降低蒸汽直接加热氯化钾溶液噪声的研究

刘晓玉石 磊

(1.威海沁和实业有限公司钾盐工程技术研究中心，山东 威海 264400；2.岳阳市钾盐科学研究所，湖南 岳阳 414000)

氯化钾溶解是复分解生产硝酸钾过程中的操作单元之一，将氯化钾、水及循环母液加入溶解槽中，采用蒸汽直接加热方法，即将蒸汽通过蒸汽管直接射入溶液中与溶液混合加热，实现溶液温度升高与氯化钾溶解，其具有结构简单、投资少、加热快、操作方便、节能节水等优点[1]。但是，蒸汽直接加热的过程中产生周期性振动和噪声，噪声声级达103分贝(A)以上，蒸汽管经常发生开裂损坏现象，这不仅影响生产，而且噪声还影响工人身心健康，降低蒸汽直接加热振动与噪声是硝酸钾生产企业迫切需要解决的问题。

国内有少量关于蒸汽直接加热冷水噪声的报道文献，但没有蒸汽直接加热物料溶解噪声的报道文献[2-4]。为此，作者结合生产试验，研究了蒸汽直接加热氯化钾溶液时的噪声来源及其影响因素，分析蒸汽加热噪声变化规律，为企业降低蒸汽直接加热氯化钾溶液时产生的振动与噪声提供了参考。

1 蒸汽直接加热溶液的传热过程[5，6]

当蒸汽从蒸汽管中喷出时，经过湍流和汽液相变等复杂过程，蒸汽流被分割形成许多自由汽核和汽泡，这些自由汽核和汽泡统称为蒸汽泡，蒸汽泡传热过程十分复杂，它与蒸汽压力、蒸汽温度、溶液温度、溶液深度及溶解槽内溶液的对流情况等因素有关。

蒸汽泡传热过程中，一方面，蒸汽泡中水蒸气分子进入蒸汽泡溶液表面层，蒸汽分子与溶液分子间发生碰撞传递能量给溶液分子，然后以对流传热的方式将热量传给周围的溶液，高温水蒸气的热能传向周围溶液的过程中，蒸汽泡内的压力减少，溶液温度升高，直至压力与温度平衡；另一方面，由于蒸汽泡内水蒸气压力大于所在溶液深度处压力，蒸汽泡膨胀为大蒸汽泡，同时，蒸汽泡受溶液浮力作用向上移动，蒸汽泡受溶液液柱压力也在不断下降，蒸汽泡膨胀到汽泡内压力与所处水深压力相平衡为止，但只要蒸汽泡在溶液中存在，蒸汽泡上升移动的趋势就一直存在。

蒸汽泡水蒸气与蒸汽泡水膜之间热传递过程很快，在溶液温度较低时，蒸汽泡中水蒸气的比容瞬间迅速变小至近乎为零。因此，蒸汽直接加热速度快。

2 蒸汽直接加热溶液噪声声源[5，7-8]

2.1 冲击振动噪声

蒸汽直接加热溶液时，由于蒸汽对溶液的垂直冲击，引起溶液振动， 溶液受到蒸汽冲击作用力传递给溶解槽，使溶解槽强烈振动， 溶解槽反作用力使蒸汽管道亦发生强烈振动，这种冲击振动噪声属于强烈的低中频性噪声。

2.2 湍流噪声

蒸汽经喷孔喷射进入溶液中时具有较高射流速度，带动周围的溶液一起运动而产生强烈的“卷吸”作用，射流蒸汽和“卷吸”进来的溶液发生强烈的掺混，产生湍流噪声，湍流噪声向周围溶液扩散，引起溶液波动和蒸汽管道振动，并传递给溶解槽器壁产生噪声。

2.3 蒸汽泡破灭噪声

当高温蒸汽从蒸汽管口喷出进入低温溶液时，形成一个个蒸汽泡，蒸汽泡在移动过程中与低温溶液进行热交换，蒸汽泡迅速收缩而破裂，蒸汽泡四周的溶液迅速向蒸汽泡的中心运动而发生相互撞击，产生液体撞击噪声，液体撞击会以球面波的形式向外传播，使容器不断地受到周期性的冲击。

上述3类声源都不同程度地存在且相互作用，其中，蒸汽泡破灭噪声占主要地位。

3 蒸汽直接加热溶液噪声的主要影响因素

3.1 溶液温度对喷射噪声A声压级的影响[3-4，8]

在溶解槽中进行试验，溶解槽直径φ3 800mm，高4 000mm，蒸汽喷射管φ108mm×4mm，喷射管均布84个喷孔，喷孔直径φ20mm，饱和蒸汽压力0.6MPa，温度157℃，控制蒸汽流量为1 500kg/h，测量溶解槽不同溶液温度条件下喷射噪声A声压级的数值见表1。

表1 不同溶液温度下产生喷射噪声

试验可知，溶液温度不断升高，蒸汽加热过程产生的噪声A声压级值逐渐升高，但当溶液温度到80～90℃后，喷射噪声A声压级迅速下降。

分析认为，溶液温度不断升高，实际上是蒸汽与溶液温差Δt(也称过冷度)逐渐变小，Δt逐渐变小，蒸汽泡破裂所需的时间长，产生的噪声频率越低，对应的A声级噪声较高，低温条件下，湍流噪声占主导地位，随着氯化钾溶液温度的升高，蒸汽泡破灭噪声所占比例逐渐增大。Δt降到一定值(70～80℃)时，此时的噪声主要是蒸汽破灭噪声，蒸汽加热噪声A声压级达到最大值。Δt减小到45℃以下后，即氯化钾溶液接近沸点温度时，喷射噪声A声压级迅速下降至最小值，直至氯化钾溶液接近沸点温度。

