氧化铝生产中传热系数的研究.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年8 期 2 1 D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i 啪．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 1 ．0 8 ．0 0 6 氧化铝生产中传热系数的研究 刘莉娜1 ”，黄望梅1 ，刘志春1 ，陈德2 ，阳志洪2 ，刘伟1 1 ．华中科技大学，武汉4 3 0 0 7 4 ；2 ．贵阳铝镁设计研究院，贵阳5 5 0 0 8 1 摘要大多数氧化铝生产工序的能耗与换热设备传热效率的高低有密切关系。分析了氧化铝生产过程 中的传热和传质特征。结合生产实测数据，对氧化铝生产中典型换热设备的传热系数进行研究，为设 计、生产提供了理论基础。 关键词氧化铝；传热系数；溶出 中图分类号T F 8 2 1 ；T F 8 0 1 ．2 文献标识码A 文章编号1 0 0 7 - 7 5 4 5 2 0 1 1 0 8 - 0 0 2 1 - 0 4 S t u d yo nH e a tT r a n s f e rC o e f f i c i e n ti nA l u m i n aP r o d u c t i o n L I UL i n a l 2 ，H U A N GW a n g ．m e i l ，L I UZ h i ．c h u n l ，C H E ND e 2 ，Y A N GZ h i ．h o n 9 2 ，L I UW e i l 1 ．H u a z h o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 7 4 ．C h i n a ； 2 ．G u i y a n gA l u m i n u m ＆M a g n e s i u mD e s i g nR e s e a r c hI n s t i t u t e ，G u i y a n g5 5 0 0 8 1 。C h i n a A b s t r a c t T h el e v e lo fe n e r g yc o n s u m p t i o ni nm o s tp r o c e s s e so fa l u m i n ap r o d u c t i o nh a sac l o s er e l a t i o n s h i pt oh e a t t r a n s f e re f f i c i e n c yo fh e a te x c h a n g e r ．H e a tt r a n s f e ra n dm a s st r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c si nt h ep r o c e s so fa l u m i n ap r o d u e t i o nw e r ea n a l y z e d ．H e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to ft y p i c a le q u i p m e n ti na l u m i n ap r o d u c t i o nw a ss t u d i e dw i t ht h ea c - t u a lm e a s u r e dd a t ai np r o d u c t i o n ，t h er e s u l to fw h i c hc o u l dp r o v i d et h et h e o r e t i cb a s ef o rd e s i g na n dp r o d u c t i o n ． K e yw o r d s A l u m i n a ；H e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ；D i g e s t i o n 氧化铝生产过程中，换热设备在整个工艺过程 具有十分重要的作用。2 1 ，换热设备传热系数的高低 直接决定了换热效果的好坏。影响传热系数的因素 很多C 2 4 ] ，往往很难直接计算出准确值。行业科技工 作者通过试验研究。结合生产实际得出很多值得借 鉴的经验式和经验值，但是结合工艺换热设备进行 系统分析的较少。本文将对氧化铝生产过程中的传 热和传质特性进行分析，结合经验关系式和一些生 产现场的实测数据，得出氧化铝生产过程典型设备 传热系数的计算方法。下面将以氧化铝生产中换热 过程比较有代表性的溶出工序进行说明。 1 综合传热系数的分析 氧化铝生产溶出工序中，不论是压煮器还是套 管换热器，其换热设备的形式都是属于圆管。对于 光滑圆管，由于一般情况下管壁较薄，故在工程上可 以采用以下公式计算传热系数，以外表面为准 时㈨ 瓦1 亡 毒 r i 毒 笔 生d m 鲁 r o 1 a 。 1 式中，K 为综合传热系数，W ／ m 2 K ；a 为对流传 热系数，w ／ m 2 K ；d 为管径，m ；6 为厚度，m ；A 为导热系数，w ／ m K ；r 为污垢热阻， m 2 ℃ ／W ；下标i 表示管内，0 表示管外，5 表示结疤，W 表 示管壁。管子平均直径d 。 