降低蒸汽直接加熱氯化鉀溶液噪聲的研究

劉曉玉石 磊

(1.威海沁和實業(yè)有限公司鉀鹽工程技術(shù)研究中心，山東 威海 264400；2.岳陽市鉀鹽科學(xué)研究所，湖南 岳陽 414000)

氯化鉀溶解是復(fù)分解生產(chǎn)硝酸鉀過程中的操作單元之一，將氯化鉀、水及循環(huán)母液加入溶解槽中，采用蒸汽直接加熱方法，即將蒸汽通過蒸汽管直接射入溶液中與溶液混合加熱，實現(xiàn)溶液溫度升高與氯化鉀溶解，其具有結(jié)構(gòu)簡單、投資少、加熱快、操作方便、節(jié)能節(jié)水等優(yōu)點[1]。但是，蒸汽直接加熱的過程中產(chǎn)生周期性振動和噪聲，噪聲聲級達(dá)103分貝(A)以上，蒸汽管經(jīng)常發(fā)生開裂損壞現(xiàn)象，這不僅影響生產(chǎn)，而且噪聲還影響工人身心健康，降低蒸汽直接加熱振動與噪聲是硝酸鉀生產(chǎn)企業(yè)迫切需要解決的問題。

國內(nèi)有少量關(guān)于蒸汽直接加熱冷水噪聲的報道文獻(xiàn)，但沒有蒸汽直接加熱物料溶解噪聲的報道文獻(xiàn)[2-4]。為此，作者結(jié)合生產(chǎn)試驗，研究了蒸汽直接加熱氯化鉀溶液時的噪聲來源及其影響因素，分析蒸汽加熱噪聲變化規(guī)律，為企業(yè)降低蒸汽直接加熱氯化鉀溶液時產(chǎn)生的振動與噪聲提供了參考。

1 蒸汽直接加熱溶液的傳熱過程[5，6]

當(dāng)蒸汽從蒸汽管中噴出時，經(jīng)過湍流和汽液相變等復(fù)雜過程，蒸汽流被分割形成許多自由汽核和汽泡，這些自由汽核和汽泡統(tǒng)稱為蒸汽泡，蒸汽泡傳熱過程十分復(fù)雜，它與蒸汽壓力、蒸汽溫度、溶液溫度、溶液深度及溶解槽內(nèi)溶液的對流情況等因素有關(guān)。

蒸汽泡傳熱過程中，一方面，蒸汽泡中水蒸氣分子進(jìn)入蒸汽泡溶液表面層，蒸汽分子與溶液分子間發(fā)生碰撞傳遞能量給溶液分子，然后以對流傳熱的方式將熱量傳給周圍的溶液，高溫水蒸氣的熱能傳向周圍溶液的過程中，蒸汽泡內(nèi)的壓力減少，溶液溫度升高，直至壓力與溫度平衡；另一方面，由于蒸汽泡內(nèi)水蒸氣壓力大于所在溶液深度處壓力，蒸汽泡膨脹為大蒸汽泡，同時，蒸汽泡受溶液浮力作用向上移動，蒸汽泡受溶液液柱壓力也在不斷下降，蒸汽泡膨脹到汽泡內(nèi)壓力與所處水深壓力相平衡為止，但只要蒸汽泡在溶液中存在，蒸汽泡上升移動的趨勢就一直存在。

蒸汽泡水蒸氣與蒸汽泡水膜之間熱傳遞過程很快，在溶液溫度較低時，蒸汽泡中水蒸氣的比容瞬間迅速變小至近乎為零。因此，蒸汽直接加熱速度快。

2 蒸汽直接加熱溶液噪聲聲源[5，7-8]

2.1 沖擊振動噪聲

蒸汽直接加熱溶液時，由于蒸汽對溶液的垂直沖擊，引起溶液振動， 溶液受到蒸汽沖擊作用力傳遞給溶解槽，使溶解槽強(qiáng)烈振動， 溶解槽反作用力使蒸汽管道亦發(fā)生強(qiáng)烈振動，這種沖擊振動噪聲屬于強(qiáng)烈的低中頻性噪聲。

2.2 湍流噪聲

蒸汽經(jīng)噴孔噴射進(jìn)入溶液中時具有較高射流速度，帶動周圍的溶液一起運(yùn)動而產(chǎn)生強(qiáng)烈的“卷吸”作用，射流蒸汽和“卷吸”進(jìn)來的溶液發(fā)生強(qiáng)烈的摻混，產(chǎn)生湍流噪聲，湍流噪聲向周圍溶液擴(kuò)散，引起溶液波動和蒸汽管道振動，并傳遞給溶解槽器壁產(chǎn)生噪聲。

