旋液分離器的設計

鄭世富，黃佩佩，黃子威，易元剛，祝志堯

（江西贛鋒鋰業集團股份有限公司，江西新余 338000）

1 前言

固液分離是最普遍的化工生產單元操作之一，根據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，使其發生相對運動，從而達到沉降分離的目的；離心沉降是利用物體在高速旋轉時產生的離心力，使溶液中的懸浮物發生沉降或漂浮，以致達到顆粒濃縮和分離的目的[2]。過濾通常是通過某種介質以阻擋及截留懸浮物中的固相，從而達到固液分離的目的[3]。膜分離是以膜為阻擋介質，通過在膜兩側施加推動力，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沿切線方向進入，部分液體沿著螺旋形路線向旋液分離器底旋轉排出，部分液體到達底部后，轉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]。

旋液分離器由于結構簡單、運行成本低，常被應用于固液分離操作單元，隨著旋液分離器在各行各業廣泛應用，其選型設計也受到越來越多關注。前人經過多年的研究設計，對旋液分離的設計進行了歸納，總結出了下列經驗公式。

設計旋液分離器中，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K通常取0.8~1.10；Qi為旋液分離器的處理量，L/min。

計算旋液分離器的壓降，可通過式（2）計算[6]。

式中，Δp為旋液分離器的壓強降，atm。

旋液分離器底流與進料體積比的計算公式見式（3）[7]。

式中，Ri為旋液分離器底流與進料的體積比；pi為旋液分離器進口絕對壓力，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的計算公式見式（4）[7-8]。

應用范圍：3%≤G≤98%，當d≥2~2.30d50，G達到100%，即該尺寸的顆粒全部進入分離器的底流中。

邊界粒度d50：該尺寸的顆粒經旋液分離器后，在溢流口和底流中恰巧各占一半。可根據式（5）計算得到[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。

根據相關文獻指出，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部一定程度時，可以避免進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]。

本文根據總結前人對旋液分離器的設計經驗，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行了設計，經過實驗后，氫氧化鋰晶漿達到了預期的增稠效果。

2 設計案例

某鋰鹽廠，MVR 蒸發出料的氫氧化鋰晶漿濃度較低，如增加MVR 蒸發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，將不利于后續的離心分離，因此，該鋰鹽廠擬增設一旋液分離器，以達到增加晶漿濃度的目的。通過核算及晶體顆粒粒度檢測結果，確定旋液分離器的進料量為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。

本設計中，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構進行設計計算。

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

根據前人的設計經驗，進料口直徑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。本設計中，取進料口直徑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）計算旋液分離器的壓降。

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

3）通過公式（3）計算出底流出料與進料體積比。

4）根據公式（5）計算得到d50。

第一個難題是敦煌服飾沒有出土實物，只能純粹參考壁畫。但是經過千百年的侵蝕，不僅壁畫的顏色流失，上面的人物輪廓、造型也都有所損壞。想要知道某個完整的裝束是什么樣的，腰間的配飾如何搭扣，甚至還有當中的文化和畫中人的故事，壁畫能給的參考實在太少。楚艷只能和團隊多次前往敦煌，仔細考察壁畫中的服飾，同時參考敦煌藝術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多個壁畫人像中，選取了最具特征的20身世俗供養人畫像來還原。

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。經晶體顆粒粒度檢測結果可知，氫氧化鋰晶體粒度大于275 μm 的粒子，占比大于90%。因此，可認為經旋液分離器增濃后，有90%以上的氫氧化鋰晶體，從旋液分離器的底流排出系統。因此，進料含固量為6%~10%的晶漿30 m3/h，經旋液分離器增濃后，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）驗證Du和Do的合理性。

因此，Du和Do的設計合理。

6）通過前人的設計經驗，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，本設計中，旋液分離器的圓錐角θ=13°<20°，符合旋液分離器相關設計要求。

通過旋液分離器的選型設計，對不同氫氧化鋰晶漿濃度的溶液進行了實驗。與原工藝相比較，增設了旋液分離器后，不同氫氧化鋰晶漿濃度的溶液均得到了不同程度的增稠。

其實驗結果見表1。

表1 旋液分離器增稠實驗結果

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，晶漿濃度達到了11%~19%，從而降低了后續離心機的運行負荷，達到了預期的效果。

3 結論

通過總結前人的經驗，為某鋰鹽廠設計一旋液分離器，用于氫氧化鋰晶漿的增稠。通過設計，確定旋液分離器的直徑為DN250；總長度為1 250 mm；進料口直徑為DN40；溢流口直徑和底流管直徑均為DN50；圓錐角為13°，各設計參數數值均在合理的范圍內。經過實驗，氫氧化鋰晶漿由原來的6%~10%增稠至11%~19%，達到了預期增稠的目的。