王 冠 ， 邵繼東

(惠生工程(中國)有限公司 ， 河南 鄭州 450046)

?設計與計算?

三聚氰胺成品氣力輸送系統(tǒng)的設計

王 冠 ， 邵繼東

(惠生工程(中國)有限公司 ， 河南 鄭州 450046)

通過對采用意大利ETCE工藝年產(chǎn)60 kt/a三聚氰胺裝置成品氣力輸送系統(tǒng)方案的設計，對比分析了正壓、負壓氣力輸送及稀相、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性好，輸送距離遠；無二次污染；輸送線路布置靈活，占地面積少；機械傳動部件少，操作管理方便，易損件少，維修費用低；易于實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點[1]，氣力輸送已越來越廣泛地應用于食品、鋼鐵、化工、水泥、環(huán)保等領域中粉粒體物料的輸送。

三聚氰胺生產(chǎn)工藝按熔融尿素熱解壓力不同分為低壓法、中壓法和高壓法三種，典型代表分別為德國BASF工藝、荷蘭DSM工藝、意大利ETCE工藝[2]。采用不同工藝時，成品的品質不同，對應于成品的氣力輸送方案也不同，目前國內(nèi)已投產(chǎn)的采用ETCE工藝最大產(chǎn)能為30 kt/a，60 kt/a裝置正在設計中。本文以60 kt/a三聚氰胺為例，對三聚氰胺成品氣力輸送系統(tǒng)方案進行設計。

圖1 三聚氰胺成品氣力輸送系統(tǒng)工藝流程示意圖

來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，輸送介質為空氣，通過羅茨風機升壓、冷卻、汽水分離后與三聚氰胺粉料一同送至包裝車間料倉，氣體經(jīng)料倉頂部布袋除塵器分離后放空，三聚氰胺粉末收集在料倉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，就壓力特征來說，可分為正壓、負壓和正負壓混合氣力輸送系統(tǒng)[3]。根據(jù)工程經(jīng)驗，當被輸送物料的當量輸送距離超過100 m時，由于受負壓壓力的限制，不建議采用負壓氣力輸送，而采用正壓氣力輸送。就本設計項目，實際輸送距離已經(jīng)超過了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，適于輸送質量和粒度較小、干燥和易流動、輸送距離不大的場合；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。在本設計中將分析不同固氣比時，輸送系統(tǒng)的沿程壓降、沿程溫降和能耗，通過對比得出適易的固氣比。

2 氣力輸送系統(tǒng)的計算

2.1 設計條件

系統(tǒng)出力G，7.5 t/h，設計出力Gs，9 t/h；三聚氰胺進入輸送系統(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

在本設計中將分別選擇固氣比為1.1、10、20、30四種情況進行分別計算。

2.3 輸送系統(tǒng)壓力損失的計算

輸送系統(tǒng)的壓力損失是確定輸送系統(tǒng)所需動力設備的關鍵參數(shù)，國內(nèi)外很多專家對壓降的計算進行了研究，提出了適用于不同工況的計算方法。氣力輸送系統(tǒng)總的壓力損失Δpt可按如下公式計算[4]：

Δpt=Δpa+Δpp+Δpj+Δpsh+Δpw+Δpq+Δpg

(1)

式中： Δpa——純空氣(空氣中不含物料)運動產(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 純空氣運動產(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所產(chǎn)生的壓力損失，對低真空或低壓輸送情形，可視為等容過程，按下式計算：

(2)

l——管道長度，m；

D——管道內(nèi)直徑，m；

ρa——空氣密度，kg/m3；

νa——氣流速度，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構、尺寸。

2.3.2 雙相流動時產(chǎn)生的摩擦壓力損失ΔPp

對于低壓或低真空輸送裝置情況：

(4)

式中：kp——由試驗確定的經(jīng)驗系數(shù)，與物料的形狀、懸浮速度等有關，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——輸送純氣流時彎管的阻力系數(shù)；

kw——物料通過彎管時的阻力系數(shù)。

2.3.5 提升壓力損失Δpsh

(7)

式中：νm——垂直管內(nèi)顆粒達到穩(wěn)定運動時的速度，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 不同固氣比時輸送系統(tǒng)沿程溫降的計算

①輸送管道始端加料點處料氣混合物溫度tb：

(9)

