己二酸 (Adipic Acid) , 俗称肥酸, 是一种重要的有机二元酸, 能够发生成盐反应、酯化反应、酰胺化反应等, 是生产尼龙6, 6的主要原料之一。常温下为白色结晶粉末, 可燃, 无毒。己二酸粉尘属于爆炸性粉尘, 当空气中的己二酸粉尘浓度达到一定值时, 遇到火花就会产生爆炸。
尼龙6, 6 生产过程中, 需要将己二酸从原料卸载区输送到高处的喂料仓, 然后再进入到下游生产装置中, 此过程兼有水平方向和竖直方向的位移, 并且己二酸的原料供给方式也有多样性, 如吨袋供料, 集装箱供料, 槽车供料等。本项目以吨袋供料为主, 同时需要为将来预留集装箱供料的功能, 这对输送方式提出了更高的要求。
目前, 对己二酸粉料的输送方式采用较多的是稀相惰性气体循环气力输送, 其技术成熟, 应用较广。但是近年来随着科学技术的发展, 在PTA行业, 一种新型的粉料输送设备——管链输送机被大量应用, 且效果良好。那么用管链输送机来输送己二酸粉料和传统的气力输送方式相比有没有优势呢?本文将从设备投资和运行电耗方面对这两种粉料输送方式进行对比分析, 为己二酸粉料输送方案的选择提供新的思路。
1 稀相气力输送
1.1稀相气力输送的工作原理
粉料稀相输送装置是利用空气的动压和静压, 使物料颗粒悬浮于气流中沿管道输送。它有别于输水、输气和输油等单相流输送。在气力输送中, 输送的介质为气体和粉粒料的混合物[1]。输送气体一般为空气, 但是当遇到输送的物料容易被空气氧化而变质或者物料属于易燃易爆介质时, 需要使用氮气或惰性气体作为输送气体, 来避免物料和空气接触。如本项目中输送的介质为己二酸粉料, 其粉尘属于爆炸性粉尘, 所以选择氮气作为输送气体。
1.2稀相气力输送工艺流程
本项目中的己二酸粉料供给方式有两种, 在前期开发中使用吨袋供料, 同时为将来预留可以使用集装箱供料的功能。吨袋包装的己二酸粉料经大袋卸料站拆包后进入到缓冲料仓中, 再经料仓底部的旋转阀对物料进行定量供给, 同时以罗茨风机作为气源动力, 对输送气体氮气进行增压, 带动粉料以一定的速度输送到高处的喂料仓中, 氮气经布袋除尘器过滤后返回风机入口循环使用。
另外, 考虑到需要为将来预留集装箱供料, 需要在目前的流程中预留接口, 为将来改造提供可能及方便。图1为稀相氮气循环气力输送系统工艺流程。从图中可以看出, 系统中主要的用电设备为罗茨风机, 因此下文将重点阐述罗茨风机的选型。
1.3选型计算
1.3.1 基础数据
设计基础数据见表1。
1.3.2 输送固气比
根据粉粒料在管道内的流动形式可以把气力输送区分为“密相气力输送”和“稀相气力输送”两类, 而流动形式通常与加入管道的固体物料和输送气体的质量流率之比有关 (两者的比值称为“固气比”) , 一般认为稀相输送的固气比小于10。一方面, 固气比越大越有利于增大输送量, 在规定的输送能力下, 固气比大则所需风量小, 这样可以用较小的管道及较小的除尘、分离设备;另一方面, 固气比的增加会导致单位管道长度的压力降增加, 所需要的气源压力也越高, 对管道和设备的气密性要求也相应提高。在确定固气比时应考虑以上两方面的影响以保证设备投资费用和操作费用之间的均衡。通常在进行长距离稀相输送时, 优先选取较低的固气比以保证系统总体压降和输送末端的速度不会太高, 有利于风机的选型和噪音的控制;进行短距离稀相输送时, 则倾向于选择高固气比, 以满足输送的经济性。根据本项目输送物料的特性、输送量及输送距离, 最终选定初始表观气速20m/s, 输送管径159mm, 固气比9.5作为设计基础。
