旋液分离器分析与控制

蔡尚辰

中沙（天津）石化有限公司，天津 300271

0 引言

2012 年旋液分离器A 共投用9 次，造成堵塞3 次；旋液分离器B 共投用5 次，造成堵塞3 次。根据具体情况进行了精细分析和优化操作，在2013 年上半年没有堵塞现象。

旋液分离器堵塞现象：顶部回流密度缓慢上升，返回到反应器的粉料增加，需要提高反应器稀释剂流量保证反应器内部固体浓度稳定。

1 工艺流程

HDPE 装置将反应器排出的物料浓缩，顶部夹带少量粉料的液体返回到反应器中，浓稠的浆料通过底部进入后系统，降低了下游设备的运转负荷，降低了稀释剂输出泵的功率，保证了生产的稳定性。是节约装置能耗物耗的关键设备。

HDPE 装置从反应器排出的浆料以切线进料方向进入旋液分离器，浆料向下作螺旋运动产生离心力，密度较小的液体（包括：稀释剂、乙烯、氢气、1-己烯）夹带少量粉料从旋液分离器的中心向上流动，而浓度较高的粉料及剩余的稀释剂混合液受惯性离心力作用被甩向器壁，再通过底部压力控制阀排向浆料加热器。

旋液分离器是一种利用离心沉降作用分离悬浮液的设备, 料液由圆筒部分以切线方向进入,向下作螺旋运动产生离心力,固体颗粒受惯性离心力作用被甩向器壁,并随旋流降至锥底由底部排出的稠厚悬浮液称为底流；清液或含较小颗粒的液体则形成螺旋上升的内旋流,由器顶溢流管排出,称为溢流。旋液分离器可用于悬浮液的增稠，也可以用于悬浮液中固体粒子的分级，即由底流中获得少量液体和尺寸较大或密度较大的颗粒。而由溢流中获得大量液体和尺寸较小或密度较小的颗粒，它还可以用于液—液萃取操作中两种不互溶液体的分离。

旋液分离器的特点是：直径小、圆锥部分长，因为固液间的密度差较小，在一定流速下，小直径有利于增大惯性离心力，提高沉降速度，同时锥形部分加长可以增大流体的行程，延长流体在旋液分离器中的停留时间，提高分离效率。

旋液分离器的优点是：1）构造筒单，无活动部分；2）体积小，占地面积也小；3）生产能力大；4）分离的颗粒范围较广。但分离效率较低。常采用几级串联的方式或与其他分离设备配合应用，以提高其分离效率。

2 旋液分离器对装置的影响

HDPE 装置由于生产和设备本身问题，多次出现旋液分离器内壁发生结垢现象，长时间运转下去导致内部堵塞现象，从而影响旋液分离器的分离效果，失去了浓缩浆料的作用，只能通过降低产率保证浆料加热器正常运转和稀释剂输送泵正常运转。

3 影响旋液分离器分离效率的因素

3.1 周围的速度

浆料在分离器内的圆周速度对分离效率有较大影响，周围速度越大，离心力越大，则分离效率越高，但过高的圆周速度会使大量的颗粒被二次涡流带入清液出口，反而降低了分离的效率，同时也增加了动力消耗及粉料对设备的磨损。

3.2 设备的阻力

浆料运动的顺利进行，要求分离器的制作必须保证其内壁光滑度和较小的锥角，从而减少了分离器运动过程中产生的设备阻力，提高了分离效率。

3.3 物料颗粒直径

介质中悬浮颗粒的直径对分离效率的影响很大，分离器制作成型后，它对颗粒的直径有一个极限值，当颗粒直径小于极限值时，分离器便不可能把它们分离出来。

4 旋液分离器设计原理

旋液分离器的工作原理是依靠泵的动力在分离室内造成旋涡速度场，这些速度场符合旋涡理论。混合液中的固体颗粒进入旋涡场后，随颗粒的粒度不同所受到液流力及浮力作用的不同，使分离室内颗粒处于不同的空间位置，由于分离为一锥形结构，其不同轴向位置的剖面旋转速度不同，从而造成一定粒度或重度的颗粒发生下沉从而达到固液分离的目的。旋流的设计是根据要分离固体粒度等级和分离效率来确定旋涡强度的大小。根据旋涡强度的要求，来确定进口流速和进口压力的大小，根据处理量的大小，来确定旋液分离器的大小。对不同物质来讲并不是旋涡强度越大分离效果就越好，而是不同的物质有着不同的要求。

5 旋液分离器趋势分析

图1 旋液分离器回流量与稀释剂趋势图

图1 说明：

旋液分离器顶部浆料泵要根据稀释剂进料量进行匹配调整。

图2 旋液分离器回流量与转速趋势图

表1 不同牌号对应的回流密度

图2 说明：

泵回流转速与流量成正比。温度与密度成反比。单独投用旋液分离器A 或B 时，旋液分离器顶部回流量要根据密度而定（见表1），返回的粉料尽可能少，泵不容易堵塞，转数相应的稳定。建议最小流量不低于24T/H。旋液分离器A 和B 同时投用时，低回流量运转，泵内部远端流量容易堵塞（内部共两道流路），转数和密度上升趋势快。稀释剂进料量一定，两路回流总量在45-50T/H 左右，返回的粉料会相应增加，密度计值相应升高。

