真空冷卻結(jié)晶器設(shè)計(jì)工藝計(jì)算

張 罡

(岳陽市鉀鹽科學(xué)研究所，湖南 岳陽 414000)

真空冷卻結(jié)晶是將溶液通過真空減壓處理到一定的真空度，降低溶液的沸點(diǎn)，使溶液中的溶劑蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)溶劑的蒸發(fā)和溶液溫度的降低，從而使得溶液中溶質(zhì)結(jié)晶析出。真空冷卻結(jié)晶過程既有溶液蒸發(fā)濃縮效應(yīng)，又有溶液冷卻效應(yīng)與結(jié)晶效應(yīng)，是集蒸發(fā)、冷卻、結(jié)晶三合一工藝過程。真空冷卻結(jié)晶裝置主要由真空結(jié)晶器、冷凝器、真空泵和控制系統(tǒng)組成。和傳統(tǒng)的間壁冷卻結(jié)晶相比較，真空冷卻結(jié)晶具有無結(jié)垢、冷卻速度快、冷卻均勻、干凈衛(wèi)生等特點(diǎn)，是現(xiàn)代冷卻結(jié)晶技術(shù)發(fā)展方向之一，現(xiàn)代冷卻結(jié)晶都是盡可能優(yōu)先考慮選用真空冷卻結(jié)晶[1-3]。

目前，我國已在氯酸鈉、氯酸鉀、硝酸銨、硝酸鉀、硝酸鈉、氯化銨、鈦白粉、味精等許多產(chǎn)品的生產(chǎn)中成功應(yīng)用真空冷卻結(jié)晶技術(shù)，但是，國內(nèi)真空冷卻結(jié)晶技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域還很少，關(guān)于真空冷卻結(jié)晶設(shè)備有關(guān)傳熱與傳質(zhì)及設(shè)計(jì)應(yīng)用等方面的研究還很不夠[4，5]。本文以硝酸鉀真空冷卻結(jié)晶設(shè)備設(shè)計(jì)為例，簡(jiǎn)要介紹真空冷卻結(jié)晶器設(shè)計(jì)工藝計(jì)算。

1 真空冷卻結(jié)晶物料熱量衡算

1.1 工藝條件[6-9]

以50kt/a硝酸鉀裝置為例，其工藝條件如下：dk為硝酸鉀溶液密度，1 340kg/m3；Ck為硝酸鉀溶液平均比熱，3kJ/kg·K；t1為硝酸鉀溶液進(jìn)料溫度，95℃；t2為硝酸鉀溶液結(jié)晶終點(diǎn)溫度，25℃；q為硝酸鉀結(jié)晶熱，340kJ/kg；B為硝酸鉀溶液中結(jié)晶析出硝酸鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)，13.14%。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得硝酸鉀溶液在t2=25℃沸點(diǎn)溫度條件下，產(chǎn)生水蒸氣溫度為t0=18℃；查得水在18℃時(shí)，其飽和水蒸氣壓P=2 161.15Pa。

考慮到運(yùn)輸不允許設(shè)備過大，又要兼顧設(shè)備產(chǎn)能最大化，真空冷卻結(jié)晶器內(nèi)直徑取D=3 800mm。

1.2 閃蒸發(fā)水量計(jì)算[9]

已知真空冷卻結(jié)晶器閃蒸水溫度為18℃，壓力為2 161.15Pa，查得蒸汽密度為dq=0.014 86kg/m3。控制水蒸氣在結(jié)晶器內(nèi)上升速度U=2.0m/s，則閃蒸水蒸汽體積Vq為：

=81 612(m3/h)

(1)

則閃蒸發(fā)水量Wq為：

Wq=Vqdq=81 615×0.014 86≈1 213(kg/h)

(2)

1.3 制冷量 [9]

查得閃蒸水溫度為18℃時(shí)，蒸汽汽化熱R=2 453kJ/kg，根據(jù)閃蒸發(fā)水量可計(jì)算溶液總放熱量(總傳熱量)為：

Q=WqR=1 213×2 453=2 975 489(kJ/h)

