姜躍華,李志國

(沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

上世紀60年代至80年代初,中國氧化鋁生產(chǎn)采用的分解槽均是采用空氣攪拌系統(tǒng),源自前蘇聯(lián)設(shè)計,生產(chǎn)粉狀氧化鋁。生產(chǎn)過程中需要經(jīng)常隔槽檢修,精液和種子漿液混合不均勻,分解液量、分解溫度調(diào)控手段差、波動大,清槽工作量大、清理周期長;更重要的是存在產(chǎn)品細化嚴重、能耗高、槽內(nèi)料漿短路等一系列問題;空氣攪拌方式造成溶液系統(tǒng)反苛化,影響系統(tǒng)效率。隨著上世紀80年代末期機械攪拌在行業(yè)內(nèi)的推廣普及,大型平底機械攪拌槽開始廣泛應(yīng)用于新建、改擴建氧化鋁項目的分解槽設(shè)計中。

在多年的使用過程中,隨著工廠建設(shè)規(guī)模和單線產(chǎn)能的不斷增加,機械攪拌分解槽的規(guī)格逐漸加大,性能也不斷優(yōu)化。最開始引進德國Ekato和法國Robin攪拌的分解槽為Φ14米,高度從最初的27米逐步增加到30多米,目前已達42米。2014年第一臺Φ16米分解槽投產(chǎn),2017年第一臺Φ18米分解槽投產(chǎn)。在分解槽大型化的同時,我們需要深入研究思考的一個問題是“分解槽究竟多大合適?是不是越大越好?”

本文對不同直徑分解槽對于工藝過程的影響,對于鋼材用量、功率消耗、投資和運行成本以及配套設(shè)施等方面進行了比較分析,供氧化鋁從業(yè)者參考。

1 對于反應(yīng)進程的影響

1.1 降效系數(shù)

化學(xué)反應(yīng)過程和反應(yīng)器是化工生產(chǎn)流程中的中心環(huán)節(jié),一個化工生產(chǎn)流程往往是圍繞反應(yīng)過程展開的。反應(yīng)器設(shè)計依據(jù)的是化學(xué)反應(yīng)工程理論,是化學(xué)反應(yīng)工程理論的實際應(yīng)用。由于化學(xué)反應(yīng)的多樣性,反應(yīng)器設(shè)計往往較多地倚重研究試驗工作。氧化鋁行業(yè)所使用的反應(yīng)器類型主要有間歇式反應(yīng)器、柱塞流反應(yīng)器和連續(xù)攪拌反應(yīng)器等三種,其型式如圖1。

圖1 反應(yīng)器型式

間歇式反應(yīng)器的優(yōu)點是設(shè)備簡單,同一設(shè)備可用于生產(chǎn)多種產(chǎn)品,尤其適合于醫(yī)藥、染料等工業(yè)部門小批量、多品種的生產(chǎn);但是缺點也很明顯,需要裝料和卸料等輔助操作,產(chǎn)品質(zhì)量也不易穩(wěn)定。柱塞流反應(yīng)器的優(yōu)點是流經(jīng)反應(yīng)器的流體體積元像活塞樣平推移動,不會發(fā)生返混,達到穩(wěn)態(tài)后,反應(yīng)器內(nèi)各處的溫度和濃度均不相同,但分別保持恒定,是理想的反應(yīng)器。管道化溶出就是比較典型的柱塞流反應(yīng)器,但并非所有氧化鋁生產(chǎn)的工況都具備條件采用。連續(xù)攪拌反應(yīng)器是介于間歇式反應(yīng)器和柱塞流反應(yīng)器之間的反應(yīng)器,無限多個連續(xù)攪拌反應(yīng)器即是柱塞流反應(yīng)器。連續(xù)攪拌反應(yīng)器既避免了間歇式反應(yīng)器的缺點,又比較容易實施,大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)盡可能采用連續(xù)反應(yīng)器,比如,氧化鋁行業(yè)的預(yù)脫硅及種子分解工序。但連續(xù)攪拌反應(yīng)器的攪拌作用會造成反應(yīng)器內(nèi)流體的返混,應(yīng)通過反應(yīng)器合理選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計加以抑制,通常在計算反應(yīng)所需的槽子容積時通過考慮降效系數(shù)來消除影響,降效系數(shù)C取值與槽罐數(shù)量n的關(guān)系如下:

n=1→C=5

n=2→C=2.2

n=3→C=1.8

n=4→C=1.5

n=∞→C=1 (柱塞流或間歇式反應(yīng)器)

