化肥厂并联布置的旋风分离器组的优化研究

马 欣 徐 洋

(西南石油大学机电工程学院)

化肥厂并联布置的旋风分离器组的优化研究

马 欣*徐 洋

(西南石油大学机电工程学院)

通过研究旋风分离器的特性，了解筒体直径和压降是影响旋风分离器成本的主要因素，建立了并联布置的旋风分离器组的成本模型。取某一化肥厂的实际参数进行实例计算，得出通过减少旋风分离器的个数、合理增大旋风分离器的筒体直径、改变旋风分离器的局部结构，可在一定程度上降低成本。分析成本模型的特殊性，通过数值计算，可以得到基于总成本最小情况下的最优旋风分离器筒体直径，为旋风分离器组的优化设计提供参考。

旋风分离器 并联布置 成本 优化

化肥生产属于流程工业，以安全、稳定、均衡、长周期、满负荷、优质、高产、低耗和减少污染为生产目标[1]。随着能源形势的紧张和对环境质量要求的提升，对旋风分离器的分离效率要求也随之提高。使用一台旋风分离器往往不能满足生产需要，在这种情况，对多个旋风分离器进行组合布置显得很有必要[2]。通常采取的方法是对多个旋风分离器进行串并联布置，以达到生产要求。夏欣等在干馏炉旋风除尘工艺中，旋风分离器采用内置六桶分离器圆形并联结构，分离效率达80%～90%[3]。廖磊等针对6个旋风分离器并联布置方式进行了实验研究和数值模拟，分析了旋风分离器并联布置的分离特性[4]。这些研究侧重于分析旋风分离器组的分离特性，而忽略旋风分离器组的成本问题。Abdul-Wahab S A等采用成本模型，运用GAMS(通用代数建模系统软件)对旋风分离器的串并联布置进行非线性规划优化[5]，来减少整体成本。目前，已有很多关于旋风分离器分离原理的理论模型和经验公式用来表征旋风分离器内部流体运动规律和气固两相分离机理[6,7]。笔者通过其中筒体直径和压降公式建立成本模型，对化肥厂并联布置的旋风分离器组的优化问题进行研究。

1 旋风分离器

1.1 分类与基本结构

一般而言，旋风分离器的种类很多，按入口结构形式分为圆形入口、矩形入口、环绕式入口和导向旋流叶片入口；按分离器的本体形状分为筒锥组合型和直筒型；按气流进出方向分为逆流式和直流式[8]。工业上最常见的旋风分离器为矩形切向入口的筒锥型逆流式旋风分离器，其结构原理如图1所示。图1中，a是入口截面的高度，b是入口截面的宽度，B是排尘口直径，D是旋风分>离器筒体直径(指分离器筒体截面的直径)，De是升气管直径，S是升气管插入深度，h是旋风分离器筒体高度(从分离器顶板到排尘口)，H是旋风分离器总高。

图1 旋风分离器的结构原理

1.2 并联布置的旋风分离器组

旋风分离器组并联布置指的是将一定量的物料粉尘通过多个旋风分离器并联连接，进行净化处理，图2为并联旋风分离器组布置图。目前，工业上广泛采用的并联形式有两种，即圆形布置和八字形布置形式，也有的采用阶梯型布置[9]。并联布置的旋风分离器组不同于具有多个旋风管的旋风分离器，最主要的差异在于前者可以分配每个旋风分离器的不同通气量，而后者由于共用一个进气口、且每个旋风管的位置不同，易造成气流量分配不均的现象，有可能发生串气、流场紊乱等情况[10]。

图2 并联旋风分离器组布置示意图

每个旋风分离器处理其中一部分的物料粉尘。各个物料粉尘的流量之和等于总的粉尘流量Q，即Q=Q1+Q2+…+QN，其中，N为旋风分离器的个数，则第i个旋风分离器的气体入口速度Vi为：

(1)

其中，ai是第i个旋风分离器入口截面的高度，bi是第i个旋风分离器入口截面的宽度。ai0是ai与Di的比值，bi0是bi与Di的比值。Di是第i个旋风分离器的筒体直径。根据Martinez-Benet J M和Casal J提出的公式[11]可以推出旋风分离器筒体直径Di和压降Δpi的公式：

(2)

(3)

式中dp——粉尘的分割粒径；

Ns——颗粒在旋风分离器内的螺旋圈数；

μ——动力粘性系数；

ρ——气体的密度；

ρp——粉尘的密度。

2 经济成本模型

2.1 旋风分离器的成本

C总=C动力+C设备

(4)

2.2 并联布置的旋风分离器组成本

将式(2)、(3)代入式(4)中，得到并联布置的旋风分离器组的成本，该成本是以单位时间内所花的费用来衡量的。在Abdul-Wahab S A等提出的成本公式的基础上[5]进行改进，当N个旋风分离器并联布置使用时，总的成本公式如下(主要用于计算化肥厂物料除尘中并联布置的旋风分离器组的成本)：

(5)

3 实例计算

复合肥料的化肥厂在制造NPK复合肥料的过程中，通常采用气氨通入槽式反应器预中和，采用转鼓氨化造粒工艺生产DAP，采用转鼓磷酸回滴工艺生产MAP。产品冷却气经旋风分离器除尘后作为干燥热炉气的稀释空气。稀释后的热炉气经干燥机与磷铵物料并流换热后，分别经过旋风分离器、洗涤器除尘洗涤后排放。反应尾气、造粒尾气与经过旋风分离器的设备通风尾气经过洗涤器洗涤后排放[12]。在这一整套制作复合肥料的过程中要选用适量通径大小、合理个数的旋风分离器来完成除尘分离的工作。

图3为某一化肥厂NPK复合肥造粒过程图。

图3 某一化肥厂NPK复合肥造粒过程示意图

在并联使用多个分离器来处理大量气体时，选择合适的并联形式其目的就在于保证每个旋风分离器的进气口气速都相等。这样，便可使各分离器的分离效率和压力降也都分别相等，以使并联的分离器在整体上达到最佳的工况。为了便于计算，假设每个旋风分离器的结构参数都相同，则单个旋风分离器的处理流量Qi=Q/N。规定nDmD型旋风分离器表示旋风分离器筒体高度h和椎体高度H-h分别等于n×D和m×D，1D3D型旋风分离器指的是h为D，H-h为3D的旋风分离器[13]。1D3D型和2D2D型旋风分离器是两种不同的旋风分离器，其结构参数见表1，对这两种旋风分离器组进行成本分析。实例数据来源于文献[5]中某一化肥厂的生产数据，该化肥厂气固粉尘的总处理量Q为13.97m3/s，粉尘的密度ρp为1 042kg/m3，气体的密度ρ为1.33kg/m3，动力粘性系数μ为19.34MPa·s，粉尘的分割粒径dp为21.63μm。将数据代入公式中，得到各自的压降、入口速度和总成本(表2、3)。

表1 两种不同的旋风分离器结构参数

表2 2D2D型旋风分离器并联布置参数与数值表

注：总成本C并总指一个工作日内每秒钟的花费(以一天8h计)。

表3 1D3D型旋风分离器并联布置参数与数值表

从表2中可以看出，在物料粉尘流量不变的情况下，随着旋风分离器个数的增加，通径减小，总压降减少，但由于个数的增加，使得设备成本增加导致总的成本的增加。对比表2、3可以看出，当改变旋风分离器的局部结构，如筒体段的高度h会造成总成本的改变。从数据可以看出，当高度h增加时，总成本有了略微增加。如果将筒体直径D看成是自变量，成本C并总看成是关于D的函数，则C并总=AD-4+BD1.2，其中，A、B是大于0的系数，取值与初始条件有关。该函数曲线在(0，D0)区域，随着D的增大逐渐减小；在(D0，+∞)区域，随着D的增大而增大。即C并总在D=D0时，取得最小值。令F′(D0)=0，即可求出D0值。如在N=2时，采用1D3D规格旋风分离器，取表1参数和初始条件，则A=1.66×10-2，B=2.49×10-3，求得最优筒体直径D0为1.82m，最小总成本C并总为0.006 61元。

4 结论

4.1在满足处理一定量物料粉尘的条件下，改变旋风分离器的局部结构，会引起旋风分离器组总成本的改变。

4.2对于并联布置，在满足处理一定量物料粉尘的条件下，通过减少旋风分离器的个数，增大旋风分离器的通径，在一定程度上可以减少成本。

4.3由于成本函数的特殊性，可通过数值算法算出基于成本最小情况下的最优旋风分离器通径值。可以同基于分离性能最优下的旋风分离器通径值作对比，为旋风分离器组的设计提供参考依据。

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ResearchonOptimizationofCycloneSeparatorArrangedinParallel

MA Xin, XU Yang

(SchoolofMechatronicEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China)

The gas-solid cyclone enjoys wide application and few researches on cyclone separator group can be seen at home and abroad. Through investigating into the cyclone separator’s characteristics and both cylinder diameter and pressure drop’s influence on the separator cost, the cost model for the cyclone separator in parallel was established and the actual parameters from a fertilizer plant were adopted in the cost calculation to show that, reducing the number of cyclones and reasonably increasing the cylinder diameter as well as changing local structure of the cyclone can reduce the cost to a certain extent. Through analyzing the particularity of the cost model, the optimal cylinder diameter can be reached based on the minimum total cost so as to provide a reference for the optimal design of cyclone group.

cyclone separator, parallel arrangement, cost, optimization

*马 欣，男，1973年12月生，副教授。四川省成都市，610500。

TQ051.8

A

0254-6094(2016)04-0485-05

2015-08-04，

2015-08-21)