田志鴻

（中國石化石油化工科學(xué)研究院）

?

離心式氣流分級機(jī)設(shè)計與工業(yè)應(yīng)用

田志鴻*

（中國石化石油化工科學(xué)研究院）

摘要根據(jù)離心式氣流分級機(jī)的分級機(jī)理和流場規(guī)律，分析了影響分級粒徑和分級精度的主要因素，總結(jié)了一套離心式氣流分級機(jī)的設(shè)計方法。用此方法設(shè)計了3套催化劑生產(chǎn)裝置用的細(xì)粉分級系統(tǒng)，成功地將催化劑原料中小于20 μm的細(xì)粉含量由17％、32％、64％經(jīng)分級降低為1.8％、2.7％、15.2％，牛頓分級效率達(dá)到78％～89％。

關(guān)鍵詞離心式氣流分級機(jī)分級機(jī)理顆粒進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向器分級輪葉片催化劑

*田志鴻，男，1966年生，碩士，高級工程師。北京市，100083。

0　前言

現(xiàn)代制造業(yè)對粉粒原材料的粒度、形狀、表面特性等提出了嚴(yán)格要求。例如，用作精細(xì)陶瓷釉料的鋯英石粉，要求平均粒徑為1～2 μm；超細(xì)碳酸鈣粉作特種涂料時，要求粒徑小于2 μm的微細(xì)粉占90％以上；作為橡膠重要添加原料的炭黑，要求其粒度分布集中在0.5～1 μm之間。上述這些粒度要求嚴(yán)格的原材料都無法通過直接加工獲得，必須對粉粒體原料進(jìn)行精細(xì)的分級處理才能獲得[1]。

裂化催化劑（FCC）是煉油廠流化催化裂化生產(chǎn)中的一項關(guān)鍵技術(shù)，對其反應(yīng)選擇性、反應(yīng)活性、粒度分布都有嚴(yán)格的要求。就粒度分布而言，由于粒徑小于20 μm的催化劑細(xì)顆粒在高溫反應(yīng)裝置中分離效率低，因此部分催化劑細(xì)顆粒進(jìn)入了后續(xù)油氣分餾塔、油漿和再生煙氣中。這不僅增加了后續(xù)設(shè)備的分離負(fù)荷，造成了環(huán)境污染，同時也增大了催化劑的消耗量，增加了煉油成本。在國際上要求裂化催化劑中小于20 μm的細(xì)顆?？刂圃?％以內(nèi)，我國目前是控制在3％以內(nèi)[2-3,5]。我國生產(chǎn)的FCC催化劑（未經(jīng)分級處理）產(chǎn)品中，粒徑小于20 μm的細(xì)粉分布在3％～8％之間，雖然各催化劑廠對其噴霧造粒工藝及關(guān)鍵設(shè)備（如熱風(fēng)分布器、霧化噴頭和造粒方式等）進(jìn)行了改造、優(yōu)化，但均未獲得滿意的結(jié)果。經(jīng)對裂化催化劑生產(chǎn)線中的噴霧塔塔底粉料、干燥尾氣旋風(fēng)分離器底部所排粉料取樣分析可知，小于20 μm的細(xì)粉主要來自于旋風(fēng)分離器底部。為此，提出了對旋風(fēng)分離器底部粉料進(jìn)行分級處理的技術(shù)路線，分級出的粗粉與塔下排料混合進(jìn)入下一步的焙燒、洗滌工藝，分級出來的細(xì)粉經(jīng)粉碎、重新成膠后回用。這樣將可以顯著改善催化劑產(chǎn)品的粒度分布。該技術(shù)路線中最核心的設(shè)備是LHC-F型離心式氣流分級機(jī)。該分級機(jī)具有分級范圍廣、調(diào)節(jié)手段靈活、分級精度高、操作簡便、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠等特點。本文主要結(jié)合裂化催化劑產(chǎn)品的粒度控制要求，介紹了離心式氣流分級機(jī)的工作原理和LHC-F型離心式氣流分級機(jī)在催化劑廠的應(yīng)用等情況。

