重堿晶漿稠厚器工藝設(shè)計(jì)

在文獻(xiàn)中，提出了在真空過(guò)濾機(jī)之前和離心分離機(jī)之前添加壓迫堿晶漿厚裝置的兩個(gè)工藝。本文介紹了壓迫堿厚裝置的工藝設(shè)計(jì)和計(jì)算。1為重堿厚機(jī)的目的安裝重堿厚設(shè)備1.1增設(shè)重堿稠厚器聯(lián)合制堿法碳化取出液固液比低是其純堿產(chǎn)品鹽分高于氨堿法的一個(gè)重要原因。主要是由于洗水在真空過(guò)濾機(jī)濾餅內(nèi)置換母液過(guò)程中的混合和分子擴(kuò)散作用,造成了濾餅表面和里層所含氯根的差異,所以增設(shè)重堿稠厚器,將進(jìn)入過(guò)濾機(jī)的取出液晶漿增稠,提高濾餅的形成速度和厚度,可以降低純堿產(chǎn)品鹽分。濕重堿的水分也會(huì)有一定程度的降低。1.2重堿晶漿的開孔率為了降低純堿生產(chǎn)的能耗,行業(yè)一直在追求離心機(jī)代替真空過(guò)濾機(jī)分離重堿晶漿,但適用于純堿生產(chǎn)的連續(xù)推料離心機(jī)的篩網(wǎng)開孔率很有限,僅6%～7%,大的也只能放大到8%～9%,因此,要求進(jìn)入離心機(jī)的料漿必須稠厚到較高的固液比。1.3在重堿分離和清洗過(guò)程中，應(yīng)使用清潔后的晶漿厚進(jìn)行濕潤(rùn)關(guān)于重堿二次分離和洗滌技術(shù)可以比較徹底解決聯(lián)合制堿法純堿產(chǎn)品鹽分高的問(wèn)題,已進(jìn)行過(guò)討論。2重堿晶漿稠厚器聯(lián)合制堿工廠比較熟悉氯化銨晶漿稠厚器,與其比較,由于單位能力的重堿量(G)為氯化銨的1.8～2倍,重堿結(jié)晶的粒度又比氯化銨結(jié)晶小得多,所以重堿稠厚器的直徑和容積要大得多。重堿結(jié)晶篩分中約有1%～5%(G)<40μm的細(xì)小結(jié)晶,在重堿工序沒(méi)有送回結(jié)晶裝置再長(zhǎng)大的可能,故重堿晶漿稠厚器上部需要設(shè)計(jì)澄清段,盡量減少溢流帶晶量,減輕母液Ⅰ桶沉淀的處理負(fù)荷。這樣,重堿晶漿稠厚器便由上部澄清段、中部稠厚段和下部攪拌裝置組成。另外,重堿結(jié)晶的粒度分布中小顆粒也比較多的特點(diǎn),重堿稠厚器的進(jìn)料量不希望長(zhǎng)時(shí)間的超負(fù)荷和頻繁的波勸,故有條件時(shí)實(shí)現(xiàn)1臺(tái)碳化塔對(duì)1臺(tái)稠厚器比較好;由于索爾維碳化塔的開塔階段和作業(yè)末期常出現(xiàn)重堿結(jié)晶質(zhì)量較大的波動(dòng),建議按2臺(tái)碳化塔對(duì)1臺(tái)稠厚器進(jìn)行設(shè)計(jì),這樣會(huì)平穩(wěn)些。3重堿厚機(jī)的主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)方法3.1分液結(jié)晶結(jié)晶稠厚段尺寸原則上按照通常的方法計(jì)算。稠厚段工作原理:碳化塔取出液晶漿進(jìn)入重堿稠厚器后分為2股物料流,一股為上升到上部澄清段的溢流清液,稱頂流;另一股是下降到底部較稠厚的晶漿流,亦稱底流。由于晶漿增稠,空隙率減小,晶漿沉降速度降低;欲使晶粒下沉,晶漿的上升速度必須低于晶粒的沉降速度才能實(shí)現(xiàn)。稠厚段的晶粒沉降屬于干擾沉降。3.1.1晶漿中晶粒的沉降在液固流態(tài)化過(guò)程中晶粒的沉降是液體上升產(chǎn)生對(duì)晶粒的“曳力”與重力的平衡力所造成的,保持液體上升速度與沉降速度相等,晶粒就懸浮在液體中只能滾動(dòng)而不能上升和下降。當(dāng)晶漿濃度較高,且晶粒直徑>100μm時(shí),晶粒的沉降速度受到阻滯而降低。根據(jù)重堿結(jié)晶的粒度和稠厚器要求達(dá)到的工況,可以使用Richardson和Zaki的關(guān)系式計(jì)算在晶漿中晶粒的沉降速度uc。