HDPE装置离心机生产能力的工艺分析

沈千林，杨崇倡

（东华大学机械工程学院，上海201620）

HDPE装置离心机生产能力的工艺分析

沈千林，杨崇倡

（东华大学机械工程学院，上海201620）

从挖掘设备增产潜力和节能出发，对HDPE悬浮液螺旋沉降离心机的生产能力进行了工艺计算和分析评价。在聚合悬浮液（m3）与原料气（t）的相比为3.5的条件下，确定出了离心机的最大生产能力，现有螺旋沉降离心机能够满足增产要求。

HDPE；离心分离；离心机；生产能力

中国石油辽阳石化公司建于二十世纪70年代末期，工艺装置全部为当时国外先进技术和生产装置。乙烯产量为7.28万t·a-1，乙烯完全由公司内生产高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，简称为HDPE）、环氧乙烷及乙二醇。

经过多年技术改造和扩产改造，乙烯产量已于1995年达到9万t·a-1，现已提高到20万t·a-1。增产的乙烯也用于生产HDPE和环氧乙烷及乙二醇。

HDPE装置采用德国淤浆法生产技术。HDPE装置设有聚合、离心分离、干燥等生产过程。悬浮液离心沉降分离是HDPE装置的一个重要生产单元过程，离心沉降分离所采用的设备是70年代末从德国购买的螺旋沉降离心机。像选择离心机这样定型设备时，都有较大余量，实际生产时按设计条件操作就要多消耗大量的能量。

由于HDPE产品性能好、市场需求量较大，所以在主要增产环氧乙烷及乙二醇的同时，拟在现有装置生产能力的基础上适当提高HDPE产量，以增加经济效益。从1995年开始，辽阳石化公司烯烃厂工程技术人员对乙烯聚合反应釜进行了改造，聚合釜增设了外循环移热换热器，仅此一项技术改造，聚合釜的HDPE产量可以提高20%以上。

为了详细弄清聚合反应釜后序各主要设备能否满足增产要求，在聚合釜悬浮液（m3）/原料气（t）为3.0的生产条件下，1996年沈国良等人[1]对HDPE装置主要生产过程设备生产能力进行了工艺核算及设备改造的工艺设计。到1999年，在螺旋沉降离心机等所有主要设备均没有更换的情况下，辽阳石化公司烯烃厂HDPE产量已实现由原来的4.375t·h-1提高到5.6t·h-1。

目前，HDPE装置拟将聚合釜悬浮液（m3）/原料气（t）的相比提高为3.5。为继续增产HDPE和节能降耗的需要，有必要在现有生产条件下对HDPE装置离心机等主要设备的生产能力进行深入分析。

1 离心沉降分离

1.1 固相粒子在液相连续介质中的沉降速度

在离心力作用下，粒子的沉降速度可用下面的公式进行计算[2]。 1

离心沉降中常为层流、过渡状态，只有当极大增加离心力强度时才有可能出现湍流情况。

当确定粒子沉降速度时，须先判断粒子运动所处的状态。由于沉降速度不知，不能根据雷诺数Re来判断。因此，必须从上述判断式中消去沉降速度u。

一般地，改用Ar=GaSA的数值来判断粒子运动状态，其中加里列准数Ga=d3ρ12j·μ-2、阿基米德准数SA=△ρ/ρ1

，即Ar=d3ρ1△ρj·μ-2，式中j=ω2r＝（2πn／60）2·D/2。

根据雷诺Re和列辛科的实验数据，相应用Ar值划分3个区域为：

层流区Ar＜28.8

过渡区28.8＜Ar＜5 7600

湍流区Ar＞57600

1.2 沉降分离的极限粒径

在一定的离心力作用下，当固体粒子小到某一定尺寸而不能被离心分离时，称为离心沉降分离的极限，这个粒子的尺寸称为极限粒子直径dmin。

由于粒子尺寸很小，所以沉降通常处于层流区域，此时极限粒子直径为：

1.3 分离因数

分离因数是表示离心机性能的重要标志之一。分离因数愈大，说明物料受的离心力愈大，分离效果也就愈好。

离心机分离因数值一般是以转鼓的半径和转速表示的。当离心机的转鼓直径和转速确定以后，其分离因数就唯一确定。

在生产实际中，用高速离心机来分离高分散性的悬浮液时，通常根据待分离的最小粒子直径来确定所需的最小分离因数，进而确定离心机的机型。

由待分离的最小粒子直径确定的分离因数为：

2 沉降离心机的生产能力

沉降离心机的生产能力是指能将所需分离的最小固相粒子沉降在鼓内，而不致随分离液带出的最大悬浮液流量。

2.1 沉降离心机的理论生产能力

1952年，Ambler依据悬浮液的流动特性，提出了用以计算离心机生产能力的理论。由于该理论表达式简单、概念明确，所以一直被沿用至今。

对于图1所示的柱锥形沉降转鼓，其生产能力计算分为柱形转鼓和锥形转鼓两部分。2.1.1柱形转鼓部分的当量沉积面积

图1HDPE沉降离心机转鼓的几何图形Fig.1Geometrical figure of barrate for HDPE centrifugal subsider

