王暢 丁德承

（中國石化集團南京設計院，江蘇南京 210048）

1 前言

混合冷凝器也叫大氣冷凝器，屬于氣液直接接觸的換熱裝置。它被用來冷凝二次蒸汽。在磷復肥生產(chǎn)中常被用來在磷酸濃縮、磷銨料漿濃縮、硝酸磷肥料漿濃縮過程中排出的二次蒸汽的冷凝。磷酸生產(chǎn)中過濾系統(tǒng)大氣冷凝器也屬于此列，只不過真空度不同而已。

混合冷凝器是一種最簡單、最廉價的換熱器。它利用水作為冷卻介質(zhì)（直流水或循環(huán)水）進行直接冷凝。由于冷卻水中有可能帶入濃縮過程中夾帶的料液，因而定期需排出部分冷卻用水，這部分水的排放后的處理方案是選用混合冷凝器必須同時考慮的課題。

混合冷凝器計算的目的是在已知冷凝二次蒸汽所需的冷卻水用量條件下，求出水被最大程度的加熱而需要的冷凝器內(nèi)安置的塔板數(shù)。

2 混合冷凝器的計算步驟

冷卻水消耗量由熱平衡方程式確定：

式中：ω — 需要冷凝的二次蒸汽量，kg/h；

i″ — 冷凝蒸汽的焓，kcal/kg(kJ/kg)；

tk— 出冷凝器冷卻水溫度，℃；

tH— 進冷凝器冷卻水溫度，℃；

c — 水的比熱，kcal/kg?℃(kJ/kg?℃)。

冷凝器直徑的大小要保證被冷凝蒸汽穿過冷凝器時不夾帶液體。根據(jù)生產(chǎn)實際數(shù)據(jù)，對于壓力9.8 ×103～ 19.6×103Pa條件下操作的冷凝器，可以取塔板自由截面上的蒸汽流速15 ～ 30 m/s。

冷凝器的高度應該使蒸汽飽和冷卻水之間有足夠的冷凝接觸表面。

最常用的冷凝器是帶有圓缺塔板的液柱式冷凝器和液膜式冷凝器。

在這種冷凝器中，冷卻水從上而下，由一塊塔板流到另一塊塔板，而被冷凝的蒸汽則由下而上逐步被冷凝。

圓缺塔板的寬度：

式中：Dk—冷凝器直徑，m；

從第一塊塔板流到第二塊塔板水的溫度變化，可按下式計算：

式中：t″—被冷凝蒸汽的溫度，℃；

ti, ti+1—在第i塊塔板上和第i+1塊塔板上水的溫度，℃（水自上而下）；

ω0— 水流下的初速度，m/s

g — 自由落體速度，m/s2

H — 塔板之間的距離，m（流股下落高度）；

b — 水幕寬度（落水邊長寬），m；

δ — 下落時水幕厚度，m；水流動的初速度：

式中：

h—在溢水邊上的液面高度，m（塔板上水層高度）；

式中：η—流量系數(shù)，～ 0.63；

式中：ωcp—水流動的平均速度，m/s；

大氣管直徑和長度

式中：ν—大氣管內(nèi)液體流速，m/s,一般0.5 ～ 0.6m/s

大氣管中液柱高度：

式中：P0— 大氣壓力，Pa；

P — 冷凝器內(nèi)壓力，Pa；

d — 大氣管直徑，m；

不凝性氣體（空氣）量，按下式確定：

被真空泵抽吸的氣體體積：

式中：PB—空氣分壓，Pa。

被真空泵抽吸的空氣溫度：

式中：tH— 冷卻水溫度，℃

tk— 冷凝水溫度，℃。

逆流型冷凝水出口溫度比蒸汽進口溫度低3～5 ℃。

3 計算示例

要求確定混合冷凝器的尺寸。

原始數(shù)據(jù)：

冷凝蒸汽量 ωs=6000

冷凝器中負壓640 mmHg（8.42×104Pa），大氣壓力760 mmHg（- 105Pa）

進冷凝器冷卻水溫度tH= 15℃。

計算：冷卻水量

與此相應的水蒸汽焓i" = 621.1 kcal/kg，蒸發(fā)潛熱r = 566.2 kcal/kg，溫度t" = 54.9℃，比容積ν"= 9.6 m3/kg。

