分解槽直徑對(duì)種分工藝和配置的影響

姜躍華,李志國(guó)

(沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110001)

上世紀(jì)60年代至80年代初,中國(guó)氧化鋁生產(chǎn)采用的分解槽均是采用空氣攪拌系統(tǒng),源自前蘇聯(lián)設(shè)計(jì),生產(chǎn)粉狀氧化鋁。生產(chǎn)過程中需要經(jīng)常隔槽檢修,精液和種子漿液混合不均勻,分解液量、分解溫度調(diào)控手段差、波動(dòng)大,清槽工作量大、清理周期長(zhǎng);更重要的是存在產(chǎn)品細(xì)化嚴(yán)重、能耗高、槽內(nèi)料漿短路等一系列問題;空氣攪拌方式造成溶液系統(tǒng)反苛化,影響系統(tǒng)效率。隨著上世紀(jì)80年代末期機(jī)械攪拌在行業(yè)內(nèi)的推廣普及,大型平底機(jī)械攪拌槽開始廣泛應(yīng)用于新建、改擴(kuò)建氧化鋁項(xiàng)目的分解槽設(shè)計(jì)中。

在多年的使用過程中,隨著工廠建設(shè)規(guī)模和單線產(chǎn)能的不斷增加,機(jī)械攪拌分解槽的規(guī)格逐漸加大,性能也不斷優(yōu)化。最開始引進(jìn)德國(guó)Ekato和法國(guó)Robin攪拌的分解槽為Φ14米,高度從最初的27米逐步增加到30多米,目前已達(dá)42米。2014年第一臺(tái)Φ16米分解槽投產(chǎn),2017年第一臺(tái)Φ18米分解槽投產(chǎn)。在分解槽大型化的同時(shí),我們需要深入研究思考的一個(gè)問題是“分解槽究竟多大合適?是不是越大越好?”

本文對(duì)不同直徑分解槽對(duì)于工藝過程的影響,對(duì)于鋼材用量、功率消耗、投資和運(yùn)行成本以及配套設(shè)施等方面進(jìn)行了比較分析,供氧化鋁從業(yè)者參考。

1 對(duì)于反應(yīng)進(jìn)程的影響

1.1 降效系數(shù)

化學(xué)反應(yīng)過程和反應(yīng)器是化工生產(chǎn)流程中的中心環(huán)節(jié),一個(gè)化工生產(chǎn)流程往往是圍繞反應(yīng)過程展開的。反應(yīng)器設(shè)計(jì)依據(jù)的是化學(xué)反應(yīng)工程理論,是化學(xué)反應(yīng)工程理論的實(shí)際應(yīng)用。由于化學(xué)反應(yīng)的多樣性,反應(yīng)器設(shè)計(jì)往往較多地倚重研究試驗(yàn)工作。氧化鋁行業(yè)所使用的反應(yīng)器類型主要有間歇式反應(yīng)器、柱塞流反應(yīng)器和連續(xù)攪拌反應(yīng)器等三種,其型式如圖1。

圖1 反應(yīng)器型式

間歇式反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單,同一設(shè)備可用于生產(chǎn)多種產(chǎn)品,尤其適合于醫(yī)藥、染料等工業(yè)部門小批量、多品種的生產(chǎn);但是缺點(diǎn)也很明顯,需要裝料和卸料等輔助操作,產(chǎn)品質(zhì)量也不易穩(wěn)定。柱塞流反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是流經(jīng)反應(yīng)器的流體體積元像活塞樣平推移動(dòng),不會(huì)發(fā)生返混,達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,反應(yīng)器內(nèi)各處的溫度和濃度均不相同,但分別保持恒定,是理想的反應(yīng)器。管道化溶出就是比較典型的柱塞流反應(yīng)器,但并非所有氧化鋁生產(chǎn)的工況都具備條件采用。連續(xù)攪拌反應(yīng)器是介于間歇式反應(yīng)器和柱塞流反應(yīng)器之間的反應(yīng)器,無限多個(gè)連續(xù)攪拌反應(yīng)器即是柱塞流反應(yīng)器。連續(xù)攪拌反應(yīng)器既避免了間歇式反應(yīng)器的缺點(diǎn),又比較容易實(shí)施,大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)盡可能采用連續(xù)反應(yīng)器,比如,氧化鋁行業(yè)的預(yù)脫硅及種子分解工序。但連續(xù)攪拌反應(yīng)器的攪拌作用會(huì)造成反應(yīng)器內(nèi)流體的返混,應(yīng)通過反應(yīng)器合理選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加以抑制,通常在計(jì)算反應(yīng)所需的槽子容積時(shí)通過考慮降效系數(shù)來消除影響,降效系數(shù)C取值與槽罐數(shù)量n的關(guān)系如下:

n=1→C=5

n=2→C=2.2

n=3→C=1.8

n=4→C=1.5

n=∞→C=1 (柱塞流或間歇式反應(yīng)器)

在種子分解工序中,相同的分解時(shí)間情況下,當(dāng)采用不同數(shù)量的分解槽時(shí),出料氧化鋁濃度和分解率隨著分解槽數(shù)量的變化見圖2。

圖2 不同分解槽數(shù)量對(duì)應(yīng)的末槽出料氧化鋁濃度和分解率

由圖2可知,按照國(guó)內(nèi)氧化鋁廠典型的分解條件和種分槽配置,在相同的分解時(shí)間下,以Φ14米分解槽配置作為基準(zhǔn)方案,采用Φ16米分解槽配置時(shí),分解率相比基準(zhǔn)方案降低0.29%;采用Φ18米分解槽配置時(shí),分解率相比基準(zhǔn)方案降低0.75%。

1.2 單位容積分解率

以年產(chǎn)100萬(wàn)噸氧化鋁項(xiàng)目為基礎(chǔ),采用SysCAD軟件,模擬了不同槽型規(guī)格下,分解溫度按照79℃→68℃→56℃變化時(shí),對(duì)分解率的影響。采用Φ14米、Φ16米和Φ18米分解槽時(shí)的分解率及單位容積分解率見表1。

表1 相同分解時(shí)間下不同直徑分解槽分解率

由表1可知,Φ14米分解槽方案單位容積分解率高于Φ16米分解槽方案,Φ16米分解槽方案單位容積分解率高于Φ18米分解槽方案。更大直徑分解槽配置方案想要達(dá)到與直徑相對(duì)較小分解槽配置方案相同的分解率則需要提供更多的分解時(shí)間。

2 槽體重量和占地面積

2.1 壁板重量

根據(jù)《鋼制焊接常壓容器》[1],常壓槽罐壁厚計(jì)算可以依據(jù)下列公式:

(1)

式中:δ——槽罐壁厚,mm;

Pc——計(jì)算壓力,MPa;

Di——槽罐內(nèi)直徑,mm;

[σ]t——設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)力,MPa;

?——焊接接頭系數(shù)。

其中計(jì)算壓力隨槽罐高度以及槽內(nèi)料漿靜壓大小的變化而變化:

Pc=hc×ρc×g

(2)

式中:hC——料漿液面下的深度,m;

ρc——料漿密度,kg/m3;

g——重力加速度,m/s2。

分解槽壁的重量,可以通過下列公式計(jì)算:

M=π×Di×δ×H×d

(3)

分解槽容積可以通過下列公式計(jì)算:

(4)

單位容積的槽壁重量:

(5)

式中:M——槽壁重量,kg;

H——槽罐高度,m;

d——鋼材密度,kg/m3;

V——槽罐容積,m3;

m——單位容積槽壁重量,kg/m3。

由式(1)～式(5)可知,在高度相同的條件下,槽壁重量與直徑的二次方成正比,而分解槽的容積同樣與直徑的二次方成正比,因此,單位容積的槽壁重量與直徑無關(guān)。

2.2 頂板重量

根據(jù)《鋼制焊接常壓容器》[1],常壓槽罐平蓋頂板厚度計(jì)算可以依據(jù)下列公式:

(6)

式中:δp——平蓋頂板計(jì)算厚度,mm;

DC——平蓋頂板計(jì)算直徑,mm;

Kp——結(jié)構(gòu)特征系數(shù)。

由式(6)可知,頂板厚度與直徑的一次方成正比,頂板重量與直徑的二次方成正比,而分解槽的容積同樣與直徑的二次方成正比,因此,單位容積的頂板重量與直徑基本無關(guān)。

