旋流板式除沫器的工艺设计

旋流板式除沫器的工艺 常灵光旋流板式除沫器的工艺设计3 旋流板式除沫器的工艺设计 常灵光中国成达工程公司成都610041 摘要按实用提供完整设计方法和例题,给出公式所涉及参数取值的经验数据范围,并对 设备 结构核心部件内向与外向旋流板叶片制作,安装及气流旋向作-j--~点介绍. 关键词旋流板除沫器设备结构设计 1结构和原理 1.1结构 设备主体由三部分构成:椭圆形上封头,椭 圆形下封头和简体.出气口和进气口分别开在上 封头和下封头的顶端;旋流板组合件(盲板,叶 片和罩筒),受液槽和溢流(降液)管设置在简 体内,通过结构上的使液体沿进气口管壁流 下或另设排液口,见图1和图2. 旋流板组合件是设备的关键部位,其中旋流 叶片是核心部件. 因叶片的形状与安装方法的不同,在设备结 构上又有内向旋流板与外向旋流板之分. 当叶片为锐角时,称之为内向旋流板. 当叶片为钝角时,称之为外向旋流板,见图 3. 图1旋流板式除沫器结构图 常灵光:高级工程师.1962年毕业于辽宁科技大学有机合成专业.主要从事有机工艺和设备 设计,发论文多篇.联系 电话:(028)85520620. 44~.x-设计2005,15(1) B——B 图2旋流板式除沫器叶片结构图 A.内向旋流板B.外向旋流板 —— 叶片外端的锐角朝上——叶片外端的钝角朝上 图3叶片安装示意图 气流旋向的选择与设备结构密切相关,设计 规定气流旋向为顺时针. 以单叶片为例,说明锐角叶片和钝角叶片的 制作和安装. (1)当叶片为锐角时,见图4.在近似为三 角形叶片ABC中,直线段AB为叶片的底边, 与盲板的圆周相切于B点,叶片底边AB与径向 线AO的夹角(径向角)B=LBAO;直线段CB 为叶片的斜边;三角形的另一边AC为曲线,是 叶片以仰角a时与罩筒壁的相贯线,C点是叶片 与罩筒壁上端的交点,可近似将曲线AC视为直 线段AC,则LACB为锐角. 图4锐角叶片示意图 叶片仰角a=?C,C点是C点在与盲板 同一水平面上的投影点,CD上AB且交于AB的 延长线上的D点,故CD的距离可由?CDC求 得,因CC=Hz(罩筒高),a=CDC,CC D=90.,所以CD=H2/tga.只要给出H2和a则 CD是可通过计算求得的.求得CD的距离,以 此就可做AB的平行线交图中大圆于C点,则近 似三角形ACB就是求得之叶片. (2)当叶片为钝角时,见图5.在近似为三 角形叶片ABC中,直线段AB为叶片的底边, 与盲板的圆周相切于B点,叶片底边AB与径向 常灵光旋流板式除沫器的工艺设计5 线AO的夹角(径向角)p=LBAO;直线段CB 为叶片的斜边;三角形的另一边AC为曲线,是 叶片以仰角a时与罩筒壁的相贯线,C点是叶片 与罩筒壁上端的交点,可近似将曲线AC视为直 线段AC,则ACB为钝角. 图5钝角叶片示意图 叶片仰角a=CDC,C点是C点在与盲板 同一水平面上的投影点,DjIAB且交于D, 故cD的距离可由ACDC求得,因CC=Hz(Ill 筒高)a=CDC,CCD=90.,所以CD= Hz/tga. 当已知H:和a时可计算求得CD值.求得 CD的距离,以此就可做AB的平行线交图中大 圆于C点,则近似三角形ACB就是求得之叶片. 当塔设备的顶部采用旋流板除沫时,其结构 可参考图1和图2取消下封头,简体与塔体连接 即可. 1.2原理 夹带液沫的气体通过叶片时产生旋转运动, 在离心力的作用下将液滴甩至器壁(由于壁效应 和重力作用沿壁流)而分离.对分离液滴粒径大 于18的雾沫时,除沫效率大于99%. 主要技术参数:叶片仰角22.5.,30.;穿孔 动能因子 F=(v,/Ao)(7G).?=10,12(m/s)(kg/m3).? 