=827(kJ/s)

(3)

即真空冷卻結(jié)晶器制冷量為827kJ/s，或稱總傳熱量為827kJ/s。

1.4 處理溶液量

在溶液冷卻結(jié)晶過程中，總傳熱量近似等于溶液降溫放熱與結(jié)晶放熱之和，處理溶液量G可按下式求得：

Q=CkG(t1-t2)+mGq

(4)

2 975 489=3×G×(95-25)+G×13.14%×340

G=11 683(kg/h)

計(jì)算得處理溶液質(zhì)量流量G=11 683(kg/h)，則處理溶液體積流量Vk為：

(5)

1.5 硝酸鉀結(jié)晶析出量

M=11 683×13.14%=1 535.2(kg/h)

(6)

2 真空冷卻結(jié)晶器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

2.1 容積與結(jié)構(gòu)尺寸

真空結(jié)晶器容積取決于兩方面：一是取決于晶體生長(zhǎng)所需時(shí)間，結(jié)晶器容積越大，晶體生長(zhǎng)時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于晶體的生長(zhǎng)與長(zhǎng)大，通常取晶體生成停留時(shí)間t=3.0 h；二是取決于閃蒸室高度，蒸發(fā)空間高度一般取2～2.5 m。真空結(jié)晶器溶液裝填容積Vk0可按以下公式計(jì)算：

Vk0=Vkt=8.72×3=26.2(m3)

(7)

已知筒體D=3 800mm，底封頭取90°錐形封頭，則底封頭容積為7.179m3，上封頭取標(biāo)準(zhǔn)型橢圓封頭，則上封頭高950 mm，容積為7.749 8m3，設(shè)筒體高為H(mm)，則：

[H-(2.5-0.95)]=26.2

(8)

計(jì)算得H=3.228 m，實(shí)際取筒體高H=3.6 m，全容積V=55.7m3。

2.2 罐體壁厚計(jì)算[10，11]

選用材質(zhì)為雙向不銹鋼SAF2205材料，設(shè)計(jì)壓力P0=-0.1MPa，設(shè)計(jì)溫度為100℃，查得設(shè)計(jì)溫度下SAF2205彈性模量E=180 000 MPa，假設(shè)圓筒體為短圓筒，設(shè)置兩道加強(qiáng)圈，則計(jì)算長(zhǎng)度LS為：

≈1 323(mm)

(9)

則圓筒體干計(jì)算壁厚為：

(10)

=10.31(mm)

實(shí)際取δ=12mm，鋼板有效厚度δ0=10mm。

將計(jì)算壁厚代入臨界長(zhǎng)度計(jì)算公式，計(jì)算臨界長(zhǎng)度為：

≈86 668(mm)>1 323(mm)

(11)

與原假設(shè)短圓筒相符。

式中：m為穩(wěn)定系數(shù)，取3；C為壁厚附加量，取2mm，其中鋼板腐蝕裕度1.2mm，鋼板負(fù)公差0.8mm；δ0為真空結(jié)晶器有效壁厚，12-2=10mm；D為真空結(jié)晶器內(nèi)徑，3800mm。

2.3 真空結(jié)晶器加強(qiáng)圈尺寸計(jì)算[11，12]

為了防止筒體和加強(qiáng)圈的外壓失穩(wěn)，要求加強(qiáng)圈必須有足夠的剛度，加強(qiáng)圈通常采用扁鋼、T型鋼、角鋼和工字鋼，根據(jù)計(jì)算，相同厚度、相同截面尺寸的加強(qiáng)圈，扁鋼比T型鋼的組合慣性矩更大，所以，在選擇加強(qiáng)圈時(shí)，優(yōu)先選擇扁鋼加強(qiáng)圈。

根據(jù)丁滿福、王碧玲文獻(xiàn)[12]，對(duì)于短圓筒彈性失穩(wěn)范圍內(nèi)的矩形截面加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)可按以下計(jì)算公式：

(12)

As′=lδ0

(13)

(14)

(15)

由上四式聯(lián)立解之：

(16)

