曹子治
中国能源建设集团广东火电工程有限公司 广东 广州 510663
摘 要：密闭鼓风炉炼锌工艺（ISP）在提高产量的过程中，由于铅塔冷凝器顶部冷凝强度过大，金属液体的饱和蒸汽压随着温度的升高呈指数增长，极易发生超压冲顶事故，是ISP工艺流程中增产的瓶颈。结构特性对冷凝强度的影响的研究有利于优化改造铅塔冷凝器。本文依据某厂锌精馏工艺、设备现状，在前人研究的基础上结合生产实践的现有经验，设计实验模型，在定高定容积与定高定散热面积条件下，研究饱和蒸汽在方体形容器中的冷凝与结构特性参数的关系，结论为长宽比、容积变化对冷凝强度有较大的影响；只考虑增加散热面积对冷凝强度的影响不显著；长宽比为2.01的冷凝器具有增产能力。有助于为锌精馏冷凝器的优化设计提供指导，实现降耗增效.
关键词：热能工程；锌精馏；ISP工艺；冷凝器；实验模拟
中图分类号：TK175
1、引言
冷凝器是工业生产中主要的用能设备，目前无论是国内还是国外冷凝器总的转化利用率仅有30%左右[1]。而冷凝器无论在冶金行业，还是化学化工及制药行业都有着广泛的应用。目前精锌的生产是一个高能耗的过程，因此很有必要研究其生产过程的节能降耗技术。然而采用ISP工艺炼锌在提高产量的过程中，由于铅塔冷凝器顶部冷凝强度过大，金属液体的饱和蒸汽压随着温度的升高呈指数增长[2]，极易发生超压冲顶事故[3, 4]，因此需要研究其结构特性对冷凝强度的影响以利于优化改造铅塔冷凝器。
2、实验原理及实验方法
2.1实验原理
通过对前人有关冷凝方面的理论研究的总结，可以了解到自从努谢尔特以来，冷凝方面的理论研究在不断的得以修正和发[]展，其理论在工业生产过程中也得到了广泛的应用。但是值得指出的是，当前一些关联式在计算给定条件下的传热系数时，误差是较大的[5,6]。对于紊流流动，计算出的传热系数误差在-20～+20%之间[8]，特别是对于冷凝、沸腾、自然对流，误差会超过100%[9]。对于自由运动放热的准则式，杨世铭[10]认为不同学者的准则式甚至有50%的差别，闵桂荣[11]认为前人的准则式误差高达60%。这表明用分析方法研究对流换热问题，由于不可避免地要和一些假设前提联系在一起，而其中的有些假设不是能随时符合实际情况的，所以难以避免的存在较大误差。因此，通过实验的手段，依据相似原理，参考现场工艺情况，采取建立相似模型进行模型模拟实验的研究手段更有利于发现冷凝过程的特性及规律[12]。
根据铅塔冷凝器的实际尺寸，按10:1的比例缩小建立相似模型（模型Ⅰ），如图1所示(具体尺寸见表1,侧面及顶部分别以e，n，w，s，t表示)。
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图1 冷凝器模型
模拟实验水蒸汽进口流速为0.1402 m/s，侧面及顶面的冷凝强度用下式计算：
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图2模型Ⅰ冷凝强度
对相似模型进行基准实验，图2是基准模型（模型Ⅰ）各个散热面的冷凝强度曲线，图3是某厂锌精馏冷凝器各散热面冷凝强度曲线，它是根据现场测试的数据绘制的。由图可知，对于这种方体形结构的冷凝器，水蒸汽的冷凝强度与锌蒸气的冷凝强度除了在数量级上的区别外，变化趋势是一致的，这种一致性为实验的切实可行性提供了依据。
图3 实际冷凝器的冷凝强度
2.2实验方法
根据锌蒸气在冷凝器的冷凝特点以及现场约束条件[3,12]，选取冷凝器内壁高度（H）作为定性尺寸，分别以容积（V）和散热面积（S）为定性尺寸分阶段进行对比实验。实验模型具体结构参数见表1。
表1 模型结构参数
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3、实验结果及分析
3.1 长宽比变化对冷凝强度的影响
本实验目的在于确定在以容积及高度为定性尺寸的条件下，长宽比的变化对冷凝强度的影响。为表达直观，表2中各模型散热面积、容积、冷凝强度以模型Ⅰ的百分比示。模型Ⅰ的长宽之比是1.15，模型Ⅱ长宽之比是4.12，而且模型Ⅱ的散热面积比前者大23.28%，但其冷凝量反而比模型Ⅰ小5.09%；模型Ⅰ的长宽之比是1.15，模型Ⅲ长宽之比是2.10，而且模型Ⅲ的散热面积比前者大6.06%，但前者比后者的冷凝量仅小
2.01%，基本可以忽略不计。这说明模型Ⅰ的长宽比更有利于蒸气（汽）的扩散。
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表2 长宽比实验冷凝强度
由表二知道模型Ⅰ在各个面上的平均冷凝强度均大于模型Ⅱ，两个模型顶面冷凝强度都较大，模型Ⅱ的四个竖壁面上的冷凝强度均均匀性较差，但是处于入口（即南面）的两侧面均匀性两者都很明显，处于入口对面一侧的冷凝强度较其它三个竖壁面略有增大。
在模型Ⅲ的长宽比情况下，各换热面的冷凝强度较为均匀，但是并没有增加冷凝总量，这是由于模型Ⅲ的平均冷凝强度被降低了，相对于模型Ⅰ其平均冷凝强度降低了3.67%，在模型Ⅱ的长宽比情况下，尽管散热面积有较大的增加，但散热强度在各个散热面上都降低了，且冷凝强度相对于模型Ⅰ降低了14.75%。因此由表2三个模型的冷凝强度的对比，可以得出这样的结论：冷凝器长宽比的调节有利于改变该类型冷凝器各散热面的冷凝强度，但散热面冷凝强度的均匀性及最大值的取得并不一致。
3.2容体积变化对冷凝强度的影响
本实验目的在于确定在以散热面积及高度为定性尺寸的条件下，容积的变化对冷凝的影响。本组实验数据以模型Ⅲ为基准。模型Ⅲ的长宽之比是2.10，模型Ⅳ长宽之比是1.21。模型Ⅲ、Ⅳ具有相同大小的散热表面积，后者具有更大的容积空间，后者比前者的容积增量百分比为11.10%，而模型Ⅳ冷凝量增加13.06%，实验数据表三表明，随着体积的增加，冷凝蒸汽（气）扩散性能提高，冷凝器的冷凝能力有较大的增长，同时再次表明了合理的长宽比有利于提高冷凝强度。
表3 容积实验冷凝强度
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4、小结
1）基准实验中，基准模型（模型Ⅰ）各冷凝面冷凝强度与实际冷凝器冷凝强度在变化趋势上具有一致性，证明该种模型具有模拟现场工况的能力，模拟实验的结论对冷凝器的设计具有参考价值。
2）长宽比变化的实验对比表明，冷凝器设备的长宽比对设备的冷凝能力有较大的影响，而单独增加散热面积而不考虑长宽比对冷凝器容积空间的影响也是不可取的，容积变化本次实验中在长宽比为1.15时，冷凝器模型平均冷凝强度最大，冷凝器长宽比的调节有利于改变该类型冷凝器各散热面的冷凝强度，但散热面冷凝强度的均匀性及最大值的取得并不一致。
3）容积变化实验表明，该类型冷凝器的容积空间对冷凝能力影响较大，在同样散热面积的情况下，如何尽可能的增加其容积空间以利于蒸汽（气）在其中的扩散是极其重要的。
4）模型Ⅲ各换热面冷凝强度较为均匀，且顶部冷凝强度仅为模型Ⅰ的64.81%，因此模型Ⅲ能够在不损失冷凝强度的前提下避免超压冲顶现象的发生，具备增加产量的能力，是较优的冷凝器模型，具有实际应用参考价值。
参考文献:
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