2.3 蒸汽泡破滅噪聲

當(dāng)高溫蒸汽從蒸汽管口噴出進(jìn)入低溫溶液時，形成一個個蒸汽泡，蒸汽泡在移動過程中與低溫溶液進(jìn)行熱交換，蒸汽泡迅速收縮而破裂，蒸汽泡四周的溶液迅速向蒸汽泡的中心運(yùn)動而發(fā)生相互撞擊，產(chǎn)生液體撞擊噪聲，液體撞擊會以球面波的形式向外傳播，使容器不斷地受到周期性的沖擊。

上述3類聲源都不同程度地存在且相互作用，其中，蒸汽泡破滅噪聲占主要地位。

3 蒸汽直接加熱溶液噪聲的主要影響因素

3.1 溶液溫度對噴射噪聲A聲壓級的影響[3-4，8]

在溶解槽中進(jìn)行試驗，溶解槽直徑φ3 800mm，高4 000mm，蒸汽噴射管φ108mm×4mm，噴射管均布84個噴孔，噴孔直徑φ20mm，飽和蒸汽壓力0.6MPa，溫度157℃，控制蒸汽流量為1 500kg/h，測量溶解槽不同溶液溫度條件下噴射噪聲A聲壓級的數(shù)值見表1。

表1 不同溶液溫度下產(chǎn)生噴射噪聲

試驗可知，溶液溫度不斷升高，蒸汽加熱過程產(chǎn)生的噪聲A聲壓級值逐漸升高，但當(dāng)溶液溫度到80～90℃后，噴射噪聲A聲壓級迅速下降。

分析認(rèn)為，溶液溫度不斷升高，實際上是蒸汽與溶液溫差Δt(也稱過冷度)逐漸變小，Δt逐漸變小，蒸汽泡破裂所需的時間長，產(chǎn)生的噪聲頻率越低，對應(yīng)的A聲級噪聲較高，低溫條件下，湍流噪聲占主導(dǎo)地位，隨著氯化鉀溶液溫度的升高，蒸汽泡破滅噪聲所占比例逐漸增大。Δt降到一定值(70～80℃)時，此時的噪聲主要是蒸汽破滅噪聲，蒸汽加熱噪聲A聲壓級達(dá)到最大值。Δt減小到45℃以下后，即氯化鉀溶液接近沸點溫度時，噴射噪聲A聲壓級迅速下降至最小值，直至氯化鉀溶液接近沸點溫度。

3.2 蒸汽流量對噴射噪聲A聲壓級的影響[3，8-9]

我們按3.1節(jié)中蒸汽噴射管及試驗條件進(jìn)行試驗，分別在40℃、80℃、110℃溫度下，測得通入不同蒸汽流量條件下，噴射噪聲A聲壓級的數(shù)值(見表2)。

表2 不同蒸汽流量下產(chǎn)生噴射噪聲

試驗可知，對于同一種結(jié)構(gòu)噴管，在溶液同溫度條件下，蒸汽流量增大，則噪聲A聲壓級隨之增大，反之，蒸汽流量減小，則噪聲A聲壓級減小。

分析認(rèn)為，對于同一種結(jié)構(gòu)噴管，蒸汽流量小，則對應(yīng)噴管中蒸汽流速小，對應(yīng)噴孔噴出蒸汽流速小，速度剪切和湍流混合的作用小，產(chǎn)生的湍流噪聲和結(jié)構(gòu)振動噪聲也小，噴射噪聲A聲壓級低。相反，蒸汽流量大，對應(yīng)噴管中蒸汽流速大，對應(yīng)噴孔噴出蒸汽流速大，噪聲A聲壓級高。經(jīng)驗證，蒸汽噴管的蒸汽流速取10～20m/s較合適；噴孔噴出蒸汽流速取10m/s以下較合適。

3.3 蒸汽壓力和溫度對噴射噪聲A聲壓級的影響[10]

試驗中采用蒸汽為飽和蒸汽，蒸汽壓力增大，則蒸汽溫度升高，反之亦然。通過蒸汽壓力對噴射噪聲A聲壓級的影響試驗，也就知道蒸汽溫度對噴射噪聲A聲壓級的影響。

按3.1節(jié)中蒸汽噴射管進(jìn)行試驗，在蒸汽流量為1 500kg/h與溶液溫度為40℃的條件下，分別測得通入不同蒸汽壓力條件下產(chǎn)生噴射噪聲A聲壓級的數(shù)值見表3。