本文所述的LHC-F型離心式氣流分級機(jī)如圖1所示。

圖1　LHC-F型離心式氣流分級機(jī)結(jié)構(gòu)及分級原理

1離心式氣流分級機(jī)機(jī)理

粉體分級技術(shù)的分類很多，其中依據(jù)分級介質(zhì)的不同,當(dāng)今工業(yè)精細(xì)分級機(jī)可分為兩大類：一是以空氣為介質(zhì)的干法分級機(jī)，如空氣旋流式分級機(jī)和帶有分級輪的離心式分級機(jī)；二是以水等為介質(zhì)的濕法分級機(jī)，如水力旋流器、離心機(jī)等。在離心式氣流分級機(jī)中，氣體從分級機(jī)筒體的側(cè)面進(jìn)入分級機(jī)內(nèi)，為分級物料提供穩(wěn)定的分級環(huán)境，分級輪以一定的轉(zhuǎn)速對分布在分選空間的顆粒群進(jìn)行分級處理。顆粒在此受到離心力、氣體向心曳力、重力的共同作用[2-9]。粗顆粒受到的離心力大于氣體的向心曳力，被分離到粗粉室邊壁上沿器壁作向下滑落運(yùn)動；細(xì)顆粒受到的離心力小于氣體的向心曳力，被氣體攜帶向分級輪（細(xì)粉室）中心運(yùn)動[4]。與此同時，旋轉(zhuǎn)的分級輪通過其周邊的圓柱或葉片將其中夾帶的粗顆粒通過碰撞、捕集攔截下來，與被氣流分離到邊壁處的顆粒一起作向下滑落運(yùn)動，從分級機(jī)下部出口排出；細(xì)粉隨氣體進(jìn)入分級輪后，經(jīng)排風(fēng)管、旋風(fēng)分離器或者布袋除塵器回收，重力為顆粒向下滑落（收集）提供了推動力。如何控制好分離空間內(nèi)顆粒受到的離心力與氣體向心曳力的平衡，是獲得不同粒度分布的粗細(xì)產(chǎn)品和提高產(chǎn)品分級精度的關(guān)鍵。

到目前為止，離心分級技術(shù)還沒有成熟的理論可直接應(yīng)用，但可以利用分級輪附近粉體顆粒的受力平衡[4]初略估算切割粒徑。

CD——顆粒氣體阻力系數(shù)；

AD——顆粒迎風(fēng)面積，m2;

v→——顆粒運(yùn)動速率，m/s；

經(jīng)對裂化催化劑的粒度分析，其分布范圍在10～150 μm之間。其中，小于80 μm的顆粒其阻力系數(shù)服從Stokes規(guī)律；對于80～150 μm的顆粒其阻力系數(shù)若按Stokes公式計算，一般誤差在10％以內(nèi)[7]，可以按照此方法進(jìn)行初步估算，最終以實驗結(jié)果為準(zhǔn)。

式中μ——氣體黏度，Pa·s；

δ——顆粒粒徑，m；

Δv——氣體與顆粒速度差，m/s。顆粒受到的離心力Fc：

式中ρp——顆粒密度，kg/m3；

vt——顆粒運(yùn)動速率，m/s；

r——分級輪半徑，m。

對于一定的分級輪轉(zhuǎn)速n0，理論上在分級輪附近必然存在某一粒徑δ0（切割粒徑）的顆粒，其受到的離心力Fc與氣體向心曳力Fdr處于平衡狀態(tài)[4]，即Fc=Fdr，該顆粒的粒徑為：

式中δ0——切割粒徑，m；

n0——分級輪理論上對應(yīng)于切割粒徑的轉(zhuǎn)速，r/s。

其中粒徑δ＞δ0的那部分顆粒被分離到粗粉室邊壁上；粒徑δ＜δ0的那部分顆粒被氣體攜帶進(jìn)入分級輪（細(xì)粉室）內(nèi)。當(dāng)轉(zhuǎn)速n＞n0時，切割粒徑δ＜δ0，分級后的細(xì)粉、粗粉的中位粒徑偏??；當(dāng)轉(zhuǎn)速n＜n0時，切割粒徑δ＞δ0，分級后的粗粉、細(xì)粉的中位粒徑偏大。

從上述的分級機(jī)理可以得出：（1）分級粒徑（切割粒徑）與分級輪轉(zhuǎn)速成反比，轉(zhuǎn)速越高，分級得到的中位粒徑越小；（2）分級粒徑與氣體和顆粒的速度差平方根成正比，自然就與氣體流量有一定的關(guān)系，即氣體流量增大，分級的物料的中位粒徑亦隨之增大；（3）分級機(jī)的結(jié)構(gòu)性能與物料性質(zhì)不同時，分級后物料的中位粒徑亦不同。以上分析是在顆粒濃度較低和氣粒相間無干擾、無滑移的條件下做出的。當(dāng)固相濃度較高時，顆粒間會發(fā)生碰撞、吸附、凝聚等現(xiàn)象,同時分級機(jī)內(nèi)還可能存在局部渦流和湍動等，所有這些都使實際分級效果偏離理論分析。通常，設(shè)計出的工業(yè)分級機(jī)都必須根據(jù)實際應(yīng)用情況進(jìn)行試驗調(diào)試，這樣才能獲得滿意的分級效果。