2设计 2.1计算步骤 (1)给定或计算气体负荷VS(m3/S)及液 体负荷L(m3/s) 当夹带液滴量?0.1kg/kg~时,液体负荷 以0.1kg/kg气计. (2)给定或计算气体密度,kg/lm3及液体 密度pL,kg/m3 (3)定义:将近似为三角形的旋流叶片安装 的外接圆直径(罩筒内径)称为旋流叶片外径 Dxo 设计规定按经验式计算旋流叶片外径初值 Dx Dx=0.6[V.?(1) 旋流叶片外径值Dx与罩筒内径值Dz相等: Dx=Dz 式中,D)(为旋流叶片外径,m;VS为气体负荷, m3/s;为气体密度,/m3. (4)分离器简体内径初值DN取值范围 DN=(1.1,1.4)Dx(2) 式中,DN为简体内径初值,m. (5)盲板直径初值D的取值范围 设计者先按下式的取值范围给出一初值: 0.25Dx?Dm?0.4DN(3) 式中,Dm为盲板直径,m. (6)计算穿孔面积 按上述的初值Dx,D计算: A0=(/4)(聩一c)}sim一2h/[7r(rt+c}l1)]}(4) 式中,为穿孔面积,m2;a为叶片仰角,叶 片仰角选择范围:a=22.5.,30.,一般选a= 25.;m为叶片数,一般选m=24片(或选m= 12片);8为叶片厚度,m,一般选8=0.003m. (7)计算穿孔动能因子 Fo=Vspo~?/Ao(5) 式中,F0为穿孔动能因子,kg~/mo.’/s. (8)核算穿孔动能因子Fn 由式(5)计算的穿孔动能因子在Fo=10, 12(kgO.5/mo/s)之间为宜,最大不得超过 :15(kg~/mo?/S).核算穿孔动能因子在此范 围内则认为旋流叶片外径初值Dx,盲板直径初 值的取值Dm,分离器简体内径初值取值DN均 是合适的;否则应重新调整旋流叶片外径Dx, 盲板直径Dm,分离器简体内径DN值,直到满 足核算穿孔动能因子Fo=10,12为宜,最大不 得超过Fo=15(kgo?/m0’/S)的要求为止. (9)叶片径向角8 本设计规定叶片的底边线与盲板圆相切,则 6CHEMICALENGINEERINGDESIGN化工设计2005,15(1) 叶片径向角8: 8=arcsin(Dm/DX)(6) 为了使离心力最大,尽量将雾滴甩到器壁 上,在设备关键部位叶片的安装上采用外向为 宜.外向叶片可视为带一钝角的三角形,叶片外 端的钝角朝上,钝角端点到圆形盲板水平面的垂 直高度与罩简同高,气流由下向上通过旋流板将 液滴甩向器壁. (10)计算外沿处叶片间的距离hB hn=(rtDxsina)/m]一8(7) 式中,hB为外沿处(罩简)叶片间的距离,ITI. 叶片间的距离hB(气流旋向为顺时针)见 图6. 图6外沿处叶片间的距离(气流旋向为顺时针) (11)罩简高初值h与需加增量?的罩筒高 Hz hz=(rtDx-sina)/m]+~cosa(8) 式中,hz为罩筒高初值,ITI. 为了改善气液分离效果,当要求外沿处两个 相近的叶片与罩简相交线的水平投影相接或部分 重叠时,罩筒高需在hz的基础上加一增量?. 此时,外沿处(罩筒)叶片间的距离hB仍不改 变,只是叶片的宽度略有增加. Hz=hz+?=(rtDxsina)/m+~cosa+A(9) 当要求外沿处两个相近的叶片与罩筒相交线 的水平投影相接时: A=r~Dxtga/m—hB一艿(9—1) 当要求外沿处两个相近的叶片与罩筒相交线 的水平投影有部分重叠时: LX>Ttl3xtgct/m—hB一8(9—2) 由设计者根据需要确定两相交线水平投影部 分重叠的多少. 当?=0时:Hz=}17 式中,HZ为罩筒高,m;A为罩筒高增量,m. ~rtDxtga/m—hB一艿 (12)叶片外的板环区总宽B B=(DN—Dx)/2(10) 式中,B为叶片外的板环区总宽,ITI. (13)溢流口的总面积AY AY=Y(11) 式中,AY为溢流口的总面积,m2;Ls为液体负 荷,m3/S;UY为溢流管内的降液速度,m/S. 