三效蒸發(fā)工藝自動化改造方案探討

陸琳 金洪兆 楊山

摘 要：深入討論三效蒸發(fā)工藝自動化改造方案、實(shí)施要點(diǎn)及注意事項(xiàng)，介紹了可能發(fā)生的各種故障及處理方法，同時指出一些目前未能實(shí)現(xiàn)的功能，簡述未來改進(jìn)方向。

關(guān)鍵詞：三效蒸發(fā);自動化改造;硫酸銨

1 ? ?工藝原理

三效蒸發(fā)工藝是利用濃縮結(jié)晶系統(tǒng)將物料中的水通過蒸發(fā)的方式去除，使產(chǎn)物得到提純濃縮的方法。三效蒸發(fā)系統(tǒng)由相互串聯(lián)的3個蒸發(fā)器、冷凝器、真空系統(tǒng)、分離系統(tǒng)等組成。低溫（90 ℃左右）加熱蒸汽被引入第一效以加熱其中的物料，物料受熱后在負(fù)壓分離室產(chǎn)生二次蒸汽，并被引入第二效作為加熱蒸汽，第二效更高的負(fù)壓使物料以比第一效更低的溫度進(jìn)行蒸發(fā)，這個過程一直重復(fù)到最后一效。第一效蒸汽凝水返回?zé)嵩刺幯h(huán)使用，其他各效凝水匯集后作為淡化水輸出。同時，硫酸銨物料經(jīng)過多效蒸發(fā)依次濃縮，在末效達(dá)到過飽和而析出結(jié)晶，由此實(shí)現(xiàn)固鹽與物料的固液分離。

2 ? ?主要控制方案

2.1 ?蒸發(fā)器分離室液位控制

目前，大部分的三效蒸發(fā)控制方案圍繞分離室液面控制展開。為控制本級分離室液面，調(diào)整上一級給料變頻泵控制流量，防止分離室液面超最高限，造成分離室翻液，料液進(jìn)入冷凝水系統(tǒng)腐蝕設(shè)備及管道現(xiàn)象;同時液面也不能過低，低于最低限制液位時，料液在加熱室列管中迅速結(jié)晶，造成列管結(jié)垢甚至堵管，影響系統(tǒng)傳熱甚至導(dǎo)致非計(jì)劃停工。

2.2 ?加熱蒸汽壓力控制

加熱蒸汽是整個蒸發(fā)系統(tǒng)的主要動力來源，是結(jié)晶產(chǎn)品穩(wěn)定性的重要保證。蒸汽從系統(tǒng)管網(wǎng)引入，測量壓力、流量、溫度等參數(shù)。管網(wǎng)蒸汽壓力過高，可通過增設(shè)減溫減壓器作調(diào)整。通常情況下，通過調(diào)節(jié)蒸汽進(jìn)設(shè)備主線上的籠式閥開度可保證蒸汽系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定性。高溫導(dǎo)致蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)室，料液被快速蒸發(fā)并在管層結(jié)垢阻塞;過低的蒸汽溫度會導(dǎo)致結(jié)晶緩慢、顆粒細(xì)小、產(chǎn)品不達(dá)標(biāo)。

2.3 ?不凝氣抽除效果控制

由于原料自身會夾雜部分殘留氣體、游離態(tài)的熱解物質(zhì)等，在三效蒸發(fā)器加熱室形成少量的不凝氣體[1]。這些氣體越積越多，嚴(yán)重影響加熱室換熱效果。因此，在設(shè)備設(shè)計(jì)方面應(yīng)予以重點(diǎn)考慮。在控制方案上，根據(jù)水環(huán)真空泵入口壓力，調(diào)節(jié)泵變頻輸出，在保證系統(tǒng)負(fù)壓滿足需求的同時，加強(qiáng)不凝氣抽氣效果和加熱室傳熱效果，降低能耗[2-3]。