对于柱形转鼓，A（r）=2πrL1，Fr（r）=ω2r／g，代入公式（8），并根据r2－r1=h，r1＝r2－h，D=2r2，令λ=h/r2，则

当粒子的沉降过程处于层流区时，离心机的理论生产能力为：

其中S=FrA称为当量沉积面积，又称为离心机的生产能力指数。

由于S=FrA，A和Fr均随r变化，所以特拉文斯基提出用二者乘积积分的平均值直接求S值。

2.1.2 锥形转鼓部分的当量沉积面积锥形转鼓的沉积面积不仅在径向上而且在轴向上均是变化的。液层中任意半径r处的沉降面积和分离因数分别为

A（r）=2πrL2（（r2－r）／（r2－r1））、Fr（r）=ω2r／g。

将A（r）和Fr（r）代入式（8），经积分并整理后，可得

2.1.3 柱锥形转鼓总的当量沉积面积柱锥形转鼓的S值可由柱形转鼓和锥形转鼓的S值相加即得：

2.2 沉降离心机的实际生产能力

按Ambler理论计算的生产能力比实际大，因此，在使用Ambler理论计算沉降离心机的实际生产能力时，需加以修正。

对于螺旋沉降离心机，修正系数ζ可以取为0.2115[2，4]。

3 HDPE离心机生产能力的工艺计算

3.1 离心机的结构

转鼓由两段组成：一段为圆柱体，另一段为圆锥体，两段用螺丝联接成一体。圆柱部分直径φ600mm、长度为730mm；圆锥部分锥角16°、长度为666mm。螺旋为整体等距螺旋叶片，装在一空心轴上，悬浮物料通过空心轴输入离心机。

螺旋与转鼓间的间隙为0.5mm。

3.2 离心机的主要参数

转鼓转速2300 r·min-1，螺旋转速2342 r·min-1，其差转速为42 r·min-1；设计压力5MPa；设计温度100℃；电动机功率75kW；电动机转速1450 r·min-1。

3.3 离心机的操作条件

HDPE的稀释剂为C8～C11的链烷烃，在离心机中的脱除率要求为80%，操作温度为45℃，操作压力为1MPa。

3.4 离心机的物料平衡

HDPE装置原设计能力为35000t HDPE粉末/年，其HDPE每小时生产能力为4.375t。现聚合釜悬浮液（m3）/原料气（t）的相比为3.5，HDPE悬浮液螺旋沉降离心机的物料平衡见表1。

表1 螺旋沉降离心机11401的物料平衡Tab.1Mass balance of centrifugal subsider 11401

3.5 螺旋沉降离心机的工艺计算

3.5.1 沉降速度

（1）粒子运动所处的区域

45℃时，μ=0.563×10-3Pa·s，ρ1=749kg·m-3，△ρ= 211kg·m-3，并知d=10-5m，则

即Ar=8.67＜28.8，所以粒子沉降属层流。

（2）粒子沉降速度

对于层流区，粒子沉降速为：

即u=0.073m·h-1。

3.5.2 极限粒子直径

设计上，要求离心机分离出粒径在1μm以上颗粒的HDPE。由计算结果可以看出，离心机满足设计要求。

3.5.3 所需的最小分离因数

3.5.4 离心机的分离因数

HDPE装置采用的螺旋沉降离心机，其分离因数为

离心机的分离因数大于所需的最小分离因数，说明该离心机的分离因数符合工艺要求，且离心力比较大，有利于沉降离心分离。

3.5.5 离心机的当量沉积面积

根据离心机的结构，有D=0.6m、L=0.730+0.666= 1.396m、h=0.666tg16=0.19m，λ=0.19/0.30=0.63，则

3.5.6 离心机的生产能力

离心机处理悬浮液的最大体积流量：

由表1所给出的物料平衡结果，通过计算可以得到离心机HDPE悬浮液的质量流量：

W=29007.00kg·h-1

HDPE的最大生产力：

4 结论

根据工艺计算，反映出现有螺旋沉降离心机的技术指标完全符合HDPE生产工艺要求，且有一定的余量，可以继续增产HDPE。

目前，现有离心机处理悬浮液的最大体积流量已达30m3·h-1，相当于HDPE的产量达到6.8t·h-1，且离心机操作平稳，说明工艺计算公式的选择和计算结果都是正确的。

增产HDPE，势必增加离心机的悬浮液进料量，使离心机承载量增加，会增大电动机功率。因此，如继续增产HDPE，应考虑更换功率大于75kW的电机。

［1］沈国良，宋永吉，任晓光，等.聚乙烯悬浮液离心沉降分离能力的计算与评价［J］.合成树脂及塑料，2000，17（1）：29-31.

Analysis for production capacity of HDPE device

SHEN Qian-lin,YANG Chong-chang
（College of Mechanical Engineering,Donghua University,Shanghai 201620,China）

The production capacity of centrifuge of HDPE device was calculated and analyzed from increase production and energy saving.Under the condition of the ratio of polymeric soliquoid（m3）to feed gas（t）is 3.5,the capacity production was defined.The production could be increased for centrifugal subsider.

HDPE；centrifugal separation；centrifuge；production capacity

book=2010,ebook=257

TQ051.8

A

1002-1124（2010）11-0023-04

2010-10-07

沈千林（1989-），男，在读本科生，从事机械工程学科研究。

导师简介：杨崇倡（1965-），男，博士，教授，从事新型化纤机械、光机电一体化领域的教学与科研工作。