式中：Ga——每小時空氣的質量流量，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、不同進料溫度時加料點混合物溫度 ℃

注：A，進料溫度110 ℃；B，進料溫度90 ℃。

②進入三聚氰胺儲罐時三聚氰胺的溫度可由下式計算：

(10)

(11)

式中：t——距該管段始端當量長度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——風速，m/s，可取年平均值2.1 m/s。

表2 不同固氣比、不同進料溫度時三聚氰胺進入儲罐的溫度 ℃

注：A，進料溫度110 ℃；B，進料溫度90 ℃。

根據(jù)公式(9)和(10)計算出的結果可以得出，隨著固氣比的增大，進入三聚氰胺儲罐的物料溫度越高。按進料溫度最高為110 ℃計算，在固氣比為1.1時，進入儲罐的溫度為30.8 ℃，比較適宜包裝，當固氣比增大為10、20和30時，進入三聚氰胺儲罐的物料溫度達到了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管壁和大氣之間的換熱是同時進行的，所以按公式(9)和(10)計算出的結果，一般小于實測值。

2.5 不同固氣比時輸送系統(tǒng)壓力損失的計算

根據(jù)以上計算公式編制計算程序，計算固氣比m分別為1.1、10、20、30時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。

通過對不同固氣比時，三聚氰胺成品輸送系統(tǒng)阻力計算結果進行對比分析知，隨著固氣比的增加，整個輸送系統(tǒng)的阻力逐漸增加，密相輸送時(m=20、30)總阻力比稀相時(m=1.1、10)總阻力增加約51.5%。對于本輸送系統(tǒng)，稀相輸送時根據(jù)系統(tǒng)阻力可選擇羅茨風機作為輸送氣源，而對于m=20時，風機風壓約為93 kPa，此時若選擇羅茨風機則為高壓羅茨風機，而m=30時，風機風壓約為120 kPa，需選擇離心風機，從選擇氣源設備的能耗來看，稀相輸送選擇的氣源設備電機功率更小，能耗較少，而密相輸送氣源設備電機功率更大，能耗大，所以稀相輸送從減小能耗上來說更具優(yōu)勢。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，對運行管理不利。稀相輸送時，輸送風速大，管道磨蝕嚴重，但就三聚氰胺的輸送，由于物料本身的性質，不允許選用碳鋼，與三聚氰胺粉料接觸的的設備管道均為不銹鋼，耐磨性好，這樣就解決了管道磨蝕影響；另外，稀相輸送，風速高，輸送過程中物料之間的碰撞和物料和管道的碰撞易導致物料破碎，粒度減小，但就歐技工藝三聚氰胺成品來說，粒度37.08～148.3 μm(400至100目)占比95%，所以物料破碎對成品質量影響很小。因此本設計中選擇了固氣比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 不同固氣比時三聚氰胺輸送系統(tǒng)阻力值及系統(tǒng)參數(shù)

3 結論

通過對三聚氰胺成品物料性質和輸送距離的分析，選擇正壓輸送作為三聚氰胺成品氣力輸送系統(tǒng)的方案。通過對不同固氣比(m分別為1.1、10、20、30時)三聚氰胺成品輸送系統(tǒng)管道沿程溫降的計算，得出了在四種不同固氣比時，三聚氰胺成品進入三聚氰胺儲罐時的溫度分別為30.8、50.6、54.2、58.2 ℃，表明在固氣比為1.1時，對三聚氰胺成品的包裝更有利。通過對不同固氣比(m分別為1.1、10、20、30時)三聚氰胺成品輸送系統(tǒng)管道沿程壓降的計算，得出隨著固氣比的增加，壓降增加。密相輸送時總阻力比稀相時總阻力增加約51.5%。從設備能耗和運行可靠性考慮，選擇輸送系統(tǒng)的固氣比為1.1較合適。

[1] 楊 俊.關于氣力輸送設計問題的探討[J].冶金動力,2008(5)：89-92.

[2] 馬蔚倉.三聚氰胺生產(chǎn)裝置的氣力輸送設計[J].硫磷設計與粉體工程,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] 黃學群.運輸機械選型設計手冊(第二版(下))[M].北京,化學工業(yè)出版社,2011.

2015-10-15

王 冠(1988-)，男，助理工程師，從事化工設備設計的工作，電話：18637179273。

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