王 冠 ， 邵繼東

(惠生工程(中國(guó))有限公司 ， 河南 鄭州 450046)

?設(shè)計(jì)與計(jì)算?

三聚氰胺成品氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 冠 ， 邵繼東

(惠生工程(中國(guó))有限公司 ， 河南 鄭州 450046)

通過(guò)對(duì)采用意大利ETCE工藝年產(chǎn)60 kt/a三聚氰胺裝置成品氣力輸送系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)，對(duì)比分析了正壓、負(fù)壓氣力輸送及稀相、密相氣力輸送不同方案的沿程阻力、沿程溫降和能耗大小，給出了適宜于ETCE工藝裝置系統(tǒng)最佳的成品氣力輸送系統(tǒng)方案。

三聚氰胺 ； 氣力輸送 ； 沿程溫降 ； 沿程阻力

0 引言

氣力輸送具有物料的適應(yīng)性好，輸送距離遠(yuǎn)；無(wú)二次污染；輸送線路布置靈活，占地面積少；機(jī)械傳動(dòng)部件少，操作管理方便，易損件少，維修費(fèi)用低；易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)[1]，氣力輸送已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于食品、鋼鐵、化工、水泥、環(huán)保等領(lǐng)域中粉粒體物料的輸送。

三聚氰胺生產(chǎn)工藝按熔融尿素?zé)峤鈮毫Σ煌譃榈蛪悍?、中壓法和高壓法三種，典型代表分別為德國(guó)BASF工藝、荷蘭DSM工藝、意大利ETCE工藝[2]。采用不同工藝時(shí)，成品的品質(zhì)不同，對(duì)應(yīng)于成品的氣力輸送方案也不同，目前國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)的采用ETCE工藝最大產(chǎn)能為30 kt/a，60 kt/a裝置正在設(shè)計(jì)中。本文以60 kt/a三聚氰胺為例，對(duì)三聚氰胺成品氣力輸送系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 三聚氰胺成品氣力輸送系統(tǒng)工藝流程示意圖

來(lái)自干燥工序的三聚氰胺粉料，經(jīng)氣力輸送至包裝車間料倉(cāng)，輸送介質(zhì)為空氣，通過(guò)羅茨風(fēng)機(jī)升壓、冷卻、汽水分離后與三聚氰胺粉料一同送至包裝車間料倉(cāng)，氣體經(jīng)料倉(cāng)頂部布袋除塵器分離后放空，三聚氰胺粉末收集在料倉(cāng)中作為成品去包裝系統(tǒng)。

1 氣力輸送系統(tǒng)方案的確定

氣力輸送系統(tǒng)可以有多種不同的分類，就壓力特征來(lái)說(shuō)，可分為正壓、負(fù)壓和正負(fù)壓混合氣力輸送系統(tǒng)[3]。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)被輸送物料的當(dāng)量輸送距離超過(guò)100 m時(shí)，由于受負(fù)壓壓力的限制，不建議采用負(fù)壓氣力輸送，而采用正壓氣力輸送。就本設(shè)計(jì)項(xiàng)目，實(shí)際輸送距離已經(jīng)超過(guò)了200 m，所以采用正壓氣力輸送。

按固氣比m的大小，氣力輸送系統(tǒng)可分為稀相(m<10)、中相 (10≤m<25)和密相氣力輸送(m≥25)。稀相輸送氣體的壓力較低，輸送速度較大，適于輸送質(zhì)量和粒度較小、干燥和易流動(dòng)、輸送距離不大的場(chǎng)合；密相輸送速度低，能做到最少的管道磨蝕和物料破碎，耗氣量少，輸送終端的料氣分離容易，但輸送壓力高，輸送管道易堵塞等。在本設(shè)計(jì)中將分析不同固氣比時(shí)，輸送系統(tǒng)的沿程壓降、沿程溫降和能耗，通過(guò)對(duì)比得出適易的固氣比。

2 氣力輸送系統(tǒng)的計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)條件

系統(tǒng)出力G，7.5 t/h，設(shè)計(jì)出力Gs，9 t/h；三聚氰胺進(jìn)入輸送系統(tǒng)的溫度為90～110 ℃。三聚氰胺粒度，100～400目占比95%；堆積密度，800 kg/m3；含水率，小于0.1%。

2.2 選定固氣比m

在本設(shè)計(jì)中將分別選擇固氣比為1.1、10、20、30四種情況進(jìn)行分別計(jì)算。

2.3 輸送系統(tǒng)壓力損失的計(jì)算

輸送系統(tǒng)的壓力損失是確定輸送系統(tǒng)所需動(dòng)力設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)，國(guó)內(nèi)外很多專家對(duì)壓降的計(jì)算進(jìn)行了研究，提出了適用于不同工況的計(jì)算方法。氣力輸送系統(tǒng)總的壓力損失Δpt可按如下公式計(jì)算[4]：

