真空气液分离模型设计与应用

罗金莲

长岭炼化岳阳工程设计有限公司 岳阳 414000

过滤是催化剂制备过程中常见的固液分离技术，也是使用频率较高的单元操作，该单元设备选择是否合理，不但影响装置的平稳运行，而且决定装置的收率高低、产品质量及能耗水平。因此，针对过滤单元设备的选型问题，各大催化剂制备企业与单元设备供应商都在不断的进行持续改进与技术创新。

过滤的分类方式有很多种，按工作方式分有间歇过滤、连续过滤；按过滤压力分有常压过滤、加压过滤、真空过滤；按过滤设备的形状分有转鼓过滤、圆盘过滤、板框过滤、厢式过滤、带式过滤等。本文重点对水平带式真空过滤机的真空气液分离方式进行研究，并提出其设计模型，为生产应用提供参考。

1 基本原理

过滤介质(悬浮液)在外力作用下通过多孔介质截留住固体颗粒而让液体通过，从而实现固液分离。实现过滤的外力可以是重力、离心力、机械压力及真空抽力。

真空气液分离的基本原理是气液两相混合介质利用其密度差而进行自然分离。

2 水平带式真空过滤机的优点

相对于其它形式的过滤设备，水平带式真空过滤机具有以下优点：

(1)集过滤、离子交换、洗涤、滤布再生于一体且可同时进行。

(2)实现连续生产，生产效率高。

(3)滤饼厚度可调，操作灵活。

(4)实现多次离子交换与洗涤，产品质量好。

(5)真空度可调，可有效控制下料滤饼湿度。

(6)滤布可正反两面同时清洗再生，操作简单、维护容易。

3 结构形式

水平带式真空过滤机结构见图1。

图1 水平带式真空过滤机结构示意图(零位排液)

悬浮液通过进料装置均布于水平带式真空过滤机的滤带上，随滤带向下料端移动，在真空抽力的作用下，滤液透过滤带进入真空受液罐进行气液分离，固体颗粒则被截留于滤带上送入下一过滤区。

本文研究的对象是真空气液分离模型的构成、关键部件的设计选型及相应的特点。下面分真空零位排液及高位排液两种情况进行模型设计。

4 模型设计与应用

4.1 模型设计条件

过滤机的处理能力为Q=30m3/h；过滤浆料密度ρ1为1100 Kg/m3；固含量X1为15%(m)；过滤真空度P为-0.06MPa(表压)；过滤后滤饼固含量X2为50%(m)；滤液密度ρ2为1005 Kg/m3；过滤面积A为30 m2；过滤机有效总长度L为15m；共分过滤、离子交换及净水洗涤三段，每段长5m；滤带移动速度u为1 m/min；真空抽吸切换周期为10s；项目所在地大气压力为0.1 MPa (绝压)；忽略固形物随滤液跑损量。

4.2 真空零位排液模型

过滤滤液的排放方式不受真空分液罐及滤液接收罐相对高度的影响，只需考虑系统自身匹配合理即可，这种过滤排液方式叫做零位排液(模型见图1)。

当真空抽吸时，真空切换阀打开、真空分液罐底部翼阀因真空吸力关闭，过滤机处于过滤工作状态、滤液不断被吸出；当真空释放时，真空切换阀关闭、真空泄压、真空分液罐底部翼阀因重力作用而打开、滤液排出。

4.2.1 过滤滤液量确定

过滤前：浆液总质量W=Q×ρ=33000 Kg/h

其中,固形物：W1=W×X1=4950 Kg/h

水：W2=W―W=28050 Kg/h

过滤后：干基含量不变，仍为W1=4950 Kg/h

滤饼总质量：W3=W1/X2=9900 Kg/h

故：滤液质量G=W―W3= 23100 Kg/h

滤液体积V=G/ρ2=22.99 m3/h

对上述计算过程进行公式叠代和简化整理，可得出滤液体积计算数学模型为：

(1)

4.2.2 滤液集合管管径确定

当过滤机的某功能段较长时，为了方便滤液收集与排液顺畅，该功能段内部又会分为若干小段，每小段均通过滤液支管汇合入滤液集合管，滤液集合管的流通面积需大于各支管截面积之和的1.2倍。

如过滤段分二小段，每小段的排液负荷为0.5V=11.495 m3/h，选用滤液支管为DN80、气液两相流，考虑填充系数0.5，其管内流速U=1.26 m/s，此流速设计合理。

其集合管直径DN≥2×(1.2×2×0.042)0.5=0.124 m

设计时，一般往上圆整取值，因DN125为不常用管径，所以，实际上取值为DN150。

设滤液支管根数为n，支管直径为￠，对上述计算过程进行归纳整理，可得出滤液集合管直径φ计算数学模型为：

(2)

实际取值时，按(2)式计算结果圆整后向上套用常用工程口径。

4.2.3 真空分液罐罐容V1确定

真空分液罐的有效罐容为真空气液入口以下的部分，液体一旦超过入口高度就会形成液封，阻碍真空抽吸的正常进行。

以过滤段为例，其滤液量为22.99 m3/h，真空操作切换频率τ为10s，真空分液罐的最小有效罐容Vmin必须满足一个真空周期的滤液量。

Vmin≥22.99×10/3600=0.064 m3

真空气液混合流从中部进入真空分液罐，则V1=2Vmin=0.128 m3

最终确定该真空分液罐大小为Φ600×1000(直筒高) 罐容0.3 m3

设真空操作切换频率为τ，真空分液罐的有效容积率为η，对上述计算过程进行归纳整理，可得出相应数学模型为：

(3)