uc=ui·en(1)式中:uc——晶漿中晶粒的沉降速度,cm/s;ui——晶漿濃度為零,空隙率為1的沉降速度,稱終端速度,cm/s;e——空隙率;n——空隙率指數(shù),是Re′的函數(shù)。1清液密度法終端速度ui等于清液上升速度u,即:ui=u=Re′?μdp?ρ(2)式中:u——清液上升速度,cm/s;Re′——以清液的粘度、密度、流速以及晶粒直徑為基準(zhǔn)的雷諾數(shù);μ——清液粘度,g/cm·s;dp——晶粒直徑,cm;ρ——清液密度,g/cm3。由于清液上升速度亦未知,故以下列不含溶液流速的數(shù)群計(jì)算Re′:R′ρu2?Re′2=2dp3?ρ?g?(ρc-p)3μ2(3)式中:R′——曳力系數(shù);ρc——晶粒密度,g/cm3;g——重力加速度,981cm/s2。其中清液粘度μ、密度ρ可根據(jù)碳化取出液的常規(guī)組成和溫度,并按照大連化工研究設(shè)計(jì)院研究的關(guān)系式計(jì)算;晶粒直徑dp可以重堿結(jié)晶篩分測(cè)定的平均粒徑dm代替;晶粒密度ρc是重堿結(jié)晶中NaHCO3、NH4HCO3和Na2CO3三固相的混合密度,ρc=2200kg/m3,或2.2g/cm3。計(jì)算出(3)式等號(hào)右邊的數(shù)值后可由lgR′ρu2?Re′2與lgRe′的關(guān)系表中查得lgRe′,求出Re′,并按照(2)式計(jì)算出終端速度ui。2固液比的計(jì)算按照純堿生產(chǎn)操作習(xí)慣,晶漿空隙率e以下式計(jì)算:e=1-εm′(4)式中:m′——視體積固液比,%,或沉淀量;ε——真體積固液比m與視體積固液比的換算系數(shù),索爾維碳化塔重堿純晶ε=0.31,環(huán)流式碳化塔重堿結(jié)晶ε=0.35?？梢园凑障乱还ば蚍蛛x設(shè)備(離心機(jī)或過(guò)濾機(jī))要求的操作晶漿濃度m′設(shè)計(jì)稠厚段的空隙率e。3n間隙率指數(shù)3.1.2稠厚晶漿真體積固液比的確定令:U——稠厚器(段)底流流量,m3/h;V——稠厚器(段)頂流流量,m3/h;W——碳化取出液清液流量,m3/h;B——重堿結(jié)晶流量,kg/h;m——稠厚晶漿真體積固液比,%,m=εm′;A——稠厚段截面積,m2;D2——稠厚段直徑,m。按照上述符號(hào)的物理意義,在連續(xù)正常作業(yè)時(shí),U=Bρc?m(6)V=W-(U-Bρc)=W-Bρc(1m-1)(7)于是,A=Vuc=W-Bρc(1m-1)uc(8)由于分離設(shè)備,尤其是離心機(jī)需要經(jīng)常性的刷車,稠厚器臨時(shí)不下料,此時(shí)U=0。A=W+B/ρcuc(8)′D2=√4(W+B/ρc)π?uc(9)3.1.3溢流清液干擾所需的晶漿容積的確定在稠厚段上部已設(shè)置澄清段,稠厚段高度設(shè)計(jì)就不必考慮晶漿懸浮,或者說(shuō)晶漿流在懸浮層上部的“騰涌”現(xiàn)象對(duì)溢流清液干擾所需的高度,而按晶漿在稠厚段必要的停留時(shí)間所需的晶漿容積來(lái)確定。Q=U?Τ=Bρc?m?Τ(10)Η2=QA=B?Τρc?m?A(11)式中:Q——稠厚段晶漿容積,m3;T——晶漿停留時(shí)間,h;H2——稠厚段高度,m。3.2澄清段直徑c1和高度h3.2.1最小粒子被稠厚器溢流液帶出的量d為了避免澄清段直徑設(shè)計(jì)得過(guò)大,根據(jù)重堿結(jié)晶粒度篩分細(xì)小顆粒的實(shí)際情況,允許占結(jié)晶全部重量2%以下的最小粒子被稠厚器溢流液帶出,相當(dāng)于溢流液固液比(或沉淀量)0.3%～0.5%。不被溢流液帶出的最小晶粒直徑,我們姑且稱為“臨界”沉降直徑d0。