Δpt=Δpa+Δpp+Δpj+Δpsh+Δpw+Δpq+Δpg

(1)

式中： Δpa——純空氣(空氣中不含物料)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力損失，Pa；

Δpp——沿直管中輸送氣流與管壁、顆粒的摩擦，顆粒與管壁及顆粒之間相互碰撞摩擦產(chǎn)生的壓力損失， Pa；

Δpj——將顆粒加速到穩(wěn)定輸送速度所產(chǎn)生的壓力損失， Pa；

Δpsh——在垂直輸料管中提升物料時(shí)克服重力所產(chǎn)生的壓力損失， Pa；

Δpw——彎管壓力損失，主要是由流動(dòng)方向改變而產(chǎn)生離心力的作用，引起渦流以及物料沿外壁滑行所產(chǎn)生的壓力損失， Pa；

Δpq——各主要部件如供料裝置、除塵器、消聲器等產(chǎn)生的壓力損失， Pa；

Δpg——排氣壓力損失， Pa。

2.3.1 純空氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力損失

①直管沿程摩擦壓力損失Δpal純氣流沿圓形斷面管道流動(dòng)所產(chǎn)生的壓力損失，對(duì)低真空或低壓輸送情形，可視為等容過(guò)程，按下式計(jì)算：

(2)

l——管道長(zhǎng)度，m；

D——管道內(nèi)直徑，m；

ρa(bǔ)——空氣密度，kg/m3；

νa——?dú)饬魉俣?，m/s

②局部壓力損失Δpa2：

(3)

式中：ε——局部阻力系數(shù)，主要取決于管件的具體結(jié)構(gòu)、尺寸。

2.3.2 雙相流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦壓力損失ΔPp

對(duì)于低壓或低真空輸送裝置情況：

(4)

式中：kp——由試驗(yàn)確定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與物料的形狀、懸浮速度等有關(guān)，在本例中取0.02。

2.3.3 加速壓力損失Δpj

(5)

2.3.4 彎管壓力損失Δpw

(6)

式中：εw——輸送純氣流時(shí)彎管的阻力系數(shù)；

kw——物料通過(guò)彎管時(shí)的阻力系數(shù)。

2.3.5 提升壓力損失Δpsh

(7)

式中：νm——垂直管內(nèi)顆粒達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度，按式νm=νa-νt(νt為物料懸浮速度阻力系數(shù))。

2.3.6 排料壓力損失Δpg

(8)

式中：ρa(bǔ)及νa為輸料管末端卸出口處空氣密度和速度。

2.4 不同固氣比時(shí)輸送系統(tǒng)沿程溫降的計(jì)算

①輸送管道始端加料點(diǎn)處料氣混合物溫度tb：

(9)

式中：Ga——每小時(shí)空氣的質(zhì)量流量，kg/h；

ca——空氣的比熱容，一般采用1 kJ/(kg·℃)；

t——輸送空氣的溫度，℃， 在本例中出氣體冷卻器的溫度為15 ℃；

ch——輸送物料的比熱容，三聚氰胺的比熱容為1.473 kJ/(kg·℃)；

th——輸送物料的溫度，℃。

表1 不同固氣比、不同進(jìn)料溫度時(shí)加料點(diǎn)混合物溫度 ℃

注：A，進(jìn)料溫度110 ℃；B，進(jìn)料溫度90 ℃。

②進(jìn)入三聚氰胺儲(chǔ)罐時(shí)三聚氰胺的溫度可由下式計(jì)算：

(10)

(11)

式中：t——距該管段始端當(dāng)量長(zhǎng)度Leq處的料氣混合物溫度，℃；

ta——大氣溫度，可取年平均值，℃，算例中取為7；

Dw——管道外徑，m

α——管道外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，kJ/(m2·h·℃)，一般可取α=20×4.185kJ/(m2·h·℃)；

W——風(fēng)速，m/s，可取年平均值2.1 m/s。

表2 不同固氣比、不同進(jìn)料溫度時(shí)三聚氰胺進(jìn)入儲(chǔ)罐的溫度 ℃

注：A，進(jìn)料溫度110 ℃；B，進(jìn)料溫度90 ℃。

根據(jù)公式(9)和(10)計(jì)算出的結(jié)果可以得出，隨著固氣比的增大，進(jìn)入三聚氰胺儲(chǔ)罐的物料溫度越高。按進(jìn)料溫度最高為110 ℃計(jì)算，在固氣比為1.1時(shí)，進(jìn)入儲(chǔ)罐的溫度為30.8 ℃，比較適宜包裝，當(dāng)固氣比增大為10、20和30時(shí)，進(jìn)入三聚氰胺儲(chǔ)罐的物料溫度達(dá)到了50 ℃以上，而且溫度變化趨緩，由此得出低固氣比稀相輸送對(duì)于輸送物料溫度較高的三聚氰胺成品包裝較有利。但由于公式(9)和(10)不可能將所有的熱因素考慮進(jìn)去，比如物料和管道之間的摩擦生熱、物料顆粒與顆粒之間的碰撞摩擦生熱，以及輸送空氣和物料之間的換熱和輸送物料通過(guò)管壁和大氣之間的換熱是同時(shí)進(jìn)行的，所以按公式(9)和(10)計(jì)算出的結(jié)果，一般小于實(shí)測(cè)值。