如一d ； ／I n 如／d ； 。 结合氧化铝生产过程的实际情况，分别对综合 传热系数表达式中的各项进行分析。 1 ．1 管材的导热率A ， 氧化铝生产溶出过程中的管材多为2 0 G 碳钢， 基金项目国家重点基础研究发展计划项目 2 0 0 7 C B 2 0 6 9 0 3 ；国家自然科学基金资助项目 5 1 0 3 6 0 0 3 作者简介刘莉娜 1 9 8 0 ． ，女，贵州人，工程师． 万方数据 2 2 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年8 期 其在0 ℃、1 0 0 ℃、2 0 0 ℃、3 0 0o C 和4 0 0o C 的导热率 分别为 k J ／ n l h ℃ ⋯1 1 8 ．1 1 8 、1 7 5 ．5 7 4 、 1 5 8 ．8 2 6 、1 5 0 ．4 8 7 和1 2 5 ．4 0 0 。 1 ．2 传热系数O t 根据氧化铝生产中溶出工艺的不同，溶出过程 的热源有蒸汽和熔盐两种。以蒸汽为热源的换热设 备有套管换热器和压煮器，其中套管换热器在生产 中为水平横管布置，压煮器内加热管束为垂直竖管 布置；以熔盐为热源的换热设备只有套管换热器，通 常为水平横管布置。 1 压煮器加热管束管内传热系数 压煮器加热管柬管内为高温蒸汽、管外为低温 矿浆，由竖管内膜状凝结的传热系数关系式可 得‘7 1 a i 2 A 例力R - 0 ．4 4 蔫等 掣广 2 式中，R e ， 署斋，P r ， V _ 口L 。，无量纲系数c 生鸳朵≮≥焉；定性温度T 取蒸汽进出口平均温 i Jg p l p ‘ 度；i n 为质量流量，k g ／s ；D 为竖管内径，m ；秽为运动 黏度，i n 2 ／s ；I Z 为动力黏度，k s ／ n l 8 ；p 为液体密 度，k g ／m 3 ；下标Z 表示液体，g 表示气体。 2 套管换热器管内传热系数口。 套管换热器管内为低温矿浆、管外为高温蒸汽 或熔盐，由于值的确定须知道矿浆的导热率和动力 黏度等物性参数，但这些数据到目前为止还没有详 细的文献报告或者试验数据，因此我们用下面的经 验公式求出近似值口’8 ] a 。 1 8 8 1 0 c o o 5 3 式中，a ；为管内传热系数，k J ／ i n 2 h ℃ ；t o 为矿 浆流速，m ／s 。 3 套管换热器以蒸汽为热源的管外传热系数 套管换热器以蒸汽为热源时，管内为低温矿浆、 管外为高温蒸汽。目前氧化铝生产溶出工艺中，套 管换热器有单套管、三套管和四套管3 种形式 图1 。 。由N u s s e h 公式的单套管换热器水平管管外膜 状凝结传热系数为哺】 ⋯∽2 5 【絮裂乎】I ／4 ㈩ 式中，7 为汽化潜热，J ／k g ；d 为横管的外径，n l ；t ．为 ◎ 单套管 s i I I g kc a s t i n g ‘I f b e 四套管 4c a s t i n gt u b e三套管 3c a s t i n gt u b e 图1 各种套管形式 F i g ．1 V a r i o u sf o r m so fc a s i n gt u b e s 蒸汽温度，取进出口蒸汽温度的平均值，o C ；t 。为竖 板表面温度，℃。 在套管换热器为三套管和四套管时，考虑冷凝 液在管排之间滴落和蒸汽贯穿管束速度的影响，采 用文献[ 9 ] 推荐的修正系数8 。，修正后多套管管外 膜状凝结传热系数O L 计算如下 a a 。占， a o Z 。1 巾 5 式中，四套管时z ∑n ／m ，三套管时z 0 ．6 胪一；其 中m 为列数，乃i 为每列的排数，Ⅳ为总管数。 4 套管换热器以熔盐为热源的管外传热系数 a o 套管换热器以熔盐为热源时管内为低温矿浆、 管外为高温熔盐。熔盐物性参数参见文献[ 1 0 ] ，取 其特征温度下的物性参数。采用G n i e l i n s k i 公式⋯1 得管外传热系数为 a o 2 暑怒篆器‰⋯孚们1I1 27 1 c ，㈤ A ，[ ．痧8 P ∥3 一 ] L ～z ， ‘ 式中，当量直径d 。 4 A 。／P ，A 。为流体的流通截面 积，P 为参与传热的润湿周边“ 1 ；，为D a r c y 阻力系 数．f 为管长，取9 0 叫液体c t ㈢仉叭，每 0 ．0 5 ～2 0 。 5 压煮器加热管束的管外传热系数理。 压煮器加热管束管内为高温蒸汽、管外为低温 矿浆，压煮器内无折流板，可按下式计算其传热系 数1 a 。 1 8 8 1 0 ‘o ” 7 I ．3 结疤导热率和结疤厚度艿． 换热器结疤的生成是极其复杂的物理化学过 程。影响结疤形成的因素很多，因此目前国内外对 结疤问题的研究受到较大限制。由陈万坤等人的研 究结合生产实测数据可知以1 2 1 ，结疤速度是随时间 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年8 期 2 3 延长而降低，当结疤厚度达到一定值后将不再增加。 从平果铝一期溶出机组停车检修取出的结疤块厚度 测量得到，套管预热器结疤厚度为1 2m m ，压煮器 结疤厚度为1 3m m 2 1 。研究表明I s , t o ] ，高温溶出 生成结疤的传热系数只有5 ．0 1 6 6 ．6 8 8k J ／ m 2 h ℃ ，仅为钢材的1 ／3 5 左右；当结疤厚度为1m m 时，换热器综合传热系数几乎降低一半。 1 ．5 污垢热阻 “r o 分别为管内壁和管外壁的污垢热阻。