重碱晶浆稠厚器工艺设计

重碱晶浆稠厚器工艺设计

在文献中，提出了在真空过滤机之前和离心分离机之前添加压迫碱晶浆厚装置的两个工艺。本文介绍了压迫碱厚装置的工艺设计和计算。1为重碱厚机的目的安装重碱厚设备1.1增设重碱稠厚器联合制碱法碳化取出液固液比低是其纯碱产品盐分高于氨碱法的一个重要原因。主要是由于洗水在真空过滤机滤饼内置换母液过程中的混合和分子扩散作用,造成了滤饼表面和里层所含氯根的差异,所以增设重碱稠厚器,将进入过滤机的取出液晶浆增稠,提高滤饼的形成速度和厚度,可以降低纯碱产品盐分。湿重碱的水分也会有一定程度的降低。1.2重碱晶浆的开孔率为了降低纯碱生产的能耗,行业一直在追求离心机代替真空过滤机分离重碱晶浆,但适用于纯碱生产的连续推料离心机的筛网开孔率很有限,仅6%～7%,大的也只能放大到8%～9%,因此,要求进入离心机的料浆必须稠厚到较高的固液比。1.3在重碱分离和清洗过程中，应使用清洁后的晶浆厚进行湿润关于重碱二次分离和洗涤技术可以比较彻底解决联合制碱法纯碱产品盐分高的问题,已进行过讨论。2重碱晶浆稠厚器联合制碱工厂比较熟悉氯化铵晶浆稠厚器,与其比较,由于单位能力的重碱量(G)为氯化铵的1.8～2倍,重碱结晶的粒度又比氯化铵结晶小得多,所以重碱稠厚器的直径和容积要大得多。重碱结晶筛分中约有1%～5%(G)<40μm的细小结晶,在重碱工序没有送回结晶装置再长大的可能,故重碱晶浆稠厚器上部需要设计澄清段,尽量减少溢流带晶量,减轻母液Ⅰ桶沉淀的处理负荷。这样,重碱晶浆稠厚器便由上部澄清段、中部稠厚段和下部搅拌装置组成。另外,重碱结晶的粒度分布中小颗粒也比较多的特点,重碱稠厚器的进料量不希望长时间的超负荷和频繁的波劝,故有条件时实现1台碳化塔对1台稠厚器比较好;由于索尔维碳化塔的开塔阶段和作业末期常出现重碱结晶质量较大的波动,建议按2台碳化塔对1台稠厚器进行设计,这样会平稳些。3重碱厚机的主要工艺尺寸的设计方法3.1分液结晶结晶稠厚段尺寸原则上按照通常的方法计算。稠厚段工作原理:碳化塔取出液晶浆进入重碱稠厚器后分为2股物料流,一股为上升到上部澄清段的溢流清液,称顶流;另一股是下降到底部较稠厚的晶浆流,亦称底流。由于晶浆增稠,空隙率减小,晶浆沉降速度降低;欲使晶粒下沉,晶浆的上升速度必须低于晶粒的沉降速度才能实现。稠厚段的晶粒沉降属于干扰沉降。3.1.1晶浆中晶粒的沉降在液固流态化过程中晶粒的沉降是液体上升产生对晶粒的“曳力”与重力的平衡力所造成的,保持液体上升速度与沉降速度相等,晶粒就悬浮在液体中只能滚动而不能上升和下降。当晶浆浓度较高,且晶粒直径>100μm时,晶粒的沉降速度受到阻滞而降低。根据重碱结晶的粒度和稠厚器要求达到的工况,可以使用Richardson和Zaki的关系式计算在晶浆中晶粒的沉降速度uc。uc=ui·en(1)式中:uc——晶浆中晶粒的沉降速度,cm/s;ui——晶浆浓度为零,空隙率为1的沉降速度,称终端速度,cm/s;e——空隙率;n——空隙率指数,是Re′的函数。1清液密度法终端速度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、流速以及晶粒直径为基准的雷诺数;μ——清液粘度,g/cm·s;dp——晶粒直径,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数群计算Re′:R′ρu2⋅Re´2=2dp3⋅ρ⋅g⋅(ρc-p)3μ2(3)式中:R′——曳力系数;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可根据碳化取出液的常规组成和温度,并按照大连化工研究设计院研究的关系式计算;晶粒直径dp可以重碱结晶筛分测定的平均粒径dm代替;晶粒密度ρc是重碱结晶中NaHCO3、NH4HCO3和Na2CO3三固相的混合密度,ρc=2200kg/m3,或2.2g/cm3。计算出(3)式等号右边的数值后可由lgR′ρu2⋅Re′2与lgRe′的关系表中查得lgRe′,求出Re′,并按照(2)式计算出终端速度ui。2固液比的计算按照纯碱生产操作习惯,晶浆空隙率e以下式计算:e=1-εm′(4)式中:m′——视体积固液比,%,或沉淀量;ε——真体积固液比m与视体积固液比的换算系数,索尔维碳化塔重碱纯晶ε=0.31,环流式碳化塔重碱结晶ε=0.35。