分級得到的中位粒徑越??；（2）分級粒徑與氣體和顆粒的速度差平方根成正比，自然就與氣體流量有一定的關系，即氣體流量增大，分級的物料的中位粒徑亦隨之增大；（3）分級機的結構性能與物料性質不同時，分級后物料的中位粒徑亦不同。以上分析是在顆粒濃度較低和氣粒相間無干擾、無滑移的條件下做出的。當固相濃度較高時，顆粒間會發(fā)生碰撞、吸附、凝聚等現象,同時分級機內還可能存在局部渦流和湍動等，所有這些都使實際分級效果偏離理論分析。通常，設計出的工業(yè)分級機都必須根據實際應用情況進行試驗調試，這樣才能獲得滿意的分級效果。

2離心式氣流分級機的設計分析

離心式氣流分級機的主要特點是進入分級機內的氣流與分級輪共同作用，對分級空間內的顆粒進行有效的分選。因此，分級機內的進風導向器和分級渦輪這兩個部件是設計離心（渦輪）式氣流分級機的技術關鍵[5]。

（1）分級機的進風導向器

分級機的進風導向器結構形式很多，有直接導入上升式，這種結構形式為分級空間提供了平行的穩(wěn)定上升氣流；也有直切式（或蝸殼式），這種結構形式為分級機提供了穩(wěn)定的離心力場。離心力場有利于縮小分級機的幾何空間，有利于分散物料，更適合于微米級的顆粒分選。本文在此討論直切式（或蝸殼式）進風導向器的結構設計要點。

通常，氣流在圓形筒體內的旋轉運動可以假設為自由渦流場[9]。分級機內任意一點的氣體（旋轉）速度符合下述公式：

式中vt——分級空間內對應于半徑r的任意點的氣體切向速度，m/s；

r——分級輪半徑，m；

C——自由渦常數；

m——自由渦流場指數，一般可按0.6～0.8考慮。

對于進氣量一定、結構一定的進氣導向器，根據式（2）便可以粗略地計算出分級空間的流場速度分布，也為渦輪式分級輪的轉速設計提供依據。

對于直切式或蝸殼式進風導向器也采用多個進風入口方式。例如，圖1所示的LHC-F型離心式氣流分級機采用了一次風、二次風兩道蝸殼式進風導向器結構，這樣更有利于對分選后的粗粉進行二次淘洗，提高粗產品的分級精度。

（2）分級輪

分級輪的結構形式有多種多樣：根據外形劃分，有圓柱形、圓錐形、長條形、扁平形等結構的分級輪；根據安裝方式劃分，有立式安裝、臥式安裝的分級輪；根據與分級空間的流場匹配情況劃分，有與流場主流線速度相同旋轉方向和與流場主流線速度相垂直旋轉方向的分級輪。立式安裝的、與流場主流線速度相同旋轉方向的分級輪，其周邊流場分布對稱，流線變化平緩，有利于顆粒分選，且分級輪葉片磨損少。本文設計主要討論此結構。

分級輪結構及操作轉速對分級粒徑的控制、細粉帶出量有決定性的影響。分級輪外緣附近粒子的運動軌跡較為復雜。當分級輪周邊的葉片數量過多（間隔過?。r,葉片對粒子的攔截、碰撞次數增多,粒子運動軌跡變長,在葉片外側造成粒子長期停留的態(tài)勢,此時使更多的微粒飛向粗粉側;當葉片數量過少（間隔過大）時，粗粉混入細粉的可能性增加。這表明,分級輪葉片數量是分級機設計的一個重要參數。

分級輪的葉片結構常見有兩種形式:徑向葉片和傾斜葉片（如圖2所示）。有研究報道,徑向葉片分級輪常存在微細顆粒浮游于分級輪外側的現象。傾斜葉片（傾角φ＞0°）的分級輪，由于顆粒流動方向傾斜于葉片半徑方向,故Fc與Fdr不在同一直線上。沿傾斜葉片的迎風側壁面上（上表面）幾乎不存在流動力，因此在分級輪附近的微細顆粒更容易附著在葉片迎風側的壁面上。當傾角φ大時，分級粒徑變??；當傾角φ小時，分級精度較高（與同等θ的徑向葉片相比，角度θ見圖2）。在傾斜葉片中，粒子一旦進入葉輪內側，由于葉片流道變小，粒子被加速，從而使粒子在分級室內側發(fā)生旋回現象，這是粒子附著于傾斜葉片內側的原因之一。所以傾角φ應有一適宜值，分級輪結構設計時應考慮這些因素的影響。設計分級精度要求較高的分級機時，應采用較小的葉片傾角φ值并適當增加葉片數量。

圖2　分級輪葉片結構

分級機的物料處理量和操作氣量是一對關聯的量，可用分級機內固體物料濃度來控制。顆粒濃度增加，細粉誤入粗粉中的概率也會增加，從而分級精度下降，分級粒徑也增大。當分級機結構一定時，必須嚴格控制處理量，不可隨意擴大處理量。