2.5 不同固氣比時(shí)輸送系統(tǒng)壓力損失的計(jì)算

根據(jù)以上計(jì)算公式編制計(jì)算程序，計(jì)算固氣比m分別為1.1、10、20、30時(shí)三聚氰胺成品輸送系統(tǒng)的各部分阻力及系統(tǒng)參數(shù)列于表3。

通過(guò)對(duì)不同固氣比時(shí)，三聚氰胺成品輸送系統(tǒng)阻力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析知，隨著固氣比的增加，整個(gè)輸送系統(tǒng)的阻力逐漸增加，密相輸送時(shí)(m=20、30)總阻力比稀相時(shí)(m=1.1、10)總阻力增加約51.5%。對(duì)于本輸送系統(tǒng)，稀相輸送時(shí)根據(jù)系統(tǒng)阻力可選擇羅茨風(fēng)機(jī)作為輸送氣源，而對(duì)于m=20時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓約為93 kPa，此時(shí)若選擇羅茨風(fēng)機(jī)則為高壓羅茨風(fēng)機(jī)，而m=30時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓約為120 kPa，需選擇離心風(fēng)機(jī)，從選擇氣源設(shè)備的能耗來(lái)看，稀相輸送選擇的氣源設(shè)備電機(jī)功率更小，能耗較少，而密相輸送氣源設(shè)備電機(jī)功率更大，能耗大，所以稀相輸送從減小能耗上來(lái)說(shuō)更具優(yōu)勢(shì)。另一方面隨著固氣比的增加，密相輸送氣流速度更低，輸送管道管徑更小，這樣更容易出現(xiàn)管道的堵塞，對(duì)運(yùn)行管理不利。稀相輸送時(shí)，輸送風(fēng)速大，管道磨蝕嚴(yán)重，但就三聚氰胺的輸送，由于物料本身的性質(zhì)，不允許選用碳鋼，與三聚氰胺粉料接觸的的設(shè)備管道均為不銹鋼，耐磨性好，這樣就解決了管道磨蝕影響；另外，稀相輸送，風(fēng)速高，輸送過(guò)程中物料之間的碰撞和物料和管道的碰撞易導(dǎo)致物料破碎，粒度減小，但就歐技工藝三聚氰胺成品來(lái)說(shuō)，粒度37.08～148.3 μm(400至100目)占比95%，所以物料破碎對(duì)成品質(zhì)量影響很小。因此本設(shè)計(jì)中選擇了固氣比m=1.1的稀相輸送作為三聚氰胺成品氣力輸送的方案。

表3 不同固氣比時(shí)三聚氰胺輸送系統(tǒng)阻力值及系統(tǒng)參數(shù)

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)三聚氰胺成品物料性質(zhì)和輸送距離的分析，選擇正壓輸送作為三聚氰胺成品氣力輸送系統(tǒng)的方案。通過(guò)對(duì)不同固氣比(m分別為1.1、10、20、30時(shí))三聚氰胺成品輸送系統(tǒng)管道沿程溫降的計(jì)算，得出了在四種不同固氣比時(shí)，三聚氰胺成品進(jìn)入三聚氰胺儲(chǔ)罐時(shí)的溫度分別為30.8、50.6、54.2、58.2 ℃，表明在固氣比為1.1時(shí)，對(duì)三聚氰胺成品的包裝更有利。通過(guò)對(duì)不同固氣比(m分別為1.1、10、20、30時(shí))三聚氰胺成品輸送系統(tǒng)管道沿程壓降的計(jì)算，得出隨著固氣比的增加，壓降增加。密相輸送時(shí)總阻力比稀相時(shí)總阻力增加約51.5%。從設(shè)備能耗和運(yùn)行可靠性考慮，選擇輸送系統(tǒng)的固氣比為1.1較合適。

[1] 楊 俊.關(guān)于氣力輸送設(shè)計(jì)問(wèn)題的探討[J].冶金動(dòng)力,2008(5)：89-92.

[2] 馬蔚倉(cāng).三聚氰胺生產(chǎn)裝置的氣力輸送設(shè)計(jì)[J].硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程,2004(1)：24-27.

[3] 吳建偉.氧化鋁粉的壓送式氣力輸送[J].輕金屬,2011(S1)：137-140.

[4] 黃學(xué)群.運(yùn)輸機(jī)械選型設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版(下))[M].北京,化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

2015-10-15

王 冠(1988-)，男，助理工程師，從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)的工作，電話：18637179273。

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1003-3467(2015)11-0054-04