可以按照下一工序分离设备(离心机或过滤机)要求的操作晶浆浓度m′设计稠厚段的空隙率e。3n间隙率指数3.1.2稠厚晶浆真体积固液比的确定令:U——稠厚器(段)底流流量,m3/h;V——稠厚器(段)顶流流量,m3/h;W——碳化取出液清液流量,m3/h;B——重碱结晶流量,kg/h;m——稠厚晶浆真体积固液比,%,m=εm′;A——稠厚段截面积,m2;D2——稠厚段直径,m。按照上述符号的物理意义,在连续正常作业时,U=Bρc⋅m(6)V=W-(U-Bρc)=W-Bρc(1m-1)(7)于是,A=Vuc=W-Bρc(1m-1)uc(8)由于分离设备,尤其是离心机需要经常性的刷车,稠厚器临时不下料,此时U=0。A=W+B/ρcuc(8)′D2=√4(W+B/ρc)π⋅uc(9)3.1.3溢流清液干扰所需的晶浆容积的确定在稠厚段上部已设置澄清段,稠厚段高度设计就不必考虑晶浆悬浮,或者说晶浆流在悬浮层上部的“腾涌”现象对溢流清液干扰所需的高度,而按晶浆在稠厚段必要的停留时间所需的晶浆容积来确定。Q=U⋅Τ=Bρc⋅m⋅Τ(10)Η2=QA=B⋅Τρc⋅m⋅A(11)式中:Q——稠厚段晶浆容积,m3;T——晶浆停留时间,h;H2——稠厚段高度,m。3.2澄清段直径c1和高度h3.2.1最小粒子被稠厚器溢流液带出的量d为了避免澄清段直径设计得过大,根据重碱结晶粒度筛分细小颗粒的实际情况,允许占结晶全部重量2%以下的最小粒子被稠厚器溢流液带出,相当于溢流液固液比(或沉淀量)0.3%～0.5%。不被溢流液带出的最小晶粒直径,我们姑且称为“临界”沉降直径d0。按照不同的重碱结晶质量,可以选择d0=40～50μm。3.2.2晶粒自适应公式澄清段内的结晶粒子很少,其流型属层流范围:10-4<Re<1,可以应用自由沉降的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——晶粒直径,m;ρc——重碱结晶密度,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澄清段直径c1按U=0设计D1=√4⋅(W+Bρc)π⋅u0(13)式中:D1——澄清段直径,m。3.2.4连接段的尺寸设计澄清段高度设计是要解决随顶流液体上升的较大晶粒因惯性而对溢流清液的干扰,由于重碱晶浆稠厚器的澄清段直径D1要比稠厚段直径D2大得多,联接段的高度H1-2也比较可观,而且,在联接段中随着顶流液体的上升速度逐渐降低,晶粒上升的惯性得以收敛,所以澄清段上部的直筒部分高度H1-1已不必考虑上述影响,只要能按排溢流箱的设置和液面以上的正常空间即可。H1=H1-1+H1-2。联接段大小头的水平夹角大于45°为宜。3.3锥底锥底设置框式搅拌装置和下料管,水平夹角30°～45°。搅拌转速约为2r/min,搅拌框顶端的线速度<1m/s。3.4设计适当大的晶浆在稠厚器上部设计一与搅拌轴同心的导流筒,以避免进料晶浆干扰澄清段操作。导流筒要设计得足够大,使晶浆在其中缓慢稳定下降,减轻对稠厚段的冲击。导流筒的插入深度在联接段的下部,稠厚段的上方,以其下端筒外的环形截面积不小于稠厚段的截面积为宜,以免该处由于上升速度突然增高而产生涡流,影响过滤段的稳定。4碱性厚刻度计的计算4.1项目任务1)设计能力70kt/a,与φ4000环流式碳化塔和φ1000双级连续推料离心机配套。2)稠厚晶浆视体积固液比60%。4.2稠厚器lg1)重碱结晶宜取低限水平。筛分:dp(dm):141μm;d0:选50μm;B:NaHCO3、NH4HCO3和Na2CO3三固相当量1611kg/t‚B=1611×70000330×24×1.15=16374kg/h。2)碳化取出液常规组成(tt):μ:按下式计算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;图1为稠厚器示意图。查球形粒子(见表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复合流型的制备根据重碱稠厚器实际操作,取停留时间T为30min,0.5h,则H2为:Η2=B⋅Τρc⋅m⋅A=16374×0.52200×0.35×0.60×π4⋅(4.9)2=0.94m取整H2=1000mm。复合流型: