化工工艺残渣固形燃料搅拌混合设备设计

  摘要：化学工业固体废弃物简称"化工固废"，是指化工生产过程中产生的固体、半固体或浆状废弃物，包括化工生产过程中进行化合、分解、合成等化学反应产生的不合格产品（含中间产品）、副产品、失效催化剂、废添加剂、未反应的原料及原料中夹带的杂质等，以及直接从反应装置排出的或在产品精制、分离、洗涤时由相应装置排出的工艺废物，还有空气污染控制设施排出的粉尘，废水处理产生的污泥，设备检修和事故泄漏产生的固体废弃物及报废的旧设备、化学品容器和工业固废等。这些固体废弃物成分往往十分复杂，主要有杂环类物质，含有硫、氮、氯等有机物，且大都有毒性，需要进行无害化处理。

　　关键词：化工固废；搅拌设备；副产品；无害化处理；设备选型；循环经济；可持续发展

　　1引言

　　近年来，利用城市固废制备固废衍生燃料已成为废弃物处理研究的热点。在发达国家如日本等国的各研究机构对此项进行了详细的研究开发，各设备生产厂家都开发了相关的RDF生产、利用设备。我国近几年对RDF技术也进行了研究，但主要集中在城市垃圾相关的RDF技术，对产业的废弃物，特别是化工工艺残渣的处理利用方面尚未见报道。

　　2固体混合的影响因素

　　与液体搅拌相比，固体混合不具有自身扩散的性质，因而必须施加外力才能强制流动。影响混合的因素，除混合设备和操作条件外，固体粉粒体的性质、包括粒子的粒度与粒度分布、粒子形状、表观密度、表面性质、静电荷、水分含量、休止角、流动性、凝聚性，对混合过程的影响极大。

　　3混合过程机理

　　粉粒体混合时有三种基本的混合机理。

　　（l）扩散混合。粉粒体在小尺寸范围内的随机运动，即增加单个粒子移动性所引起的局部混合。只要不同时存在离析作用，扩散混合能使固体间的混合高度均一，扩散混合作用一般发生在不断新生表面上并再分布，或发生在众粒子相互间的移动性增加时。前者如鼓式混合器中进行的混合操作，后者如冲击磨中进行的混合过程。

　　（2）对流混合或移动混合。粉粒体进行大尺寸的随机运动，即粒子成批地从一处移动到一处，从而形成环流并同时进行混合。

　　（3）剪切混合。在物料内部粒子之间相对移动产生的混合。混合过程中发生的对流、剪切和扩散三种混合机理不可能在各自的区间独立起作用，而是随混合过程进行同时出现，如图所示。虽然每种型式的混合设备会同时出现三种混合机理，但总是只有一种机理起主要作用。

　　4混合设备的分类

　　4．1容器回转型混合设备

　　①适用于物性差异小、流动性好的混合，可以获得较高的混合精度，但对粒径比等物性差异大、流动性差的物料，采用该种型式大多数情况下不能得到良好的效果；

　　②装料系数低，一般为0.3-0.4；

　　③最佳回转速度，即处于最佳混合状态的速度一般为临界速度的50%-80%；

　　④设备容易清洗，适合于多品种小批量生产；

　　⑤回转速度慢、适合于易磨损物料的混合；

　　⑥容器回转空间大，但伴随回转容易一起负荷变动，因而需要设置安全栅和牢固的基础；

　　⑦进出口的地位较困难。

　　4.2容器固定型混合设备

　　①机种多，不仅可以满足各种物性粉粒体的混合，也可用于粉粒体中添加液体的混合；

　　②因容器是固定的，混合设备与粉粒体进出料装置容易连接；

　　③装料系数大，一般为0.5-0.6；

　　④设备清洗困难，适合于少品种大批量生产；

　　⑤存在搅拌浆叶磨损和轴封部件粉尘等问题。

　　4.3复合型混合设备

　　这类混合设备是在容器回转型的基础上，在容器内部增设了搅拌物料用的叶片，以增强物料的混合和分散作用，从而提高混合效果。如在常用的滚筒、V型、双重圆锥型等混合设备中，分别设置了特定的叶片，便构成了复合型混合设备。

　　5混合容器几何尺寸的确定

　　5.1容器容积的确定

　　因而欲求容器的容积，首先必须将产量化成单位时间的体积量，然后根据操作工况（间歇或连续），采用相应的公式计算。己知本设计设备的处理量为50kg/h，采用连续操作，则容器容积可根据式（1）确定：

　　V=V't(1+€%`)/€%om（1）

　　式中：V'要求每小时处理的物料的体积，m3/h；t为每批物料的处理时间，h；€%`为搅拌容器的备用系数，一般为0.1-0.15；€%o为装料系数，根据实际生产条件或试验结果而确定；m为伺样容积的搅拌容器的台数，台。

　　5．2容器内径和高度的确定

　　一定结构型式搅拌器的桨叶直径同与装配的搅拌罐体内径有一定的比例范围，随着罐体长径比的减小，即高度减小而直径放大，搅拌器桨叶直径也相应放大。在固定的搅拌轴转速下，搅拌器功率与搅拌器桨叶直径的5次方成正比。所以，随着罐体直径的放大，搅拌器功率增加很多，这对于需要较大搅拌作业功率的搅拌过程是适宜的，否则减小长径比只能是无谓地消耗一些搅拌器功率，长径比则可以考虑选得大一些。

　　在确定了搅拌容器的容积V之后，必须选择适宜的容器装液高度与内直径之比值（以下简称装液高径比），以确定筒体的内径D和高度H。

　　对于带锥形封头的容器，可先忽略封头的容积，由式（2）先算出标准直径D，再通过式（3）计算筒体高度。

　　V€%o=€%iD3(HL/D)/4（2）

　　H=4(V-Vd)/(€%iD)（3）

　　6搅拌器的选用

　　高豁度流体混合操作通常都处于层流状态，其对应的薪度范围为1-1000Pa·s。高勃度的流体在层流下操作，没有明显湍动，流体离开搅拌器后，其能量很快耗散，因此不能通过流体的翻腾来造成容积循环，往往采用直接大面积推动流体使之达到混合，最常用的搅拌器有锚式，框式，螺带式，螺杆式等。锚式搅拌器结构简单，应用广泛，由于缺乏轴向循环流动，混合效率较低。

　　7固体混合设备的功率计算

　　电动机额定功率可按式（4）确定:

　　PN=(P'+PS)/€%`（4）

　　式中：PN为电动机功率，kW；P'为搅拌器功率，kW；PS为轴封装置的摩擦损失功率，kW；€%`为传动装置的机械效率。摆线针轮行星减速机传动装置的机械效率€%`>0.9。

　　7.1搅拌功率的计算

　　功率P是搅拌器的转速与所加扭矩的乘积，而扭矩可从桨叶表面局部压力分布积分而得，这样就可求出无因次压力p*和无因次功率之间的关系:

　　p*∝N/€%jn3dj5（5）

　　若取

　　Np=N/€%jn3dj5（6）

　　则

　　P'=N/€%jn3dj5（7）

　　根据苏联等人的著作推荐的螺杆式搅拌器的尺寸参数为：dj/D=0.4-0.44，

　　h/dj=0.6-2.5，s/D=1，H/D=0.8-3.5。在层流区操作时，不带导流筒的螺杆式其功率准数为:

　　Np=70(h/dj)(Re)-1.0（8）

　　雷诺数Re由式（9）确定:

　　Re=€%jNd2/€%e（9）

　　式中：Re为雷诺数；€%j为流体密度，kg/m3；N为搅拌桨转速，r/s；d为搅拌桨直径，m；€%e为流体粘度。

　　8结束语

　　化工残渣固形燃料技术在对这些产业废弃物进行处理的同时，能有效地回收利用能源和资源。因此，开展此项技术研究开发，不仅具有十分重要的现实意义，而且对我省的生态省建设和经济发展也具有积极的促进作用。

　　参考文献：

　　[1]陈志平，章序文，林兴华等编.搅拌与混合设备设计选用手册[M].北京:化学工业出版社，2004