化肥廠并聯布置的旋風分離器組的優化研究

馬 欣 徐 洋

(西南石油大學機電工程學院)

化肥廠并聯布置的旋風分離器組的優化研究

馬 欣*徐 洋

(西南石油大學機電工程學院)

通過研究旋風分離器的特性，了解筒體直徑和壓降是影響旋風分離器成本的主要因素，建立了并聯布置的旋風分離器組的成本模型。取某一化肥廠的實際參數進行實例計算，得出通過減少旋風分離器的個數、合理增大旋風分離器的筒體直徑、改變旋風分離器的局部結構，可在一定程度上降低成本。分析成本模型的特殊性，通過數值計算，可以得到基于總成本最小情況下的最優旋風分離器筒體直徑，為旋風分離器組的優化設計提供參考。

旋風分離器 并聯布置 成本 優化

化肥生產屬于流程工業，以安全、穩定、均衡、長周期、滿負荷、優質、高產、低耗和減少污染為生產目標[1]。隨著能源形勢的緊張和對環境質量要求的提升，對旋風分離器的分離效率要求也隨之提高。使用一臺旋風分離器往往不能滿足生產需要，在這種情況，對多個旋風分離器進行組合布置顯得很有必要[2]。通常采取的方法是對多個旋風分離器進行串并聯布置，以達到生產要求。夏欣等在干餾爐旋風除塵工藝中，旋風分離器采用內置六桶分離器圓形并聯結構，分離效率達80%～90%[3]。廖磊等針對6個旋風分離器并聯布置方式進行了實驗研究和數值模擬，分析了旋風分離器并聯布置的分離特性[4]。這些研究側重于分析旋風分離器組的分離特性，而忽略旋風分離器組的成本問題。Abdul-Wahab S A等采用成本模型，運用GAMS(通用代數建模系統軟件)對旋風分離器的串并聯布置進行非線性規劃優化[5]，來減少整體成本。目前，已有很多關于旋風分離器分離原理的理論模型和經驗公式用來表征旋風分離器內部流體運動規律和氣固兩相分離機理[6,7]。筆者通過其中筒體直徑和壓降公式建立成本模型，對化肥廠并聯布置的旋風分離器組的優化問題進行研究。

1 旋風分離器

1.1 分類與基本結構

一般而言，旋風分離器的種類很多，按入口結構形式分為圓形入口、矩形入口、環繞式入口和導向旋流葉片入口；按分離器的本體形狀分為筒錐組合型和直筒型；按氣流進出方向分為逆流式和直流式[8]。工業上最常見的旋風分離器為矩形切向入口的筒錐型逆流式旋風分離器，其結構原理如圖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是旋風分離器筒體高度(從分離器頂板到排塵口)，H是旋風分離器總高。

圖1 旋風分離器的結構原理

1.2 并聯布置的旋風分離器組

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

圖2 并聯旋風分離器組布置示意圖

每個旋風分離器處理其中一部分的物料粉塵。各個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為旋風分離器的個數，則第i個旋風分離器的氣體入口速度Vi為：

(1)

其中，ai是第i個旋風分離器入口截面的高度，bi是第i個旋風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個旋風分離器的筒體直徑。根據Martinez-Benet J M和Casal J提出的公式[11]可以推出旋風分離器筒體直徑Di和壓降Δpi的公式：

(2)

(3)

式中dp——粉塵的分割粒徑；

Ns——顆粒在旋風分離器內的螺旋圈數；

μ——動力粘性系數；

ρ——氣體的密度；

ρp——粉塵的密度。

2 經濟成本模型

2.1 旋風分離器的成本

C總=C動力+C設備

(4)

2.2 并聯布置的旋風分離器組成本

將式(2)、(3)代入式(4)中，得到并聯布置的旋風分離器組的成本，該成本是以單位時間內所花的費用來衡量的。在Abdul-Wahab S A等提出的成本公式的基礎上[5]進行改進，當N個旋風分離器并聯布置使用時，總的成本公式如下(主要用于計算化肥廠物料除塵中并聯布置的旋風分離器組的成本)：

