低位闪蒸料浆循环泵流量与扬程的确定

刘　敏

(四川省化工设计院，四川成都，610015)



低位闪蒸料浆循环泵流量与扬程的确定

刘敏

(四川省化工设计院，四川成都，610015)

摘要

关键词：低位闪蒸循环泵流量扬程

二水法生产磷酸，反应槽内发生的主要反应为：

从反应式可看出这是一个放热反应。除反应热之外，硫酸稀释热以及返回酸带来的热量也是不容小觑的，另外还有反应原料带来的热。为使反应料浆维持在一个适宜的反应温度(一般为70～80℃)，必须持续移走大量的热量。经计算，一个420kT/a P2O5磷酸装置，若用98%硫酸，每小时就有127×106kJ热量需要移除。

移走热量的方法在磷酸生产工艺发展史上曾有过鼓风冷却、料浆扬撒冷却、硫酸稀释冷却、真空冷却等多种，而现今常用的是低位闪蒸真空冷却。这种方法的优点是闪蒸冷却器安装在较低的标高上，可以节约厂房费用以及安装费用，还可降低料浆循环泵的功率消耗。另一方面，冷却前后料浆的温度差小于3℃，温差小，减少了磷酸料浆中各种盐的过饱和度，从而可减少系统结垢。

作为闪蒸冷却系统的关键设备之一，料浆循环泵的选型尤为重要。闪蒸真空冷却的工艺决定了料浆循环泵的使用工况：大流量低扬程。根据这个特点，轴流泵当之无愧成为首选。本文将就其中最重要的两个参数——“流量及扬程”进行讨论，并结合实例进行计算。

1流量计算

料浆循环泵的流量即是料浆循环量，可由下式计算得出：

(1)[1]

式中：

W——料浆循环量，m3/h；

Q——需要由真空系统移除的热量，kJ/h；

It ——料浆温度差，℃；

Cp——磷酸料浆比热容，kJ/(kg·℃)；

ρ ——料浆密度，kg/m3。

以某420kT/a P2O5磷酸装置为例，本装置所用硫酸为98%与55%硫酸按一定比例加入，根据物料及热量衡算，每小时需移除的热量约为76×106kJ，即：

Q≈76×106kJ/h

It=2℃

磷酸料浆比热容Cp可由料浆固相和液相比热计算而得，

Cp=Cp固×固%+Cp液×液%

(2)

式中：

Cp固——固相CaSO4·2H2O比热容，1.17[1]kJ/(kg·℃)；

Cp液——磷酸料浆液相比热容，kJ/(kg·℃)；

固%——磷酸料浆中固相含量；

液%——磷酸料浆中液相含量。

其余符号意义同前(以下同)。

液相比热可由60～90℃磷酸比热容根据经验公式计算而得：

Cp液=4.184-4.978x+0.388x2

(3)[1]

式中：

x——磷酸中P2O5浓度，%(x=15%～30% P2O5)。

此装置磷酸P2O5浓度为20.5%，代入(3)式，得出：

Cp液=4.184-4.978×0.205+0.388×0.2052≈3.18 kJ/(kg·℃)

此装置磷酸料浆液固比为2.6，则：

液%=1-固%=72.22%

将以上数值代入(2)式，

Cp=1.17×27.78%+3.18×72.22%≈2.62 kJ/(kg·℃)

磷酸料浆密度ρ可采用以下方法计算而得：

取含1kg固相的料浆，由于料浆液固比为2.6，则说明液相质量为2.6kg，料浆总质量为1+2.6=3.6kg。固相为CaSO4·2H2O，密度为2320[1]kg/m3。液相为磷酸，磷酸密度可由经验公式计算而得：

(4)[1]

(5)[1]

(6)[1]

式中：

f——温度系数；

I——杂质系数；

Pr——磷矿中P2O5含量，%(干基)；

Fe2O3、Al2O3…——磷矿中Fe2O3、Al2O3…等组分的含量，%(干基)；

t——反应温度，75℃。

经计算本装置磷酸料浆液相磷酸密度ρ磷酸≈1199kg/m3，则可计算出磷酸料浆密度：

将以上数值代入公式(1)，

即料浆循环量为10480 m3/h，料浆循环泵的流量考虑0.25倍的富余系数，约为13000m3/h。

2扬程计算

料浆被循环泵抽起来进入闪蒸室，再从闪蒸室的出口出来经回浆管回到反应槽，回浆管插入液面下，如图1所示。

从图1可看出，系统启动后，料浆在一个封闭液环内流动，形成一个虹吸系统。所以料浆循环泵的扬程只需要克服管路阻力即可。仍以前述420kT/a P2O5磷酸装置为例，计算料浆循环泵扬程。将这段管道分两段考虑：A段从反应槽经料浆循环泵至低位闪蒸室，B段从低位闪蒸室回流至反应槽。已知条件如表1。

管路压力降包括管道摩擦压力降、静压力降和速度压力降之和[2]，其中摩擦压力降又分直管压力降和局部压力降。此例主要计算这四种压力降，其余的忽略不计算，最后结果考虑30%富余量。

2.1直管压力降

式中：

△p1——管内摩擦压力降，Pa；

λ ——摩擦系数；

l ——管道长度，m；

d ——管道直径，m；

ρ ——流体密度，kg/m3；

u ——流体速度，m/s。

要计算摩擦系数λ，首先计算雷诺数Re。

式中：

μ ——流体粘度，N·s/m2。

将A、B段流体的数据分别代入(8)式，得到雷诺数：

ReA=132666，ReB=117925

求出雷诺数后，可以通过查图得到摩擦系数，也可以根据一些经验公式计算得出，此处采用经验公式法：

将A、B段流体的数据分别代入(9)式，得到摩擦系数：

λA=0.021，λB=0.021

将各数据代入公式(7)，可得出A、B段的直管压力降，摩擦压力降计算结果按1.15[2]倍来确定系统的摩擦压力降：

△p1=△p1A+△p1B=325+195=520Pa

2.2局部压力降

由前面计算出的雷诺数可看出，此管道中的流型为湍流，湍流的局部阻力有当量长度法和阻力系数法两种。此处采用阻力系数法。

(10)

△p2=△p2A+△p2B=6833+3737=10570Pa

2.3静压力降

静压力降按整个系统考虑，即将A、B段合二为一，看作一个系统，由于系统物料进口端与出口端标高相同，故静压力降：

△p3=△p3A+△p3B=0

2.4速度压力降

△p4=△p4A+△p4B=2234-1395=839Pa

综上，该系统的管路压力降为：

△p=△p1+△p2+△p3+△p4=520+10570+0+839=11929Pa

折合成泵扬程为0.88米，考虑30%富余量，为1.14米，向上圆整，取扬程为1.2米。

3结论

根据以上计算，所选泵流量为13000 m3/h，泵扬程为1.2米。从静压力降为0可看出，这与我们前文的分析也是吻合的，即运行中的管系为一个虹吸系统。

参考文献

[1] 化学工业部建设协调司，化工部硫酸和磷肥设计技术中心组织编写.磷酸、磷铵、重钙技术与设计手册[M].北京:化学工业出版社,1996,7.

[2] 管道压力降计算[S]. HG/T 20570.7-95.

[3] 成都科技大学《化工原理》编写组编著.化工原理[M].第三版. 成都科技大学出版社,1999,3.

[4] 谭天恩,麦本熙,丁慧华. 化工原理[M].第二版.化学工业出版社,2001,2.

Determination of Capacity and Head of Slurry Circulating Pump in Lower Position Flash Vaporization

LiuMin

(SichuanChemicalEngineeringDesignInstitute,Chengdu610015,Sichuan,China)

Key words:lower position flash vaporization; circulating pump; capacity; head

Abstract:Reaction conditions of production of phosphoric acid by dihydrate process was briefly introducted in this paper. Slurry circulating pump in lower position flash vaporization is an important equipment in the reaction section，then its capacity and head were mainly calculated.

简要介绍了二水法生产磷酸的反应工况，对反应工段的重要设备低位闪蒸料浆循环泵的流量及扬程进行了计算。