2.4 ?循環(huán)管料液固液比控制

固液比能夠準(zhǔn)確判斷各效實(shí)際蒸發(fā)效果，對控制產(chǎn)品質(zhì)量、降低系統(tǒng)能耗有重要意義。

固液比是依據(jù)對料液密度的測量，輔以某些物理量關(guān)系計(jì)算得出結(jié)論。測量原理上，諧振式液體密度傳感器使用最為普遍，分為振動管式密度計(jì)、科氏質(zhì)量流量計(jì)、音叉式密度計(jì)3類，例如音叉式密度計(jì)。它是利用小質(zhì)量的音叉在液體中振動時固有頻率的變化來測量液體密度，將音叉直接安裝在管線上，用微處理器來控制音叉的振動頻率和檢驗(yàn)諧振頻率，并將頻率量轉(zhuǎn)化成密度值。值得注意的是，密度計(jì)應(yīng)放在能迅速表征物料密度的位置，建議放在出料管后流速穩(wěn)定的直管段，減小測量誤差。安裝時，叉音探頭的開口部分應(yīng)與水平面垂直，便于上排氣泡、下排沉積物，必要時加裝物料沖洗線，定時清洗探頭，避免雜質(zhì)沉積以及氣體積聚對測量造成影響[4]。

操作人員在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可以根據(jù)本效固液比數(shù)值，估算該效料液中組分的含量，及時調(diào)整該效進(jìn)料流量和出料流量的配比，蒸發(fā)罐液面也同時配合參與調(diào)整。

當(dāng)固液比偏高時，增加本效出料量、降低母液進(jìn)料流量，前效來料補(bǔ)償液位，以補(bǔ)充低濃度料液、替換高濃度料液，起到降低固液比的作用;當(dāng)固液比偏低時，加大母液流量，減小本效出料，前效進(jìn)料流量調(diào)節(jié)本效液位，視工況條件，調(diào)整前效進(jìn)料流量，穩(wěn)定前效液位。經(jīng)調(diào)整，系統(tǒng)達(dá)到新的平衡穩(wěn)態(tài)，保證蒸發(fā)系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行。

3 ? ?自動化改造方案

三效蒸發(fā)系統(tǒng)的開停工過程較為復(fù)雜，各蒸發(fā)單元相互聯(lián)系、環(huán)環(huán)相扣。操作工手動操作的工作量較大，且有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。其流程性、連續(xù)性、相關(guān)性的特點(diǎn)十分符合自動化程序控制的應(yīng)用場景，完全可以按照預(yù)先設(shè)置好的程序控制方案，全自動開車至穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，全程無需人工干預(yù)，既安全可靠又減人增效。

以3效-1效-2效順序開車流程為例。

3.1 ?系統(tǒng)投料

自控程序啟動，檢查各個閥門、機(jī)泵的狀態(tài)，初始化異常狀態(tài)的設(shè)備。不能初始化的閥門會彈出錯誤信息，并暫停運(yùn)行程序，直至異常狀態(tài)解除并確認(rèn)后，方可執(zhí)行程序。

在滿足啟動條件后，按順序開啟原料、冷凝水預(yù)熱器進(jìn)出口閥門和三效蒸發(fā)器循環(huán)管進(jìn)料閥門，啟動進(jìn)料泵，開啟進(jìn)料泵出口閥門，打開三效循環(huán)泵。三效蒸發(fā)器達(dá)到工藝規(guī)定液位后，開啟三效循環(huán)管出料閥門、三效過料泵進(jìn)口閥門、一效蒸發(fā)器循環(huán)管進(jìn)料閥門，啟動三效過料泵，開啟三效過料泵出口閥門并打開一效循環(huán)泵。一效蒸發(fā)器液位達(dá)到工藝要求后，開啟一效蒸發(fā)器循環(huán)管出料閥門、一效過料泵進(jìn)料閥門、二效蒸發(fā)器分離室進(jìn)料閥門，啟動一效過料泵，開啟一效過料泵出口閥門并打開二效循環(huán)泵。二效蒸發(fā)器液位達(dá)到工藝要求后，打開二效出料閥，出料至旋流器進(jìn)行下一道工序。整個過程中，逐步建立3個蒸發(fā)器液位動態(tài)平衡，注意各液面波動情況，避免出現(xiàn)抽空或翻液現(xiàn)象。

