重堿晶漿稠厚器工藝設(shè)計

在文獻中，提出了在真空過濾機之前和離心分離機之前添加壓迫堿晶漿厚裝置的兩個工藝。本文介紹了壓迫堿厚裝置的工藝設(shè)計和計算。1為重堿厚機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重要原因。主要是由于洗水在真空過濾機濾餅內(nèi)置換母液過程中的混合和分子擴散作用,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,將進入過濾機的取出液晶漿增稠,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)一直在追求離心機代替真空過濾機分離重堿晶漿,但適用于純堿生產(chǎn)的連續(xù)推料離心機的篩網(wǎng)開孔率很有限,僅6%～7%,大的也只能放大到8%～9%,因此,要求進入離心機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程中，應(yīng)使用清潔后的晶漿厚進行濕潤關(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)品鹽分高的問題,已進行過討論。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的細小結(jié)晶,在重堿工序沒有送回結(jié)晶裝置再長大的可能,故重堿晶漿稠厚器上部需要設(shè)計澄清段,盡量減少溢流帶晶量,減輕母液Ⅰ桶沉淀的處理負荷。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,重堿稠厚器的進料量不希望長時間的超負荷和頻繁的波勸,故有條件時實現(xiàn)1臺碳化塔對1臺稠厚器比較好;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,建議按2臺碳化塔對1臺稠厚器進行設(shè)計,這樣會平穩(wěn)些。3重堿厚機的主要工藝尺寸的設(shè)計方法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算。稠厚段工作原理:碳化塔取出液晶漿進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)化過程中晶粒的沉降是液體上升產(chǎn)生對晶粒的“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而不能上升和下降。當(dāng)晶漿濃度較高,且晶粒直徑>100μm時,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到的工況,可以使用Richardson和Zaki的關(guān)系式計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)計院研究的關(guān)系式計算;晶粒直徑dp可以重堿結(jié)晶篩分測定的平均粒徑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。計算出(3)式等號右邊的數(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)式計算出終端速度ui。2固液比的計算按照純堿生產(chǎn)操作習(xí)慣,晶漿空隙率e以下式計算: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(離心機或過濾機)要求的操作晶漿濃度m′設(shè)計稠厚段的空隙率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。按照上述符號的物理意義,在連續(xù)正常作業(yè)時,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,尤其是離心機需要經(jīng)常性的刷車,稠厚器臨時不下料,此時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)計就不必考慮晶漿懸浮,或者說晶漿流在懸浮層上部的“騰涌”現(xiàn)象對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間所需的晶漿容積來確定。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)計得過大,根據(jù)重堿結(jié)晶粒度篩分細小顆粒的實際情況,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)計澄清段高度設(shè)計是要解決隨頂流液體上升的較大晶粒因慣性而對溢流清液的干擾,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)計適當(dāng)大的晶漿在稠厚器上部設(shè)計一與攪拌軸同心的導(dǎo)流筒,以避免進料晶漿干擾澄清段操作。導(dǎo)流筒要設(shè)計得足夠大,使晶漿在其中緩慢穩(wěn)定下降,減輕對稠厚段的沖擊。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,影響過濾段的穩(wěn)定。4堿性厚刻度計的計算4.1項目任務(wù)1)設(shè)計能力70kt/a,與φ4000環(huán)流式碳化塔和φ1000雙級連續(xù)推料離心機配套。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)重堿稠厚器實際操作,取停留時間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: