王暢 丁德承

（中國石化集團(tuán)南京設(shè)計(jì)院，江蘇南京 210048）

1 前言

混合冷凝器也叫大氣冷凝器，屬于氣液直接接觸的換熱裝置。它被用來冷凝二次蒸汽。在磷復(fù)肥生產(chǎn)中常被用來在磷酸濃縮、磷銨料漿濃縮、硝酸磷肥料漿濃縮過程中排出的二次蒸汽的冷凝。磷酸生產(chǎn)中過濾系統(tǒng)大氣冷凝器也屬于此列，只不過真空度不同而已。

混合冷凝器是一種最簡單、最廉價(jià)的換熱器。它利用水作為冷卻介質(zhì)（直流水或循環(huán)水）進(jìn)行直接冷凝。由于冷卻水中有可能帶入濃縮過程中夾帶的料液，因而定期需排出部分冷卻用水，這部分水的排放后的處理方案是選用混合冷凝器必須同時(shí)考慮的課題。

混合冷凝器計(jì)算的目的是在已知冷凝二次蒸汽所需的冷卻水用量條件下，求出水被最大程度的加熱而需要的冷凝器內(nèi)安置的塔板數(shù)。

2 混合冷凝器的計(jì)算步驟

冷卻水消耗量由熱平衡方程式確定：

式中：ω — 需要冷凝的二次蒸汽量，kg/h；

i″ — 冷凝蒸汽的焓，kcal/kg(kJ/kg)；

tk— 出冷凝器冷卻水溫度，℃；

tH— 進(jìn)冷凝器冷卻水溫度，℃；

c — 水的比熱，kcal/kg?℃(kJ/kg?℃)。

冷凝器直徑的大小要保證被冷凝蒸汽穿過冷凝器時(shí)不夾帶液體。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)，對(duì)于壓力9.8 ×103～ 19.6×103Pa條件下操作的冷凝器，可以取塔板自由截面上的蒸汽流速15 ～ 30 m/s。

冷凝器的高度應(yīng)該使蒸汽飽和冷卻水之間有足夠的冷凝接觸表面。

最常用的冷凝器是帶有圓缺塔板的液柱式冷凝器和液膜式冷凝器。

在這種冷凝器中，冷卻水從上而下，由一塊塔板流到另一塊塔板，而被冷凝的蒸汽則由下而上逐步被冷凝。

圓缺塔板的寬度：

式中：Dk—冷凝器直徑，m；

從第一塊塔板流到第二塊塔板水的溫度變化，可按下式計(jì)算：

式中：t″—被冷凝蒸汽的溫度，℃；

ti, ti+1—在第i塊塔板上和第i+1塊塔板上水的溫度，℃（水自上而下）；

ω0— 水流下的初速度，m/s

g — 自由落體速度，m/s2

H — 塔板之間的距離，m（流股下落高度）；

b — 水幕寬度（落水邊長寬），m；

δ — 下落時(shí)水幕厚度，m；水流動(dòng)的初速度：

式中：

h—在溢水邊上的液面高度，m（塔板上水層高度）；

式中：η—流量系數(shù)，～ 0.63；

式中：ωcp—水流動(dòng)的平均速度，m/s；

大氣管直徑和長度

式中：ν—大氣管內(nèi)液體流速，m/s,一般0.5 ～ 0.6m/s

大氣管中液柱高度：

式中：P0— 大氣壓力，Pa；

P — 冷凝器內(nèi)壓力，Pa；

d — 大氣管直徑，m；

不凝性氣體（空氣）量，按下式確定：

被真空泵抽吸的氣體體積：

式中：PB—空氣分壓，Pa。

被真空泵抽吸的空氣溫度：

式中：tH— 冷卻水溫度，℃

tk— 冷凝水溫度，℃。

逆流型冷凝水出口溫度比蒸汽進(jìn)口溫度低3～5 ℃。

3 計(jì)算示例

要求確定混合冷凝器的尺寸。

原始數(shù)據(jù)：

冷凝蒸汽量 ωs=6000

冷凝器中負(fù)壓640 mmHg（8.42×104Pa），大氣壓力760 mmHg（- 105Pa）

進(jìn)冷凝器冷卻水溫度tH= 15℃。

計(jì)算：冷卻水量

與此相應(yīng)的水蒸汽焓i" = 621.1 kcal/kg，蒸發(fā)潛熱r = 566.2 kcal/kg，溫度t" = 54.9℃，比容積ν"= 9.6 m3/kg。