推荐经验值UY=0.2m/s. (14)每个溢流口的面积AYI A?=Ay/n(12) 式中,A?为每个溢流口的面积,m2;n为溢流 口的个数. (15)溢流管的选择和主要尺寸的确定 圆形溢流口的直径b: 当b~<50mm时采用圆形溢流口为宜 b=[Ay/(0.785n)或 b=[AY1/0.785].(13—1) 式中,b为圆形溢流口的直径,ITI. 圆形溢流管下半部采用U形液封,故底端 不设液封槽. 建议计算得到的b?50mm采用圆形溢流管, 同时应考虑到罩简厚和溢流管壁厚,经b与B值 的比较,B有较大的开口余量时方可.溢流管下 半部应考虑u形液封,有效液封高hF取值? 50mm. 当b>50mm时采用弧形溢流口为宜. 弧形溢流口的弧长与开口宽b的选择: 若溢流量较大不能选择圆形溢流口时,应采 用弧形溢流口,弧形溢流口底部带有液封槽.有 效液封高hF~50mm. =Ay/(nb)或 =AN/b(13—2) 式中,为弧形溢流口的弧长,m,(弧长以弧形 溢流口宽的中点计);b为弧形溢流口宽,ITI. 弧形溢流口的公式(13—2)中有两个未知 数——弧长与开口宽b,因此设计者首先设定 b的尺寸时,应考虑到罩筒厚和溢流(降液)管 壁厚,需经与板环区总宽B值比较,使B大于b 开孑L和焊接溢流(降液)管有余量.b确定后就 可按上式求得弧长. 溢流管的高度hY: 本设计规定取经验值: 0.5m?hY?0.4m(13—3) 常灵光旋流板式除沫器的工艺设计7 (由设计者根据需要确定hy) 式中,hY为圆形或弧形溢流(降液) mo 2.2设备结构尺寸 (1)简体高H H=HI+H’ =Hz+Hy+HL+Hx Hl=Hz+Hy H2=HL+Hx HL=hv+hM 见图1(C). 管的高度,2.3压力降?P 按半经验式: 14 14 14 14 式中,H为简体高,m;H1为定位尺寸,m;H2 为板环区受液槽底板以下的筒体高度,m;Hy 为气液分离空间的高度,m;HL为受液槽底板 到液封槽底板的距离,m;Hx为调整量(HZ? Hx~<0.2),m,(推荐弧形降液管取Hx=0.2m; 推荐圆形降液管取Hx=0.1m);hY的取值参见 式(13—3);hM为溢流(降液)管底与液封槽 底板的距离,m. 气液分离空间高度HY与筒体内径DN有关, 推荐HY的经验取值范围如下: D:0.3m,0.5m0.5m,0.8m 0.2m?HY?0.3m0.3m?HY?0.35m D:0.8m,1.6m1.6m,2.0m 0.35m?HY?0.45m0.4m?HY?0.6m D:2.0m,2.4m?2.4m 0.5m?HY?0.7m0.6m?HY?0.8m (2)溢流管底与液封槽底板的距离hM hM~Keb/[2(+b)](14—5) K=,0.5 圆形溢流(降液)管底不设液封槽,故hM =0.HL=hy. (3)液封槽的高度hv hv=hM+hF+(14—6) 式中,hV为液封槽的高度,m;为液封槽的 底板厚,m,值由结构强度定,一般取= 0.005m;hF为以降液管底口计的有效液封高, rll,推荐的经验值取h=0.05m. 液封槽结构尺寸的确定方法: 由设计者按常规溢流速度(?0.5m/s)调 整液封槽流通截面,有了流通截面选择液封槽尺 寸长度和宽度BY时,必需使eY>e,BY?B. 液封槽的一个长边端与器壁紧密连接,靠器壁的 槽上部开有5,10ram斜开口,使液体沿器壁流, ZXP~19.6l5/2g+17.655FoUY+19.615(15) 式中,?P为压力降,Pa. 3例题 3.1例题1 已知:气体负荷Vs=2.723m3/s,夹带液滴 量:0.042053rn3/s,气体密度PG=4.53kg/ m3,液体密度P『=650kg/m3. 3.1.1计算旋流叶片外径初值Dx I)x=0.6[vs] =0.6[2.723×4.53.?].? =1.444m取1.45m 3.1.2选择分离器简体内径初值DN D=1.4Dx=1.4×1.45=2.03m取2m 3.1.3选择盲板直径初值Dlm 取Dm=0.3IN Dm=0.3IN=0.3×2=0,6m 故满足0.25Dx=0.36m?Dm=0.6m? 0.4DN:0.8m 3.1.4计算穿孔面积 将Dx,Dn代人式(4)计算: Ao=(7c/4)(D一Dk){sina一2mc3/[7c(I)x+ )]} =(7c/4)(1.45一0.6){sin25一2×24× 0.003/[7c(1.45+0.6)]} =0.548m2 3.1.5计算穿孔动能因子F0 Fo=vs.’/Ao =2.723×4.53o?s/0.548 =10.58kg~?/m0?S/s 3.1.6核对穿孔动能因子Fn 由式(5)计算穿孔动能因子Fn= 10.58kgo,/m0’/S. 在F0=10,12(k/m0/S)之间满足穿 孔动能因子F0的取值规定要求.则旋流叶片外 径Dx,盲板直径Dn,,分离器简体内径DN值的 确定满足设计要求,不必要进行调整. 3.1.7叶片径向角B 本设计规定叶片边线与盲板圆相切,由式 8化工设计2005,15(1) (6)计算叶片径向角p: B=ar~in(/Dx) =arcsin(0.6/1.45) =24.44. 尽量将雾滴甩到器壁上,叶片的安装采用 外向,叶片外端的钝角朝上. 3.1.8计算外沿处叶片间的距离hB hB=(TcDx/m)sina一 = (Tc×1.45:24)sin25.一0.003 = 0.0772m 3.1.9计算罩筒高初值hz与需加增量?的罩筒 高Hz 为了改善气液分离效果,当要求外沿处叶片 的水平投影相接,罩筒高需在h:的基础上加一 增量? = [(TcDxsina)/m]+~cosa = [(Tc×1.45sin25.)/24]+0.003cos25. =0.0802+0.0027 =0.0829m ?=TcDtga/,m—hB一 =Tc×1.45tg25./24—0.0772—0.003 =0.0083m =+? =0.0829+0.0083 =0.0912m取=0.091m 3.1.10计算叶片外的板环区总宽B B:(IN——Dx)/2 = (2一1.45)/2 =0.275m 3.1.11计算溢流口的总面积AY Ay=LAJr =0.042053/0.2 =0.210265m2 3.1.12计算每个溢流12I的面积AY AyI=Ay/n =0.210265/2 =0.105133m/ 式中,取n=2. 3.1.13溢流管的选择和尺寸的确定 当采用圆形溢流12I时,则直径b: b=[AYl/0.785].? = [0.105133/0.785]0? =0.336m 因b=366mm>50ram,所以不能采用圆形 溢流口,应按弧形溢流口设计.按弧形溢流口设 计弧长e与开口宽b: 首先设定b=0.2m,经与B=0.275m比较 有开口余量,b确定后可求得弧长e: AyI/b =0.105133/0.2 =0.526m 选弧形溢流(降液)管高度hy=0.4m. 3.1.14设备结构尺寸 设备主体由三部分构成:椭圆形上封头,椭 圆形下封头和简体.出气口和进气口分别开在上 封头和下封头的顶端;旋流板组合件,受液槽和 溢流(降液)管组合件设置在简体内,排液口在 下封头上(靠近进气口插入管)开孔见图1(A). 