张 罡

(岳阳市钾盐科学研究所，湖南 岳阳 414000)

真空冷却结晶是将溶液通过真空减压处理到一定的真空度，降低溶液的沸点，使溶液中的溶剂蒸发，实现溶剂的蒸发和溶液温度的降低，从而使得溶液中溶质结晶析出。真空冷却结晶过程既有溶液蒸发浓缩效应，又有溶液冷却效应与结晶效应，是集蒸发、冷却、结晶三合一工艺过程。真空冷却结晶装置主要由真空结晶器、冷凝器、真空泵和控制系统组成。和传统的间壁冷却结晶相比较，真空冷却结晶具有无结垢、冷却速度快、冷却均匀、干净卫生等特点，是现代冷却结晶技术发展方向之一，现代冷却结晶都是尽可能优先考虑选用真空冷却结晶[1-3]。

目前，我国已在氯酸钠、氯酸钾、硝酸铵、硝酸钾、硝酸钠、氯化铵、钛白粉、味精等许多产品的生产中成功应用真空冷却结晶技术，但是，国内真空冷却结晶技术应用领域还很少，关于真空冷却结晶设备有关传热与传质及设计应用等方面的研究还很不够[4，5]。本文以硝酸钾真空冷却结晶设备设计为例，简要介绍真空冷却结晶器设计工艺计算。

1 真空冷却结晶物料热量衡算

1.1 工艺条件[6-9]

以50kt/a硝酸钾装置为例，其工艺条件如下：dk为硝酸钾溶液密度，1 340kg/m3；Ck为硝酸钾溶液平均比热，3kJ/kg·K；t1为硝酸钾溶液进料温度，95℃；t2为硝酸钾溶液结晶终点温度，25℃；q为硝酸钾结晶热，340kJ/kg；B为硝酸钾溶液中结晶析出硝酸钾质量分数，13.14%。

实验测得硝酸钾溶液在t2=25℃沸点温度条件下，产生水蒸气温度为t0=18℃；查得水在18℃时，其饱和水蒸气压P=2 161.15Pa。

考虑到运输不允许设备过大，又要兼顾设备产能最大化，真空冷却结晶器内直径取D=3 800mm。

1.2 闪蒸发水量计算[9]

已知真空冷却结晶器闪蒸水温度为18℃，压力为2 161.15Pa，查得蒸汽密度为dq=0.014 86kg/m3。控制水蒸气在结晶器内上升速度U=2.0m/s，则闪蒸水蒸汽体积Vq为：

=81 612(m3/h)

(1)

则闪蒸发水量Wq为：

Wq=Vqdq=81 615×0.014 86≈1 213(kg/h)

(2)

1.3 制冷量 [9]

查得闪蒸水温度为18℃时，蒸汽汽化热R=2 453kJ/kg，根据闪蒸发水量可计算溶液总放热量(总传热量)为：

Q=WqR=1 213×2 453=2 975 489(kJ/h)

=827(kJ/s)

(3)

即真空冷却结晶器制冷量为827kJ/s，或称总传热量为827kJ/s。

1.4 处理溶液量

在溶液冷却结晶过程中，总传热量近似等于溶液降温放热与结晶放热之和，处理溶液量G可按下式求得：

Q=CkG(t1-t2)+mGq

(4)

2 975 489=3×G×(95-25)+G×13.14%×340

G=11 683(kg/h)

计算得处理溶液质量流量G=11 683(kg/h)，则处理溶液体积流量Vk为：

(5)

1.5 硝酸钾结晶析出量

M=11 683×13.14%=1 535.2(kg/h)

(6)

2 真空冷却结晶器结构强度计算

2.1 容积与结构尺寸

真空结晶器容积取决于两方面：一是取决于晶体生长所需时间，结晶器容积越大，晶体生长时间越长，越有利于晶体的生长与长大，通常取晶体生成停留时间t=3.0 h；二是取决于闪蒸室高度，蒸发空间高度一般取2～2.5 m。真空结晶器溶液装填容积Vk0可按以下公式计算：

Vk0=Vkt=8.72×3=26.2(m3)

(7)

已知筒体D=3 800mm，底封头取90°锥形封头，则底封头容积为7.179m3，上封头取标准型椭圆封头，则上封头高950 mm，容积为7.749 8m3，设筒体高为H(mm)，则：

[H-(2.5-0.95)]=26.2

(8)

计算得H=3.228 m，实际取筒体高H=3.6 m，全容积V=55.7m3。

2.2 罐体壁厚计算[10，11]