3.2 ?系統(tǒng)通汽

一效物料自循環(huán)建立完成后，自動程序依次開啟蒸汽進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥、回水閥、一效蒸發(fā)器加熱室（A/B）進(jìn)汽閥門、二效蒸發(fā)器加熱室（A/B）進(jìn)汽閥門、三效蒸發(fā)器加熱室（A/B）進(jìn)汽閥門及乏汽預(yù)熱器相關(guān)閥門，打通一、二次蒸汽流路，達(dá)到蒸汽加熱條件。當(dāng)一效溫度達(dá)到80%工藝設(shè)定點(diǎn)時，開啟間接冷凝器循環(huán)水系統(tǒng)，逐步達(dá)到工藝要求真空條件。當(dāng)一效蒸發(fā)器料液液位下降后，調(diào)節(jié)三效轉(zhuǎn)料泵補(bǔ)液位，同時開啟進(jìn)料泵對三效蒸發(fā)器進(jìn)行補(bǔ)液，二效液位下降后，調(diào)節(jié)一效過料泵對二效進(jìn)行補(bǔ)液，二效料液濃縮結(jié)晶達(dá)到工藝要求后（以實(shí)測固液比為判斷依據(jù)），開啟二效蒸發(fā)器循環(huán)管出料閥門、出料泵進(jìn)口閥門、旋流器進(jìn)出口閥門，啟動出料泵，開啟出料泵出口閥門出料。三效分離室產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入乏汽預(yù)熱器，為原料提供預(yù)熱熱源，未冷凝的蒸汽去間接冷凝器繼續(xù)冷凝，冷凝水至冷凝水罐循環(huán)利用。

系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)，各效壓力、溫度等按照工藝要求進(jìn)行自動化生產(chǎn)。一鍵啟動程序讓出控制權(quán)，各控制器根據(jù)干擾及偏差各自回路調(diào)節(jié)。

3.3 ?系統(tǒng)停車流程

控制系統(tǒng)各效低液位（例如低報(bào)15%），一效加熱室溫度降至30 ℃以下，經(jīng)過約0.5 h后關(guān)閉蒸汽總管氣動閥、一效加熱室蒸汽進(jìn)汽閥門，打開各效蒸發(fā)器放空閥，使系統(tǒng)正常轉(zhuǎn)料。當(dāng)各效液位低于報(bào)警值時（例如低報(bào)10%），調(diào)大母液泵變頻來調(diào)節(jié)進(jìn)二效分離室流量，保證各效液位在工藝要求范圍內(nèi)（10%～15%），各效料液固液比降至15以下后，關(guān)停轉(zhuǎn)料泵、出料泵、母液泵，一次水總管向各效分別繼續(xù)加水化結(jié)晶，各效固液比降至10以下后，關(guān)停加水閥門，分別打開一、二、三效事故閥以及母液罐進(jìn)料閥，排料液至母液罐（見圖1）。

4 ? ?效果評價(jià)及待優(yōu)化的問題

在降本增效方面，應(yīng)用自動控制一鍵啟停，可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時監(jiān)測物料比重，實(shí)時獲取物料固液比，間接獲取組分信息，做到心中有“數(shù)”，有利于系統(tǒng)一直保持在最優(yōu)狀態(tài)下運(yùn)行，同時降低了工人勞動強(qiáng)度，減少了外操人員數(shù)量，提高了生產(chǎn)工作效率[5]。

但是，在系統(tǒng)加減量和受到較強(qiáng)擾動的情況下，各效相互關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)將會受制于進(jìn)料量、出料量、蒸發(fā)熱負(fù)荷、分離室液位等多個因素的影響，如何在最短時間內(nèi)使系統(tǒng)重新恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，不同的操作人員操作將會有不同的效果。如采用當(dāng)前較為成熟的多變量預(yù)測控制系統(tǒng)，可大大提高操作質(zhì)量，縮短恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的時間，效果值得期待。

三效蒸發(fā)工藝技術(shù)成熟，功效優(yōu)良，經(jīng)濟(jì)效果明顯，被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)分離提純工序。在我國推行環(huán)保節(jié)約型經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的大背景下，三效蒸發(fā)器提純工藝的全自動化應(yīng)用具有較大的推廣價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張紹坤.三效蒸發(fā)器在高含鹽廢水處理中的應(yīng)用[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2011（11）：37-40.

[2]羅大忠.真空制鹽蒸發(fā)結(jié)晶器的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].中國井礦鹽，2003，34（5）：9-14.

[3]黃猛，鄭盛果，巫少斐.自動控制系統(tǒng)在蒸發(fā)工段中的應(yīng)用[J].甘蔗糖業(yè)，2013（5）：34-37.

[4]朱向光，王良.音叉振動密度計(jì)在固液比在線測量上的應(yīng)用探討[J].中國井礦鹽，2012（6）：18-21.

[5]于現(xiàn)軍，李傳芳.燒堿蒸發(fā)工藝的自動化控制技術(shù)應(yīng)用總結(jié)[J].氯堿工業(yè)，2000（1）：24-26，34.