2離心式氣流分級機(jī)的設(shè)計分析

離心式氣流分級機(jī)的主要特點是進(jìn)入分級機(jī)內(nèi)的氣流與分級輪共同作用，對分級空間內(nèi)的顆粒進(jìn)行有效的分選。因此，分級機(jī)內(nèi)的進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向器和分級渦輪這兩個部件是設(shè)計離心（渦輪）式氣流分級機(jī)的技術(shù)關(guān)鍵[5]。

（1）分級機(jī)的進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向器

分級機(jī)的進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)形式很多，有直接導(dǎo)入上升式，這種結(jié)構(gòu)形式為分級空間提供了平行的穩(wěn)定上升氣流；也有直切式（或蝸殼式），這種結(jié)構(gòu)形式為分級機(jī)提供了穩(wěn)定的離心力場。離心力場有利于縮小分級機(jī)的幾何空間，有利于分散物料，更適合于微米級的顆粒分選。本文在此討論直切式（或蝸殼式）進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向器的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點。

通常，氣流在圓形筒體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動可以假設(shè)為自由渦流場[9]。分級機(jī)內(nèi)任意一點的氣體（旋轉(zhuǎn)）速度符合下述公式：

式中vt——分級空間內(nèi)對應(yīng)于半徑r的任意點的氣體切向速度，m/s；

r——分級輪半徑，m；

C——自由渦常數(shù)；

m——自由渦流場指數(shù)，一般可按0.6～0.8考慮。

對于進(jìn)氣量一定、結(jié)構(gòu)一定的進(jìn)氣導(dǎo)向器，根據(jù)式（2）便可以粗略地計算出分級空間的流場速度分布，也為渦輪式分級輪的轉(zhuǎn)速設(shè)計提供依據(jù)。

對于直切式或蝸殼式進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向器也采用多個進(jìn)風(fēng)入口方式。例如，圖1所示的LHC-F型離心式氣流分級機(jī)采用了一次風(fēng)、二次風(fēng)兩道蝸殼式進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)，這樣更有利于對分選后的粗粉進(jìn)行二次淘洗，提高粗產(chǎn)品的分級精度。

（2）分級輪

分級輪的結(jié)構(gòu)形式有多種多樣：根據(jù)外形劃分，有圓柱形、圓錐形、長條形、扁平形等結(jié)構(gòu)的分級輪；根據(jù)安裝方式劃分，有立式安裝、臥式安裝的分級輪；根據(jù)與分級空間的流場匹配情況劃分，有與流場主流線速度相同旋轉(zhuǎn)方向和與流場主流線速度相垂直旋轉(zhuǎn)方向的分級輪。立式安裝的、與流場主流線速度相同旋轉(zhuǎn)方向的分級輪，其周邊流場分布對稱，流線變化平緩，有利于顆粒分選，且分級輪葉片磨損少。本文設(shè)計主要討論此結(jié)構(gòu)。

分級輪結(jié)構(gòu)及操作轉(zhuǎn)速對分級粒徑的控制、細(xì)粉帶出量有決定性的影響。分級輪外緣附近粒子的運(yùn)動軌跡較為復(fù)雜。當(dāng)分級輪周邊的葉片數(shù)量過多（間隔過?。r,葉片對粒子的攔截、碰撞次數(shù)增多,粒子運(yùn)動軌跡變長,在葉片外側(cè)造成粒子長期停留的態(tài)勢,此時使更多的微粒飛向粗粉側(cè);當(dāng)葉片數(shù)量過少（間隔過大）時，粗粉混入細(xì)粉的可能性增加。這表明,分級輪葉片數(shù)量是分級機(jī)設(shè)計的一個重要參數(shù)。

