田志鴻

（中國石化石油化工科學(xué)研究院）

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離心式氣流分級(jí)機(jī)設(shè)計(jì)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(jí)機(jī)的分級(jí)機(jī)理和流場(chǎng)規(guī)律，分析了影響分級(jí)粒徑和分級(jí)精度的主要因素，總結(jié)了一套離心式氣流分級(jí)機(jī)的設(shè)計(jì)方法。用此方法設(shè)計(jì)了3套催化劑生產(chǎn)裝置用的細(xì)粉分級(jí)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(jí)降低為1.8％、2.7％、15.2％，牛頓分級(jí)效率達(dá)到78％～89％。

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

*田志鴻，男，1966年生，碩士，高級(jí)工程師。北京市，100083。

0　前言

現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)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(shí)，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(duì)粉粒體原料進(jìn)行精細(xì)的分級(jí)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)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(shí)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)顆粒控制在1％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(jí)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(duì)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(duì)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(duì)旋風(fēng)分離器底部粉料進(jìn)行分級(jí)處理的技術(shù)路線，分級(jí)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(jí)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(jí)機(jī)。該分級(jí)機(jī)具有分級(jí)范圍廣、調(diào)節(jié)手段靈活、分級(jí)精度高、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠等特點(diǎn)。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(jí)機(jī)的工作原理和LHC-F型離心式氣流分級(jí)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(jí)機(jī)如圖1所示。

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

1離心式氣流分級(jí)機(jī)機(jī)理

粉體分級(jí)技術(shù)的分類很多，其中依據(jù)分級(jí)介質(zhì)的不同,當(dāng)今工業(yè)精細(xì)分級(jí)機(jī)可分為兩大類：一是以空氣為介質(zhì)的干法分級(jí)機(jī)，如空氣旋流式分級(jí)機(jī)和帶有分級(jí)輪的離心式分級(jí)機(jī)；二是以水等為介質(zhì)的濕法分級(jí)機(jī)，如水力旋流器、離心機(jī)等。在離心式氣流分級(jí)機(jī)中，氣體從分級(jí)機(jī)筒體的側(cè)面進(jìn)入分級(jí)機(jī)內(nèi)，為分級(jí)物料提供穩(wěn)定的分級(jí)環(huán)境，分級(jí)輪以一定的轉(zhuǎn)速對(duì)分布在分選空間的顆粒群進(jìn)行分級(jí)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(dòng)；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(jí)輪（細(xì)粉室）中心運(yùn)動(dòng)[4]。與此同時(shí)，旋轉(zhuǎn)的分級(jí)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(dòng)，從分級(jí)機(jī)下部出口排出；細(xì)粉隨氣體進(jìn)入分級(jí)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(dòng)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(jí)精度的關(guān)鍵。

到目前為止，離心分級(jí)技術(shù)還沒有成熟的理論可直接應(yīng)用，但可以利用分級(jí)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(dòng)速率，m/s；

經(jīng)對(duì)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(duì)于80～150 μm的顆粒其阻力系數(shù)若按Stokes公式計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)。

式中μ——?dú)怏w黏度，Pa·s；

δ——顆粒粒徑，m；

Δv——?dú)怏w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(dòng)速率，m/s；

r——分級(jí)輪半徑，m。

對(duì)于一定的分級(jí)輪轉(zhuǎn)速n0，理論上在分級(jí)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(jí)輪理論上對(duì)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(jí)輪（細(xì)粉室）內(nèi)。當(dāng)轉(zhuǎn)速n＞n0時(shí)，切割粒徑δ＜δ0，分級(jí)后的細(xì)粉、粗粉的中位粒徑偏??；當(dāng)轉(zhuǎn)速n＜n0時(shí)，切割粒徑δ＞δ0，分級(jí)后的粗粉、細(xì)粉的中位粒徑偏大。

從上述的分級(jí)機(jī)理可以得出：（1）分級(jí)粒徑（切割粒徑）與分級(jí)輪轉(zhuǎn)速成反比，轉(zhuǎn)速越高，分級(jí)得到的中位粒徑越??；（2）分級(jí)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(jí)的物料的中位粒徑亦隨之增大；（3）分級(jí)機(jī)的結(jié)構(gòu)性能與物料性質(zhì)不同時(shí)，分級(jí)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(shí)，顆粒間會(huì)發(fā)生碰撞、吸附、凝聚等現(xiàn)象,同時(shí)分級(jí)機(jī)內(nèi)還可能存在局部渦流和湍動(dòng)等，所有這些都使實(shí)際分級(jí)效果偏離理論分析。通常，設(shè)計(jì)出的工業(yè)分級(jí)機(jī)都必須根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試，這樣才能獲得滿意的分級(jí)效果。

2離心式氣流分級(jí)機(jī)的設(shè)計(jì)分析

離心式氣流分級(jí)機(jī)的主要特點(diǎn)是進(jìn)入分級(jí)機(jī)內(nèi)的氣流與分級(jí)輪共同作用，對(duì)分級(jí)空間內(nèi)的顆粒進(jìn)行有效的分選。因此，分級(jí)機(jī)內(nèi)的進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向器和分級(jí)渦輪這兩個(gè)部件是設(shè)計(jì)離心（渦輪）式氣流分級(jí)機(jī)的技術(shù)關(guān)鍵[5]。

（1）分級(jí)機(jī)的進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向器

分級(jí)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(jí)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(jí)機(jī)提供了穩(wěn)定的離心力場(chǎng)。離心力場(chǎng)有利于縮小分級(jí)機(jī)的幾何空間，有利于分散物料，更適合于微米級(jí)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(jì)要點(diǎn)。

