旋液分离器的设计

郑世富，黄佩佩，黄子威，易元刚，祝志尧

（江西赣锋锂业集团股份有限公司，江西新余 338000）

1 前言

固液分离是最普遍的化工生产单元操作之一，根据固液分离方法的不同，可将其分为沉降分离、过滤和膜分离等[1]。沉降分离按照作用力的不同，分为重力沉降和离心沉降，重力沉降主要是依靠地球引力的作用，利用颗粒与流体的密度差异，使其发生相对运动，从而达到沉降分离的目的；离心沉降是利用物体在高速旋转时产生的离心力，使溶液中的悬浮物发生沉降或漂浮，以致达到颗粒浓缩和分离的目的[2]。过滤通常是通过某种介质以阻挡及截留悬浮物中的固相，从而达到固液分离的目的[3]。膜分离是以膜为阻挡介质，通过在膜两侧施加推动力，其可以是浓度差、电压差等，以此为推动力使混合物达到分离的目的[4]。

旋液分离器是通过离心力的原理把固体和液体分离出来的设备[5]。其主体由圆筒和锥壳组成，旋液分离器顶部中央管为溢流口；底部锥形出口为底流口。悬浮液从旋液分离器圆筒上侧沿切线方向进入，部分液体沿着螺旋形路线向旋液分离器底旋转排出，部分液体到达底部后，转而往上从顶部中央的溢流口排出；悬浮液中较大的固体颗粒在离心力的作用下，随着液体的旋转被逐渐地甩向器壁，沿着器壁落下，滑向底部的底流口[6]。

旋液分离器由于结构简单、运行成本低，常被应用于固液分离操作单元，随着旋液分离器在各行各业广泛应用，其选型设计也受到越来越多关注。前人经过多年的研究设计，对旋液分离的设计进行了归纳，总结出了下列经验公式。

设计旋液分离器中，在不考虑固体颗粒从哪一颗粒开始分级，只考虑料液增稠的情况下，可按式（1）粗略地计算出旋液分离器的直径[6]。

式中，Dc为旋液分离器的圆筒直径，cm；系数K通常取0.8~1.10；Qi为旋液分离器的处理量，L/min。

计算旋液分离器的压降，可通过式（2）计算[6]。

式中，Δp为旋液分离器的压强降，atm。

旋液分离器底流与进料体积比的计算公式见式（3）[7]。

式中，Ri为旋液分离器底流与进料的体积比；pi为旋液分离器进口绝对压力，Pa；pa为旋液分离器溢流口绝对压力，Pa；Do为旋液分离器溢流口直径，cm；Du为旋液分离器底流口直径，cm。

颗粒粒径为d级效率G的计算公式见式（4）[7-8]。

应用范围：3%≤G≤98%，当d≥2~2.30d50，G达到100%，即该尺寸的颗粒全部进入分离器的底流中。

边界粒度d50：该尺寸的颗粒经旋液分离器后，在溢流口和底流中恰巧各占一半。可根据式（5）计算得到[7-8]。

式中，α为旋液分离器的半锥角；Di为旋液分离器进料管直径，m；μ为悬浮液动力黏度，N∙s∙m-2；Δp为固液相密度差，kg/m3。

旋液分离器的底流排出量与料液供给量比值，由底流口和溢流口的尺寸所决定，其间关系可近似以式（6）表示[9]。

式中，Qu为旋液分离器的底流排出量，L/min；K等于0.9~1.0，通常取0.95。

根据相关文献指出，旋液分离器溢流口插入长度Lo[10]：溢流管深入到旋液分离器内部一定程度时，可以避免进料中固体颗粒直接从顶部出口随着清液排出的短路倾向，并随着Lo的增加，抑制固体粒子短路的作用越明显。d50也随着Lo的增加而增加，从而导致分离效率下降，因此，通常Lo取Dc/3至2Dc/5。

为制造方便，旋液分离器由圆筒段和圆锥段组成，其总长度为两段之和。提高总长度、减小圆锥角角度，均可提高旋液分离器的分离效率和处理能力。通常情况下，旋液分离器的总长度L为5Dc，圆筒段长度L’=2Dc/3~2Dc，圆锥角为θ≤20°[11-12]。