1.3.3 压力损失确定
罗茨风机所提供的动能主要用来克服氮气和物料在输料管中运动所引起的压力损失。稀相氮气循环气力输送中的压力损失主要包括下面几部分:氮气和己二酸在水平输料管中的压力损失;氮气和己二酸在垂直输料管中的压力损失;输送启动时压力损失;弯管中的压力损失;氮气回风管路压力损失;喂料仓及布袋除尘器的压力损失;风机进出口处的消音器、冷却器和过滤器等设备引起的压力损失。根据以上因数估算得整个循环输送系统压降约为39.7k Pa。
1.3.4风机选型
根据“1.3.1~ 1.3.3”的设计条件确定输送所需要的风量为27.2m3/min。由于系统存在一定的漏风量, 因此最终的风机风量和风压需要考虑15%的裕量, 即计算风量为31.3m3/min, 风压为45.7k Pa。
根据罗茨风机的样本选择接近计算值的风机型号为SSR-175, 额定气量为33.55m3/min, 风压为49k Pa, 电机功率为45k W。
2管链输送机
2.1管链输送机工作原理和结构
管链输送机是输送粉状、小颗粒状及小块状等散状物料的连续输送设备, 可以水平、倾斜和垂直组合输送。在密闭管道内, 以链片为传动构件带动物料沿管道运动。当水平输送时, 物料颗粒受到链片在运动方向的推力。当料层间的内摩擦力大于物料与管壁的外摩擦力时, 物料就随链片向前运动, 形成稳定的料流;当垂直输送时, 管内物料颗粒受链片向上推力, 因为下部给料阻止上部物料下滑, 产生了横向侧压力, 所以增强了物料的内摩擦力, 当物料间的内摩擦力大于物料与管内壁外摩擦力及物料自重时, 物料就随链片向上输送, 形成连续物料流[3]。
管链输送机主要由主动箱、从动箱、8齿链轮、电机减速机、带盘片的输送链条, 输料管道等组成。
2.2 管链输送机工艺流程
由于输送起点和终点兼有水平和垂直位移, 如果设置一条管链输送机, 那么整个管链输送机需要倾斜布置或者在中间增加转角箱来改变管链的运动方向。经过和多家管链输送机供应商沟通探讨, 以及对市场上在用管链输送机的调研分析, 一条管链输送机不能满足本项目的厂房布置及达到稳定可靠使用的要求。而两条管链输送机的设计 (水平+垂直) 更有利于设备布置, 同时取消转角箱的管链机运转更可靠。
己二酸经过大袋卸料站拆包后进入到缓冲料仓, 再经过出口旋转阀将物料定量输送到水平管链输送机的入口处, 由管道内盘片的移动将物料带到出料口排出。由于水平管链输送机的出口和垂直管链输送机的入口相连, 排出后的物料进入到垂直管链输送机继续运转, 最终被输送到高处喂料仓中。如果将来采用集装箱供料, 只需要将水平管链输送机延长, 同时再增加一个进料口即可, 但本次设计需要考虑足够大的管链驱动能力, 避免将来更换新的驱动装置。
己二酸管链输送机设计了充氮保护, 可防止因机器内部摩擦产生静电引发爆炸的风险。
图2 为管链输送机工艺流程。从图中可以看出, 系统中主要的电耗设备为两段管链输送机驱动电机。
2.3 管链输送机选型参数
2.3.1 水平输送
水平输送从投料仓出口到垂直输送机入口, 长度为7m, 输送量为18t/h, 输送速度为0.27m/s, 减速机型号为SK5328, N2=12rpm, 电机功率4k W, 4P变频调速。
2.3.2 垂直输送
垂直输送从水平输送出口到高位喂料仓入口, 输送高度为26m, 倾斜角度为83°, 输送量为20t/h, 输送速度为0.29m/s, 减速机型号为SK6328, N2=13rpm, 电机功率5.5k W, 4P变频调速。
