草甘膦异丙胺盐水剂配置釜的工艺设计

屠民海，吴立飞，姜云珍

（浙江新安化工集团股份有限公司，浙江杭州311600）

草甘膦异丙胺盐水剂配置釜的工艺设计

屠民海，吴立飞，姜云珍

（浙江新安化工集团股份有限公司，浙江杭州311600）

通过对草甘膦异丙胺盐水剂生产工艺进行分析，对水剂配置釜工艺参数进行计算，并完成该配置釜的制造，在实际生产过程中取得了良好的混合效果。

草甘膦异丙胺盐水剂；配置釜；搅拌

草甘膦异丙胺盐水剂是一种灭生、广谱性内吸传导型除草剂，其主要特点是传导性极强，适用于果园、茶园、路旁、护林带等地除草［1-2］。浙江新安化工集团股份有限公司作为国内最大的草甘膦生产企业，其主要产品之一就是草甘膦异丙胺盐水剂。配置水剂的关键步骤就是草甘膦原药和异丙胺的反应，而水剂配置釜设计是否合理［3］，对产品质量至关重要。本研究主要对配置釜的工况进行了分析，完成了搅拌参数的优化，设计并制造了经济合理的夹套配置釜和搅拌器，实践表明，生产性能优良，经济效益良好。

1　工况分析

1.1工艺条件

生产能力：20m3/d，间歇操作，每天2批，每批10h；工作压力：常压；工作温度：20～70℃；反应原料：水、草甘膦原粉、70%异丙胺、助剂。

1.2反应简述

配置釜内投入水和草甘膦，通加70%异丙胺，再加一次草甘膦，通一次异丙胺。夹套内加冷却水，控制一定温度。反应结束后，草甘膦全部溶解，生成41%草甘膦异丙胺盐水剂（液体）。

1.3物料平衡图及物料性质参数

物料平衡图及物料性质参数见图1和表1。

图1　物料平衡图

表1　主要物料参数表

2　工艺设计计算

2.1配置釜及搅拌初步选型

考虑到反应为固液相，主要是晶体溶解，悬浮均匀是关键。因此，固液悬浮均匀取5级，溶液的黏度取1mPa·s。不锈钢配置釜取12.5m3，规格为Ø2200×2950，采用开启式四叶折叶开式涡轮搅拌，釜内安装档板，满足全档板条件。

2.2叶轮形式、大小、成数和转速确定

固液悬浮搅拌，液相流动最佳状态为湍流，并且搅拌器对流体有较好的对流循环，应选用四叶折叶开式涡轮。

釜内体积V=11.4m3，即液面高度H=2.61+ 0.575=3.175m

设计条件下H/D=1.443＞1.2，采用多层搅拌根据永田［4］推荐的最佳桨径d=0.4D=880mm；叶片宽b=1/8d=110mm

搅拌器叶轮中心线至釜底部的距离查《搅拌设备》［4］

底层叶轮与釜底距离：c1=1/4D=550mm

上层叶轮离釜底的距离：c2=2H/3=2120mm

按常规叶轮是在湍流区操作，故有效搅拌所涉及范围上下大约都是2d，相邻两叶轮中心线距离为1.5d～1.8d，上层叶轮与静液面的距离不小于1/2d，原设计尺寸满足要求。

此反应体系是草甘膦固体颗粒先在溶液中溶解悬浮及通入异丙胺溶液，因此在确定转速时主要保证草甘膦颗粒能够完全悬浮，叶轮的转速应高于临界浮游速度。

临界浮游速度根据Gates［4］的固液悬浮临界转速关联式：

查《化工工艺设计手册》［5］图11-2得颗粒的沉降速度μt=0.73m/min，表11-3得颗粒沉降速度的修正系数fW=1.36，系数Φ=4.8×1010，则μ=fWμt=3. 264ft/min，搅拌叶轮直径d=880mm=34.65in

对于4叶折叶开式涡轮固液悬浮临界转速Nc=（Φμd-2.81）1/3.75=67.86r/min

考虑到单级减速机系列，选取n=85rpm四极电机i=17

2.3档板的设置

为改善流动状态，使局部层流转变成有利于固体悬浮的轴向流，釜中一般要设置档板，大多采用4块宽度为釜径1/10～1/12的平档板。为避免在档板后形成死角，通常使档板离釜壁安装，其间隙为釜径的1/20～1/50。当固相分率较高时，流体呈假塑性，且黏度增大，此时要考虑使用窄的档板并用更大的间隙。

考虑到初始草甘膦原粉在水中的固含量高达32.5%，故取：档板宽度Wb=185mm；档板数量nb=4；档板与釜壁的间隙取60mm；档板系数Kb=（Wb/D）1.2nb=0.205。