按照不同的重堿結(jié)晶質(zhì)量,可以選擇d0=40～50μm。3.2.2晶粒自適應(yīng)公式澄清段內(nèi)的結(jié)晶粒子很少,其流型屬層流范圍:10-4<Re<1,可以應(yīng)用自由沉降的stokes公式:u0=d20?(ρc-ρ)?g18μ(12)式中:u0——小晶粒的自由沉降速度,m/s;d0——晶粒直徑,m;ρc——重堿結(jié)晶密度,kg/m3;ρ——碳化取出液密度,kg/m3;g——重力加速度,9.81m/s2;μ——碳化取出液粘度,kg/m·s。3.2.3澄清段直徑c1按U=0設(shè)計(jì)D1=√4?(W+Bρc)π?u0(13)式中:D1——澄清段直徑,m。3.2.4連接段的尺寸設(shè)計(jì)澄清段高度設(shè)計(jì)是要解決隨頂流液體上升的較大晶粒因慣性而對(duì)溢流清液的干擾,由于重堿晶漿稠厚器的澄清段直徑D1要比稠厚段直徑D2大得多,聯(lián)接段的高度H1-2也比較可觀,而且,在聯(lián)接段中隨著頂流液體的上升速度逐漸降低,晶粒上升的慣性得以收斂,所以澄清段上部的直筒部分高度H1-1已不必考慮上述影響,只要能按排溢流箱的設(shè)置和液面以上的正常空間即可。H1=H1-1+H1-2。聯(lián)接段大小頭的水平夾角大于45°為宜。3.3錐底錐底設(shè)置框式攪拌裝置和下料管,水平夾角30°～45°。攪拌轉(zhuǎn)速約為2r/min,攪拌框頂端的線速度<1m/s。3.4設(shè)計(jì)適當(dāng)大的晶漿在稠厚器上部設(shè)計(jì)一與攪拌軸同心的導(dǎo)流筒,以避免進(jìn)料晶漿干擾澄清段操作。導(dǎo)流筒要設(shè)計(jì)得足夠大,使晶漿在其中緩慢穩(wěn)定下降,減輕對(duì)稠厚段的沖擊。導(dǎo)流筒的插入深度在聯(lián)接段的下部,稠厚段的上方,以其下端筒外的環(huán)形截面積不小于稠厚段的截面積為宜,以免該處由于上升速度突然增高而產(chǎn)生渦流,影響過(guò)濾段的穩(wěn)定。4堿性厚刻度計(jì)的計(jì)算4.1項(xiàng)目任務(wù)1)設(shè)計(jì)能力70kt/a,與φ4000環(huán)流式碳化塔和φ1000雙級(jí)連續(xù)推料離心機(jī)配套。2)稠厚晶漿視體積固液比60%。4.2稠厚器lg1)重堿結(jié)晶宜取低限水平。篩分:dp(dm):141μm;d0:選50μm;B:NaHCO3、NH4HCO3和Na2CO3三固相當(dāng)量1611kg/t?B=1611×70000330×24×1.15=16374kg/h。2)碳化取出液常規(guī)組成(tt):μ:按下式計(jì)算lgμ=807.97×1273+40+0.340×10-3×32.89-2.688×10-3×82.92+3.829×10-3×113.92+1.851×10-3×20.55-2.7999=0.044μ=1.1066cp,或1.1066×10-2g/cm·s、1.1066×10-3kg/m·s;圖1為稠厚器示意圖。查球形粒子(見表1)的lgR′ρu2?Re′2～lgRe′表,得lgRe′=0.0886,Re′=1.2263。ui=Re′?μdp?ρ=1.2263×1.1066×10-20.0141×1.134=0.8487cm/se=1-ε?m′=1-0.35×0.60=0.79n=4.4?Re′-0.1=4.4×1.2263-0.1=4.311uc=ui?en=0.8487×0.794.311=0.307cm/s?或11.06m/h。取整D2=4900mm。4.3.2復(fù)合流型的制備根據(jù)重堿稠厚器實(shí)際操作,取停留時(shí)間T為30min,0.5h,則H2為:Η2=B?Τρc?m?A=16374×0.52200×0.35×0.60×π4?(4.9)2=0.94m取整H2=1000mm。復(fù)合流型: