專用容器蒸發(fā)生產(chǎn)能力的探討

蔡曉蕓

摘要：為節(jié)約生產(chǎn)成本減少原料的投入，使用過程料供入生產(chǎn)線，不僅可有效減少原料的消耗，還能充分發(fā)揮過程料的價值。過程料通常使用專用容器裝載，為實現(xiàn)過程料供料，需對容器的實際生產(chǎn)能力進(jìn)行測算。本文以多層圓筒型容器作為容器模型，得到專用容器蒸發(fā)生產(chǎn)能力理論計算公式，從而定量計算容器的生產(chǎn)能力，并通過對比試驗數(shù)據(jù)得到該容器蒸發(fā)能力隨溫度的變化曲線，為生產(chǎn)線提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：圓筒型容器;蒸發(fā)生產(chǎn)能力;容器導(dǎo)熱

1建立容器導(dǎo)熱模型

專用容器中裝載的是生產(chǎn)線產(chǎn)出的過程料，通過將容器和容器專用支架置于加熱箱內(nèi)，使容器內(nèi)的固體物料受熱不斷升華，氣態(tài)工作物質(zhì)流出容器，經(jīng)過管道和壓力流量調(diào)節(jié)設(shè)備做原料，供入生產(chǎn)線。容器筒體材料采用的是導(dǎo)熱效果較好的材料，容器內(nèi)布置有數(shù)塊橫隔板，進(jìn)口接大口徑閥門，出口接小口徑閥門。

為簡化問題，本文僅將專用容器認(rèn)為是一個外部溫度不隨時間變化，加熱蒸發(fā)過程只有徑向?qū)崆覠o內(nèi)熱源的多層不同材料的圓管的穩(wěn)態(tài)傳熱過程。

假設(shè)溫度只沿徑向傳播，容器壁厚s，高為L，外壁溫度為t2，內(nèi)壁溫度為t1，r1為圓筒內(nèi)徑，r2為圓筒外徑，內(nèi)壁坐標(biāo)為（r1，t1），外壁為（r2，t2），單位時間內(nèi)壁導(dǎo)熱量為：

為了簡化問題，認(rèn)為容器內(nèi)的物料是均勻分布在金屬器壁上的，可將裝滿料的容器導(dǎo)熱看成是多層圓筒壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，外壁溫度t2，容器內(nèi)壁溫度t1，工作物質(zhì)蒸發(fā)溫度為tw1，固態(tài)工作物質(zhì)的溫度t0，外壁為金屬，導(dǎo)熱系數(shù)λ，壁厚s，固態(tài)工作物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)λ1，厚度s1。

因為容器壁厚的數(shù)值遠(yuǎn)小于內(nèi)表面積的數(shù)值，因此Fm1=F，則（5）式可變?yōu)椋?/p>

2容器的蒸發(fā)生產(chǎn)能力

2.1容器的蒸發(fā)生產(chǎn)過程

容器供料過程是固態(tài)的工作物質(zhì)在容器中的升華過程，在實際生產(chǎn)中，將工作物質(zhì)的升華叫做蒸發(fā)。容器供料過程總傳熱取決于四個環(huán)節(jié)：容器外壁與加熱箱內(nèi)空氣的對流傳熱過程，升華熱經(jīng)容器壁、固體料層的熱傳導(dǎo)，固體工作物質(zhì)表面的升華換熱過程，工作物質(zhì)氣體與固體表面的對流換熱過程。同時，工作物質(zhì)氣體中含有微量的不凝性氣體，其在冷凝過程中形成氣室，加熱生產(chǎn)時會降低工作氣體的傳熱系數(shù)，附加一額外熱阻。

此時的導(dǎo)熱熱阻應(yīng)為[1]

2.2容器蒸發(fā)能力計算公式

實際生產(chǎn)中，將容器在單位時間內(nèi)蒸發(fā)出的工作物質(zhì)的數(shù)量定義為容器的蒸發(fā)生產(chǎn)能力。如果容器在蒸發(fā)工作時間T內(nèi)蒸發(fā)工作物質(zhì)質(zhì)量為M，設(shè)定蒸發(fā)的固態(tài)工作物質(zhì)首先由t0升至tw1，再由固體轉(zhuǎn)為氣態(tài)。將容器外導(dǎo)入的熱量近似等于容器內(nèi)工作物質(zhì)蒸發(fā)過程中吸收的熱量，則可得容器蒸發(fā)能力計算公式為：