因0＜Kb＜0.35，为部分档板条件，但是釜内的温度计等零部件也能妨碍形成水平回流，起到档板作用，工程应用中认为其接近全档板条件。

2.4计算搅拌功率

首先要确定搅拌状态，计算搅拌雷诺数Re：

式中水剂的密度ρ=1160kg/m3，搅拌叶轮直径d=0.88m，黏度取μ=40mPa·s，搅拌桨转速n=85rpm。

搅拌在湍流状态下操作，搅拌功率的计算［4］：

查《搅拌设备》［4］图3-2bates的NP-Re算图可知六叶折叶开启涡轮，b/d=1/8，θ=45，Re=31800时，NP=1.35，与该釜实际搅拌结构不相符，需进行修正。

（1）桨叶宽度的影响

系数b/d=1/8与算图相同，不需修正。

（2）桨叶数量的影响

在全档板条件下，当桨叶数nP=2、4、6时，修正后的功率值P’=P（nP/6）0.8=0.723P

（3）桨叶角度的影响

该类桨叶的角度θ=45°与算图一致，不需修正。

（4）液层高度的影响

由于液层高度H=3.175m，H/D≠1，故对各种桨型的功率值都需乘以系数F，F=（H/D）0.6=1.246

（5）桨叶离配置釜底距离的影响

涡轮式叶轮安装高度对功率的影响Kb=（nbWb/D）=0.363，C/d=0.4，查《搅拌设备》［4］图3-8得Np=1.6

（6）叶轮层数及层间距的影响

层数为2，层间距C2-C1=2120-550=1570mm，即L/d=1.784，查《搅拌设备》［4］图3-9可知双层折叶开启涡轮P2/P1=1.75

（7）叶轮直径的影响

由于d/D=0.4与算图3-2的条件d/D=1/3不符，可按Kaapobr［4］公式进行修正，对于涡轮式和推进式，f=（D/3d）0.93=0.844

（8）配置釜内附件的影响

配制釜内的附件主要为1支温度计，2支异丙胺进料管（插入液下1m，按1/3直管计）。查《搅拌设备》［4］，表3-6得釜内附件的影响系数∑q=0.2

总的影响系数为NPf总=0.723×1.246×1.6× 1.75×0.844×1.2=2.555

则搅拌功率，P=fNP·ρ·N3·d5

P=2.555×1160×1.4173×0.885=4450W

考虑到安全需要，留20%余量，取机械效率η=90%，则所需的搅拌功率

2.5传热面积的核定

2.5.1计算总传热系数K0

K0值可用下式计算［5］：

式中：K0为总传热系数，W/m2·℃；ɑ为传热系数，W/m2·℃；R为污垢热阻，m2·℃/W；δ为壁厚，m；λ为设备壁导热系数，W/m2·℃；D为设备直径，m，下标i、o、m分别表示设备内、外和平均。

2.5.1.1搅拌传热系

根据锚式搅拌器在夹套加热、当Re＞1000时的搅拌传热经验系数关联式［5］：代入数据式计算得搅拌传热系数ai=1286.5W/ m2·℃

2.5.1.2夹套侧的表面传热系数此反应是放热反应，夹套内需通入冷却水进行降温，由经验公式可知［5］：

代入数据式计算得夹套侧传热系数ɑo= 553.2W/m2·℃

取R0=2.6×10-4m2·℃/W，Ri=1.72×10-4m2·℃/W，δ=0.010m，λ=14.7W/m·℃代入相关数据计算得K0=270W/m2·℃

查《化工工艺设计手册》［5］表15-46夹套式冷却器总传热系数

K0=231W/m2·℃（有搅拌、不锈钢釜、水冷却）

2.5.2传热面积的计算

采用Aspen模拟计算［6］，在30℃水中投入草甘膦原粉、通入异丙胺后，最终溶液升温至67℃，反应热及溶解热∑Q=4.0×105Kcal，而釜需保温在45℃，冷却放热量Q=2.4×105Kcal。通异丙胺按90min计，热量为186KW。

12.5m3配置釜冷却条件：冷却水的管径为DN50，进口温度t1=20℃，出口温度t2=35℃；热流体的进口温度T1=67℃，热流体的出口温度T2=45℃，配置釜的放热速率［5］：

式中：Q为反应的放热速率，Kw；K0为总传热系数，W/m2·℃；A为传热面积，m2；ΔT为传热温差，℃。

把相关数据代入A=Q/（K0ΔT）=28.2m2

配制釜夹套换热面积23.4m2比计算值略小，考虑到实际进配制釜的水温小于30℃，且夏天时可适当延长通异丙胺时间，故该配制釜冷却传热可满足工艺要求。

3　结束语

本配置釜在设计过程中，对搅拌形式、转速等工艺参数进行计算，对设备结构形式进行选择，为设备制造提供理论依据。在确保设备安全运行的同时，降低了设备制造成本，提高产品收率。本设备2010年投入运行，至今运行状况良好，为公司取得了良好经济效益。

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近日，位于摩洛哥沙漠小镇瓦尔扎扎特的全球最大聚光太阳能发电厂摩洛哥努尔一期项目建成投产。据了解，到2018年，这个发电厂将会为超过100万户家庭提供每年所需要的能源，相当于每年减少76万吨碳排放。

10.13752/j.issn.1007-2217.2016.01.010

2015-10-26