(5)

3 實例計算

復合肥料的化肥廠在制造NPK復合肥料的過程中，通常采用氣氨通入槽式反應器預中和，采用轉鼓氨化造粒工藝生產DAP，采用轉鼓磷酸回滴工藝生產MAP。產品冷卻氣經旋風分離器除塵后作為干燥熱爐氣的稀釋空氣。稀釋后的熱爐氣經干燥機與磷銨物料并流換熱后，分別經過旋風分離器、洗滌器除塵洗滌后排放。反應尾氣、造粒尾氣與經過旋風分離器的設備通風尾氣經過洗滌器洗滌后排放[12]。在這一整套制作復合肥料的過程中要選用適量通徑大小、合理個數的旋風分離器來完成除塵分離的工作。

圖3為某一化肥廠NPK復合肥造粒過程圖。

圖3 某一化肥廠NPK復合肥造粒過程示意圖

在并聯使用多個分離器來處理大量氣體時，選擇合適的并聯形式其目的就在于保證每個旋風分離器的進氣口氣速都相等。這樣，便可使各分離器的分離效率和壓力降也都分別相等，以使并聯的分離器在整體上達到最佳的工況。為了便于計算，假設每個旋風分離器的結構參數都相同，則單個旋風分離器的處理流量Qi=Q/N。規定nDmD型旋風分離器表示旋風分離器筒體高度h和椎體高度H-h分別等于n×D和m×D，1D3D型旋風分離器指的是h為D，H-h為3D的旋風分離器[13]。1D3D型和2D2D型旋風分離器是兩種不同的旋風分離器，其結構參數見表1，對這兩種旋風分離器組進行成本分析。實例數據來源于文獻[5]中某一化肥廠的生產數據，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，動力粘性系數μ為19.34MPa·s，粉塵的分割粒徑dp為21.63μm。將數據代入公式中，得到各自的壓降、入口速度和總成本(表2、3)。

表1 兩種不同的旋風分離器結構參數

表2 2D2D型旋風分離器并聯布置參數與數值表

注：總成本C并總指一個工作日內每秒鐘的花費(以一天8h計)。

表3 1D3D型旋風分離器并聯布置參數與數值表

從表2中可以看出，在物料粉塵流量不變的情況下，隨著旋風分離器個數的增加，通徑減小，總壓降減少，但由于個數的增加，使得設備成本增加導致總的成本的增加。對比表2、3可以看出，當改變旋風分離器的局部結構，如筒體段的高度h會造成總成本的改變。從數據可以看出，當高度h增加時，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并總看成是關于D的函數，則C并總=AD-4+BD1.2，其中，A、B是大于0的系數，取值與初始條件有關。該函數曲線在(0，D0)區域，隨著D的增大逐漸減小；在(D0，+∞)區域，隨著D的增大而增大。即C并總在D=D0時，取得最小值。令F′(D0)=0，即可求出D0值。如在N=2時，采用1D3D規格旋風分離器，取表1參數和初始條件，則A=1.66×10-2，B=2.49×10-3，求得最優筒體直徑D0為1.82m，最小總成本C并總為0.006 61元。

4 結論

4.1在滿足處理一定量物料粉塵的條件下，改變旋風分離器的局部結構，會引起旋風分離器組總成本的改變。

4.2對于并聯布置，在滿足處理一定量物料粉塵的條件下，通過減少旋風分離器的個數，增大旋風分離器的通徑，在一定程度上可以減少成本。

4.3由于成本函數的特殊性，可通過數值算法算出基于成本最小情況下的最優旋風分離器通徑值。可以同基于分離性能最優下的旋風分離器通徑值作對比，為旋風分離器組的設計提供參考依據。

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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)