旋风分离器

一种高效旋风分离器在谷氨酸发酵中的设计及应用

摘要：针对谷氨酸发酵过程中逃液严重、消泡剂消耗高等问题，本文讨论了一种新型高效旋风分离器在进气管、圆锥形简体、排气管、螺旋片以及削涡板方面的设计技巧；通过在谷氨酸发酵中的应用，表明该高效旋风分离器可以在不影响产酸水平的前提下，使谷氨酸生产中的消泡剂、淀粉、电、蒸汽等消耗不同程度地降低，产生较好的经济效益。

关键词：旋风分离器 谷氨酸发酵 气一液混合物系 设计 应用

一 前言

旋风分离器属于静止机械设备，结构简单，制造、安装以及维护都比较容易，只要非均相混合物存在密度差，都可以考虑旋风分离器进行两相分离“ 。自1886年Morse的第一台圆锥形旋风分离器问世以来，国内外众多学者对分离器的结构、尺寸、流场特性等进行了大量的研究 ，至今旋风分离器种类繁多，被广泛应用于石油化工、冶金、采矿、轻工等领域。但大多数旋风分离器应用于气一固物系分离，而应用于气一液物系分离的旋风分离器不多，且分离效果不佳。谷氨酸发酵是好氧通气发酵，且通气量大，泡沫多，发酵中、后期易逃液，在发酵罐的排气管上需要安装分离器进行气液分离并回收逃液。发酵工业对发酵系统要求严格，设计、安装时都要考虑消除灭菌的死角，许多分离效果较好但内部结构复杂的丝网泡沫捕集器不适宜用于发酵罐的气液分离、回收。目前，大多数谷氨酸发酵厂在排气口都安装了一般的旋风分离器，但分离效率低，在发酵过程中的风量高峰期逃液严重，需要流加大量的消泡剂，生产1吨谷氨酸平均消耗9．0公斤以上的消泡剂。而每吨消泡剂价格将近18000元，因此，在谷氨酸发酵中应用新型的高效旋风分离器对提高生产效率、降低成本有着十分重要的意义。

l 高效旋风分离器的结构及工作原理

高效旋风分离器的结构如图1所示，主要由进气管、排气管、下料管、圆锥形的简体、导流叶片、螺旋片以及防涡板组成。进气管与圆筒体成切线方向，气一液物系以一定的速度从进气管进入简体内在导流叶片上边作高速螺旋运动，气流中的大颗粒液滴受到离心力的作用向圆筒内壁撞击而沿内壁滑落，当气流经过导流叶片时，由于气流与导流叶片撞击而使小颗粒液滴汇聚成大颗粒液滴，在导流叶片下边随气流高速螺旋而飞向圆筒内壁并沿内壁滑落。螺旋片可增加气流的旋转圈数，使未被分离的小颗粒液滴在继续旋转的过程中逐步被分离，从而达到提高分离效率。所有沿内壁滑落的液体经下料管回流到发酵罐，而气体到达筒体底部时则向上旋流经排气管排出。为了防止气流涡核尾部向下侵入，使一部分已被分离的液体重新被混入气流 ，在排气管口下端安装了防涡板。

2 高效旋风分离器的设计特点

2．1 进气管

根据Barth模型，为了尽可能使入口气流中的液滴在螺旋运动过程中抵达筒体的内壁，设计进气管时采用矩形切线入口[6lo对于切向式矩形入口，入口宽度b值愈小，液滴愈容易到达筒体的内壁，但是，谷氨酸发酵罐排气管道的最大气流速度已达到26 30m／s，旋风分离器矩形进气管面积不需收缩，即旋风分离器的矩形入口面积与发酵罐的排气管道面积相等，若入口宽度b值太小意味着入口高度h。过大，由于入口高度h。相当于旋转气流的螺距，螺距过大将削弱气流旋转的离心力，且圆锥形的简体高度(h +h，)与h。／b有密切的联系，综合考虑设备外形尺寸、压力降以及分离效率等各项指标，根据文献推荐的高宽比h。／b(一般可以取2．2至4．0，并结合我们多次试验数据，我们选择高宽比h。／b为3．0。

2．2 圆锥形的简体

压力损失△P是设计旋风分离器时重点考虑的因素。Stairmand于1949年从动量距平衡计算了旋风分离器中的速度分布，然后结合进出口的静压损失与旋流中的静压损失估算了压降，19年Iozia和Leith把Stairmand的压降模型用一个更紧凑的旋风分离器压降计算公式表达

式(2)中：G为器壁摩擦系数。对于一般情况下的旋风分离器流动，Stairmand把G设定为0．005。A 一旋风分离器器壁的总面积，包括顶板的内壁、简体内壁、导流叶片表面、螺旋片表面、消涡根据上述的式(1)、式(2)、式(3)以及我们根据试验结果按比例选取的(h2+h +h4)、h6、h，、d 2等尺寸便可以计算出旋风分离器圆筒直径d。过去发酵罐上安装的旋风分离器的直筒高度h6：(2 3)d。和锥体高度h7=(1—3)d。，根据旋风分离器转圈分离理论，我们将直筒高度h 加长至6d。，增加气流旋转的圈数，延长进入简体内的液滴停留时间，使液滴有更多碰撞及分离的机会。至于旋风分离器的锥体高度h，我们取h，=0．75d。，锥角0：取60~。