在種子分解工序中,相同的分解時間情況下,當采用不同數(shù)量的分解槽時,出料氧化鋁濃度和分解率隨著分解槽數(shù)量的變化見圖2。

圖2 不同分解槽數(shù)量對應(yīng)的末槽出料氧化鋁濃度和分解率

由圖2可知,按照國內(nèi)氧化鋁廠典型的分解條件和種分槽配置,在相同的分解時間下,以Φ14米分解槽配置作為基準方案,采用Φ16米分解槽配置時,分解率相比基準方案降低0.29%;采用Φ18米分解槽配置時,分解率相比基準方案降低0.75%。

1.2 單位容積分解率

以年產(chǎn)100萬噸氧化鋁項目為基礎(chǔ),采用SysCAD軟件,模擬了不同槽型規(guī)格下,分解溫度按照79℃→68℃→56℃變化時,對分解率的影響。采用Φ14米、Φ16米和Φ18米分解槽時的分解率及單位容積分解率見表1。

表1 相同分解時間下不同直徑分解槽分解率

由表1可知,Φ14米分解槽方案單位容積分解率高于Φ16米分解槽方案,Φ16米分解槽方案單位容積分解率高于Φ18米分解槽方案。更大直徑分解槽配置方案想要達到與直徑相對較小分解槽配置方案相同的分解率則需要提供更多的分解時間。

2 槽體重量和占地面積

2.1 壁板重量

根據(jù)《鋼制焊接常壓容器》[1],常壓槽罐壁厚計算可以依據(jù)下列公式:

(1)

式中:δ——槽罐壁厚,mm;

Pc——計算壓力,MPa;

Di——槽罐內(nèi)直徑,mm;

[σ]t——設(shè)計溫度下材料許用應(yīng)力,MPa;

?——焊接接頭系數(shù)。

其中計算壓力隨槽罐高度以及槽內(nèi)料漿靜壓大小的變化而變化:

Pc=hc×ρc×g

(2)

式中:hC——料漿液面下的深度,m;

ρc——料漿密度,kg/m3;

g——重力加速度,m/s2。

分解槽壁的重量,可以通過下列公式計算:

M=π×Di×δ×H×d

(3)

分解槽容積可以通過下列公式計算:

(4)

單位容積的槽壁重量:

(5)

式中:M——槽壁重量,kg;

H——槽罐高度,m;

d——鋼材密度,kg/m3;

V——槽罐容積,m3;

m——單位容積槽壁重量,kg/m3。

由式(1)～式(5)可知,在高度相同的條件下,槽壁重量與直徑的二次方成正比,而分解槽的容積同樣與直徑的二次方成正比,因此,單位容積的槽壁重量與直徑無關(guān)。

2.2 頂板重量

根據(jù)《鋼制焊接常壓容器》[1],常壓槽罐平蓋頂板厚度計算可以依據(jù)下列公式:

(6)

式中:δp——平蓋頂板計算厚度,mm;

DC——平蓋頂板計算直徑,mm;

Kp——結(jié)構(gòu)特征系數(shù)。

由式(6)可知,頂板厚度與直徑的一次方成正比,頂板重量與直徑的二次方成正比,而分解槽的容積同樣與直徑的二次方成正比,因此,單位容積的頂板重量與直徑基本無關(guān)。

