低位閃蒸料漿循環(huán)泵流量與揚程的確定

劉　敏

(四川省化工設(shè)計院，四川成都，610015)

?

低位閃蒸料漿循環(huán)泵流量與揚程的確定

劉敏

(四川省化工設(shè)計院，四川成都，610015)

摘要

關(guān)鍵詞：低位閃蒸循環(huán)泵流量揚程

二水法生產(chǎn)磷酸，反應(yīng)槽內(nèi)發(fā)生的主要反應(yīng)為：

從反應(yīng)式可看出這是一個放熱反應(yīng)。除反應(yīng)熱之外，硫酸稀釋熱以及返回酸帶來的熱量也是不容小覷的，另外還有反應(yīng)原料帶來的熱。為使反應(yīng)料漿維持在一個適宜的反應(yīng)溫度(一般為70～80℃)，必須持續(xù)移走大量的熱量。經(jīng)計算，一個420kT/a P2O5磷酸裝置，若用98%硫酸，每小時就有127×106kJ熱量需要移除。

移走熱量的方法在磷酸生產(chǎn)工藝發(fā)展史上曾有過鼓風冷卻、料漿揚撒冷卻、硫酸稀釋冷卻、真空冷卻等多種，而現(xiàn)今常用的是低位閃蒸真空冷卻。這種方法的優(yōu)點是閃蒸冷卻器安裝在較低的標高上，可以節(jié)約廠房費用以及安裝費用，還可降低料漿循環(huán)泵的功率消耗。另一方面，冷卻前后料漿的溫度差小于3℃，溫差小，減少了磷酸料漿中各種鹽的過飽和度，從而可減少系統(tǒng)結(jié)垢。

作為閃蒸冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，料漿循環(huán)泵的選型尤為重要。閃蒸真空冷卻的工藝決定了料漿循環(huán)泵的使用工況：大流量低揚程。根據(jù)這個特點，軸流泵當之無愧成為首選。本文將就其中最重要的兩個參數(shù)——“流量及揚程”進行討論，并結(jié)合實例進行計算。

1流量計算

料漿循環(huán)泵的流量即是料漿循環(huán)量，可由下式計算得出：

(1)[1]

式中：

W——料漿循環(huán)量，m3/h；

Q——需要由真空系統(tǒng)移除的熱量，kJ/h；

It ——料漿溫度差，℃；

Cp——磷酸料漿比熱容，kJ/(kg·℃)；

ρ ——料漿密度，kg/m3。

以某420kT/a P2O5磷酸裝置為例，本裝置所用硫酸為98%與55%硫酸按一定比例加入，根據(jù)物料及熱量衡算，每小時需移除的熱量約為76×106kJ，即：

Q≈76×106kJ/h

It=2℃

磷酸料漿比熱容Cp可由料漿固相和液相比熱計算而得，

Cp=Cp固×固%+Cp液×液%

(2)

式中：

Cp固——固相CaSO4·2H2O比熱容，1.17[1]kJ/(kg·℃)；

Cp液——磷酸料漿液相比熱容，kJ/(kg·℃)；

固%——磷酸料漿中固相含量；

液%——磷酸料漿中液相含量。

其余符號意義同前(以下同)。

液相比熱可由60～90℃磷酸比熱容根據(jù)經(jīng)驗公式計算而得：

Cp液=4.184-4.978x+0.388x2

(3)[1]

式中：

x——磷酸中P2O5濃度，%(x=15%～30% P2O5)。

此裝置磷酸P2O5濃度為20.5%，代入(3)式，得出：

Cp液=4.184-4.978×0.205+0.388×0.2052≈3.18 kJ/(kg·℃)

此裝置磷酸料漿液固比為2.6，則：

液%=1-固%=72.22%

將以上數(shù)值代入(2)式，

Cp=1.17×27.78%+3.18×72.22%≈2.62 kJ/(kg·℃)

磷酸料漿密度ρ可采用以下方法計算而得：

取含1kg固相的料漿，由于料漿液固比為2.6，則說明液相質(zhì)量為2.6kg，料漿總質(zhì)量為1+2.6=3.6kg。固相為CaSO4·2H2O，密度為2320[1]kg/m3。液相為磷酸，磷酸密度可由經(jīng)驗公式計算而得：

(4)[1]

(5)[1]

(6)[1]