按式(14—1),(14—2),(14—3),(14— 4),(14—5)求简体高H: H=Hi+H2, =+HY+HL+Hx =Hz+Hy+hY+hM+卜Ix =0.091+0.6+0.4+0.04+0.2 =1.331m 式中,DN=2m;查表取HY=0.6m;按推荐的 经验值范围取h,,=0.4m. hM~Keb/[2(+b)] =0.5×0.526×0.2/[2(0.526+0.2)] =0.036取hM=0.04m 弧形降液管底部液封槽,按式(14—6)求 液封槽高h: hv=hM+hF+ =0.04+0.05+0.005 =0.095m 式中,取hF=0.05m;取,=0.005m. 按常规溢流速度(?0.5m/s)调整液封槽 流通截面取液封槽尺寸: Y(长)×By(宽)×hv(高)=0.6×0.3× 0.095m 靠器壁的液封槽上部有,10ram斜开12I,使 液体沿器壁流. 设备结构与技术要求参见图1(A)及示意 图1(C). 3.1.15压力降zXP 按半经验式: zXP?19.615Fo/2g+17.655FoUY+19.615 =19.615×10.58/(2×9.81)+17.655× 常灵光旋流板式除沫器的工艺设计9 l0.58×0.2+19.615 =168.881Pa 3.2例题2 已知:气体负荷Vs=1.627m3/s 气体密度=1.21kg/m3 进料夹带液滴量小于进气重量的10%,液 体密度pL=950kg/m3. 3.2.1计算旋流叶片外径初值Dx: I)x=0.6[j]o.5 =0.6[1.627×1.21.?].? =0.803m.取0.8m 3.2.2选择分离器简体内径初值DN IN=1.1I)x =1.1×0.8 =0.88m.取0.9m 3.2.3选择盲板直径初值Dm 取Dm=0.41N Dm=0.41N =0.4×0.9 :0.36m 故满足0.25Dx=0.2m?Dm=0.36m? 0.4IN=0.36m 3.2.4计算穿孔面积 将Dx,Dm代入式(4)计算穿孔面积: 当取叶片数m=24时: = (7【/4)(Dx一){sina一2m艿/[7【(Dx+ Dm)]} = (7【/4)(0.8—0.36){sln25一2×24× 0.003/[7【(0.8+0.36)]} :0.1536~ 当取叶片数m=12时: = (7【/4)(Dx一){sln~一2m艿/[7【(Dx+ DIl)]} = (7【/4)(0.8—0.36){sin25.一2×12× 0.003/[7【(0.8+0.36)]} =0.1615~ 3.2.5计算穿孔动能因子F0 当取叶片数m:24时: Fo=Vsp, =1.627×1.21.,/0. 1536=11.65l?/m0?/S 当取叶片数m=12时: Fo=VsPG.?/A0 =1.627×1.21.,/0. 1615=11.08l?/m0?/S 3.2.6核对穿孔动能因子F0 由式(5)计算穿孔动能因子Fo= 11.65kgo_/mo?/s(或U0Skg~_/m0./s) 计算的穿孔动能因子Fo=10,12(kgo m0/S)之间,满足穿孔动能因子F0的取值规 定要求. 3.2.7叶片径向角G 本设计规定叶片边线与盲板圆相切,由式 (6)计算叶片径向角p: 8=arcsln(DJinx) =arcsin(0.36/0.8) =26.74 尽量将雾滴甩到器壁上,叶片的安装采用外 向,叶片外端的钝角朝上. 3.2.8计算外沿处叶片间的距离hB 当取叶片数rn=24时: hB=(~Dx/m)sina一艿 = (7【×0.8/24)sin25.一0.003 =0.0413 当取叶片数m=12时: hB=(~Dx/m)sina一艿 = (7【×0.8/12)sin25一0.003 =0.0855m 3.2.9计算罩筒高初值hz与需加增量?的罩筒 高 为了改善气液分离效果,当要求外沿处叶片 的水平投影相接,罩筒高需在hz的基础上加一 增量?. 当取叶片数rn=24时: }lz=[(不I))(sinaa)/m]+艿?