3.2 蒸汽流量对喷射噪声A声压级的影响[3，8-9]

我们按3.1节中蒸汽喷射管及试验条件进行试验，分别在40℃、80℃、110℃温度下，测得通入不同蒸汽流量条件下，喷射噪声A声压级的数值(见表2)。

表2 不同蒸汽流量下产生喷射噪声

试验可知，对于同一种结构喷管，在溶液同温度条件下，蒸汽流量增大，则噪声A声压级随之增大，反之，蒸汽流量减小，则噪声A声压级减小。

分析认为，对于同一种结构喷管，蒸汽流量小，则对应喷管中蒸汽流速小，对应喷孔喷出蒸汽流速小，速度剪切和湍流混合的作用小，产生的湍流噪声和结构振动噪声也小，喷射噪声A声压级低。相反，蒸汽流量大，对应喷管中蒸汽流速大，对应喷孔喷出蒸汽流速大，噪声A声压级高。经验证，蒸汽喷管的蒸汽流速取10～20m/s较合适；喷孔喷出蒸汽流速取10m/s以下较合适。

3.3 蒸汽压力和温度对喷射噪声A声压级的影响[10]

试验中采用蒸汽为饱和蒸汽，蒸汽压力增大，则蒸汽温度升高，反之亦然。通过蒸汽压力对喷射噪声A声压级的影响试验，也就知道蒸汽温度对喷射噪声A声压级的影响。

按3.1节中蒸汽喷射管进行试验，在蒸汽流量为1 500kg/h与溶液温度为40℃的条件下，分别测得通入不同蒸汽压力条件下产生喷射噪声A声压级的数值见表3。

表3 不同蒸汽压力下产生喷射噪声

试验可知，对于同一种结构的蒸汽喷射管，当蒸汽压力和温度增大时，对应蒸汽流量增大，故蒸汽产生喷射噪声A声压级增大；当蒸汽压力和温度降低时，则蒸汽产生喷射噪声A声压级降低。

3.4 开孔面积对喷射噪声A声压级的影响[10]

我们在溶解槽中试验二台蒸汽喷射管，1号蒸汽喷射管为φ108mm×4mm，喷射管均布84个喷孔，喷孔直径φ20mm；2号蒸汽喷射管为φ108mm×4mm，喷射管均布150个喷孔，喷孔直径φ20mm。饱和蒸汽压力0.6MPa，控制蒸汽流量为1 500kg/h，溶液温度40℃，测得不同开孔面积下喷射噪声A声压级的数值见表4。

表4 不同开孔面积下喷射噪声

试验可知，当蒸汽与蒸汽喷射管其他参数一定时，开孔面积大，则蒸汽喷射压力小，汽-液界面换热面积减小，蒸汽形成蒸汽泡数量减少，蒸汽泡破灭噪声降低，产生噪声A声压级也就越小；反之亦然。

3.5 喷孔直径对喷射噪声A声压级的影响[11]

在开孔总面积相等条件下，我们在溶解槽中试验两台蒸汽喷射管，1号蒸汽喷射管为φ108mm×4mm，喷孔直径φ20mm，喷孔间距50mm，喷孔数量84个，3号蒸汽喷射管为φ108mm×4mm，喷孔直径φ12mm，喷孔间距50mm，喷孔数量234个。喷射饱和蒸汽压力0.6MPa，控制蒸汽流量为1 500kg/h，溶液温度40℃，测量不同喷孔直径下喷射噪声A声压级的数值见表5。

表5 不同喷孔直径下喷射噪声

试验可知，在开孔总面积相等条件下，喷孔直径越小，喷射噪声A声压级越小。因此，用大量小直径孔代替大直径孔可以大大降低A声压级，这是降低喷射噪声的理论基础。

3.6 孔间距对喷射噪声A声压级的影响[4，5]

在溶解槽中试验不同孔间距条件下的两个蒸汽喷射管：1号蒸汽喷射管为φ108mm×4mm，喷孔直径φ20mm，喷孔间距50mm，喷孔数量84个；4号蒸汽喷射管为φ108mm×4mm，喷孔直径φ20mm，喷孔间距30mm，喷孔数量84个。喷射饱和蒸汽压力0.6MPa，控制蒸汽流量为1 500kg/h，溶液温度40℃，测得不同孔间距下喷射噪声A声压级的数值见表6。

表6 不同孔间距下条件下喷射噪声

4 结语

(1)在蒸汽直接加热氯化钾溶液的过程中，产生噪声主要有冲击振动噪声、湍流噪声及蒸汽泡破灭噪声，其中蒸汽泡破灭噪声是主要噪声。

(2)蒸汽喷射形成的蒸汽泡大小是蒸汽泡破灭噪声的关键因素，蒸汽泡越小，噪声越小，蒸汽直接加热氯化钾溶液中，应尽量减小蒸汽泡的大小。

(3)试验表明，在保证蒸汽流量的条件下，应尽量减小喷孔直径、布置更多的喷孔、增大喷孔间距、使用较低蒸汽压力，这样可以减小蒸汽泡的大小，减小噪声A声压级值。

(5)在化学工业的生产过程中，有许多物料需要加水并加热溶解，也有许多溶液或液体需要补水并加热，这些既要补水又要加热升温的介质体系，只要没有特殊工艺限制，基本上都可以采用蒸汽直接加热方法。它具有结构简单、投资少、加热快、节能、节水、操作方便等优点。