2.3.3 安全附件
为了便于控制和监测管链输送机的运行状态, 在水平管链机和垂直管链机都装有速度监测、链条运动监测和断链检知器, 便于在第一时间发现链片是否处于正常工作状态;同时在垂直驱动电机上装有刹车功能, 可以在紧急情况下刹车防止链条快速下滑造成事故。以上设置可以保证管链输送机的安全可靠运行。
3 对比分析
3.1 技术对比
稀相气力输送方式技术成熟, 应用较广。其输送管线布置灵活, 可充分利用空间;设备简单, 占地面积小;物料在密闭管道中输送, 对环境不易产生粉尘污染;可以实现从一处分散送往多处;适合中长距离输送 (部分可达上千米) 。但是输送气速高, 磨损较大, 固气比小, 输送效率相对较低, 能耗高, 辅助设备较多。
管链输送机的结构紧凑, 占用空间较小, 可以水平、倾斜和垂直进行任意组合;全封闭式输送, 无粉尘泄漏, 环保清洁;适合中短距离输送;可以设置多个进料口将不同点的物料输往同一个点;能耗低, 噪音小, 更适合本项目的选型要求。
3.2 经济对比
3.2.1设备初始投资对比
根据供应商的报价, 稀相输送方案中设备总初始投资约为86 万元, 管链输送机方案的总初始投资约为124 万元。因此, 管链输送方案比气力输送初始投资多了38万元。
3.2.2 运行费用对比
运行费用主要包括电费和设备的维修维护费用。
稀相气力输送方案中的最大的用电设备为罗茨风机, 功率为45k W。按电价为0.6 元/k Wh, 年运行8000h计算, 每年的运行电费为21.6万元。
管链输送机方案中的用电设备为2 台驱动电机, 总功率为9.5k W。同样按电价为0.6 元/k Wh, 年运行8000h计算, 每年的运行电费为4.56万元。由此可知, 管链输送方案比稀相输送方案每年可节省电费17.04万元。
稀相输送在正常使用过程中的维护费用较少, 主要是罗茨风机的维护, 包括定期更换冷却油和滤芯, 以及系统中的布袋过滤器的滤袋。管链输送机中除需要日常检查链条张紧力外, 电机、减速箱、轴承等需要定期加油加脂, 盘片和链条的磨损需要定期检查, 对损坏或磨损严重的盘片进行及时更换。总体上两种方案的维修维护费用相差不大, 因此本文的运行费用对比仅考虑电费部分。
4 结语
根据以上分析, 管链输送机完全可以用来输送己二酸粉料, 其具有结构紧凑, 密闭传送, 能耗低, 噪音小, 操作维修方便, 使用寿命长等优点;同时在经济对比上按静态回收简单计算, 管链输送方案多出部分的初始投资可在2.23年的时间内收回, 经济优势比较明显, 更符合国家在节能环保方面的要求。
摘要：为了解决某工程项目中己二酸粉料输送系统的选型问题, 从设备投资和运行电耗方面对稀相氮气循环气力输送系统和管链输送机进行对比分析, 结果表明, 管链输送机比气力输送方案初始投资多38万元, 但每年可节省运行电费17.04万元, 2.23年即可收回多出的初始投资, 经济优势明显, 也更符合国家在节能环保方面的要求。
关键词：己二酸,稀相气力输送,管链输送机,对比分析
参考文献
[1] 潘文铭, 纪长春.浅谈粉料稀相输送装置在混凝土搅拌站中的运用[J].华东科技, 2013 (08) .
[2] 陈志希等.粉粒体气力输送设计手册[M].北京:全国化工化学工程设计技术中心站, 2001
[3] 于金刚, 张晓飞.管链输送机在核燃料元件制造中的应用研究[J].科技与生活, 2013 (02) .