式中：P為設(shè)計(jì)外壓，0.1MPa；I為圓筒組合截面所需慣性矩，mm4；AS′為圓筒起加強(qiáng)作用部分(組合段)的面積，mm2；be為加強(qiáng)圈厚度，mm；he為加強(qiáng)圈高度，mm；LS為相鄰加強(qiáng)圈的間距，1 323mm；Es為加強(qiáng)圈彈性模量，加強(qiáng)圈材質(zhì)選S30408，彈性模量為194 020MPa；D0為圓筒體外直徑，3 824mm；l為加強(qiáng)圈兩側(cè)筒體有效段寬度之和，mm；若加強(qiáng)圈中心線兩側(cè)殼體的有效段寬度相重疊，則該殼體的有效段寬度中相重疊部分每側(cè)按一半計(jì)算；δ0為筒體有效厚度，10mm；選取加強(qiáng)圈高度he=100mm時(shí)，計(jì)算得：be>35.96-9.22=26.74mm；選取加強(qiáng)圈高度he=120mm時(shí)，計(jì)算得：be>20.81-7.68=13.13 mm；實(shí)際取加強(qiáng)圈厚度為14mm，加強(qiáng)圈尺寸為120mm×14mm。

2.4 蒸汽出口直徑

根椐伯努利方程，蒸汽出口管處因流速加大，應(yīng)為過熱蒸汽，過熱蒸汽出口流速一般控制在40～60m/s，取60m/s，已知閃蒸水蒸汽體積Vq=22.67m3/s，則蒸汽出口管內(nèi)徑：

(17)

實(shí)際取φ630×6mm規(guī)格管。

3 攪拌機(jī)功率的計(jì)算[13，14]

真空結(jié)晶器采用底部上伸式攪拌機(jī)，攪拌器選用三葉等螺距螺旋槳式，它使液體產(chǎn)生軸向流、旋轉(zhuǎn)流和湍流三個(gè)基本流。攪拌的作用如下：一是防止固體顆粒在結(jié)晶槽中沉淀，而造成罐底的局部沉積，確保固體料液能夠均勻地輸送到下個(gè)工藝過程中去；二是加強(qiáng)對(duì)流循環(huán)，使溶液各處飽和度基本均勻，有利于結(jié)晶，保持介質(zhì)溫度均勻，增加傳熱效果。

根據(jù)已有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，攪拌器轉(zhuǎn)速取n=167 r/min=2.783r/s，螺旋漿葉輪的直徑d近似取筒體內(nèi)直徑1/3，即d=0.95m。

先求攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)Re為：

式中：Re為攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)，表征液體流動(dòng)類型；μ為液體的黏度，1.1×10-3Pa·s；dk為硝酸鉀溶液的密度，1 340kg/m3；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，2.783r/s；d為槳葉直徑，0.95m。攪拌機(jī)功率可按下式計(jì)算：

=15 793(W)≈16(kW)

實(shí)際取電機(jī)功率為18.5 kW。

式中：λ為功率準(zhǔn)數(shù)，根椐攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)，查文獻(xiàn)[14]圖得功率準(zhǔn)數(shù)λ=0.5；η為攪拌機(jī)總效率，取85%；1.2為攪拌機(jī)電機(jī)安全系數(shù)。

4 結(jié)語

經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，硝酸鉀真空冷卻結(jié)晶器筒體內(nèi)徑D=3 800mm，底封頭取90°錐形封頭，上封頭取標(biāo)準(zhǔn)型橢圓封頭，筒體高H=3.6m，全容積V=55.7m3。真空冷卻結(jié)晶器設(shè)置兩層加強(qiáng)圈，加強(qiáng)圈尺寸為120mm×14mm，罐體壁厚δ=12mm，蒸汽出口管φ630×6mm。攪拌機(jī)電機(jī)功率為18.5kW。在硝酸鉀真空冷卻結(jié)晶器工藝過程中，蒸發(fā)水量Wq=1 213kg/h，制冷量Q=827kJ/s，處理溶液體積流量Vy=8.72m3/h，硝酸鉀結(jié)晶析出量M=1 535.2kg/h。