式中：

f——溫度系數(shù)；

I——雜質(zhì)系數(shù)；

Pr——磷礦中P2O5含量，%(干基)；

Fe2O3、Al2O3…——磷礦中Fe2O3、Al2O3…等組分的含量，%(干基)；

t——反應(yīng)溫度，75℃。

經(jīng)計算本裝置磷酸料漿液相磷酸密度ρ磷酸≈1199kg/m3，則可計算出磷酸料漿密度：

將以上數(shù)值代入公式(1)，

即料漿循環(huán)量為10480 m3/h，料漿循環(huán)泵的流量考慮0.25倍的富余系數(shù)，約為13000m3/h。

2揚程計算

料漿被循環(huán)泵抽起來進入閃蒸室，再從閃蒸室的出口出來經(jīng)回漿管回到反應(yīng)槽，回漿管插入液面下，如圖1所示。

從圖1可看出，系統(tǒng)啟動后，料漿在一個封閉液環(huán)內(nèi)流動，形成一個虹吸系統(tǒng)。所以料漿循環(huán)泵的揚程只需要克服管路阻力即可。仍以前述420kT/a P2O5磷酸裝置為例，計算料漿循環(huán)泵揚程。將這段管道分兩段考慮：A段從反應(yīng)槽經(jīng)料漿循環(huán)泵至低位閃蒸室，B段從低位閃蒸室回流至反應(yīng)槽。已知條件如表1。

管路壓力降包括管道摩擦壓力降、靜壓力降和速度壓力降之和[2]，其中摩擦壓力降又分直管壓力降和局部壓力降。此例主要計算這四種壓力降，其余的忽略不計算，最后結(jié)果考慮30%富余量。

2.1直管壓力降

式中：

△p1——管內(nèi)摩擦壓力降，Pa；

λ ——摩擦系數(shù)；

l ——管道長度，m；

d ——管道直徑，m；

ρ ——流體密度，kg/m3；

u ——流體速度，m/s。

要計算摩擦系數(shù)λ，首先計算雷諾數(shù)Re。

式中：

μ ——流體粘度，N·s/m2。

將A、B段流體的數(shù)據(jù)分別代入(8)式，得到雷諾數(shù)：

ReA=132666，ReB=117925

求出雷諾數(shù)后，可以通過查圖得到摩擦系數(shù)，也可以根據(jù)一些經(jīng)驗公式計算得出，此處采用經(jīng)驗公式法：

將A、B段流體的數(shù)據(jù)分別代入(9)式，得到摩擦系數(shù)：

λA=0.021，λB=0.021

將各數(shù)據(jù)代入公式(7)，可得出A、B段的直管壓力降，摩擦壓力降計算結(jié)果按1.15[2]倍來確定系統(tǒng)的摩擦壓力降：

△p1=△p1A+△p1B=325+195=520Pa

2.2局部壓力降

由前面計算出的雷諾數(shù)可看出，此管道中的流型為湍流，湍流的局部阻力有當量長度法和阻力系數(shù)法兩種。此處采用阻力系數(shù)法。

(10)

△p2=△p2A+△p2B=6833+3737=10570Pa

2.3靜壓力降

靜壓力降按整個系統(tǒng)考慮，即將A、B段合二為一，看作一個系統(tǒng)，由于系統(tǒng)物料進口端與出口端標高相同，故靜壓力降：

△p3=△p3A+△p3B=0

2.4速度壓力降

△p4=△p4A+△p4B=2234-1395=839Pa

綜上，該系統(tǒng)的管路壓力降為：

△p=△p1+△p2+△p3+△p4=520+10570+0+839=11929Pa

折合成泵揚程為0.88米，考慮30%富余量，為1.14米，向上圓整，取揚程為1.2米。

3結(jié)論

根據(jù)以上計算，所選泵流量為13000 m3/h，泵揚程為1.2米。從靜壓力降為0可看出，這與我們前文的分析也是吻合的，即運行中的管系為一個虹吸系統(tǒng)。

參考文獻

[1] 化學(xué)工業(yè)部建設(shè)協(xié)調(diào)司，化工部硫酸和磷肥設(shè)計技術(shù)中心組織編寫.磷酸、磷銨、重鈣技術(shù)與設(shè)計手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1996,7.

[2] 管道壓力降計算[S]. HG/T 20570.7-95.

[3] 成都科技大學(xué)《化工原理》編寫組編著.化工原理[M].第三版. 成都科技大學(xué)出版社,1999,3.

[4] 譚天恩,麥本熙,丁慧華. 化工原理[M].第二版.化學(xué)工業(yè)出版社,2001,2.

Determination of Capacity and Head of Slurry Circulating Pump in Lower Position Flash Vaporization

LiuMin

(SichuanChemicalEngineeringDesignInstitute,Chengdu610015,Sichuan,China)

Key words:lower position flash vaporization; circulating pump; capacity; head

Abstract:Reaction conditions of production of phosphoric acid by dihydrate process was briefly introducted in this paper. Slurry circulating pump in lower position flash vaporization is an important equipment in the reaction section，then its capacity and head were mainly calculated.

簡要介紹了二水法生產(chǎn)磷酸的反應(yīng)工況，對反應(yīng)工段的重要設(shè)備低位閃蒸料漿循環(huán)泵的流量及揚程進行了計算。