2．3 导流叶片

过去安装在发酵罐上的普通旋风分离器中没有导流叶片，分离效果比较差。因为在发酵过程中发酵罐的排气量随发酵控制要求不同而变化，将导致旋风分离器入口气流速度变化，对于进气管以及简体直径等尺寸已固定的旋风分离器来说，分离效率在发酵不同阶段将存在明显的差异。由于气一液混合物系的旋风分离器的分离效率与液滴直径大小有直接关系，直径大的液滴较易从气一液混合物系中分离出来，因此，为了减少不同分离阶段分离效率的差异，我们在圆筒内设置导流叶片，以便气流中无法抵达简体内壁的液滴与导流叶片碰撞以及相互碰撞汇聚成大液滴，顺着倾斜的导流叶片滑落到简体内壁或在离心力作用下抵达简体内壁。每片导流叶片呈矩形，两个宽边焊接在排气管外壁和筒体内壁上，叶片长边与水平面的夹角是45。，以利于叶片上的液滴滑向简体内壁，且叶片宽边与水平面的夹角是45。，以利于气流与叶片撞击。轴向投影，位于上面的叶片能够覆盖下面的叶片的25％，叶片自上向下螺旋，刚好能够环绕一周，最高的叶片与最低的叶片的距离h 刚好等于气流旋转的螺距(即h ：h )。导流叶片间距一般取5 6ram，由h 可确定叶片数。经过多次试验，我们认为最高的叶片离筒体顶部的距离h：等于2h。时效果较好。

2．4 排气管与螺旋片

为防止过大的压力降，一般取旋风分离器的排气管的截面积等于进气管的截面积。在旋风分离器内，气流的螺旋运动给予液滴离心力和沉降力，为增加旋流的圈数，避免气一液混合物系短路，排气管的插入深度可适当延长，可获得较高的分离效率，但插入过深，分离效率反而下降。结合简体高度，经过多次试验比较，选取排气管的插入深度(h2+h3+h4)为5dl。根据旋流式分离原理和轴向式旋分分离管的结构，以及在石油工业生产上应用的一些高效旋风分离器的结构【8 ，我们在分离器内的排气管外壁上设置螺旋片。螺旋片的直径d，比筒体直径d。小48mm，简体内壁上的液滴可从间隙滑落以及2o％左右的气流可从间隙通过,而其余气流则沿着螺旋片旋转，在旋转过程中液滴不断碰撞、汇聚而被分离。若螺旋片的圈数过多，会增加压力降，通常取圈数为5 8圈，从排气管底部开始自下向上绕，但绕向要和旋转方向一致，并取螺距h。=h。。

2．5 消涡板

在排气管口正下方增设消涡板，旋涡尾部可以像陀螺那样不停地在消涡板上旋转，但不能与消涡板下面的液体接触，已被分离的液体就不会重新卷起进入上升的气体。消涡板的形式多种多样，我们选用锥形板作为消涡板，锥角取9o。，轴向投影面积的直径d ≥d：，锥底平面距排气管口高度h 等于螺距h8。

2.6 应用于2flOm 发酵罐的新型旋风分离器设计参数

根据上面讨论的设计技巧，我们设计了200㎥发酵罐的旋风分离器，其设计参数见表1。

三 在谷氨酸发酵中的应用情况

在谷氨酸发酵过程中，需不断向发酵液通入无 普通的旋风分离器回收逃液，由于分离效率较低，如茵空气，茵体对数生长期以后，由于通风量较大、茵 果不及时流加消泡剂，逃液现象相当严重，对发酵造成不良的影响，轻则将造成浪费，重则将造成染菌。在多个谷氨酸发酵罐上安装我们设计的高效旋风分离器，经过一段时间的生产运行，我们发现消泡剂的单耗大幅度下降，由原来生产1吨谷氨酸平均消耗消泡剂9．0公斤以上降低至3—4公斤；且放罐体积比原来增加12％左右，产酸指标不受影响，单罐产量相应地增加了；由于减少了逃液机会，即减少了发酵液的浪费，糖酸转化率比原来提高了0．5％左右；虽然发酵罐装液量增加会导致搅拌功率比原来稍微增加，但由于单罐产量增加的幅度较大，使

生产谷氨酸用电单耗还是下降了8％左右；由于单罐产量比原来增加12％左右，生产谷氨酸的蒸汽单耗比原来下降了10％左右。下面以200m 发酵罐为例列举具体数据，见表2。发酵罐改装高效旋风分离器后每生产1吨谷氨酸所产生的直接经济效益如表3。从表3的数据可以看出，209m 发酵罐改用高效旋风分离器后每生产1吨谷氨酸可节省人民币约183．6元，对于年产5万吨谷氨酸的工厂来说，一年可节省918万元。

四 结论

经过较长时间在谷氨酸发酵中的应用，这种新型高效旋风分离器的技术成熟，所带来的经济效益可观，可推广应用于其它通气搅拌发酵行业。

参考文献

【1】 梁朝林 旋风分离器结构改进的研究．炼油设计，20O2，32(9)：8—11

【2】邓志安．油水分离器中随特殊力液滴运动分析．石油化工设备，1997

【3】 刘金红．旋风分离器的发展与理论研究现状．化工装备技术，1998

【4】 化工设备全书编辑委员会．除尘设备设计．北京：化学工业出版社，2002

【5】 程丽华．改进型旋风分离器的新应用．石油化工高等学校学报，2001，14

【6】 彭维明等译．旋风分离器一原理、设计和工程应用．北京：化学工业出版社，2004

【7】 化学工程手册编辑委员会．化学工程手册．北京：化学工业出版社，19

【8】 梁朝林．白土密相输送技术的试验研究及工业应用(1lI)．硫磷设计，2000

【9】梁朝林．白土粉尘回收及尾气净化技术的研究及应用．茂名学院学报，2001