铅塔冷凝器的散热研究.pdf

1 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年6 期 铅塔冷凝器的散热研究 巫辉明1 ，张全1 ，何金桥1 ，蔡军林1 ，2 1 ．中南大学能源与动力工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 ；2 ．韶关冶炼厂，广东韶关5 1 2 0 2 4 摘要分析了韶关冶炼厂锌精馏过程中铅塔冷凝器实际冷凝能力不足，冲顶事故时有发生的原因，并对 二系统1 铅塔冷凝器散热进行了测试。测试结果表明除顶部壁面处于良好的工作状况外，冷凝器各 竖壁面的温度沿高度方向的变化显著，温差较大；在同一高度处，冷凝器北壁面温度明显高于东、西两侧 壁面温度。 关键词锌精馏；铅塔；冷凝器；散热分析；相变 中图分类号T F 8 0 6 。T F 0 6 8 ．3 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 5 0 6 0 0 1 8 0 3 S t u d yo nt h eR a d i a t i n gH e a to fL e a dC o l u m nC o n d e n s e r W U H u i m i n 9 1 ，Z H A N GQ u a n l ，H EJ i n q i a o I ，C A IJ u n l i n l l 2 1S c h o o lo fE n e r g ya n dP o w e r ，C e n t r a lS o u t hU n l v e a ．s i t y ．C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a 2 ．S h a o g u a nS m e l t e r ，S h a o g u a n ，G u a n g d o r t g5 1 2 0 2 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h ea c t u a lc o n d e n s i n gc a p a c i t yo f1 l e a dc o l u m nc o n d e n s e ri se v i d e n t l ys m a l l e rt h a nt h a to fd e s i g ni n S h a o g u a nS m e l t e r ．a n dt h er a d i a t i n gh e a ts t a t eo ft h ec o n d e n s e ro f1 8 l e a dc o l u m ni sm e a s u r e d ．T h er e s u l t s s h o w f o rt h ev e r t i c a lw a l lo ft h ec o n d e n s e r ，t h e r ei se v i d e n tt e m p e r a t u r ec h a n g ea l o n gt h ed i r e c to ft h eh e i g h t ， a n dt h ed i f f e r e n c eo ft h en o r t hw a l li sl a r g e rt h a nt h a to ft h ee a s ta n dw e s tw a l l s ． K e y w o r d s Z i n cr e f i n i n g ；L e a dc o l u m n ；C o n d e n s e r ；R a d i a t i n ga s s a y ；P h a s et r a n s f o r m a t i o n 韶关冶炼厂锌精馏过程是在2 种不同塔型中蒸 馏、分凝回流，除去其中的P b 、C d 等杂质，得到高纯 度锌。铅塔冷凝器是锌的火法精炼工艺中的重要一 环。其作用是将去除高沸点杂质金属的含镉锌蒸气 通过与环境的散热转变为液态，为分离低沸点杂质， 进行二次蒸馏作准备。冷凝器的散热面积及容积是 影响换热的两个主要因素。韶关冶炼厂二系统1 铅塔冷凝器具有较大的容积热负荷，完全能够满足 增产冷凝的需要；同时由于金属液体的饱和蒸气压 随温度升高呈指数规律增长L 1J ，极易发生超压冲顶 事故，因此，通过测试分析各散热面温度分布状况， 不仅有利于铅塔冷凝器结构的优化设计和安全稳定 增产，而且为铅塔燃烧工况的在线检测提供反馈控 制信息，这将具有很大的现实意义。 作者简介巫辉明 1 9 7 0 一 ，男，广东人。硕士研究生 1 铅冷凝器温度测试及分布 1 ．1 冷凝器结构及温度测点布置 铅塔冷凝器内部为碳化硅质耐火材料砌筑的方 体形容器，通过壁面与外界换热，下设锌液封闭的底 座贮槽，外层为耐火材料砌体 如图1 。器壁温度 测点主要布置在东、西、北三面竖壁上，并取同一水 平面上的上、中、下三个高度位置，每面各取两组，并 如图1 所示标记。 1 ．2 冷凝器外壁温度分布 通过红外测温仪测试，得到如图2 所示的各立 墙的温度分布图。图中测点坐标由左到右分别为 上、中、下，其中1 a 为北砸器壁的温度分布；l h 为西 面器壁的温度分布图；l c 为东面器壁的温度分布； 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年6 期 南 面 A A 东面 西面 1 一排风o ；2 一外部砌体；3 一锌蒸气人口；4 一空气夹层； 卜加馀层的碳化硅器壁；6 一锌液贮槽；7 一锌液流槽。 图1 铅塔冷凝器温度测点分布图 №．1D i a g r a m0 ft h el e a de o h m me o n d e a l s e ra n d t h ed i s t r i b u t i o n0 fm e a 目m e m t0 ft e l r q ∞r a t n r e p 世 疆 p 趟 鸡 p 越 列 p 越 赠 1 d 为北、西、东三个器壁面在水平方向上的平均温 度在同一高度方向上的比较。可以看出，在同一高 度的位置上，温度相差不大，但在垂直方向上，上、 中、下三处温度分布及不均匀，而且相差较大，都在 8 0 ℃以上；东、西两壁面温度分布较为相近，北壁面 在同一高度上的平均温度显著高于东、西壁面，而且 上、中、下三处温差都在3 0 ～4 0 ℃以上。这说明不 仅沿高度方向上的温度分布极不均匀，而且处于人 口不同位置的各个面受热不均匀性更加突出。在现 场条件下，顶部护墙及排风口都已经撤除，因此，顶 部器壁完全处于大空间的良好散热条件中，经测试 各处温差相差较小，都在6 ℃以内，平均温度为 6 2 0 ℃。这说明顶部平壁与容器内部的锌蒸气接触 均匀。 图2 铅塔冷凝器竖壁温度分布图 F i g ．2 T e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fs i d ew a l lo fl e a dc o l u m nc o n d e n s e r 2 铅塔冷凝器散热分析及存在问题的 探讨 2 ．1 冷凝器内冷凝介质的工作条件分析 锌蒸气的蒸气压是精锌生产工艺中的重要安全 设计参数，燃烧室的稳定燃烧与放热既是确保塔盘 内粗锌气液平衡状态参数的决定手段，也是确保冷 凝器内锌蒸气平稳冷凝的重要条件。冷凝器内锌蒸 气流量的突然增加一方面导致容器内气体等温升 压，另一方面容器内增加了的气态物质形成了更高 高温氛围，又促使贮槽锌液快速升温，结果导致冷凝 器冲顶事故的发生，因此，提高冷凝器的冷凝能力， 是安全增产的首要条件。 进入冷凝器内的锌蒸气的流量为0 ．3 7 0 4k g ／s ， 流量不大，不可能冲刷任何器壁，因此进入冷凝器内 的锌蒸气在室内冷凝负压及自身浮升力作用下产生 扩散和上升运动，与壁面最终将形成稳定的膜状凝 结，而相间热阻远大于液膜导热热阻”J ，液膜的厚 度及温度分布是影响相变换热主要因素，液膜厚的 地方导热能力增大，液膜被再次冷却，而气液相变冷 |曼Ⅲ；曼㈣|耋㈣㈨㈣；耋㈣ Ⅲ|耋|量{垦Ⅲ{耋㈣荟㈣蓥 |兰珊渤㈨l耋㈣叠㈣铫 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年6 期 凝能力却随之降低。顶部平壁的液膜受自身重力的 影响，厚度达到一定值时将白行脱落，冷凝条件较 好；冷凝器竖壁上的液膜则随着高度的减少越来越 厚，因此冷凝能力将逐渐变差。经较核计算，冷凝器 东面、北面、西面和顶面单位面积的冷凝能力分别为 k W ／m 2 1 2 ．4 8 、1 3 ．8 7 、1 2 ．3 5 和4 1 ．9 2 。 冷凝器内的气液温度也是影响相变换热的主要 因素，铅塔冷凝器的目的是为了将气态锌转变为液 态锌，从理论上讲，贮槽内锌液温度越接近相变点 沸点 越有利于提高单位面积的冷凝量，但从金属 液体的饱和温度与饱和压力的指数依变关系上讲， 又会造成容器内压力过高，提高了制造成本，因此冷 凝器内锌蒸气温度与锌液温度相互之间存在一个最 优依赖关系。锌溶液在6 5 0 ℃时的饱和蒸气压为 37 2 4P a ，远小于大气压，从图2 也可以看出，冷凝 器下部测试点温度都在6 0 0 ℃左右，因此以6 5 0 ℃作 为贮槽锌液温度既未能充分发挥冷凝的冷凝作用， 同时液态金属的流动性也受到较大影响。 2 ．2 冷凝器散热方式分析 铅塔冷凝器处于高温工作环境中，在与环境的 散热过程中，既有辐射换热，又有对流换热，换热的 强弱直接决定了冷凝器的冷凝能力。就现场结构而 言，在外壁面处，冷凝器环境散热主要通过如下3 种 方式 1 冷凝器碳化硅外表面通过护墙开孔的辐射 散热； 2 护墙的对流散热； 3 护墙与冷凝器外壁之 间空气夹层的对流散热。 顶面由于外部结构的取消，具有最大的辐射散 热面积，环境空气流动性较好，冷凝效果较好；由于 活动护墙在散热的同时，对贮槽锌液要进行保温，在 一定程度上降低了各竖壁下部的散热能力。 2 ．3 冷凝器结构布置及其存在的问题 由图1 可以看出，冷凝器完全置于开窗的活动 护墙中，由于顶部活动护墙的拆除，顶部平壁换热能 力大大加强，外表面平均温度仅有5 8 8 ℃，器壁工作 强度大大降低；此外冷凝器人口布置在距顶壁面1 ／3 处，而恰在此处范围内竖壁外表面温度较高。 3 结语 综合上述分析，该冷凝器存在以下几方面的问 题 1 冷凝器室内气液温度，特别是冷凝液体的温 度未能充分利用大温差的强化传热； 2 人口位置布置的过高，造成了立墙上下温差 过大，使得立墙大部分面积仅仅用以降低液膜的温 度； 3 人口对面即北面立墙温度明显高于东、西两 立墙，锌蒸气在东西方向的扩散能力过小，不能在目 前的东、西立墙间距充分扩散到两立墙进行冷凝。 参考文献 [ 1 ] 徐采栋，林蓉，征大成锌冶金物理化学[ M ] ．上海上 海科学技术出版社，1 9 7 8 [ 2 ] 有色冶金炉设计手册编委会有色冶金炉设计手册 [ M ] 北京冶金工业出版社，2 0 0 0 E 3 ] J e a n L o u i sM a r t i nS a f e t yi nt h eZ i n cR e f i n e r ya tN o y e l l e s - 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