2.3考慮隔板后對蒸發(fā)能力計算公式的修正

由于容器內(nèi)存在隔板，加大了容器的傳熱面積和工作物質(zhì)的蒸發(fā)面積，但計算過程中使用的模型忽略了隔板對傳熱面積和工作物質(zhì)蒸發(fā)面積的影響，且導(dǎo)熱過程僅考慮了沿徑向的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，因此（8）式計算出的結(jié)果與實際情況存在較大偏差。為了對公式進(jìn)行修正，設(shè)隔板的存在對導(dǎo)熱面積的增大倍數(shù)為N，則蒸發(fā)能力計算公式中F變?yōu)镹F，則蒸發(fā)能力計算公式變?yōu)椋?/p>

3容器蒸發(fā)能力測試試驗

3.1試驗過程

試驗依據(jù)原料供料方式進(jìn)行設(shè)計。通過控制升溫速率，逐步使容器表面溫度達(dá)到50℃并恒溫60h。凈化合格后使用大口徑閥門作為出口閥門，維持容器表面溫度在50℃進(jìn)行蒸發(fā)試驗，再逐步升溫至60℃繼續(xù)供料至無料。試驗過程中每小時記錄容器總重、容器外壁溫度和閥門前壓力即容器內(nèi)部壓力，通過相鄰兩個小時之間兩個容器的重量差之和計算出容器蒸發(fā)量。

3.2試驗結(jié)果

根據(jù)試驗過程，將圖中曲線分成六個階段進(jìn)行分析：

Ⅰ階段：測試最初階段，容器表面溫度升至52℃，開始進(jìn)行試驗，打開出口閥門后，容器內(nèi)部壓力迅速下降，隨著容器壁的導(dǎo)熱及物料的吸熱，容器表面溫度快速下降，容器內(nèi)部壓力、蒸發(fā)量快速下降后穩(wěn)定變緩慢。此階段物料相變吸熱由劇烈趨于平緩。

Ⅱ階段：升溫后，容器表面溫度由40℃提升至50℃，容器內(nèi)部壓力隨溫度緩慢提高，蒸發(fā)量隨之緩慢提升，達(dá)到峰值。

Ⅲ階段：維持容器表面溫度50℃左右，隨著物料逐漸吸熱，與容器表面溫差逐漸減小，容器內(nèi)部壓力達(dá)到一定值后開始緩慢下降，蒸發(fā)量隨之緩慢下降。維持容器表面溫度50℃容器蒸發(fā)量逐漸降低。

Ⅳ階段：容器表面溫度由50℃提升至55℃，容器內(nèi)部壓力隨溫度緩慢提高，蒸發(fā)量基本沒變化。中期小幅升溫能維持蒸發(fā)量。

Ⅴ階段：維持容器表面溫度55℃左右，容器內(nèi)部壓力到一定值后開始緩慢下降，蒸發(fā)量緩慢下降。中后期維持溫度容器蒸發(fā)量逐漸降低。到達(dá)A點時，容器工作期滿退出工作，收殘料，此時蒸發(fā)量為0，容器內(nèi)部壓力迅速升高，容器表面溫度略有升高。

4影響容器蒸發(fā)生產(chǎn)能力因素分析

4.1器壁及隔板材料的影響

式（9）中反應(yīng)出器壁及隔板材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大，容器的蒸發(fā)生產(chǎn)能力越大，要想提高容器的蒸發(fā)能力，可選擇導(dǎo)熱系數(shù)大而壁薄的容器。對于實際容器而言，容器壁使用的材料導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于固體工作物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù);且容器壁厚相對于高也是足夠薄的。因此容器壁的導(dǎo)熱是足夠好的。

4.2導(dǎo)熱系數(shù)的影響

從計算過程中可看出，由于容器壁及隔板材料的熱阻比固體物質(zhì)熱阻小很多，且容器壁厚度相比于物料厚度足夠薄，計算中器壁的熱阻非常小可近似忽略，而影響蒸發(fā)能力的主要是固體物料的導(dǎo)熱能力和不凝性氣體的導(dǎo)熱能力。物料導(dǎo)熱系數(shù)越大，傳熱效率越高，其值的大小與結(jié)構(gòu)、濕度、溫度、壓強(qiáng)等許多因素有關(guān)。

4.3容器傳熱面積的影響

容器的傳熱面積越大則蒸發(fā)能力越大，增大傳熱面積是提高蒸發(fā)能力的有效途徑，由于容器內(nèi)平行于底面布置有數(shù)塊橫隔板，表面積約為內(nèi)表面積的5倍，有效的增大了容器的傳熱面積。由于隔板沿徑向?qū)岱较蚋鼽c溫度不同，還存在加熱時增強(qiáng)渦流，實際計算非常復(fù)雜，因此計算過程中簡單認(rèn)為隔板的存在使傳熱面積增大5倍。

4.4容器工作狀態(tài)的影響

在使用專用容器供料時，當(dāng)加熱生產(chǎn)時，隨著固體工作物質(zhì)的升華，被包裹在固體工作物質(zhì)的不凝性氣體會被釋放出來，固體工作物質(zhì)會產(chǎn)生塌料現(xiàn)象從而堆積在容器下部。因此認(rèn)為容器主要通過上部傳熱。為了使容器受熱均勻，實際生產(chǎn)中采用在支架中部開孔，僅以四個角支撐的形式，以增大容器下部的受熱。

4.5固體工作物質(zhì)層厚度的影響

由于固體工作物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)較小，當(dāng)工作物質(zhì)越厚熱阻越大導(dǎo)熱量越小，因此盛滿料的容器，其導(dǎo)熱量最小。隨著固體工作物質(zhì)的逐漸減小，其熱阻逐漸減小導(dǎo)熱量增加。所以帶料容器投入蒸發(fā)工作后，其蒸發(fā)能力將逐漸增大。但是工作物質(zhì)的蒸發(fā)量還收到蒸發(fā)受熱面積大小的影響，裝料量越多，工作物質(zhì)受熱面積越大，蒸發(fā)生產(chǎn)能力越大，隨著容器裝料量的減小，其受熱面積相應(yīng)減小，生產(chǎn)能力下降。容器工作初期，導(dǎo)熱量起主要作用，生產(chǎn)能力隨著蒸發(fā)工作時間的增加而增加。工作不久，蒸發(fā)受熱面積起主要作用，隨著工作時間的增加，固體工作物質(zhì)減少，受熱面積逐漸減小，于是生產(chǎn)能力逐漸下降。兩種因素起相反的作用，造成生產(chǎn)能力有一個峰值。

4.6不同加熱溫度影響

從公式（9）中可以看到，提高加熱溫度是蒸發(fā)能力的有效措施。根據(jù)試驗中測得的加熱箱空氣溫度、容器外壁溫度及容器內(nèi)壓力（閥門前壓力），查得工作物質(zhì)對應(yīng)的蒸發(fā)表面溫度，通過公式（9）計算容器蒸發(fā)能力，當(dāng)加熱溫度提升后，實際蒸發(fā)能力所提高;當(dāng)加熱箱內(nèi)空氣溫度一定時，隨著容器壁溫度的不斷升高，蒸發(fā)能力也不斷提高?？梢姕囟鹊奶嵘强捎行岣哒舭l(fā)能力的。

5?結(jié)論

1）試驗數(shù)據(jù)和理論分析表明，在加熱溫度一定時蒸發(fā)生產(chǎn)能力是通過容器傳導(dǎo)的熱量和工作物質(zhì)的蒸發(fā)所需熱量相互作用的結(jié)果;

2）在保證安全技術(shù)條件下，提高加熱溫度是增加蒸發(fā)能力的有效途徑;

3）為盡可能增大容器受熱工作面積，容器專用支架應(yīng)減少與器壁的接觸面積，保證容器受熱均勻。

參考文獻(xiàn)

[1]趙偉良，多層圓筒壁的總傳熱系數(shù)，齊魯師范學(xué)院學(xué)報，1998