2.3 底板重量

根據(jù)《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》[2]中表5.1.1,常壓槽罐底板厚度一般根據(jù)槽罐直徑不同選取一個定值,那么底板重量與直徑的二次方成正比,而分解槽的容積同樣與直徑的二次方成正比,因此,單位容積的槽底板重量與直徑基本無關(guān)。

2.4 單位分解槽容積重量

綜上,單位分解槽容積對應(yīng)的分解槽重量(壁板、頂蓋、底板)基本與直徑無關(guān),只是檢修門、觀察孔、提料筒等結(jié)構(gòu)附件與分解槽規(guī)格基本無關(guān),由此在計算到單位容積重量上時會略有攤薄。另外在設(shè)備設(shè)計時還要考慮腐蝕裕量,壁厚圓整等因素,但是由于其在分解槽總重量中占比較小。因此,單位分解槽容積對應(yīng)的分解槽重量基本與分解槽直徑無關(guān)。

2.5 占地面積

分解槽占地面積的計算公式如下:

(7)

式中:S——槽罐占地面積,m2。

不同直徑分解槽方案,提供的分解時間相同,暨總?cè)莘e相同,在分解槽高度相同時,分解槽平面占地面積相同,而分解槽為連續(xù)攪拌反應(yīng)器,存在降效系數(shù),如前述1.1節(jié)所述,相同分解時間下,Φ16米分解槽方案比Φ14米分解槽方案分解率低0.29%,Φ18米分解槽方案比Φ16米分解槽方案分解率低0.47%,若達到相同的分解率,此時占地面積排序為Φ18米方案>Φ16米方案>Φ14米方案。

3 功率消耗

3.1 分解槽攪拌

氧化鋁行業(yè)常用的攪拌基本都是機械攪拌,按照不同流派來劃分,有德國的Ekato、法國的Robin、美國Lightnin、澳大利亞Swirl Flow、中國的HSG/HQG等,影響機械攪拌功率的主要因素如下:

(1) 攪拌器的結(jié)構(gòu)和運行參數(shù),如攪拌器的型式、槳葉直徑和寬度、槳葉的傾角、 槳葉數(shù)量與攪拌器的轉(zhuǎn)速等。

(2) 攪拌槽的結(jié)構(gòu)參數(shù),如攪拌槽內(nèi)徑和高度、有無擋板或?qū)Я魍?、擋板的寬度和?shù)量與導(dǎo)流筒直徑等。

(3) 攪拌介質(zhì)的物性參數(shù),如各介質(zhì)的密度、液相介質(zhì)粘度、固體顆粒大小與氣體介質(zhì)通氣率等。

由以上分析可見,影響攪拌功率的因素是很復(fù)雜的,一般難以直接通過理論分析方法來得到攪拌功率的計算方程。因此,借助實驗方法,再結(jié)合理論分析,是求得攪拌功率計算公式的唯一途徑。 一般攪拌功率可用下式進行計算[3]。

P=Np×n×ρ×N3×D5

(8)

式中:P——攪拌功率,kW;

Np——功率準數(shù);

n——攪拌層數(shù);

ρ——料漿密度,kg/m3;

N——攪拌轉(zhuǎn)速,rpm;

D——攪拌槳葉直徑,m。

攪拌功率與功率準數(shù)、攪拌層數(shù)、料漿密度成正比;與攪拌轉(zhuǎn)速三次方成正比;與槳葉直徑五次方成正比;在相同高度下,分解槽的有效容積與槽罐直徑成二次方關(guān)系,而攪拌功率與槳葉直徑五次方成正比,由此可以看出隨著分解槽直徑的增加,單位分解槽容積的攪拌功率增加,按照國內(nèi)氧化鋁行業(yè)常用的機械攪拌對比不同分解槽直徑下的攪拌功率見表2。

表2 不同直徑分解槽攪拌功耗

3.2 分解料漿提料功耗

在100萬噸生產(chǎn)線配置方案中,由于分解槽直徑不同所帶來的分解槽數(shù)量差異,按照相鄰槽間高差0.8米計,Φ14米方案的分解首槽標高比Φ16米方案高2.4米,比Φ18米方案高4.8米,也就是說分解漿液需要額外提升該高度,此時不同直徑分解槽方案的功率消耗見表3。

表3 不同直徑分解槽料漿輸送功耗

備注:以上比較基于1.同一種機械攪拌型式;2.接近的槽內(nèi)料漿均勻度。

3.3 提料風(fēng)對應(yīng)空壓站及循環(huán)水功耗

分解料漿經(jīng)過提料筒從前到后依次流過分解系列,其動力主要是相鄰兩個分解槽之間的高差,在料漿均勻度不足時,需要通入壓縮空氣輔助提料,料漿均勻度越差,需要的壓縮空氣越多,在實際生產(chǎn)中通常按照單槽壓縮空氣供給量4.5 m3/min設(shè)計,而實際在上下固含差5%,相鄰槽間高差0.8米時,壓縮空氣的實際消耗量約為0.7 m3/min,在總分解槽容積相同時,選用不同直徑分解槽對應(yīng)單位分解槽容積消耗的壓縮空氣,配套的空壓站循環(huán)水及循環(huán)水補新水量以及對應(yīng)的投資見表4。

表4 不同直徑分解槽壓縮空氣和循環(huán)水消耗

由表4可以看出,隨著分解槽直徑增加,提料風(fēng)消耗量降低,單位分解槽容積的空壓機和循環(huán)水功率降低,按照國內(nèi)氧化鋁行業(yè)常用的機械攪拌對比不同分解槽直徑下的相關(guān)功率見表5。

表5 不同直徑分解槽壓縮空氣和循環(huán)水功耗

3.4 單位分解槽容積功耗

需要說明的是,上述功耗測算是基于相同分解時間進行的設(shè)備選型和工藝配置,在進行實際項目比較測算時,需要考慮1.1節(jié)所述的降效系數(shù),綜合考慮上述各部分的功耗,不同分解槽直徑下的單位容積功耗基本相當。

4 葉輪對顆粒的剪切作用

細顆粒的破碎可以用葉輪對細顆粒的沖擊所產(chǎn)生的壓力的數(shù)量級高低來解釋。為了計算沖擊壓力,細顆粒在沖擊時的加速度(a)可估算為[4]:

(9)

式中:Vtip——攪拌葉輪的尖端速度(=N×D×π),m/s;

dp——是細顆粒的直徑,m。

施加在顆粒上的平均剪切力與葉輪尖端速度N×D×π成正比,當分解槽直徑增大,葉輪直徑成比例增大時,保持轉(zhuǎn)速不變,則若施加在顆粒上的剪切力增大,顆粒破損增加;若維持剪切力不變,則葉輪速度需要成反比例減小,此時將犧牲攪拌效果。

5 配套設(shè)施需求

5.1 應(yīng)急事故池

氧化鋁廠需要設(shè)置應(yīng)急事故池,其依據(jù)主要是《化工建設(shè)項目環(huán)境保護工程設(shè)計標準》[5]中6.6.1 化工建設(shè)項目應(yīng)設(shè)置應(yīng)急事故水池,由于該標準中只給出了計算原則,具體的計算方法可以參考《事故狀態(tài)下水體污染的預(yù)防與控制技術(shù)要求》[6],事故緩沖設(shè)施的總有效容積按下列公式計算。

V總=(V1+V2-V3)max+V4+V5

(10)

V2=∑Q消×t消

(11)

V5=10q×f

(12)

(13)

式中:V1——收集系統(tǒng)范圍內(nèi)發(fā)生事故的物料量,m3;

V2——發(fā)生事故的儲罐、裝置或鐵路、汽車裝卸區(qū)的消防水量,m3;

Q消——發(fā)生事故的儲罐、裝置或鐵路、汽車裝卸區(qū)同時使用的消防設(shè)施給水流量,m3/h;

t消——消防設(shè)施對應(yīng)的設(shè)計消防歷時,h;