表3 不同蒸汽壓力下產(chǎn)生噴射噪聲

試驗可知，對于同一種結(jié)構(gòu)的蒸汽噴射管，當(dāng)蒸汽壓力和溫度增大時，對應(yīng)蒸汽流量增大，故蒸汽產(chǎn)生噴射噪聲A聲壓級增大；當(dāng)蒸汽壓力和溫度降低時，則蒸汽產(chǎn)生噴射噪聲A聲壓級降低。

3.4 開孔面積對噴射噪聲A聲壓級的影響[10]

我們在溶解槽中試驗二臺蒸汽噴射管，1號蒸汽噴射管為φ108mm×4mm，噴射管均布84個噴孔，噴孔直徑φ20mm；2號蒸汽噴射管為φ108mm×4mm，噴射管均布150個噴孔，噴孔直徑φ20mm。飽和蒸汽壓力0.6MPa，控制蒸汽流量為1 500kg/h，溶液溫度40℃，測得不同開孔面積下噴射噪聲A聲壓級的數(shù)值見表4。

表4 不同開孔面積下噴射噪聲

試驗可知，當(dāng)蒸汽與蒸汽噴射管其他參數(shù)一定時，開孔面積大，則蒸汽噴射壓力小，汽-液界面換熱面積減小，蒸汽形成蒸汽泡數(shù)量減少，蒸汽泡破滅噪聲降低，產(chǎn)生噪聲A聲壓級也就越??；反之亦然。

3.5 噴孔直徑對噴射噪聲A聲壓級的影響[11]

在開孔總面積相等條件下，我們在溶解槽中試驗兩臺蒸汽噴射管，1號蒸汽噴射管為φ108mm×4mm，噴孔直徑φ20mm，噴孔間距50mm，噴孔數(shù)量84個，3號蒸汽噴射管為φ108mm×4mm，噴孔直徑φ12mm，噴孔間距50mm，噴孔數(shù)量234個。噴射飽和蒸汽壓力0.6MPa，控制蒸汽流量為1 500kg/h，溶液溫度40℃，測量不同噴孔直徑下噴射噪聲A聲壓級的數(shù)值見表5。

表5 不同噴孔直徑下噴射噪聲

試驗可知，在開孔總面積相等條件下，噴孔直徑越小，噴射噪聲A聲壓級越小。因此，用大量小直徑孔代替大直徑孔可以大大降低A聲壓級，這是降低噴射噪聲的理論基礎(chǔ)。

3.6 孔間距對噴射噪聲A聲壓級的影響[4，5]

在溶解槽中試驗不同孔間距條件下的兩個蒸汽噴射管：1號蒸汽噴射管為φ108mm×4mm，噴孔直徑φ20mm，噴孔間距50mm，噴孔數(shù)量84個；4號蒸汽噴射管為φ108mm×4mm，噴孔直徑φ20mm，噴孔間距30mm，噴孔數(shù)量84個。噴射飽和蒸汽壓力0.6MPa，控制蒸汽流量為1 500kg/h，溶液溫度40℃，測得不同孔間距下噴射噪聲A聲壓級的數(shù)值見表6。

表6 不同孔間距下條件下噴射噪聲

4 結(jié)語

(1)在蒸汽直接加熱氯化鉀溶液的過程中，產(chǎn)生噪聲主要有沖擊振動噪聲、湍流噪聲及蒸汽泡破滅噪聲，其中蒸汽泡破滅噪聲是主要噪聲。

(2)蒸汽噴射形成的蒸汽泡大小是蒸汽泡破滅噪聲的關(guān)鍵因素，蒸汽泡越小，噪聲越小，蒸汽直接加熱氯化鉀溶液中，應(yīng)盡量減小蒸汽泡的大小。

(3)試驗表明，在保證蒸汽流量的條件下，應(yīng)盡量減小噴孔直徑、布置更多的噴孔、增大噴孔間距、使用較低蒸汽壓力，這樣可以減小蒸汽泡的大小，減小噪聲A聲壓級值。

(5)在化學(xué)工業(yè)的生產(chǎn)過程中，有許多物料需要加水并加熱溶解，也有許多溶液或液體需要補(bǔ)水并加熱，這些既要補(bǔ)水又要加熱升溫的介質(zhì)體系，只要沒有特殊工藝限制，基本上都可以采用蒸汽直接加熱方法。它具有結(jié)構(gòu)簡單、投資少、加熱快、節(jié)能、節(jié)水、操作方便等優(yōu)點。