草甘膦異丙胺鹽水劑配置釜的工藝設(shè)計

屠民海，吳立飛，姜云珍

（浙江新安化工集團股份有限公司，浙江杭州311600）

草甘膦異丙胺鹽水劑配置釜的工藝設(shè)計

屠民海，吳立飛，姜云珍

（浙江新安化工集團股份有限公司，浙江杭州311600）

通過對草甘膦異丙胺鹽水劑生產(chǎn)工藝進行分析，對水劑配置釜工藝參數(shù)進行計算，并完成該配置釜的制造，在實際生產(chǎn)過程中取得了良好的混合效果。

草甘膦異丙胺鹽水劑；配置釜；攪拌

草甘膦異丙胺鹽水劑是一種滅生、廣譜性內(nèi)吸傳導(dǎo)型除草劑，其主要特點是傳導(dǎo)性極強，適用于果園、茶園、路旁、護林帶等地除草［1-2］。浙江新安化工集團股份有限公司作為國內(nèi)最大的草甘膦生產(chǎn)企業(yè)，其主要產(chǎn)品之一就是草甘膦異丙胺鹽水劑。配置水劑的關(guān)鍵步驟就是草甘膦原藥和異丙胺的反應(yīng)，而水劑配置釜設(shè)計是否合理［3］，對產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。本研究主要對配置釜的工況進行了分析，完成了攪拌參數(shù)的優(yōu)化，設(shè)計并制造了經(jīng)濟合理的夾套配置釜和攪拌器，實踐表明，生產(chǎn)性能優(yōu)良，經(jīng)濟效益良好。

1　工況分析

1.1工藝條件

生產(chǎn)能力：20m3/d，間歇操作，每天2批，每批10h；工作壓力：常壓；工作溫度：20～70℃；反應(yīng)原料：水、草甘膦原粉、70%異丙胺、助劑。

1.2反應(yīng)簡述

配置釜內(nèi)投入水和草甘膦，通加70%異丙胺，再加一次草甘膦，通一次異丙胺。夾套內(nèi)加冷卻水，控制一定溫度。反應(yīng)結(jié)束后，草甘膦全部溶解，生成41%草甘膦異丙胺鹽水劑（液體）。

1.3物料平衡圖及物料性質(zhì)參數(shù)

物料平衡圖及物料性質(zhì)參數(shù)見圖1和表1。

圖1　物料平衡圖

表1　主要物料參數(shù)表

2　工藝設(shè)計計算

2.1配置釜及攪拌初步選型

考慮到反應(yīng)為固液相，主要是晶體溶解，懸浮均勻是關(guān)鍵。因此，固液懸浮均勻取5級，溶液的黏度取1mPa·s。不銹鋼配置釜取12.5m3，規(guī)格為?2200×2950，采用開啟式四葉折葉開式渦輪攪拌，釜內(nèi)安裝檔板，滿足全檔板條件。

2.2葉輪形式、大小、成數(shù)和轉(zhuǎn)速確定

固液懸浮攪拌，液相流動最佳狀態(tài)為湍流，并且攪拌器對流體有較好的對流循環(huán)，應(yīng)選用四葉折葉開式渦輪。

釜內(nèi)體積V=11.4m3，即液面高度H=2.61+ 0.575=3.175m

設(shè)計條件下H/D=1.443＞1.2，采用多層攪拌根據(jù)永田［4］推薦的最佳槳徑d=0.4D=880mm；葉片寬b=1/8d=110mm

攪拌器葉輪中心線至釜底部的距離查《攪拌設(shè)備》［4］

底層葉輪與釜底距離：c1=1/4D=550mm

上層葉輪離釜底的距離：c2=2H/3=2120mm

按常規(guī)葉輪是在湍流區(qū)操作，故有效攪拌所涉及范圍上下大約都是2d，相鄰兩葉輪中心線距離為1.5d～1.8d，上層葉輪與靜液面的距離不小于1/2d，原設(shè)計尺寸滿足要求。

此反應(yīng)體系是草甘膦固體顆粒先在溶液中溶解懸浮及通入異丙胺溶液，因此在確定轉(zhuǎn)速時主要保證草甘膦顆粒能夠完全懸浮，葉輪的轉(zhuǎn)速應(yīng)高于臨界浮游速度。

臨界浮游速度根據(jù)Gates［4］的固液懸浮臨界轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)式：