V3——發(fā)生事故時可以轉(zhuǎn)輸?shù)狡渌麅Υ婊蛱幚碓O(shè)施的物料量,m3;

V4——發(fā)生事故時仍必須進入該收集系統(tǒng)的生產(chǎn)廢水量,m3;

V5——發(fā)生事故時可能進入該收集系統(tǒng)的降雨量,m3;

q——降雨強度,按平均日降雨量,mm;

qa——年平均降雨量,mm;

n——年平均降雨日數(shù);

f——必須進入事故廢水收集系統(tǒng)的雨水匯水面積,104m2。

由式(10)～(13)可知,消防水量和降雨量與生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)系較小,而收集系統(tǒng)范圍內(nèi)的事故物料量與氧化鋁廠主要生產(chǎn)裝置區(qū)域最大槽罐容積直接相關(guān),很多工廠的最大槽罐就是分解槽,不同規(guī)格的分解槽對應(yīng)不同的容積,以某具體項目為例估算不同最大單槽容積下的投資見表6。

表6 不同直徑分解槽應(yīng)急事故池需求及投資差異

5.2 設(shè)備利用率

按照年產(chǎn)100萬噸規(guī)模,采用Φ14米分解槽配置方案需要運行15臺,備用1臺(利用率93.75%),采用Φ16米分解槽配置方案需要運行12臺,備用1臺(利用率92.31%),采用Φ18米分解槽配置方案需要運行9臺,備用1臺(利用率90.00%),不同規(guī)格的分解槽配置方案對應(yīng)的主體設(shè)備利用率不同。

6 分解效率評價指標

評價分解效率高低的一個直觀的衡量指標就是相同規(guī)模下分解槽的數(shù)量,或者說年度內(nèi)單位分解槽容積對應(yīng)的氧化鋁產(chǎn)量,圖3列出了國內(nèi)外幾個典型氧化鋁廠單位分解槽容積對應(yīng)的氧化鋁產(chǎn)量,其中國外先進水平可以達到17.51 t/m3(折算單臺分解槽年產(chǎn)氧化鋁10萬噸),而我國現(xiàn)有工廠通常在7～9 t/m3(折算單臺分解槽年產(chǎn)氧化鋁4～5萬噸),差距還是比較大的。因此,可以通過物理放大,也可以通過提高單位分解槽容積的氧化鋁產(chǎn)出率來實現(xiàn)更高的產(chǎn)能,后者尤其是應(yīng)該為從業(yè)者所推崇的。

圖3 不同氧化鋁廠單位分解槽容積對應(yīng)的氧化鋁產(chǎn)量

7 結(jié)論及建議

通過上述比較可知,對于確定的分解時間,在高度相同情況下,不同直徑分解槽總重和總占地面積基本相當;投資基本相當,但隨著分解槽直徑的增加,單位分解槽容積的攪拌功耗增加;顆粒剪切增加;產(chǎn)能衰減增加;與直徑無關(guān)的槽體附件重量攤薄,提料風(fēng)用量降低,配套的空壓站和循環(huán)水消耗降低。

從反應(yīng)工程角度考慮,連續(xù)攪拌分解槽數(shù)量有一個最佳范圍,由圖2可知大約在20臺左右;數(shù)量太少(直徑過大)反應(yīng)效率低,數(shù)量太多(直徑過小)則投資效率低。

對于新建項目,分解槽直徑與單條生產(chǎn)線規(guī)模密切相關(guān),單線產(chǎn)能越大,分解槽直徑應(yīng)越大,更大規(guī)格的分解槽可以適應(yīng)更大規(guī)模的單條氧化鋁生產(chǎn)線。

對于確定的分解時間,在分解槽高度相同情況下,分解槽總重和總占地與直徑無關(guān)。

受地形限制或改造的項目,應(yīng)綜合考慮分解槽規(guī)格與場地條件。