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

式中vt——分級(jí)空間內(nèi)對(duì)應(yīng)于半徑r的任意點(diǎn)的氣體切向速度，m/s；

r——分級(jí)輪半徑，m；

C——自由渦常數(shù)；

m——自由渦流場(chǎng)指數(shù)，一般可按0.6～0.8考慮。

對(duì)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(jì)算出分級(jí)空間的流場(chǎng)速度分布，也為渦輪式分級(jí)輪的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

對(duì)于直切式或蝸殼式進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向器也采用多個(gè)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(jí)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(duì)分選后的粗粉進(jìn)行二次淘洗，提高粗產(chǎn)品的分級(jí)精度。

（2）分級(jí)輪

分級(jí)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(zhǎng)條形、扁平形等結(jié)構(gòu)的分級(jí)輪；根據(jù)安裝方式劃分，有立式安裝、臥式安裝的分級(jí)輪；根據(jù)與分級(jí)空間的流場(chǎng)匹配情況劃分，有與流場(chǎng)主流線速度相同旋轉(zhuǎn)方向和與流場(chǎng)主流線速度相垂直旋轉(zhuǎn)方向的分級(jí)輪。立式安裝的、與流場(chǎng)主流線速度相同旋轉(zhuǎn)方向的分級(jí)輪，其周邊流場(chǎng)分布對(duì)稱，流線變化平緩，有利于顆粒分選，且分級(jí)輪葉片磨損少。本文設(shè)計(jì)主要討論此結(jié)構(gòu)。

分級(jí)輪結(jié)構(gòu)及操作轉(zhuǎn)速對(duì)分級(jí)粒徑的控制、細(xì)粉帶出量有決定性的影響。分級(jí)輪外緣附近粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡較為復(fù)雜。當(dāng)分級(jí)輪周邊的葉片數(shù)量過多（間隔過?。r(shí),葉片對(duì)粒子的攔截、碰撞次數(shù)增多,粒子運(yùn)動(dòng)軌跡變長(zhǎng),在葉片外側(cè)造成粒子長(zhǎng)期停留的態(tài)勢(shì),此時(shí)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(shí)，粗粉混入細(xì)粉的可能性增加。這表明,分級(jí)輪葉片數(shù)量是分級(jí)機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。

分級(jí)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(bào)道,徑向葉片分級(jí)輪常存在微細(xì)顆粒浮游于分級(jí)輪外側(cè)的現(xiàn)象。傾斜葉片（傾角φ＞0°）的分級(jí)輪，由于顆粒流動(dòng)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(dòng)力，因此在分級(jí)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(shí)，分級(jí)粒徑變?。划?dāng)傾角φ小時(shí)，分級(jí)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(jí)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(jí)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這些因素的影響。設(shè)計(jì)分級(jí)精度要求較高的分級(jí)機(jī)時(shí)，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(jí)輪葉片結(jié)構(gòu)

分級(jí)機(jī)的物料處理量和操作氣量是一對(duì)關(guān)聯(lián)的量，可用分級(jí)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(huì)增加，從而分級(jí)精度下降，分級(jí)粒徑也增大。當(dāng)分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)一定時(shí)，必須嚴(yán)格控制處理量，不可隨意擴(kuò)大處理量。

3分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（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(jí)輪直徑：對(duì)離心式分級(jí)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的研究表明，分級(jí)機(jī)內(nèi)主流場(chǎng)和旋風(fēng)分離器類似，是雙層強(qiáng)旋流場(chǎng),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(jí)機(jī)筒體直徑的0.6倍。因此,分級(jí)輪外緣直徑d可取分級(jí)機(jī)筒體直徑D的0.6倍。

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

（4）分級(jí)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?yàn)樵谝欢ㄞD(zhuǎn)速n下,N對(duì)切割粒徑δ0和分級(jí)精度的影響與分級(jí)輪直徑、處理粉料的濃度等多種因素有關(guān)。分級(jí)要求較高時(shí),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(jí)機(jī)筒體尺寸：分級(jí)機(jī)筒體直徑D可由總氣量Q和分級(jí)機(jī)筒體截面的平均氣速v0確定。v0隨分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)和處理物料的性質(zhì)而變。對(duì)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(jí)機(jī)的工業(yè)應(yīng)用

中國石化催化劑長(zhǎng)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(jí)處理系統(tǒng)，采用的分級(jí)機(jī)為L(zhǎng)HC-F型離心式氣流分級(jí)機(jī)[2，3，5，6，10]。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的空間,長(zhǎng)嶺分公司、齊魯分公司采用了各旋風(fēng)出料口單獨(dú)斜管排料進(jìn)入分級(jí)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(jí)機(jī)的進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向器里，各分級(jí)機(jī)均設(shè)有二次進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向器，詳細(xì)參數(shù)對(duì)比見表1。

表1　LHC-F型離心式氣流分級(jí)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(jí)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(jí)效率為78.2％～88.9％。由此可見，該分級(jí)機(jī)的分級(jí)效果好，經(jīng)過分級(jí)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(jí)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(jí)機(jī)的特點(diǎn)，分析了其內(nèi)部流場(chǎng)的分布及主要影響因素，總結(jié)了一套離心式氣流分級(jí)機(jī)的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)此設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了3套裂化催化劑生產(chǎn)工業(yè)應(yīng)用分級(jí)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(jí)效率分別達(dá)到88.7％、88.9％和78.2％。該三套系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)力。

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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(hào)TQ 051.8+4

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