3分級機結構設計要點

（1）進風導向器：進風導向器的入口截面以矩形為宜，截面尺寸可由氣量Q和進氣速度確定。進氣速度一般宜選10～30 m/s。

（2）分級輪直徑：對離心式分級機內流場的研究表明，分級機內主流場和旋風分離器類似，是雙層強旋流場,內旋流旋轉向上,外旋流旋轉向下,存在一“零軸向速度面”。該零軸向速度面與器壁面基本平行，其直徑約為分級機筒體直徑的0.6倍。因此,分級輪外緣直徑d可取分級機筒體直徑D的0.6倍。

（3）分級輪高度：分級輪高度h不可過小,否則vr增大,切割粒徑δ0增加,分級精度下降,但h也不能過大。流場研究表明，流過分級輪的徑向氣速沿分級輪高度分布是不均勻的,太大的分級輪高度必然導致分級性能下降。一般宜取分級輪高度h=（0.7～1.0）d。

（4）分級輪葉片數N、葉片寬度b與傾角φ：葉片數N的確定比較復雜,因為在一定轉速n下,N對切割粒徑δ0和分級精度的影響與分級輪直徑、處理粉料的濃度等多種因素有關。分級要求較高時,一般傾向于采用較多的葉片數。葉片寬度b一般取5～30 mm;葉片傾角常取φ=0°～30°。

（5）分級機筒體尺寸：分級機筒體直徑D可由總氣量Q和分級機筒體截面的平均氣速v0確定。v0隨分級機結構和處理物料的性質而變。對于大多數物料,可選v0= 0.4～2.0 m/s。筒體高度取H=（1～1.5）D，最高不超過2D。

（6）筒體的錐角：以防止物料堆積為準則,一般取錐角為30°～55°。

4 LHC-F型氣流式分級機的工業(yè)應用

中國石化催化劑長嶺分公司、周村齊魯分公司、中國石油蘭州催化劑公司，都在催化劑生產線上增設了旋風回收粉分級處理系統(tǒng)，采用的分級機為LHC-F型離心式氣流分級機[2，3，5，6，10]。根據生產現場的空間,長嶺分公司、齊魯分公司采用了各旋風出料口單獨斜管排料進入分級機的方式，蘭州催化劑公司則采用3組旋風出料口并聯將含濕熱風（200℃）輸送到分級機的進風導向器里，各分級機均設有二次進風導向器，詳細參數對比見表1。

表1　LHC-F型離心式氣流分級機主要參數和工業(yè)應用效果

由表1可見，原料中小于20 μm的細粉從17％～64％不等。經分級處理后，半成品（粗粉）中

含有的小于20 μm的細粉降低到1.8％～15.2％，細粉中小于20 μm的含量接近90％，牛頓分級效率為78.2％～88.9％。由此可見，該分級機的分級效果好，經過分級處理后的半成品（粗粉）與噴霧塔下的粉混合，再經后續(xù)洗滌、焙燒、干燥等處理工序，最終產品中小于20 μm的含量很容易控制在1％以內。該離心式氣流分級機的成功開發(fā)，為我國催化劑的質量控制和產品出口提供了技術保障。目前，這三套系統(tǒng)均一次開車成功。

5　結論

本文根據離心式氣流分級機的特點，分析了其內部流場的分布及主要影響因素，總結了一套離心式氣流分級機的設計方法。根據此設計方法設計了3套裂化催化劑生產工業(yè)應用分級機，成功地將原料粉中小于20 μm的細粉含量由18％、32％、64％經分選后降低到1.8％、2.7％、15.2％的半成品指標，其牛頓分級效率分別達到88.7％、88.9％和78.2％。該三套系統(tǒng)現場均為一次開車成功，將催化劑最終產品中小于20 μm的細粉控制在1％以內，使我國的催化劑產品粒度分布符合國際標準，大大地提高了我國催化劑產品在國際上的競爭力。

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Design and Industrial Applications of Centrifugal Airflow Classifier

Tian Zhihong

Abstract：According to the classification mechanism and the flow field regularity,the main factors that influences the cut size and classification accuracy are analyzed and a set of design method for the centrifugal airflow classifier is summarized.And then,three sets of fine powder classification systems used for the catalyst plant are designed by applying this design method,and the contents of the fine powders smaller than 20 micrometers in the catalysts are successfully reduced from 17％、32％、64％ to 1.8％、2.7％、15.2％ separately.In other words,the Newton classification efficiency reaches 78％～89％.

Key words：Centrifugal; Airflow classifier; Classification mechanism; Particle; Inlet air guider; Classification wheel; Blade; Catalyst

收稿日期：（2015-09-02）

中圖分類號TQ 051.8+4

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.04.002