分級輪的葉片結(jié)構(gòu)常見有兩種形式:徑向葉片和傾斜葉片（如圖2所示）。有研究報道,徑向葉片分級輪常存在微細(xì)顆粒浮游于分級輪外側(cè)的現(xiàn)象。傾斜葉片（傾角φ＞0°）的分級輪，由于顆粒流動方向傾斜于葉片半徑方向,故Fc與Fdr不在同一直線上。沿傾斜葉片的迎風(fēng)側(cè)壁面上（上表面）幾乎不存在流動力，因此在分級輪附近的微細(xì)顆粒更容易附著在葉片迎風(fēng)側(cè)的壁面上。當(dāng)傾角φ大時，分級粒徑變??；當(dāng)傾角φ小時，分級精度較高（與同等θ的徑向葉片相比，角度θ見圖2）。在傾斜葉片中，粒子一旦進(jìn)入葉輪內(nèi)側(cè)，由于葉片流道變小，粒子被加速，從而使粒子在分級室內(nèi)側(cè)發(fā)生旋回現(xiàn)象，這是粒子附著于傾斜葉片內(nèi)側(cè)的原因之一。所以傾角φ應(yīng)有一適宜值，分級輪結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮這些因素的影響。設(shè)計分級精度要求較高的分級機(jī)時，應(yīng)采用較小的葉片傾角φ值并適當(dāng)增加葉片數(shù)量。

圖2　分級輪葉片結(jié)構(gòu)

分級機(jī)的物料處理量和操作氣量是一對關(guān)聯(lián)的量，可用分級機(jī)內(nèi)固體物料濃度來控制。顆粒濃度增加，細(xì)粉誤入粗粉中的概率也會增加，從而分級精度下降，分級粒徑也增大。當(dāng)分級機(jī)結(jié)構(gòu)一定時，必須嚴(yán)格控制處理量，不可隨意擴(kuò)大處理量。

3分級機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

（1）進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向器：進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向器的入口截面以矩形為宜，截面尺寸可由氣量Q和進(jìn)氣速度確定。進(jìn)氣速度一般宜選10～30 m/s。

（2）分級輪直徑：對離心式分級機(jī)內(nèi)流場的研究表明，分級機(jī)內(nèi)主流場和旋風(fēng)分離器類似，是雙層強(qiáng)旋流場,內(nèi)旋流旋轉(zhuǎn)向上,外旋流旋轉(zhuǎn)向下,存在一“零軸向速度面”。該零軸向速度面與器壁面基本平行，其直徑約為分級機(jī)筒體直徑的0.6倍。因此,分級輪外緣直徑d可取分級機(jī)筒體直徑D的0.6倍。

（3）分級輪高度：分級輪高度h不可過小,否則vr增大,切割粒徑δ0增加,分級精度下降,但h也不能過大。流場研究表明，流過分級輪的徑向氣速沿分級輪高度分布是不均勻的,太大的分級輪高度必然導(dǎo)致分級性能下降。一般宜取分級輪高度h=（0.7～1.0）d。

（4）分級輪葉片數(shù)N、葉片寬度b與傾角φ：葉片數(shù)N的確定比較復(fù)雜,因為在一定轉(zhuǎn)速n下,N對切割粒徑δ0和分級精度的影響與分級輪直徑、處理粉料的濃度等多種因素有關(guān)。分級要求較高時,一般傾向于采用較多的葉片數(shù)。葉片寬度b一般取5～30 mm;葉片傾角常取φ=0°～30°。

（5）分級機(jī)筒體尺寸：分級機(jī)筒體直徑D可由總氣量Q和分級機(jī)筒體截面的平均氣速v0確定。v0隨分級機(jī)結(jié)構(gòu)和處理物料的性質(zhì)而變。對于大多數(shù)物料,可選v0= 0.4～2.0 m/s。筒體高度取H=（1～1.5）D，最高不超過2D。

（6）筒體的錐角：以防止物料堆積為準(zhǔn)則,一般取錐角為30°～55°。

4 LHC-F型氣流式分級機(jī)的工業(yè)應(yīng)用

中國石化催化劑長嶺分公司、周村齊魯分公司、中國石油蘭州催化劑公司，都在催化劑生產(chǎn)線上增設(shè)了旋風(fēng)回收粉分級處理系統(tǒng)，采用的分級機(jī)為LHC-F型離心式氣流分級機(jī)[2，3，5，6，10]。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的空間,長嶺分公司、齊魯分公司采用了各旋風(fēng)出料口單獨斜管排料進(jìn)入分級機(jī)的方式，蘭州催化劑公司則采用3組旋風(fēng)出料口并聯(lián)將含濕熱風(fēng)（200℃）輸送到分級機(jī)的進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向器里，各分級機(jī)均設(shè)有二次進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向器，詳細(xì)參數(shù)對比見表1。