图3 旋液分离器回流转速与压力趋势图

图3 说明：

旋液分离器顶部浆料泵与旋液分离器底部出口压力成正比，说明底部出料畅通，旋液分离器离心分离效果好，顶部夹带粉料少，泵体流路不容易堵塞，泵功率和转数稳定。

6 旋液分离器堵塞原因分析

6.1 旋液分离器堵塞现象

1）旋液分离器顶部浆料回流密度增加。旋液分离器顶部浆料密度是表征旋液分离器分离效果最直观的参数。当分离效果好时，生产不同牌号时旋液分离器顶部的密度会对应相应的烃类混合液密度（如表1），旋液分离器顶部浆料密度与反应器浆料密度的差值可以体现出旋液分离器液固分离的效果。当旋液分离器内发生结垢甚至堵塞时，使旋液分离器其分离效果降低，稀释剂会夹带越来越多的粉料返回到反应器中，旋液分离器顶部浆料密度会呈现逐渐上升的趋势，如果不及时切换旋液分离器，很快会与反应器浆料密度相同，堵塞更加严重很难清理；

2）反应器浆料密度增加。在反应器中稀释剂流量稳定情况下，旋液分离器内部发生堵塞时，旋液分离器顶部回流液中的粉料会增多，这样通过顶部回流泵输送回到反应器的混合液中的稀释剂比例相应的减少，稀释剂的返回量会随着旋液分离器顶部浆料密度的增加而逐渐变小。导致反应器密度逐渐增大，乙烯浓度相应降低；

3）下游加热系统的负荷增加。随着旋液分离器内部发生堵塞，分离效率降低，会导致从旋液分离器底部排出的浆料浓度变小(即反应器外部固体含量减小)，需要加大稀释剂进料量保证反应器的内部固体浓度稳定，导致下游加热系统负荷增大；

4）旋液分离器堵塞经常伴有泵回流量稳定时，转速和电流增大的迹象。由于更多的粉料进入到泵体，长时间运转堵塞泵内部流道和管道结垢。

6.2 现场堵塞情况

序号位置堵塞情况图片清理方式旋液分离器内部全部堵塞，器壁粘结块料，中心留有细孔状的流道，旋液分离器从顶部至底部均有结块现象，内部结壁结实。images/BZ_260_1896_2681_2121_2839.png块料用铁锨清理，内壁用高压水清洗

旋液分离器顶部回流泵入口管线内壁有厚而结实的垢层，并有小块料images/BZ_261_844_272_1071_446.png用高压水清洗旋液分离器顶部回流泵流路内部有一个流道堵塞，另一个流道通常images/BZ_261_844_530_1071_702.png火烧处理

6.3 取样分析

表2 取样分析结果与生产牌号对照表

从取样分析的结果来看，与HDPE 装置近期生产的HD5502牌号开车指数和密度，块料的颗粒粒径较大，基本相似。（11月12 日切换牌号，11 月13 日HD5502 开车时反应器中留有1-己烯）。

7 结论

序号操作情况及判断依据原因处理措施开停车切换牌号示例：5 月15日、6月13日生产数据和旋液分离器A取样分析结果开车初期，内部固体浓度没有建立起来，催化剂停留时间短，没有充分反应，在旋液分离器中继续反应，造成旋液分离器及泵体逐渐结垢，最终造成旋液分离器失效。开车前准备工作要精细，保证旋液分离器入口稀释剂流量稳定这样可以降低旋液分离器和回流线温度，降低旋液分离器浆料浓度，降低粉料在旋液分离器中反应的机会，因而使管线及设备得以长时间正常运转。 开车初期建立内部固体浓度时稀释剂进料量与产量对应调整。提高产率同时，首先调整稀释剂进料量，然后根据稀释剂进料流量和旋液分离器泵回流密度调整回流量。开车初期，保证反应器己烯-1 浓度低乙烯浓度高，反应温度高。（这样生产的粉料密度高，对应的溶解温度高，从而防止催化剂在下游系统继续反应造成系统堵塞。尽可能减少停车切换牌号频次。将旋液分离器顶部泵回流中固体流量进行计算后放入DCS 画面上，便于监控及调整。制定不同牌号不同产率情况下回流密度的操作范围。

同时投用两台旋液分离器。示例：6 月13日和10月24日生产数据旋液分离器A和B 同时投用，底部出料阀的开度较小，使粉料颗粒在旋液分离器中的停留时间较长，旋液分离器底部浓度较高，颗粒间相互摩擦产生效应增强，静电效应明显。为了保证反应效果稳定泵回流量需要在低流量下运转，这样可能造成气蚀现象，并且会延长浆料在泵体内停留时间，在回流线内部反应，导致结构后堵塞。保证下游加热器满足生产情况下，尽可能不同时投用两台旋液分离器。保证底部出料系统（下游加热器管线）的畅通。增大旋液分离器底部出料阀开度，降低停留时间。旋液分离器回流量高于最小流量24T/H。减少物料管道及设备摩擦产生的静电，加装静电接地线。多次检修。在多次检修后，造成旋液分离器内壁损伤。重新投用后使物料在内部运动时受到了粗糙管壁的阻力，部分浆料失去了原有的离心作用，并且增大了浆料与管壁的摩擦阻力，降低固体的沉降速率，造成旋液分离器分离效果下降，同时使不光滑粗糙表面挂壁，随着流体的通过使垢层越结越厚，以至造成旋液分离器完全堵塞。对旋液分离器内壁和泵流路进行抛光提高内壁光滑度。发现旋液分离器有堵塞比较严重情况立即隔离清理，此时内部清理不会损伤内壁的光滑度。

[1]高密度聚乙烯操作手册和工艺手册：Ineos Europe Limited，2007-7-1.

[2]严久杰.化工部科技研究所，2005-11-12.

[3]韩文光.化工装置使用操作技术指南.化学工业出版社，2001，10.