本文根据总结前人对旋液分离器的设计经验，对某锂盐厂改造过程中的氢氧化锂晶浆增稠用的旋液分离器进行了设计，经过实验后，氢氧化锂晶浆达到了预期的增稠效果。

2 设计案例

某锂盐厂，MVR 蒸发出料的氢氧化锂晶浆浓度较低，如增加MVR 蒸发出料氢氧化锂的晶浆浓度，容易引起加热管的堵塞，若晶浆浓度较低，将不利于后续的离心分离，因此，该锂盐厂拟增设一旋液分离器，以达到增加晶浆浓度的目的。通过核算及晶体颗粒粒度检测结果，确定旋液分离器的进料量为30 m3/h；氢氧化锂晶浆固含量为6%~10%；氢氧化锂晶体的密度ρs为1.46 g/cm3；氢氧化锂饱和溶液的密度ρL为1.12 g/cm3；氢氧化锂晶浆悬浮液动力黏度μ为5 mNs/m2；氢氧化锂晶浆晶体粒度d90为275 μm。

本设计中，希望通过旋液分离器增稠后，氢氧化锂晶浆的固含量能由原来的6%~10%增稠至12%~20%，下面对该旋液分离器的结构进行设计计算。

1）根据公式（1）确定分离器的圆筒直径，系数K取1.0。取Dc为250 mm。

根据前人的设计经验，进料口直径Di=（1/6~1/7）Dc、溢流口直径Do=Dc/2.3~Dc/8、底流管直径Du=（1/10~1/5）Dc。本设计中，取进料口直径Di=Dc/6.5=250/6.5=38 mm；取溢流口直径Do=Dc/5.5=250/5.5=45 mm；取底流管直径Du=Dc/5.5=250/5.5=45 mm。因此，Di取φ45×3 的钢管；Do取φ57×3 的钢管；Du取φ57×3的钢管。

2）通过公式（2）计算旋液分离器的压降。

旋液分离器进料泵的扬程为25 m，可提供的压力约2.5 atm，泵进口的压力为-0.33 atm，除去摩擦损失，进分离器的压力pi约为3 atm（绝压），因此，出分离器的压力pa为：

3）通过公式（3）计算出底流出料与进料体积比。

4）根据公式（5）计算得到d50。

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因 此，2~2.3d50=（2~2.3）×21.6=43.2~49.7 μm，这就意味着，氢氧化锂晶浆中晶体粒度d≥49.7 μm的固体颗粒，将全部从旋液分离器的底流排出。经晶体颗粒粒度检测结果可知，氢氧化锂晶体粒度大于275 μm 的粒子，占比大于90%。因此，可认为经旋液分离器增浓后，有90%以上的氢氧化锂晶体，从旋液分离器的底流排出系统。因此，进料含固量为6%~10%的晶浆30 m3/h，经旋液分离器增浓后，底流晶浆的浓度在：6%×30/（0.59×30）~10%×30/（0.59×30）=9%~17%

5）通过公式（6）验证Du和Do的合理性。

因此，Du和Do的设计合理。

6）通过前人的设计经验，确定溢流口插入长度Lo、圆筒段长度L’、旋液分离器的总长度L等尺寸。

溢流口插入长度Lo：

Lo=Dc/3~2Dc/5=250/3~2×250/5=83~100，Lo取90

圆筒段长度L’：

L’=2Dc/3~2Dc=2×250/3~2×250=166~500，L’ 取300

旋液分离器的总长度L：

旋液分离器的条件见图1。

图1 旋液分离器的条件图

由图1可以看出，本设计中，旋液分离器的圆锥角θ=13°<20°，符合旋液分离器相关设计要求。

通过旋液分离器的选型设计，对不同氢氧化锂晶浆浓度的溶液进行了实验。与原工艺相比较，增设了旋液分离器后，不同氢氧化锂晶浆浓度的溶液均得到了不同程度的增稠。

其实验结果见表1。

表1 旋液分离器增稠实验结果

从表1可以看出，增旋液分离器，原氢氧化锂晶浆浓度由6%~10%，增稠了1倍左右，晶浆浓度达到了11%~19%，从而降低了后续离心机的运行负荷，达到了预期的效果。

3 结论

通过总结前人的经验，为某锂盐厂设计一旋液分离器，用于氢氧化锂晶浆的增稠。通过设计，确定旋液分离器的直径为DN250；总长度为1 250 mm；进料口直径为DN40；溢流口直径和底流管直径均为DN50；圆锥角为13°，各设计参数数值均在合理的范围内。经过实验，氢氧化锂晶浆由原来的6%~10%增稠至11%~19%，达到了预期增稠的目的。