表1　LHC-F型離心式氣流分級機(jī)主要參數(shù)和工業(yè)應(yīng)用效果

由表1可見，原料中小于20 μm的細(xì)粉從17％～64％不等。經(jīng)分級處理后，半成品（粗粉）中

含有的小于20 μm的細(xì)粉降低到1.8％～15.2％，細(xì)粉中小于20 μm的含量接近90％，牛頓分級效率為78.2％～88.9％。由此可見，該分級機(jī)的分級效果好，經(jīng)過分級處理后的半成品（粗粉）與噴霧塔下的粉混合，再經(jīng)后續(xù)洗滌、焙燒、干燥等處理工序，最終產(chǎn)品中小于20 μm的含量很容易控制在1％以內(nèi)。該離心式氣流分級機(jī)的成功開發(fā)，為我國催化劑的質(zhì)量控制和產(chǎn)品出口提供了技術(shù)保障。目前，這三套系統(tǒng)均一次開車成功。

5　結(jié)論

本文根據(jù)離心式氣流分級機(jī)的特點，分析了其內(nèi)部流場的分布及主要影響因素，總結(jié)了一套離心式氣流分級機(jī)的設(shè)計方法。根據(jù)此設(shè)計方法設(shè)計了3套裂化催化劑生產(chǎn)工業(yè)應(yīng)用分級機(jī)，成功地將原料粉中小于20 μm的細(xì)粉含量由18％、32％、64％經(jīng)分選后降低到1.8％、2.7％、15.2％的半成品指標(biāo)，其牛頓分級效率分別達(dá)到88.7％、88.9％和78.2％。該三套系統(tǒng)現(xiàn)場均為一次開車成功，將催化劑最終產(chǎn)品中小于20 μm的細(xì)粉控制在1％以內(nèi)，使我國的催化劑產(chǎn)品粒度分布符合國際標(biāo)準(zhǔn)，大大地提高了我國催化劑產(chǎn)品在國際上的競爭力。

參考文獻(xiàn)

[1]魯林平，葉京生.超細(xì)粉體分級技術(shù)研究進(jìn)展[J].化工裝備技術(shù)，2005，26（3）：19-26.

[2]田志鴻，周巖.催化裂化催化劑焙燒回收粉分級技術(shù)研究[J].石油煉制與化工，2013，44（12）：6-10.

[3]田志鴻，孫國剛.離心式細(xì)粉分級器的設(shè)計及工業(yè)應(yīng)用[J].石油煉制與化工,1999，30（8）：46-49.

[4]Klumpar I V,Currier Fred N,Ring T A.Air Classifiers [J].Chemical Enginerring，1986（3）：77-92.

[5]孫國剛，田志鴻.離心式細(xì)粉空氣分級機(jī)的設(shè)計研究與工業(yè)應(yīng)用[J].中國粉體技術(shù)，2007（4）：46-50.

[6]田志鴻，宋炳陽.旋下催化劑分級試驗與工業(yè)應(yīng)用[J].化工裝備技術(shù),2000,20（2）：8-11.

[7]孫聿峰.氣溶膠技術(shù)[M].哈爾濱：黑龍江科技出版社,1989：32.

[8]陸厚根.粉體工程導(dǎo)論[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社,1993：231.

[9]時銘顯.氣固非均一相分離[M]//化學(xué)工程手冊編輯委員會.化學(xué)工程手冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1989.

[10]孫國剛，田志鴻.蝸殼式顆粒氣流分級器：中國，ZL96211931.8 [P].1996.

Design and Industrial Applications of Centrifugal Airflow Classifier

Tian Zhihong

Abstract：According to the classification mechanism and the flow field regularity,the main factors that influences the cut size and classification accuracy are analyzed and a set of design method for the centrifugal airflow classifier is summarized.And then,three sets of fine powder classification systems used for the catalyst plant are designed by applying this design method,and the contents of the fine powders smaller than 20 micrometers in the catalysts are successfully reduced from 17％、32％、64％ to 1.8％、2.7％、15.2％ separately.In other words,the Newton classification efficiency reaches 78％～89％.

Key words：Centrifugal; Airflow classifier; Classification mechanism; Particle; Inlet air guider; Classification wheel; Blade; Catalyst

收稿日期：（2015-09-02）

中圖分類號TQ 051.8+4

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.04.002