根據(jù)生產(chǎn)實際數(shù)據(jù)，冷凝器排出水溫度比進冷凝器蒸汽溫度低3℃，出口水溫度：

tk=54.9 - 3=51.9 ℃

冷凝1 kg蒸汽所需的冷卻水量m，由熱平衡方程式求出：

i" + m·tH= (1+m)·tk

由此得出：

1小時冷卻水消耗量：

冷卻器直徑：

通過冷凝器蒸汽流速w = 15 m/s求出：

圓整后取冷凝器直徑dk= 1200 mm，這時圓缺塔板寬度l=dk/ 2+50=1200/2+50=650 mm。

冷卻器的熱力計算：

冷凝器熱力計算目的是要求出冷凝器內(nèi)安置的塔板塊數(shù)，冷凝器高度以及塔板間距。塔板數(shù)應滿足將冷卻水溫度加熱到51.9℃，以及每一塊塔板上水的溫度變化。

從塔板上落下水的初始速度：

將相應數(shù)值代入公式，求出：

從第一塊塔板上流出的水的平均流速：

流股厚度：

流股當量直徑：

將求出的數(shù)值代入公式（3）

表1 冷凝器內(nèi)水與蒸汽熱交換計算結(jié)果匯總

于是：

解此方程求出進入第二塊塔板上水的溫度t2= 32.8℃

水吸收的熱量：

Q = 25.6 (32.8-15) / 456 kcal/s

冷凝蒸汽量：

從第二塊塔板流出的水的流量：

25.6 + 0.78 = 26.38 kg/s

用同樣的方法計算從第二塊塔板流到第三塊塔板的熱交換。計算結(jié)果列于表1。

流股厚度：= 0.013 m

流股當量直徑：

從塔板上水流出的初速度：

塔板之間流股平均速度：

將求出的值代入求解t2的公式：

下面列出簡化計算所需的數(shù)據(jù)：

塔板上水層高度，h，m 0.0562

水流出的初速度，ω0，m/s 0.417

從塔板上流出的水平均速度ωcp，m/s 1.79

流股厚度，δ，m 0.013

流股當量直徑， ，m 0.0257

蒸汽溫度t"，℃ 54.9

冷卻水初始溫度，℃ 15

計算結(jié)果列于表2。

表2 冷凝器內(nèi)水與蒸汽熱交換簡化計算結(jié)果

冷凝器中冷卻水溫度變化示于圖1。由圖可見，計算的塔板數(shù)和塔板之間距離，保證冷凝的蒸汽量和水被加熱的程度符合工藝要求。

圖1 冷凝器中冷卻水溫度變化

取d = 250 mm。

大氣管的高度：

與真空度640 mmHg相應的水柱高度。

H1= 10.33×640/760=8.7 m

水在大氣管中流動雷諾數(shù)

Re = 105～ 108范圍內(nèi)平滑管的摩擦系數(shù)：

大氣管中壓力損失：

大氣管的計算：大氣管直徑：

預留大氣管安全高度H3＝1 m。

大氣管總高度：

H=H1+H2+H3=8.7+0.055+1 = 9.755 m

取大氣管總高度H = 10 m。

被抽吸的空氣溫度：

冷凝器中壓力等于0.16大氣壓=1600 kg/m2。

當tB=22.7 ℃時蒸汽分壓281 kg/m2。

空氣分壓PB=1600-281=1319 kg/m2。

空氣體積：

根據(jù)計算繪制的冷凝器示于圖2。

圖2 混合冷凝器簡圖