邢書芳

（核工業(yè)理化工程研究院，天津300180）

0 引言

在味精、生物、醫(yī)藥等發(fā)酵行業(yè)中，對空氣壓縮機后端冷凝水的處理和發(fā)酵逃液現象的控制是非常重要的2個環(huán)節(jié)。

在空氣壓縮氣體凈化系統中，液體分子通常作為細菌的載體，隨壓縮氣體進入發(fā)酵罐，導致染菌。在發(fā)酵行業(yè)中因空氣系統除水不盡而造成發(fā)酵染菌，在夏季高濕季節(jié)被迫停產也是一種常見現象，給用戶帶來較大的經濟損失。

另外，發(fā)酵生產過程中，發(fā)酵罐內會產生大量泡沫，部分泡沫夾帶大量發(fā)酵液隨尾氣排出罐體。生產過程中若發(fā)生逃液，不僅會造成生產產量降低，而且逃液中的活菌體會使生產環(huán)境的空氣質量嚴重下降，增加染菌機會，使發(fā)酵生產的連續(xù)性與穩(wěn)定性得不到有效保證。

1 研發(fā)背景

發(fā)酵行業(yè)為解決除水、逃液染菌問題，實現全天候生產，迫切需要高效、可靠、價廉的分離設備。因此，為滿足市場需求，在參考國內外同類先進產品及進行了專利查詢的基礎上，我院研發(fā)了QYF-A、QYF-B 2種高效氣液分離器，其中QYF-B又稱高效逃液捕集器。含這2種設備的空氣凈化系統流程如圖1所示。

圖1 空氣凈化系統流程

目前，發(fā)酵行業(yè)普遍通過在冷凝器后端設置氣液分離器，來解決冷凝水的處理問題，防止染菌產生。而味精、氨基酸等行業(yè)通過在發(fā)酵罐上端的排氣口設置逃液捕集器，以解決發(fā)酵罐逃液的氣液分離問題。因此，對于氣液、逃液分離2種設備的選擇很重要。在分離設備中，國外產品分離效率較高，一般在99%以上，但價格是國內產品的10倍以上。由于價格相差懸殊，絕大多數企業(yè)仍選用國內分離設備，普遍選用傳統的旋風分離器。該產品名義分離效率為80%～90%，實際分離效率只能達到60%～70%，仍有相當一部分液體沒有分離，為生產的正常運行帶來了隱患。

常用的機械分離方法有重力慣性分離、過濾分離和離心沉降分離。其中，過濾分離的效率不高，可靠性差。重力慣性分離方法需要較大的占地空間，而且分離的效率也不高。在實際應用中，普遍使用離心沉降分離技術。傳統應用離心分離技術的各種旋風分離設備，雖然名義上稱分離效率很高，但處理風量的范圍較小，還不能滿足實際生產的需要。用于發(fā)酵行業(yè)中的氣液分離設備性能比較如表1所示。

表1 發(fā)酵行業(yè)中的氣液分離設備性能比較

2 工作原理與結構特點

我院研發(fā)的高效氣液分離器、逃液捕集器的結構與國內傳統的旋風分離器相比有很大的改進。

2.1 傳統旋風分離器

傳統的旋風分離器結構如圖2所示。氣液混合體由進氣口切向進入分離器，氣體由直線運動轉為圓周旋轉，在離心力的作用下，將密度較大的液體顆粒甩向圓筒體內壁，顆粒與筒壁碰撞后，在重力的作用下，進入收集口。旋轉下降的外旋氣流在到達圓錐體時，因錐形的收縮向分離器靠攏。氣體到達錐體下端的某一位置時，以同樣的旋轉方向從分離器的中部，由下而上繼續(xù)做螺旋運動，即內旋流。最后凈化氣體經排氣口排出分離器外，一部分未被捕集的液體顆粒也由此逃逸。

圖2 傳統旋風分離器結構簡圖

影響旋風分離器分離效率的主要原因是由于其殼體內部存在二次渦流。

（1）短路流：旋風分離器頂蓋、排氣口外面與筒壁間，由于徑向速度與軸向速度的存在，將形成局部渦流，夾帶著相當數量的顆粒向中心流動，并沿排氣口外表面下降，最后隨著中心上升氣流逸出排氣口。

（2）縱向旋渦流：縱向旋渦流是以分離器內、外旋流分界面為中心的器內再循環(huán)而形成的縱向流動。

（3）外層旋流中的局部渦流：由于分離器壁面不光滑，可以產生與主流相垂直的渦流。這種流動會使壁面附近或者已被分離到器壁的粒子重新甩到內層流，使液體微粒在分離后的氣體中出現。

（4）底部夾帶：外層旋流在錐體底部向上返轉時，可產生局部渦流，將顆粒重新卷起，被上升氣流帶走。

2.2 高效氣液分離器、逃液捕集器

高效氣液分離器、逃液捕集器利用旋風分離、離心沉降分離和重力分離巧妙地合為一體，對氣體、液體進行了有效分離，在結構上消除渦流對分離效率的影響。氣液分離器的結構主要由8個部分組成，如圖3所示。逃液捕集器的安裝簡圖如圖4所示。

圖3 氣液分離器結構簡圖

圖4 逃液捕集器安裝簡圖

2.2.1 原理簡介

高效氣液分離器QYF-A、逃液捕集器QYF-B是根據不同的工況設計的2種高效氣液分離器。在傳統的離心分離技術上，其根據氣液混合體的具體情況進行獨特的構思和新穎的設計，推出具有特色的離心沉降分離結構。

2.2.2 工作原理

從圖3可以看到，混合氣體由進氣口切向進入殼體，氣體從直線運動改為圓周旋轉。旋轉氣流沿筒壁呈螺旋形旋轉向下。在離心力的作用下，密度較大的液體顆粒被甩向殼壁，失去慣性力，由于重力的作用沿筒壁下落，進入冷凝區(qū)，完成第1次氣液分離。向下旋轉的氣體進入整流罩與筒體之間的環(huán)縫，強制進行離心分離，當氣流在脫離環(huán)縫的瞬間，氣流體積膨脹，濕度略降低，形成快速的局部混合流場，使氣流中的液體發(fā)生碰撞，并形成有效的沉降，完成第2次氣液分離過程。旋轉向下的氣流經過整流板，流向發(fā)生改變，轉向中心軸線（排氣孔）移動。在前2次分離過程中沒有來得及分離出的液體，在上旋過程中由于離心力的作用被分離出來，通過設置的間隙進入上腔體內，經回水管流回腔體底部，這樣第3次氣液分離完成?；旌蠚怏w經過3次分離后，氣體經出氣口的上部排出器外。分離后的液體在殼體底部匯集，通過殼體底部相連接的收集口排出。筒體整流板以下部分設計較大空間是為了對被處理氣體起到進一步冷凝的作用。

2.2.3 性能特點

氣液分離器的這種結構有效地消除了旋風分離器的4種渦流。

（1）整流板迫使氣流在整流板及筒體的間隙中做旋轉運動，氣流沒有機會形成短路，直接進入排氣孔。這樣消除了上述第1種渦旋。

（2）在出氣管里進行氣液的第3次離心分離，大大減弱了因為縱向旋渦流、外層旋流中的局部渦流、底部夾帶所引起的液體逃逸現象。

渦流的消除，極大地提高了分離器的分離效率，比一般旋風分離器效率提高10%～20%，該產品結構簡單、分離效率高、運行可靠。在風量產生波動的情況下，分離效率穩(wěn)定，風量適應度好。設備內部無死角，用于發(fā)酵液逃液捕集器時，可隨發(fā)酵罐一同消毒。消毒完成后，逃液捕集器內部也清洗完畢。高效氣液分離器可長期連續(xù)使用，設備為免維護運行設計，正常運行時不需要維護，內部結構也不會出現堵塞破損。高效氣液分離器、逃液捕集器主要技術參數如表2所示。

表2 高效氣液分離器、逃液捕集器主要技術參數

高效氣液分離器QYF-A、逃液捕集器QYF-B有4個顯著特點：（1）設計新穎，結構合理。（2）分離效率高，可以達到99%。（3）杜絕逃液，改善環(huán)境。（4）免維護運行，性價比高。

3 應用情況

高效氣液分離器、逃液捕集器投入市場10多年，受到了廣大用戶的肯定，該產品獲國家實用新型專利證書，現在已有數百家發(fā)酵企業(yè)使用了這2種產品，使用數量達1 000多臺，收到了很好的經濟效益和環(huán)境效益。

梅花味精集團是國內生產谷氨酸的大型知名企業(yè)，與我們合作多年，高效氣液分離器、逃液捕集器成功地在空氣前處理系統和發(fā)酵罐尾氣逃液處理大面積使用，很好地解決了因除水不達標和尾氣逃液給生產帶來的染菌問題。從廊坊梅花味精廠到通遼梅花味精廠，再到新疆梅花味精廠的數次新上項目和擴建項目，高效氣液分離器和逃液捕集器的使用效果明顯。高效氣液分離器在梅花味精廠的應用如圖5所示，該集團二公司將4臺200m3/min高效氣液分離器用于空氣壓縮機后端冷凝水的處理，有效地處理了管道中的液體。設備使用后，沒有發(fā)生因除水不盡而造成的染菌，保證了生產的正常進行。使用的10臺80m3/m in的高效逃液捕集器分別用于10條320 t發(fā)酵罐生產線進行料液的回收。發(fā)酵罐的罐容積比同類廠家高8%左右，同時杜絕了逃液的發(fā)生，使用效果明顯優(yōu)于一般的旋風分離器。通遼梅花味精生物科技有限公司在發(fā)酵尾氣排放中選用了我院過濾技術研究所的QYF-B-80型逃液捕集器后，有效杜絕了逃液，無液滴和泡沫帶出，發(fā)酵罐體積增加了5%～6%，發(fā)酵罐消泡劑用量減少了20%。之后該公司又將QYF-A-200型高效氣液分離器用于凈化空氣的除塵除水，效果很好。

圖5 氣液分離器在梅花味精廠的應用

浙江醫(yī)藥股份有限公司新昌制藥廠是醫(yī)藥行業(yè)知名度很高的上市企業(yè)。由于企業(yè)地理位置在南方，空氣濕度較高，發(fā)酵生產的染菌問題一直困擾著企業(yè)的發(fā)展，而染菌問題的關鍵在于空氣前處理系統的除水問題。企業(yè)在發(fā)酵工程項目中先后使用了160 m3/m in、450m3/m in、650m3/m in、1 500m3/m in等不同型號的高效氣液分離器和100m3/min高效逃液捕集器多臺，均收到了很好的使用效果，為企業(yè)的發(fā)展、效益的提高發(fā)揮了重要作用。逃液捕集器在浙江新昌制藥廠的應用如圖6所示。

4 結語

圖6 逃液捕集器在浙江新昌藥廠的應用

用戶使用的結果證明，高效氣液分離器、逃液捕集器設計合理、技術先進，領先國內同類產品。在在建和改造的壓縮空氣系統除水應用方面，市場需求可以達到數千萬元。國內發(fā)酵行業(yè)中，如果每臺發(fā)酵罐配置一臺氣液分離設備，則氣液分離設備可以達到億萬元以上的市場需求。由于該產品具有技術的超前性和卓越的性能價格比，在國內同類產品中有較強的競爭優(yōu)勢，市場前景廣闊，符合發(fā)酵行業(yè)的需求，是傳統旋風分離器的替代產品，必將在味精、生物、醫(yī)藥等行業(yè)得到更好的推廣和應用。