(4)

最终确定真空分液罐尺寸时，在满足(4)式的前提下，选取常用工程尺寸。真空分液罐一般采用椭顶椭底立式圆筒形结构。

4.2.4 受液池容积V2确定

受液池一般为真空分出液体中转站，池中滤液为随进随出，理论上，V2不小于V1即可，为防止真空泄放时滤液外溅，常将受液池设置为方形立式敞口，大小为600×800×800。

4.3 真空高位排液模型

真空高位排液模型见图2。

图2 水平带式真空过滤机高位排液模型

过滤滤液的排放方式受真空分液罐及滤液接收罐相对高差H的影响，当H低于某个值时，真空度不够，过滤工作无法完成或者过滤效果极差,这种过滤排液方式叫做高位排液。此H叫做最小真空高度，也叫真空密封腿高、真空分液罐出口管道叫真空密封管或真空密封腿。

高位排液与零位排液模型主体结构基本相同，不同之处在于零位排液的真空分液罐出口设有翼阀，由翼阀的开关来配合完成真空过滤过程。而高位排液的真空分液罐出口没有阀门，由管道连接直接插入滤液接收罐液面以下，滤液可兼作真空密封液，形成密闭排放。

当真空抽吸时，真空切换阀打开，过滤机处于过滤工作状态，滤液不断被吸出进入滤液集合管及真空分液罐中，滤液接收罐的液体在大气压力的作用下通过真空密封管回流，上升至一定高度；当真空释放时，真空切换阀关闭，真空释放，分离出的滤液通过真空密封管排入滤液接收罐。

4.3.1 参数确定

过滤滤液量G、滤液集合管管径DN、真空分液罐罐容V1确定方法同零位排液模型。

4.3.2 “U”形测压计原理

当真空工作进行时，其系统压力与环境压力之间的关系遵循“U”形测压计原理，其工作原理见图3。

图3 U型测压计工作原理图

不论正压状态还是负压状态，图中1、2二处压力相等。

正压时：Pa+ρ1gh1=P0+ρgR

(5)

负压时：Pa+ρ1gh1+ρgR=P0

(6)

以上两式中ρ1为A处工作液密度；h1为工作液静液柱高度。

4.3.3 最小真空密封腿高Hmin数学模型推导

依据(6)式：

P+ρ1gh1+ρ2gH=P0

(7)

式中，ρ1为真空气密度，Kg/m3；h1为真空气体高度(气液混合气入口至真空密封液顶面高差)，m；H为真空密封腿高，m；其它符号及单位同前。

当H达到最小真空密封高度Hmin时，h1=0，此时(7)式可简化为：

P+ρ2gHmin=P0

(8)

经单位换算、归纳整理可推导出最小真空密封腿高Hmin数学模型为：

(9)

式中，P0、P均采用表压，MPa。

4.3.4 真空密封腿高H

仍以零位排液模型数据为例，已知：操作时真空压力P=-0.06 MPa(表压)；环境压力P0=0.1MPa(绝压)=0 MPa(表压)；滤液密度ρ2为1005 Kg/m3；g=9.81 N/Kg。真空工作时气液介质状态见图4。

图4 真空状态下的气液状态图

依据式(9)，P+ρ2gHmin= P0，可求得Hmin=6.09 m。

当实际选取H≥Hmin时，均可满足生产要求。

4.4 两种模型特性对比

两种模型特性对比见表1。

4.5 模型应用实例

某企业对老装置进行技改过程中，因交换介质中含有机胺(严重异味且有毒)，滤液只能密闭排放，因此采用高位排放的真空气液分离方式，因受老厂房层高限制，真空密封腿高H=4m。改造完成后，装置投产试车，发现滤饼吸不干、且真空度上不去，装置技术人员怀疑是真空泵抽力不够。后经过设计人员分析后，认为是真空密封腿高H未能满足H≥Hmin的要求所致。仍以前述工艺参数作为背景，复核计算真空度。

表1 真空分液模型特性对比表

真空密封腿高H=Hmin=4m；环境压力P0=0.1MPa(绝压) =0 MPa(表压)；滤液密度ρ2=1005 Kg/m3；g=9.81 N/Kg。依据(9)式，P=P0-ρ2gH×106=-0.039 MPa(表压)。

依据计算结果可知，当真空度达到-0.039 MPa(表压)时，就再也升不上去了，与生产操作实际情况相吻合。

依据设计指导意见，将滤液接收罐由地面安装改为埋地安装，H由4m扩大到7m，真空度可达到-0.06 MPa(表压)以上，过滤效果非常好。

5 结语

对于真空气液分离排放方式的选择，首先依据物料特性(如有无易挥发组份)、操作条件(过滤温度、压力)确定，其次结合现场条件、业主使用意愿等进行。一般情况应优先选用零位排放方式；但当过滤滤液中包含有损职业安全卫生与健康的组份如有毒、有剌激性气味等不允许直接泄放时，高位排液模型将是唯一选择。