立式沉降罐在化工过程的作用及计算

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  [摘 要]本文简要介绍立式沉降罐在化工生产中的作用,立式沉降罐在化工生产过程中具有分离有机无极杂质的作用。并介绍了立式沉降罐的设计计算
  中图分类号:TQ 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)31-0044-01
  一、前言
  立式沉降罐主要用于液液分离,是石油化工生产中常用的化工设备。具有结构简单、容量大、沉降时间长、操作管理方便的特点1。比如原油脱水2、洗涤沉降罐(酸洗、碱洗、水洗)、化工过程中有机无机相的分离等。例如某物质既溶于有机相又溶于无机相,为了去除该物质中的一些无机杂质,先用有机相萃取,再经立式沉降罐去除其中残余的水及其他极性物质,再去往下一工序。如果取消立式沉降罐,则极性物质带往下一工序,不仅增加下一工序负担,且导致产品不合格。故在很多化工生产中,立式沉降罐不仅可以起到缓冲、稳定物流的作用,还可以起到去除有机或无机杂质的重要作用。
  二、立式沉降罐的原理
  油水分离是依靠两者密度差及重力沉降原理实现的。若分散相密度大于连续相密度,则液滴往下沉,例如有机相脱水;若分散相密度小于连续相则液滴往上浮,例如水中除去有机杂质。两相密度差越大,连续相粘度越小,则分离越容易。
  2.1 分散相液滴沉降速度
  液滴直径随混合强度、沉降条件下液体的物理性质、化学组成或化学特性等因素而变化。对于经过孔板或喷射混合器混合后的大多数常见沉降分离过程,可采用下列指导性数据(如有可能,设计时采用实验室或工厂的实际数据):
  液滴雷诺数可按下式计算:
  式中: Red: 液滴雷诺数;
  d: 液滴直径,米;
  wd: 液滴沉降速度,米/秒(根据不同雷诺数由下面沉降定律公式求得);
  Sd: 液滴比重;
  液滴沉降速度:根据液滴雷诺数范围分别按以下三种情况计算:
  当Red<2时,适用于斯托克斯定律:
  当2≤Red<500时,适用于中间定律:
  当Red≥500时,适用于牛顿定律:
  式中: Sc: 操作条件下连续相比重;
  ΔS: 连续相分散相比重差。
  2.2 罐体直径
  罐体直径根据液体在罐内所需的沉降时间小于停留时间确定。
  液体在罐内的沉降时间:
  式中:τ:所需沉降时间,秒
  h: 罐内液位高度,米
  对于立式沉降罐,罐内无特殊结构的,液体在罐内的停留时间:
  式中:t: 液体在罐内的停留时间,秒
  Q:液体流量,kg/m3
  D: 罐体直径,米
  由τ  得到:
  三、工程设计实例
  假设有一体系经过立式沉降罐,重组分分散于轻组分中,且重组分量很少。总体积流量为80m3/h,轻组分密度880kg/m3,粘度为0.00074Pa·s;重组分密度为980kg/m3,粘度为1 cP。体积流量为需要将轻组分中的重组分分离。罐体示意图见图1。
  3.1 液滴沉降速度
  先假设液滴雷诺数< 2,工厂需要分离的液滴直径为0.00005m,则通过斯托克斯公式得:
  图1 罐体尺寸示意图
  H为罐体圆柱高度,米;h为连续相液位高度(该例中,分散相量少,高度忽略不计),米,D为罐体直径,米液滴雷诺数为:
  与假设相符
  3.2 罐尺寸确定
  取整,罐直径D取7(米)。
  该立式罐在过程中起缓冲、储存作用。故停留时间取长,假设取2小时,且罐内液层高度取罐体总高度的50%,则罐体高度为
  取8.5米。
  则液滴在罐内的实际沉降时间为
  液体在罐内的停留时间为:
  实际沉降时间小于停留时间,故能分离直径小于0.00005米的液滴。大大减少了后续工序的负担。若分散相量较大,则设计实例中的H应为h再加上轻组分的液层高度。
  四、界面控制
  立式沉降罐常以常压拱顶罐为主体,并需要对两相进行界面控制。在实际生产中,需要根据两相组成情况,计算出两相界面位置,并在界面处设置现场或远传界面计以观察两相分离情况,以稳定分离效果。
  文献3中介绍了卧式油水分离罐的界面控制方法,该法通过控制重相出口管a点与b点的高差△H来控制界面,如图2所示。该法较经济,但是缺点是需较多管线及阀门,不仅检修不便,还增加了管线阻力损失,使分离不好控制。
  还有一种控制方法是通过流量调节控制。通过控制轻重组分出口流量来控制界面高差,操作简单直观,缺点是设备投入较大。
  五、总结
  立式沉降罐在化工生产中广泛应用。其作用不仅仅是作为储罐以稳定物流,同时还是液液分离场所,减少杂质夹带,使产品合格。影响分离效果的因素有温度、流量、来液组分等。在实际生产过程中,由于受这些因素影响,油水不总是能够理想地实现自动分离,需要根据具体情况采取针对性措施。
  参考文献
  [1] 沉降罐内流场流动规律及结构优化研究,石油机械,黄炳华,2002年 第30卷 第12期.
  [2] 容器和液液混合器的工艺设计,石油工业部规划设计总院编写,石油工业出版社,1797年.
  [3] 重力式液--液分离器的设计与调节,化工设备与管道,陈慧珠,1987年,第4期.
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