高位槽最小液面标高的计算方法

章小兵, 赵 欣

(中国瑞林工程技术有限公司， 江西 南昌 330002)



高位槽最小液面标高的计算方法

章小兵, 赵 欣

(中国瑞林工程技术有限公司， 江西 南昌 330002)

介绍了铜电解管道内阻力损失的计算，并应用伯努利方程得出高位槽液面的最小标高，从而指导高位槽的设计工作。

铜电解； 管道； 阻力损失

在国内外大中型铜电解项目中，对电解槽供液，通常采用专用高位槽，设置高位槽主要有两个目的，一是稳定必要的供液压力，二是排除电解液中溶解的气泡，以改善阴极铜质量。为保证进入电解槽的溶液有一定的进液速度，出液需要一定压头，因此，需要确定高位槽必要的设置标高。本文通过某工程案例探讨了管道内阻力损失的计算方法，并应用伯努利方程得出高位槽液面的最小标高，对铜电解供液系统的设计有一定的指导意义。

1 配置、流程及理论分析与计算步骤

1.1 配置

以某厂200 kt/a铜电解为例，西系统共配置4系列，每系列4组，每组20槽，共320槽，计算按离高位槽最远一槽为例。

1.2 流程

电解液进入电解槽的流程如图1，电解液循环槽中的电解液被泵送至板式换热器换热后进入高位槽，从高位槽出口A自流进分液包混匀冒气后，经第4列电解液总管CD进入第4组电解液管DE后，通过EF进入电解槽内。

1.3 理论分析与计算步骤

1.3.1 理论分析

根据雷诺数公式：

Re=Ud/ν[1]

(1)

式中：Re为雷诺数，无因次；U为流速，m/s；d为管内径，m；ν为运动粘度，m2/s。

根据雷诺数公式(1)，该工程案例中：

当U=0.3 m/s，d=0.025 m时，雷诺数最小，Remin= 6.82×103

当U=0.88 m/s，d=0.30 m时，雷诺数最大，Remax= 2.4×105

铜电解液在生产中运动粘度ν为1.2×10-6m2/s，Remin或Remax均大于临界雷诺数2 000,故整个管道中流体流动状态为湍流。铜电解液运动粘度与10 ℃水的运动粘度(1.3×10-6m2/s)相当， 两者的Re也近似相等。

当流体为电解液时，根据管道摩擦阻力的基本方程:

(2)

式中：-ΔP为阻力损失，Pa；λ为摩擦阻力系数，无因次；L为当量长度，m；d为内径，m；ρ为流体密度，kg/m3U为流速，m/s。

图1 电解液进入电解槽流程示意图

当(2)式两边同除以ρg，得:

(3)

当105<λ<3×106时，运用尼古拉兹计算公式λ=0.003 2+0.221Re-0.237，

管道阻力损失包括管道沿程损失和局部阻力损失，对于塑料给水管，在给水管水力计算表[4]中可查，根据以上分析，便可知铜电解液在塑料管道中的沿程损失和局部阻力损失。

1.3.2 计算步骤

(1)计算管道内阻力损失，其包括长度方向管内沿程损失hf和管内局部阻力损失hj，长度方向管内沿程损失包括各管径的管道内部阻力损失，管内局部阻力损失包括管道中的各种弯头、阀门、异径三通、分液包等局部阻力损失，整个管道的能量损失是分段计算出的能量损失的叠加，即hw=∑hf+∑hj。

(2)以C、F两点建立伯努利方程等式P/r+Z+V2/2g=常数[6]，计算出高位槽液面的最小标高。

2 阻力损失计算

2.1 长度方向沿程阻力损失：

沿程管内阻力损失包括管段AB、CD、DE、EF，依据流量、管径和管材(塑料管)，查给排水设计手册[3]，就可以得到电解液管阻力损失，详见表1。

2.2 管内局部阻力损失

管内局部阻力损失包括弯头、阀门、异径三通、分液包等，按流速分段计算，电解液局部损失公式：

表1 长度方向沿程阻力损失

按§总×U2÷(2×g)计算。

(1)AC管段：流速按0.88 m/s，从高位槽至分液包，管径DN300，AC管段局部阻力损失见表2。

(2)CD管段：流速按0.95 m/s，从分液包至每组进液管入口，管径DN250，CD管段局部阻力损失见表3。

(3) DE管段：流速按0.66 m/s，每组进液管，管径DN150，DE管段局部阻力损失见表4。

表2 AC管段局部阻力损失

表3 CD管段局部阻力损失

表4 DE管段局部阻力损失

(4) EF管段：流速按0.3 m/s，每槽进液管, 管径DN50，EF管段局部阻力损失见表5。

表5 EF管段局部阻力损失

2.3 管道管内阻力总损失

管道管内阻力总损失见表6。

3 高位槽高度核定

分液包出口管C点中心标高H1m，流速V=0.95 m/s；

表6 管内阻力总损失

电解槽进液管F点中心标高：4.450 m，流速V=0.30 m/s。

利用伯努利方程P/r+Z+V2/2g=常数，管路损失：1.154 m。

以E、F管内流体为研究对象，在分液包出口管C与进液管液面线F列机械能衡算式并建立方程：

(H-H1)+0+0.952/(2×9.81)=

0-(H1-4.45)+0.32/(2×9.81)+ 1.154

解得H=5.563(H为高位槽液面最小标高)。

通常高位槽液面标高9.3 m，完全满足要求。

4 结语

本文探讨了铜电解管道内阻力损失的计算方法，并应用伯努利方程得出高位槽液面的最小标高，对铜电解供液系统的设计有一定的指导意义。

[1] 戴干策，陈敏恒.化工流体力学[M].北京：化学工业出版社，1988.

[2] 孔珑.工程流体力学[M].北京：中国电力出版社，1992.

[3] 林选才，刘慈慰.给排水设计手册第2版第1册[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.

[4] E·约翰芬纳莫尔(E·John Finnemore)，约瑟夫B·佛朗次尼(Joseph B·Franzini).流体力学及其工程应用[M].北京：机械工业出版社，2009.

Calculation method of minimum liquid surface elevation of high level tank

ZHANG Xiao-bing， ZHAO Xin

The pressure loss calculating in copper electro-refining pipe were introduced, and minimum elevation of the high level tank was calculated by application of Bernoulli equation, the results can guide the design of the high level tank.

copper electro-refining; pipe; pressure loss

章小兵(1977—)，男，江西余干人，硕士，工程师，主要从事冶金研究设计工作。

2014-- 04-- 25

TF811

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1672-- 6103(2015)04-- 0049-- 03