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)，冷凝器排出水溫度比進(jìn)冷凝器蒸汽溫度低3℃，出口水溫度：

tk=54.9 - 3=51.9 ℃

冷凝1 kg蒸汽所需的冷卻水量m，由熱平衡方程式求出：

i" + m·tH= (1+m)·tk

由此得出：

1小時(shí)冷卻水消耗量：

冷卻器直徑：

通過冷凝器蒸汽流速w = 15 m/s求出：

圓整后取冷凝器直徑dk= 1200 mm，這時(shí)圓缺塔板寬度l=dk/ 2+50=1200/2+50=650 mm。

冷卻器的熱力計(jì)算：

冷凝器熱力計(jì)算目的是要求出冷凝器內(nèi)安置的塔板塊數(shù)，冷凝器高度以及塔板間距。塔板數(shù)應(yīng)滿足將冷卻水溫度加熱到51.9℃，以及每一塊塔板上水的溫度變化。

從塔板上落下水的初始速度：

將相應(yīng)數(shù)值代入公式，求出：

從第一塊塔板上流出的水的平均流速：

流股厚度：

流股當(dāng)量直徑：

將求出的數(shù)值代入公式（3）

表1 冷凝器內(nèi)水與蒸汽熱交換計(jì)算結(jié)果匯總

于是：

解此方程求出進(jìn)入第二塊塔板上水的溫度t2= 32.8℃

水吸收的熱量：

Q = 25.6 (32.8-15) / 456 kcal/s

冷凝蒸汽量：

從第二塊塔板流出的水的流量：

25.6 + 0.78 = 26.38 kg/s

用同樣的方法計(jì)算從第二塊塔板流到第三塊塔板的熱交換。計(jì)算結(jié)果列于表1。

流股厚度：= 0.013 m

流股當(dāng)量直徑：

從塔板上水流出的初速度：

塔板之間流股平均速度：

將求出的值代入求解t2的公式：

下面列出簡化計(jì)算所需的數(shù)據(jù)：

塔板上水層高度，h，m 0.0562

水流出的初速度，ω0，m/s 0.417

從塔板上流出的水平均速度ωcp，m/s 1.79

流股厚度，δ，m 0.013

流股當(dāng)量直徑， ，m 0.0257

蒸汽溫度t"，℃ 54.9

冷卻水初始溫度，℃ 15

計(jì)算結(jié)果列于表2。

表2 冷凝器內(nèi)水與蒸汽熱交換簡化計(jì)算結(jié)果

冷凝器中冷卻水溫度變化示于圖1。由圖可見，計(jì)算的塔板數(shù)和塔板之間距離，保證冷凝的蒸汽量和水被加熱的程度符合工藝要求。

圖1 冷凝器中冷卻水溫度變化

取d = 250 mm。

大氣管的高度：

與真空度640 mmHg相應(yīng)的水柱高度。

H1= 10.33×640/760=8.7 m

水在大氣管中流動(dòng)雷諾數(shù)

Re = 105～ 108范圍內(nèi)平滑管的摩擦系數(shù)：

大氣管中壓力損失：

大氣管的計(jì)算：大氣管直徑：

預(yù)留大氣管安全高度H3＝1 m。

大氣管總高度：

H=H1+H2+H3=8.7+0.055+1 = 9.755 m

取大氣管總高度H = 10 m。

被抽吸的空氣溫度：

冷凝器中壓力等于0.16大氣壓=1600 kg/m2。

當(dāng)tB=22.7 ℃時(shí)蒸汽分壓281 kg/m2。

空氣分壓PB=1600-281=1319 kg/m2。

空氣體積：

根據(jù)計(jì)算繪制的冷凝器示于圖2。

圖2 混合冷凝器簡圖