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硝酸钾冷却用板式换热器的设计研究
李魁林 张 罡
(湖南岳阳市化工机械厂) (湖南岳阳市钾盐科学研究所)
摘要：根据生产硝酸钾工艺要求与物料特性,设计了用于冷却换热的板式换热器。该设备板片尺寸为宽0. 82m、厚2mm、展开长2. 14m,板片总数35块,单片有效换热面积1. 3m2,板间距8mm;换热器设计压力0. 6MPa,设计温度150℃。
关键词：板式换热器 硝酸钾 冷却结晶
中图分类号：TQ051·5 文献标识码：A 文章编号：0254-6094(2006)01-0011-04
在硝酸钾冷却结晶工艺中,国内企业使用的冷却换热设备主要有空气冷却器、蛇管冷却器、夹套冷却器、夹套带蛇管冷却器、螺旋板换热器和喷雾冷却器。而这些设备或多或少地存在着冷却缓慢、生产能力低、易结垢、传热效果差、设备体积大以及容易发生物料沉积堵塞等不足。针对目前国内硝酸钾生产企业冷却结晶方面存在的问题,经试验验证,板式换热器应用于硝酸钾溶液冷却工艺完全可行。因此,在国内某集团公司年产50k农用硝酸钾项目中,设计并采用BR0. 3-0. 6-10-E型板式换热器,填补国内板式换热器应用于硝酸钾生产中的空白。
1 结构设计
板式换热器(图1)是由一系列具有凸凹波纹表面的平行板片组成,板片间用密封胶垫密封,板片上的波纹是为了增加流体扰动和板片机械强度。板片的四角都有通道孔,被夹紧在带有法兰和接管的柜架上,接管孔与外部管路相连接,板片吊在上部悬挂横梁上,并用下定位横梁使其对中。用一个沿上部横梁可以滑动的活动压紧板将板片紧压在固定压紧板上,并用水平螺栓紧固。
2 工艺设计计算
2.1 工艺条件与设计要求
复分解循环法生产硝酸钾工艺过程是[1]:在循环母液中加入氯化钾调配成一定温度与浓度的溶液,溶液经冷却结晶析出硝酸钾晶体,然后经分离得硝酸钾晶体与母液I。母液I中蒸发浓缩到一定浓度,再加入硝酸铵溶解,再冷却结晶析出氯化铵晶体,然后经分离得氯化铵晶体与母液II,母液II返回循环使用。硝酸钾结晶溶液主要组成物质为K+、NH4+、Na+//Cl-、NO3-—H2O盐水体系。硝酸钾结晶溶液冷却前初始温度t1=115℃,冷却结晶终点温度t2=30℃,定性温度t=(t1+t2) /2=72. 5℃,此温度条件下,溶液物理参数为:密度ρ1=1300kg/m3;粘度μ1=0. 43×10-3Pa·s,比热容C1=1869J/(kg·K),导热系数λ1=0. 521W /(m2·℃)(均为实测值)。
由于溶液在冷却过程中结晶析出硝酸钾晶体颗粒,为防止结晶颗粒沉积堵塞,溶液流程不宜过多,故选定溶液流程采用单流程,即选定板式换热器流程为板两侧均为单流程,且流路为全逆流。
板式换热器板片波形选定人字形波纹,由于采用单流程,在流速一定条件下,为尽可能增加溶液在板间换热时间,选定人字形板片宽度为B=0. 82m,展开长度L=2. 14m,单片有效换热面积为B1×L1=0. 65×2. 0=1. 3m2。
由于溶液中含有硝酸钾晶体颗粒,如果换热板间的间隙过小,溶液流速过小,很容易造成堵塞,因此设计时选定板间距δ=8mm,当量直径De=2δ=16mm,溶液流速v1=0. 3m/s。
因物料有较强的腐蚀性,而且温度较高,故板片选用316L不锈钢材料,板片厚度选定σ=2mm,密封垫片选用三元乙丙橡胶。设计温度150℃,设计压力0. 6MPa,角孔直径选定为250mm。
板式换热器中的冷却水采用冷却塔循环水,可供流量为W2=160m3/h,冷却水进口温度T1=25℃,已知冷却水比热容C2=4187J/(kg·K),密度ρ2=1000kg/m3,设冷却水平均出口温度为T2。
2.2 传热量
已知每100kg溶液可结晶析出硝酸钾晶体约30kg,即固相硝酸钾浓度为30%。硝酸钾年设计生产能力50k,t年设计生产日为300d,板式换热器按年连续工作时间200d计算。则板式换热器每小时生产硝酸钾产量m为：