2.3 底板重量

根據(jù)《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中表5.1.1,常壓槽罐底板厚度一般根據(jù)槽罐直徑不同選取一個(gè)定值,那么底板重量與直徑的二次方成正比,而分解槽的容積同樣與直徑的二次方成正比,因此,單位容積的槽底板重量與直徑基本無關(guān)。

2.4 單位分解槽容積重量

綜上,單位分解槽容積對(duì)應(yīng)的分解槽重量(壁板、頂蓋、底板)基本與直徑無關(guān),只是檢修門、觀察孔、提料筒等結(jié)構(gòu)附件與分解槽規(guī)格基本無關(guān),由此在計(jì)算到單位容積重量上時(shí)會(huì)略有攤薄。另外在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮腐蝕裕量,壁厚圓整等因素,但是由于其在分解槽總重量中占比較小。因此,單位分解槽容積對(duì)應(yīng)的分解槽重量基本與分解槽直徑無關(guān)。

2.5 占地面積

分解槽占地面積的計(jì)算公式如下:

(7)

式中:S——槽罐占地面積,m2。

不同直徑分解槽方案,提供的分解時(shí)間相同,暨總?cè)莘e相同,在分解槽高度相同時(shí),分解槽平面占地面積相同,而分解槽為連續(xù)攪拌反應(yīng)器,存在降效系數(shù),如前述1.1節(jié)所述,相同分解時(shí)間下,Φ16米分解槽方案比Φ14米分解槽方案分解率低0.29%,Φ18米分解槽方案比Φ16米分解槽方案分解率低0.47%,若達(dá)到相同的分解率,此時(shí)占地面積排序?yàn)棣?8米方案>Φ16米方案>Φ14米方案。

3 功率消耗

3.1 分解槽攪拌

氧化鋁行業(yè)常用的攪拌基本都是機(jī)械攪拌,按照不同流派來劃分,有德國(guó)的Ekato、法國(guó)的Robin、美國(guó)Lightnin、澳大利亞Swirl Flow、中國(guó)的HSG/HQG等,影響機(jī)械攪拌功率的主要因素如下:

(1) 攪拌器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù),如攪拌器的型式、槳葉直徑和寬度、槳葉的傾角、 槳葉數(shù)量與攪拌器的轉(zhuǎn)速等。

(2) 攪拌槽的結(jié)構(gòu)參數(shù),如攪拌槽內(nèi)徑和高度、有無擋板或?qū)Я魍病醢宓膶挾群蛿?shù)量與導(dǎo)流筒直徑等。

(3) 攪拌介質(zhì)的物性參數(shù),如各介質(zhì)的密度、液相介質(zhì)粘度、固體顆粒大小與氣體介質(zhì)通氣率等。

由以上分析可見,影響攪拌功率的因素是很復(fù)雜的,一般難以直接通過理論分析方法來得到攪拌功率的計(jì)算方程。因此,借助實(shí)驗(yàn)方法,再結(jié)合理論分析,是求得攪拌功率計(jì)算公式的唯一途徑。 一般攪拌功率可用下式進(jìn)行計(jì)算[3]。

P=Np×n×ρ×N3×D5

(8)

式中:P——攪拌功率,kW;

Np——功率準(zhǔn)數(shù);

n——攪拌層數(shù);

ρ——料漿密度,kg/m3;

N——攪拌轉(zhuǎn)速,rpm;

D——攪拌槳葉直徑,m。

攪拌功率與功率準(zhǔn)數(shù)、攪拌層數(shù)、料漿密度成正比;與攪拌轉(zhuǎn)速三次方成正比;與槳葉直徑五次方成正比;在相同高度下,分解槽的有效容積與槽罐直徑成二次方關(guān)系,而攪拌功率與槳葉直徑五次方成正比,由此可以看出隨著分解槽直徑的增加,單位分解槽容積的攪拌功率增加,按照國(guó)內(nèi)氧化鋁行業(yè)常用的機(jī)械攪拌對(duì)比不同分解槽直徑下的攪拌功率見表2。

表2 不同直徑分解槽攪拌功耗

3.2 分解料漿提料功耗

在100萬(wàn)噸生產(chǎn)線配置方案中,由于分解槽直徑不同所帶來的分解槽數(shù)量差異,按照相鄰槽間高差0.8米計(jì),Φ14米方案的分解首槽標(biāo)高比Φ16米方案高2.4米,比Φ18米方案高4.8米,也就是說分解漿液需要額外提升該高度,此時(shí)不同直徑分解槽方案的功率消耗見表3。

表3 不同直徑分解槽料漿輸送功耗

備注:以上比較基于1.同一種機(jī)械攪拌型式;2.接近的槽內(nèi)料漿均勻度。

3.3 提料風(fēng)對(duì)應(yīng)空壓站及循環(huán)水功耗

分解料漿經(jīng)過提料筒從前到后依次流過分解系列,其動(dòng)力主要是相鄰兩個(gè)分解槽之間的高差,在料漿均勻度不足時(shí),需要通入壓縮空氣輔助提料,料漿均勻度越差,需要的壓縮空氣越多,在實(shí)際生產(chǎn)中通常按照單槽壓縮空氣供給量4.5 m3/min設(shè)計(jì),而實(shí)際在上下固含差5%,相鄰槽間高差0.8米時(shí),壓縮空氣的實(shí)際消耗量約為0.7 m3/min,在總分解槽容積相同時(shí),選用不同直徑分解槽對(duì)應(yīng)單位分解槽容積消耗的壓縮空氣,配套的空壓站循環(huán)水及循環(huán)水補(bǔ)新水量以及對(duì)應(yīng)的投資見表4。

表4 不同直徑分解槽壓縮空氣和循環(huán)水消耗

由表4可以看出,隨著分解槽直徑增加,提料風(fēng)消耗量降低,單位分解槽容積的空壓機(jī)和循環(huán)水功率降低,按照國(guó)內(nèi)氧化鋁行業(yè)常用的機(jī)械攪拌對(duì)比不同分解槽直徑下的相關(guān)功率見表5。

表5 不同直徑分解槽壓縮空氣和循環(huán)水功耗

3.4 單位分解槽容積功耗

需要說明的是,上述功耗測(cè)算是基于相同分解時(shí)間進(jìn)行的設(shè)備選型和工藝配置,在進(jìn)行實(shí)際項(xiàng)目比較測(cè)算時(shí),需要考慮1.1節(jié)所述的降效系數(shù),綜合考慮上述各部分的功耗,不同分解槽直徑下的單位容積功耗基本相當(dāng)。

4 葉輪對(duì)顆粒的剪切作用

細(xì)顆粒的破碎可以用葉輪對(duì)細(xì)顆粒的沖擊所產(chǎn)生的壓力的數(shù)量級(jí)高低來解釋。為了計(jì)算沖擊壓力,細(xì)顆粒在沖擊時(shí)的加速度(a)可估算為[4]:

(9)

式中:Vtip——攪拌葉輪的尖端速度(=N×D×π),m/s;

dp——是細(xì)顆粒的直徑,m。

施加在顆粒上的平均剪切力與葉輪尖端速度N×D×π成正比,當(dāng)分解槽直徑增大,葉輪直徑成比例增大時(shí),保持轉(zhuǎn)速不變,則若施加在顆粒上的剪切力增大,顆粒破損增加;若維持剪切力不變,則葉輪速度需要成反比例減小,此時(shí)將犧牲攪拌效果。

5 配套設(shè)施需求

5.1 應(yīng)急事故池

氧化鋁廠需要設(shè)置應(yīng)急事故池,其依據(jù)主要是《化工建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境保護(hù)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[5]中6.6.1 化工建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)設(shè)置應(yīng)急事故水池,由于該標(biāo)準(zhǔn)中只給出了計(jì)算原則,具體的計(jì)算方法可以參考《事故狀態(tài)下水體污染的預(yù)防與控制技術(shù)要求》[6],事故緩沖設(shè)施的總有效容積按下列公式計(jì)算。

V總=(V1+V2-V3)max+V4+V5

(10)

V2=∑Q消×t消

(11)

V5=10q×f

(12)

(13)

式中:V1——收集系統(tǒng)范圍內(nèi)發(fā)生事故的物料量,m3;

V2——發(fā)生事故的儲(chǔ)罐、裝置或鐵路、汽車裝卸區(qū)的消防水量,m3;

Q消——發(fā)生事故的儲(chǔ)罐、裝置或鐵路、汽車裝卸區(qū)同時(shí)使用的消防設(shè)施給水流量,m3/h;

t消——消防設(shè)施對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)消防歷時(shí),h;

V3——發(fā)生事故時(shí)可以轉(zhuǎn)輸?shù)狡渌麅?chǔ)存或處理設(shè)施的物料量,m3;

V4——發(fā)生事故時(shí)仍必須進(jìn)入該收集系統(tǒng)的生產(chǎn)廢水量,m3;

V5——發(fā)生事故時(shí)可能進(jìn)入該收集系統(tǒng)的降雨量,m3;

q——降雨強(qiáng)度,按平均日降雨量,mm;

qa——年平均降雨量,mm;

n——年平均降雨日數(shù);

f——必須進(jìn)入事故廢水收集系統(tǒng)的雨水匯水面積,104m2。

由式(10)～(13)可知,消防水量和降雨量與生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)系較小,而收集系統(tǒng)范圍內(nèi)的事故物料量與氧化鋁廠主要生產(chǎn)裝置區(qū)域最大槽罐容積直接相關(guān),很多工廠的最大槽罐就是分解槽,不同規(guī)格的分解槽對(duì)應(yīng)不同的容積,以某具體項(xiàng)目為例估算不同最大單槽容積下的投資見表6。

表6 不同直徑分解槽應(yīng)急事故池需求及投資差異

5.2 設(shè)備利用率

按照年產(chǎn)100萬(wàn)噸規(guī)模,采用Φ14米分解槽配置方案需要運(yùn)行15臺(tái),備用1臺(tái)(利用率93.75%),采用Φ16米分解槽配置方案需要運(yùn)行12臺(tái),備用1臺(tái)(利用率92.31%),采用Φ18米分解槽配置方案需要運(yùn)行9臺(tái),備用1臺(tái)(利用率90.00%),不同規(guī)格的分解槽配置方案對(duì)應(yīng)的主體設(shè)備利用率不同。

6 分解效率評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)分解效率高低的一個(gè)直觀的衡量指標(biāo)就是相同規(guī)模下分解槽的數(shù)量,或者說年度內(nèi)單位分解槽容積對(duì)應(yīng)的氧化鋁產(chǎn)量,圖3列出了國(guó)內(nèi)外幾個(gè)典型氧化鋁廠單位分解槽容積對(duì)應(yīng)的氧化鋁產(chǎn)量,其中國(guó)外先進(jìn)水平可以達(dá)到17.51 t/m3(折算單臺(tái)分解槽年產(chǎn)氧化鋁10萬(wàn)噸),而我國(guó)現(xiàn)有工廠通常在7～9 t/m3(折算單臺(tái)分解槽年產(chǎn)氧化鋁4～5萬(wàn)噸),差距還是比較大的。因此,可以通過物理放大,也可以通過提高單位分解槽容積的氧化鋁產(chǎn)出率來實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)能,后者尤其是應(yīng)該為從業(yè)者所推崇的。

圖3 不同氧化鋁廠單位分解槽容積對(duì)應(yīng)的氧化鋁產(chǎn)量

7 結(jié)論及建議

通過上述比較可知,對(duì)于確定的分解時(shí)間,在高度相同情況下,不同直徑分解槽總重和總占地面積基本相當(dāng);投資基本相當(dāng),但隨著分解槽直徑的增加,單位分解槽容積的攪拌功耗增加;顆粒剪切增加;產(chǎn)能衰減增加;與直徑無關(guān)的槽體附件重量攤薄,提料風(fēng)用量降低,配套的空壓站和循環(huán)水消耗降低。

從反應(yīng)工程角度考慮,連續(xù)攪拌分解槽數(shù)量有一個(gè)最佳范圍,由圖2可知大約在20臺(tái)左右;數(shù)量太少(直徑過大)反應(yīng)效率低,數(shù)量太多(直徑過小)則投資效率低。

對(duì)于新建項(xiàng)目,分解槽直徑與單條生產(chǎn)線規(guī)模密切相關(guān),單線產(chǎn)能越大,分解槽直徑應(yīng)越大,更大規(guī)格的分解槽可以適應(yīng)更大規(guī)模的單條氧化鋁生產(chǎn)線。

對(duì)于確定的分解時(shí)間,在分解槽高度相同情況下,分解槽總重和總占地與直徑無關(guān)。

受地形限制或改造的項(xiàng)目,應(yīng)綜合考慮分解槽規(guī)格與場(chǎng)地條件。