高位槽最小液面標(biāo)高的計(jì)算方法

章小兵, 趙 欣

(中國瑞林工程技術(shù)有限公司， 江西 南昌 330002)

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高位槽最小液面標(biāo)高的計(jì)算方法

章小兵, 趙 欣

(中國瑞林工程技術(shù)有限公司， 江西 南昌 330002)

介紹了銅電解管道內(nèi)阻力損失的計(jì)算，并應(yīng)用伯努利方程得出高位槽液面的最小標(biāo)高，從而指導(dǎo)高位槽的設(shè)計(jì)工作。

銅電解； 管道； 阻力損失

在國內(nèi)外大中型銅電解項(xiàng)目中，對電解槽供液，通常采用專用高位槽，設(shè)置高位槽主要有兩個(gè)目的，一是穩(wěn)定必要的供液壓力，二是排除電解液中溶解的氣泡，以改善陰極銅質(zhì)量。為保證進(jìn)入電解槽的溶液有一定的進(jìn)液速度，出液需要一定壓頭，因此，需要確定高位槽必要的設(shè)置標(biāo)高。本文通過某工程案例探討了管道內(nèi)阻力損失的計(jì)算方法，并應(yīng)用伯努利方程得出高位槽液面的最小標(biāo)高，對銅電解供液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

1 配置、流程及理論分析與計(jì)算步驟

1.1 配置

以某廠200 kt/a銅電解為例，西系統(tǒng)共配置4系列，每系列4組，每組20槽，共320槽，計(jì)算按離高位槽最遠(yuǎn)一槽為例。

1.2 流程

電解液進(jìn)入電解槽的流程如圖1，電解液循環(huán)槽中的電解液被泵送至板式換熱器換熱后進(jìn)入高位槽，從高位槽出口A自流進(jìn)分液包混勻冒氣后，經(jīng)第4列電解液總管CD進(jìn)入第4組電解液管DE后，通過EF進(jìn)入電解槽內(nèi)。

1.3 理論分析與計(jì)算步驟

1.3.1 理論分析

根據(jù)雷諾數(shù)公式：

Re=Ud/ν[1]

(1)

式中：Re為雷諾數(shù)，無因次；U為流速，m/s；d為管內(nèi)徑，m；ν為運(yùn)動粘度，m2/s。

根據(jù)雷諾數(shù)公式(1)，該工程案例中：

當(dāng)U=0.3 m/s，d=0.025 m時(shí)，雷諾數(shù)最小，Remin= 6.82×103

當(dāng)U=0.88 m/s，d=0.30 m時(shí)，雷諾數(shù)最大，Remax= 2.4×105

銅電解液在生產(chǎn)中運(yùn)動粘度ν為1.2×10-6m2/s，Remin或Remax均大于臨界雷諾數(shù)2 000,故整個(gè)管道中流體流動狀態(tài)為湍流。銅電解液運(yùn)動粘度與10 ℃水的運(yùn)動粘度(1.3×10-6m2/s)相當(dāng)， 兩者的Re也近似相等。

當(dāng)流體為電解液時(shí)，根據(jù)管道摩擦阻力的基本方程:

(2)

式中：-ΔP為阻力損失，Pa；λ為摩擦阻力系數(shù)，無因次；L為當(dāng)量長度，m；d為內(nèi)徑，m；ρ為流體密度，kg/m3U為流速，m/s。

圖1 電解液進(jìn)入電解槽流程示意圖

當(dāng)(2)式兩邊同除以ρg，得:

(3)

當(dāng)105<λ<3×106時(shí)，運(yùn)用尼古拉茲計(jì)算公式λ=0.003 2+0.221Re-0.237，

管道阻力損失包括管道沿程損失和局部阻力損失，對于塑料給水管，在給水管水力計(jì)算表[4]中可查，根據(jù)以上分析，便可知銅電解液在塑料管道中的沿程損失和局部阻力損失。

1.3.2 計(jì)算步驟

(1)計(jì)算管道內(nèi)阻力損失，其包括長度方向管內(nèi)沿程損失hf和管內(nèi)局部阻力損失hj，長度方向管內(nèi)沿程損失包括各管徑的管道內(nèi)部阻力損失，管內(nèi)局部阻力損失包括管道中的各種彎頭、閥門、異徑三通、分液包等局部阻力損失，整個(gè)管道的能量損失是分段計(jì)算出的能量損失的疊加，即hw=∑hf+∑hj。

(2)以C、F兩點(diǎn)建立伯努利方程等式P/r+Z+V2/2g=常數(shù)[6]，計(jì)算出高位槽液面的最小標(biāo)高。

2 阻力損失計(jì)算

2.1 長度方向沿程阻力損失：

沿程管內(nèi)阻力損失包括管段AB、CD、DE、EF，依據(jù)流量、管徑和管材(塑料管)，查給排水設(shè)計(jì)手冊[3]，就可以得到電解液管阻力損失，詳見表1。

2.2 管內(nèi)局部阻力損失

管內(nèi)局部阻力損失包括彎頭、閥門、異徑三通、分液包等，按流速分段計(jì)算，電解液局部損失公式：

表1 長度方向沿程阻力損失

按§總×U2÷(2×g)計(jì)算。

(1)AC管段：流速按0.88 m/s，從高位槽至分液包，管徑DN300，AC管段局部阻力損失見表2。

(2)CD管段：流速按0.95 m/s，從分液包至每組進(jìn)液管入口，管徑DN250，CD管段局部阻力損失見表3。

(3) DE管段：流速按0.66 m/s，每組進(jìn)液管，管徑DN150，DE管段局部阻力損失見表4。

表2 AC管段局部阻力損失

表3 CD管段局部阻力損失

表4 DE管段局部阻力損失

(4) EF管段：流速按0.3 m/s，每槽進(jìn)液管, 管徑DN50，EF管段局部阻力損失見表5。

表5 EF管段局部阻力損失

2.3 管道管內(nèi)阻力總損失

管道管內(nèi)阻力總損失見表6。

3 高位槽高度核定

分液包出口管C點(diǎn)中心標(biāo)高H1m，流速V=0.95 m/s；

表6 管內(nèi)阻力總損失

電解槽進(jìn)液管F點(diǎn)中心標(biāo)高：4.450 m，流速V=0.30 m/s。

利用伯努利方程P/r+Z+V2/2g=常數(shù)，管路損失：1.154 m。

以E、F管內(nèi)流體為研究對象，在分液包出口管C與進(jìn)液管液面線F列機(jī)械能衡算式并建立方程：

(H-H1)+0+0.952/(2×9.81)=

0-(H1-4.45)+0.32/(2×9.81)+ 1.154

解得H=5.563(H為高位槽液面最小標(biāo)高)。

通常高位槽液面標(biāo)高9.3 m，完全滿足要求。

4 結(jié)語

本文探討了銅電解管道內(nèi)阻力損失的計(jì)算方法，并應(yīng)用伯努利方程得出高位槽液面的最小標(biāo)高，對銅電解供液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 戴干策，陳敏恒.化工流體力學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1988.

[2] 孔瓏.工程流體力學(xué)[M].北京：中國電力出版社，1992.

[3] 林選才，劉慈慰.給排水設(shè)計(jì)手冊第2版第1冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.

[4] E·約翰芬納莫爾(E·John Finnemore)，約瑟夫B·佛朗次尼(Joseph B·Franzini).流體力學(xué)及其工程應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

Calculation method of minimum liquid surface elevation of high level tank

ZHANG Xiao-bing， ZHAO Xin

The pressure loss calculating in copper electro-refining pipe were introduced, and minimum elevation of the high level tank was calculated by application of Bernoulli equation, the results can guide the design of the high level tank.

copper electro-refining; pipe; pressure loss

章小兵(1977—)，男，江西余干人，碩士，工程師，主要從事冶金研究設(shè)計(jì)工作。

2014-- 04-- 25

TF811

B

1672-- 6103(2015)04-- 0049-- 03