瞰 = [(7【×0.8sin25)/24]+0.003cos25. =0.0443+0.0027 =0.IN7m ?=~Dxtga/m—hB一艿 =7【×0.8tg25./24—0.0413—0.003 =0.0045m =}lz+? =0.047+0.0O45 =0.0515m取=0.052m 当取叶片数m=12时: }lz=[(7【D)(sim)/m]+艿?瞰 = [(7【×0.8sin25)/12]+0.003ms25. =0.0885+0.0027 =0.0912m 10CHE?lCALENGDRINGDEsIGN化工设计2005,15(1) A=~Dxtga/m—hB一8 =7【×0.8tg25/12—0.0855—0.003 = 0.0092m = 11,+? =0.0912+0.0092 =0.1004m取=0.1m 3.2.10计算叶片外的板环区总宽B B=(DN—Dx)/2 = (0.9—0.8)/2 =0.05m 3.2.11计算溢流口的总面积AY Av=/I-Iv = (0.01~Vs/pL)/0.2 = (0.1×1.21×1.627/95O)/0.2 =0.001036m2 3.2.12计算每个溢流口的面积AY1 当n=2时: AYT=AY/n = 0.00103~/2 =0.000518m2 当n=3时: A?=Av/3 =0.001036/3 =0.000345m2 3.2.13圆形溢流口尺寸 当采用圆形溢流口时,则直径b: 当n=2时: b=[A?/0.785].? = [0.000518/0.785].? =0.0257m 当n=3时: b=lAy/0.785].? = [0.000345/0.785].? =0.021m 因b=25.7mm(或b:21ram)?50mm, 所以结构设计采用圆形溢流口. 通过选择n和对应b值的综合比较,本题取 b:25ram的圆形溢流管n=3. 3.2.14设备结构尺寸 按式(14—1),(14—2),(14—3)求筒体 体高H: 取m=24时: H=HI+I42 =+Hv+HL+Hx =0.052+0.4+0.4+0.1 =0.952m 当m=12时: H=HI+I42 =Hz+Hv+HL+H = 0.1+0.4+0.4+0.1 =1.0m 3.2.15压力降ZXP 按半经验式: 当取m=24时: ZXP?19.615F0/2g+17.655FoUY+19.615 =19.615×11.65/(2×9.81)+17.655× 11.65×0.2+19.615 =196.439Pa 当取m=12时: ZXP?19.615Fo/2g+17.655FoUY+19.615 =19.615×11.08/(2×9.81)+17.655× 11.65×0.2+19.615 =183.486Pa 参考文献 1旋流板技术及其应用.化学工程.1978(2) (收稿日期2004—08一o5) (上接第23页) 3.3塔的内件尺寸及外形尺寸 根据上述计算,设计时转盘塔直径取 0.45m;转盘直径取0.225m;固定环开口直径 为0.30m;转盘间距为0.13m. 根据PROlI模拟计算,采用3个理论板就 可使乙基香兰素的萃取率达到99%.根据经验 数据,理论级的当量长度取2m,因此塔高为 6m,上下两分离段各取1m,即萃取塔总高为 8mo 4生产运行效果 吉化集团乙基香兰素工业装置自2003年1 月1日开车以来,转盘萃取塔在生产运行中萃取 效率可达到99%,达到了设计要求. 参考文献 1李修伦,姚玉英等.化学工程第2册,北京:化学工业出 版社.1980 2王松权.石油化工设计手册第3卷tgT单元过程,北京: 化学工业出版社.2002 (收稿日期2004—10—18)