选用材质为双向不锈钢SAF2205材料，设计压力P0=-0.1MPa，设计温度为100℃，查得设计温度下SAF2205弹性模量E=180 000 MPa，假设圆筒体为短圆筒，设置两道加强圈，则计算长度LS为：

≈1 323(mm)

(9)

则圆筒体干计算壁厚为：

(10)

=10.31(mm)

实际取δ=12mm，钢板有效厚度δ0=10mm。

将计算壁厚代入临界长度计算公式，计算临界长度为：

≈86 668(mm)>1 323(mm)

(11)

与原假设短圆筒相符。

式中：m为稳定系数，取3；C为壁厚附加量，取2mm，其中钢板腐蚀裕度1.2mm，钢板负公差0.8mm；δ0为真空结晶器有效壁厚，12-2=10mm；D为真空结晶器内径，3800mm。

2.3 真空结晶器加强圈尺寸计算[11，12]

为了防止筒体和加强圈的外压失稳，要求加强圈必须有足够的刚度，加强圈通常采用扁钢、T型钢、角钢和工字钢，根据计算，相同厚度、相同截面尺寸的加强圈，扁钢比T型钢的组合惯性矩更大，所以，在选择加强圈时，优先选择扁钢加强圈。

根据丁满福、王碧玲文献[12]，对于短圆筒弹性失稳范围内的矩形截面加强圈的设计可按以下计算公式：

(12)

As′=lδ0

(13)

(14)

(15)

由上四式联立解之：

(16)

式中：P为设计外压，0.1MPa；I为圆筒组合截面所需惯性矩，mm4；AS′为圆筒起加强作用部分(组合段)的面积，mm2；be为加强圈厚度，mm；he为加强圈高度，mm；LS为相邻加强圈的间距，1 323mm；Es为加强圈弹性模量，加强圈材质选S30408，弹性模量为194 020MPa；D0为圆筒体外直径，3 824mm；l为加强圈两侧筒体有效段宽度之和，mm；若加强圈中心线两侧壳体的有效段宽度相重叠，则该壳体的有效段宽度中相重叠部分每侧按一半计算；δ0为筒体有效厚度，10mm；选取加强圈高度he=100mm时，计算得：be>35.96-9.22=26.74mm；选取加强圈高度he=120mm时，计算得：be>20.81-7.68=13.13 mm；实际取加强圈厚度为14mm，加强圈尺寸为120mm×14mm。

2.4 蒸汽出口直径

根椐伯努利方程，蒸汽出口管处因流速加大，应为过热蒸汽，过热蒸汽出口流速一般控制在40～60m/s，取60m/s，已知闪蒸水蒸汽体积Vq=22.67m3/s，则蒸汽出口管内径：

(17)

实际取φ630×6mm规格管。

3 搅拌机功率的计算[13，14]

真空结晶器采用底部上伸式搅拌机，搅拌器选用三叶等螺距螺旋桨式，它使液体产生轴向流、旋转流和湍流三个基本流。搅拌的作用如下：一是防止固体颗粒在结晶槽中沉淀，而造成罐底的局部沉积，确保固体料液能够均匀地输送到下个工艺过程中去；二是加强对流循环，使溶液各处饱和度基本均匀，有利于结晶，保持介质温度均匀，增加传热效果。

根据已有运行经验，搅拌器转速取n=167 r/min=2.783r/s，螺旋浆叶轮的直径d近似取筒体内直径1/3，即d=0.95m。

先求搅拌雷诺准数Re为：

式中：Re为搅拌雷诺准数，表征液体流动类型；μ为液体的黏度，1.1×10-3Pa·s；dk为硝酸钾溶液的密度，1 340kg/m3；n为螺旋桨转速，2.783r/s；d为桨叶直径，0.95m。搅拌机功率可按下式计算：

=15 793(W)≈16(kW)

实际取电机功率为18.5 kW。

式中：λ为功率准数，根椐搅拌雷诺准数，查文献[14]图得功率准数λ=0.5；η为搅拌机总效率，取85%；1.2为搅拌机电机安全系数。

4 结语

经设计计算，硝酸钾真空冷却结晶器筒体内径D=3 800mm，底封头取90°锥形封头，上封头取标准型椭圆封头，筒体高H=3.6m，全容积V=55.7m3。真空冷却结晶器设置两层加强圈，加强圈尺寸为120mm×14mm，罐体壁厚δ=12mm，蒸汽出口管φ630×6mm。搅拌机电机功率为18.5kW。在硝酸钾真空冷却结晶器工艺过程中，蒸发水量Wq=1 213kg/h，制冷量Q=827kJ/s，处理溶液体积流量Vy=8.72m3/h，硝酸钾结晶析出量M=1 535.2kg/h。