通 常计算只考虑矿浆侧结疤，而未考虑热源侧污垢热 阻；若考虑污垢热阻，计算结果显示综合传热系数降 低5 ％一1 0 ％，故其影响也不可忽视。参考文献 [ 9 ] ，蒸汽侧和熔盐侧的污垢热阻取值均为 0 ．0 0 01 7 4 m 2 ．o C ／W 。 2 实例计算及结果分析 2 ．1 实例计算 以某氧化铝厂生产实践数据为计算依据，得到 相应的实测传热系数K 和理论传热系数K ’；所选 四组数据距离上次停车检修的时间分别为3 8 天、1 7 天、2 5 天、2 天。已知矿浆体积流量4 5 0n 1 3 ／h ，比热 容3 ．1 4 4 6k J ／ k g ℃ ，密度1 5 0 0k g ／m 3 ；单套管预 热器内管规格2 9 9m m 1 2m m ，理论计算结疤厚度 取1m m ；压煮器规格2 ．8m 1 6m ，搅拌轴直径2 7 3 m m ，理论计算结疤厚度取2m m 。按上述条件和理 论分析进行计算的结果如表1 和表2 所示。 表1单套管预热器传热系数计算结果 T a b l e1T h er e s u l t so fh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n to fs i n g l e - t u b ep r e h e a t e r 实测数粕号删剿．m - 2 懒．h - 张I ．o C1 仙等纂警k 表2 压煮器传热系数计算结果 T a b l e2 T h er e s u l t so ft h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fa u t o c l a v e s 2 ．2 计算结果分析 将单套管换热器实测K 的平均值与理论K ’的 平均值进行对比，采用百分比误差分析的方式比较， 误差公式 E I K ’一K l ／K 1 0 0 ％ 计算得E 2 ．2 ％ 5 ％。误差较大的数据主要 是由于管内结疤厚度无法得到准确值，导致理论计算 结果偏离实际值较大。 将压煮器实测K 的平均值与理论K ’的平均值 进行对比，采用百分比误差分析计算得E 2 ．3 ％一 2 ．6 ％ 5 ％。误差较大除了结疤厚度无法得到准确 值外，在计算压煮器传热系数时，无折流板的情况下 简化运用经验公式 7 也会导致计算结果偏离实际 值。 另外，试验研究得当水蒸气中含有1 ％的不凝 性气体时，表面传热系数下降6 0 ％，因此综合传热系 数K 也会有所降低㈨。生产中会定期排放压煮器中 的不凝性气体，以尽量避免其对综合传热系数K 的 影响。 3结论 结疤厚度的准确表征对理论计算的结果有很大 的影响，是影响综合传热系数的主要因素，加热源一 侧的污垢热阻对其影响也不可忽视，通常考虑污垢热 阻将会使传热系数降低5 ％一1 0 ％；理论计算的结果 和生产实测数据得到的结果偏差小于5 ％。 参考文献 [ 1 ] 杨重愚．氧化铝生产工艺学[ M ] ．北京冶金工业出版 社，1 9 9 3 1 0 1 1 0 6 ． [ 2 ] 毕诗文，于海燕，杨毅宏，等．铝土矿的拜耳法溶出[ M ] ． 北京冶金工业出版社，1 9 9 7 3 一l O ． [ 3 ] 李小斌，王宇。刘桂华，等．拜耳法管道化溶出系统的能 万方数据 2 4 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年8 期 量分析[ J ] ．矿冶工程，2 0 0 5 ，2 5 5 4 2 4 6 ． [ 4 ] 叶列明HN ．氧化铝生产过程与设备[ M ] ．北京冶金工 业出版社，1 9 8 7 1 3 4 1 4 8 ． [ 5 ] 史美中，王中铮．热交换器原理与设计[ M ] ．南京东南 大学出版社。1 9 9 6 5 8 2 8 9 ． [ 6 ] 许国良，王晓墨，邬田华，等．工程传热学[ M ] ．北京中 国电力出版社。2 0 0 5 1 2 3 2 3 7 ． [ 7 ] B E J A NA ，K R U A SAD ．H e a tt r a n s f e rh a n d b o o k [ M ] ．J o h n W i l e y ＆S o n s ，I n e ．，N e wJ e r s e y ，2 0 0 3 7 6 3 ． [ 8 ] 萨玛良诺娃J IB ，莱涅尔AM ．氧化铝生产的工艺计算 [ M ] ．许广兴，等，译．北京冶金工业出版社，1 9 8 7 1 2 9 1 4 2 ． [ 9 ] 钱颂文．换热器设计手册[ M ] ．北京化学工业出版社。 2 0 0 2 1 0 3 1 1 6 ． [ 1 0 ] 陈万坤，彭关才．一水硬铝石型铝土矿的强化溶出技术 [ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 7 2 1 7 2 1 8 ． [ 11 ] N I E O L I N S K IV ．N e we q u a t i o n sf o rh e a tm 删t r a n s f e ri n t u r b u l e n tp i p ea n dc h a n n e lf l o w s [ J ] ．I n t ．C h e m ．E n g ， 1 9 7 6 。1 6 3 5 9 3 6 8 ． [ 1 2 ] 黄芳．平果铝高压溶出过程中结疤的性质、形成机理及 防治研究[ D ] ．贵阳贵州工业大学，2 0 0 0 ． 万方数据