m=50000000/(200×24)=10416kg/h
每台板式换热器需要冷却处理溶液量M为：
M=m/0. 3=34720kg/h
所需传热量Q为:
Q=C1M(t1-t2)=1532165W
冷却水平均出口温度T2为:
T2=T1+Q /(C2W2ρ2)=33. 23℃
定性温度T=(T1+T2) /2=29. 1℃。此温度
下物理参数:粘度μ2=0. 80×10-3Pa·s,密度ρ2=1000kg/m3,比热C2=4187J/(kg·K),导热系数λ2=0. 61W /(m2·℃)[2]。
2.3 总传热系数
2·3·1 溶液侧的传热膜系数α1
2·3·4 污垢系数γ1、γ2
由于目前还无法对污垢热阻进行定量计算,故设计时一般取经验数据。冷却水的水温小于50℃,流速小于1m/s时的污垢系数一般在0. 0005374~0. 000172W /(m2·s·K)。本设计取水为冷却塔循环水(未处理补给水)故污垢系数为0. 0005374m2·s·K/W;纯无机盐溶液污垢系数一般在0. 0001W /(m2·s·K)左右,根据生产实践经验,因溶液中含有少量钙镁、有机物、水不溶物,这些物质易形成污垢吸附于换热面,因而污垢热阻增加,经简单试验测试,溶液污垢系数约0. 0003217W /(m2·s·K)。因此,溶液侧γ1=0. 0003217W /(m2·s·K );冷水侧γ2=0. 0005374W /(m2·s·K)[4]。
2·3·5 总传热系数K
板式换热器的总传热系数按下式计算：
2.5 设备台数与组装形式
根据上述计算结果,考虑设备交替维修使用选用2台结构相同的板式换热器并联使用。每台板式换热器板片33块,加上两端各有一块端面用板,故共需35块板。通道数34个。板式换热器组装形式为：
即热流体只有一个流程, 17个通道;冷流体也只有1个流程, 17个通道。该换热器的换热面积为44. 2m2。通过验算得知,为了保证设计所需的溶液流速,进入每台换热器的溶液流量应为95m3/h,溶液需要循环经过板式换热器的次数为7. 2次,方可冷却到要求的温度。另外,进入板式换热器的冷却水最大流速应为0. 25m/s。
3 结束语
设计计算表明,年产50kt硝酸钾生产装置采用2台BR1. 3-0. 6-44. 2-E型板式换热器即可满足生产需求。该换热器中板片宽度为0. 82m,展开长度2. 14m,单片有效换热面积为1. 3m2,板片总数35,通道数17个,设计压力0. 6MPa,设计温度150℃,板厚2mm,板间距为8mm。
板式换热器应用硝酸钾冷却和国内现采用的硝酸钾冷却设备相比较,板式换热器具有传热效率高、结构紧凑、造价低、体积小、生产能力大以及不易结垢等优点。初步估算,年产50kt硝酸钾装置如果采用蛇管换热器,传热系数不足200W /(m2·s·K),系统设备所占总体积将超过150m3,投资约240万元;而采用板式换热器时,传热系数超过600W /(m2·s·K),系统设备所占总体积将不足65m3,投资约85万元。
目前,我国硝酸钾生产工业发展迅速,生产规模越来越大,如果在硝酸钾生产中推广使用板式换热器,可以大幅度降低投资,减少用地面积,提高生产能力,降低能耗,这对提高我国硝酸钾生产技术水平和经济社会效益有重要意义。
参考文献
1 沈晃宏,张罡,张一甫等·年产20kt硝酸钾生产装置概况·化工进展, 2002, 19(7): 506~508
2 化学工程手册编委会.化学工程手册(1).北京:化学工业出版社, 1989
3 化学工程手册编委会.化学工程手册(2).北京:化学工业出版社, 1989
4 化工设备设计全书编委会.换热器设计.上海:上海科学技术出版社, 1988
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