查《化工工藝設(shè)計手冊》［5］圖11-2得顆粒的沉降速度μt=0.73m/min，表11-3得顆粒沉降速度的修正系數(shù)fW=1.36，系數(shù)Φ=4.8×1010，則μ=fWμt=3. 264ft/min，攪拌葉輪直徑d=880mm=34.65in

對于4葉折葉開式渦輪固液懸浮臨界轉(zhuǎn)速Nc=（Φμd-2.81）1/3.75=67.86r/min

考慮到單級減速機系列，選取n=85rpm四極電機i=17

2.3檔板的設(shè)置

為改善流動狀態(tài)，使局部層流轉(zhuǎn)變成有利于固體懸浮的軸向流，釜中一般要設(shè)置檔板，大多采用4塊寬度為釜徑1/10～1/12的平檔板。為避免在檔板后形成死角，通常使檔板離釜壁安裝，其間隙為釜徑的1/20～1/50。當(dāng)固相分率較高時，流體呈假塑性，且黏度增大，此時要考慮使用窄的檔板并用更大的間隙。

考慮到初始草甘膦原粉在水中的固含量高達(dá)32.5%，故取：檔板寬度Wb=185mm；檔板數(shù)量nb=4；檔板與釜壁的間隙取60mm；檔板系數(shù)Kb=（Wb/D）1.2nb=0.205。

因0＜Kb＜0.35，為部分檔板條件，但是釜內(nèi)的溫度計等零部件也能妨礙形成水平回流，起到檔板作用，工程應(yīng)用中認(rèn)為其接近全檔板條件。

2.4計算攪拌功率

首先要確定攪拌狀態(tài)，計算攪拌雷諾數(shù)Re：

式中水劑的密度ρ=1160kg/m3，攪拌葉輪直徑d=0.88m，黏度取μ=40mPa·s，攪拌槳轉(zhuǎn)速n=85rpm。

攪拌在湍流狀態(tài)下操作，攪拌功率的計算［4］：

查《攪拌設(shè)備》［4］圖3-2bates的NP-Re算圖可知六葉折葉開啟渦輪，b/d=1/8，θ=45，Re=31800時，NP=1.35，與該釜實際攪拌結(jié)構(gòu)不相符，需進行修正。

（1）槳葉寬度的影響

系數(shù)b/d=1/8與算圖相同，不需修正。

（2）槳葉數(shù)量的影響

在全檔板條件下，當(dāng)槳葉數(shù)nP=2、4、6時，修正后的功率值P’=P（nP/6）0.8=0.723P

（3）槳葉角度的影響

該類槳葉的角度θ=45°與算圖一致，不需修正。

（4）液層高度的影響

由于液層高度H=3.175m，H/D≠1，故對各種槳型的功率值都需乘以系數(shù)F，F(xiàn)=（H/D）0.6=1.246

（5）槳葉離配置釜底距離的影響

渦輪式葉輪安裝高度對功率的影響Kb=（nbWb/D）=0.363，C/d=0.4，查《攪拌設(shè)備》［4］圖3-8得Np=1.6

（6）葉輪層數(shù)及層間距的影響

層數(shù)為2，層間距C2-C1=2120-550=1570mm，即L/d=1.784，查《攪拌設(shè)備》［4］圖3-9可知雙層折葉開啟渦輪P2/P1=1.75

（7）葉輪直徑的影響

由于d/D=0.4與算圖3-2的條件d/D=1/3不符，可按Kaapobr［4］公式進行修正，對于渦輪式和推進式，f=（D/3d）0.93=0.844

（8）配置釜內(nèi)附件的影響

配制釜內(nèi)的附件主要為1支溫度計，2支異丙胺進料管（插入液下1m，按1/3直管計）。查《攪拌設(shè)備》［4］，表3-6得釜內(nèi)附件的影響系數(shù)∑q=0.2

總的影響系數(shù)為NPf總=0.723×1.246×1.6× 1.75×0.844×1.2=2.555

則攪拌功率，P=fNP·ρ·N3·d5

P=2.555×1160×1.4173×0.885=4450W

考慮到安全需要，留20%余量，取機械效率η=90%，則所需的攪拌功率

2.5傳熱面積的核定

2.5.1計算總傳熱系數(shù)K0

K0值可用下式計算［5］：

式中：K0為總傳熱系數(shù)，W/m2·℃；ɑ為傳熱系數(shù)，W/m2·℃；R為污垢熱阻，m2·℃/W；δ為壁厚，m；λ為設(shè)備壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/m2·℃；D為設(shè)備直徑，m，下標(biāo)i、o、m分別表示設(shè)備內(nèi)、外和平均。

2.5.1.1攪拌傳熱系

根據(jù)錨式攪拌器在夾套加熱、當(dāng)Re＞1000時的攪拌傳熱經(jīng)驗系數(shù)關(guān)聯(lián)式［5］：代入數(shù)據(jù)式計算得攪拌傳熱系數(shù)ai=1286.5W/ m2·℃

2.5.1.2夾套側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)此反應(yīng)是放熱反應(yīng)，夾套內(nèi)需通入冷卻水進行降溫，由經(jīng)驗公式可知［5］：

代入數(shù)據(jù)式計算得夾套側(cè)傳熱系數(shù)ɑo= 553.2W/m2·℃

取R0=2.6×10-4m2·℃/W，Ri=1.72×10-4m2·℃/W，δ=0.010m，λ=14.7W/m·℃代入相關(guān)數(shù)據(jù)計算得K0=270W/m2·℃

查《化工工藝設(shè)計手冊》［5］表15-46夾套式冷卻器總傳熱系數(shù)

K0=231W/m2·℃（有攪拌、不銹鋼釜、水冷卻）

2.5.2傳熱面積的計算

采用Aspen模擬計算［6］，在30℃水中投入草甘膦原粉、通入異丙胺后，最終溶液升溫至67℃，反應(yīng)熱及溶解熱∑Q=4.0×105Kcal，而釜需保溫在45℃，冷卻放熱量Q=2.4×105Kcal。通異丙胺按90min計，熱量為186KW。

12.5m3配置釜冷卻條件：冷卻水的管徑為DN50，進口溫度t1=20℃，出口溫度t2=35℃；熱流體的進口溫度T1=67℃，熱流體的出口溫度T2=45℃，配置釜的放熱速率［5］：

式中：Q為反應(yīng)的放熱速率，Kw；K0為總傳熱系數(shù)，W/m2·℃；A為傳熱面積，m2；ΔT為傳熱溫差，℃。

把相關(guān)數(shù)據(jù)代入A=Q/（K0ΔT）=28.2m2

配制釜夾套換熱面積23.4m2比計算值略小，考慮到實際進配制釜的水溫小于30℃，且夏天時可適當(dāng)延長通異丙胺時間，故該配制釜冷卻傳熱可滿足工藝要求。

3　結(jié)束語

本配置釜在設(shè)計過程中，對攪拌形式、轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)進行計算，對設(shè)備結(jié)構(gòu)形式進行選擇，為設(shè)備制造提供理論依據(jù)。在確保設(shè)備安全運行的同時，降低了設(shè)備制造成本，提高產(chǎn)品收率。本設(shè)備2010年投入運行，至今運行狀況良好，為公司取得了良好經(jīng)濟效益。

［1］李穎，劉小舟，楊梅，等.41%草甘膦異丙胺鹽水劑防除北方蘋果園雜草藥效試驗［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2009（21）：123-124.

［2］王泰吉，陳英南，陳玉俊.41%草甘膦異丙胺鹽水劑防除非耕地雜草藥效試驗初報［J］.華南熱帶農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006（12）：25-27.

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［4］王凱，虞軍.攪拌設(shè)備［M］.化工工業(yè)出版社，2003：57-65.

［5］中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計手冊第三版［M］.化工工業(yè)出版社，2003：23-75.

［6］謝揚，沈慶揚.ASPENPLUS化工模擬系統(tǒng)在精餾過程中的應(yīng)用［J］.化工生產(chǎn)與技術(shù)，1999（3）：17-22.

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近日，位于摩洛哥沙漠小鎮(zhèn)瓦爾扎扎特的全球最大聚光太陽能發(fā)電廠摩洛哥努爾一期項目建成投產(chǎn)。據(jù)了解，到2018年，這個發(fā)電廠將會為超過100萬戶家庭提供每年所需要的能源，相當(dāng)于每年減少76萬噸碳排放。

10.13752/j.issn.1007-2217.2016.01.010

2015-10-26