七效管式降膜分段蒸發(fā)工藝分析

齊東華，宋治林

(沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

2020年我國氧化鋁產(chǎn)能達8915萬噸,年產(chǎn)量達7300萬噸,處于世界首位,其中絕大部分產(chǎn)能采用拜耳法生產(chǎn)。在拜耳法氧化鋁生產(chǎn)中,工藝能耗占整個生產(chǎn)成本約20%～25%,主要由蒸汽、電、新水、焙燒燃氣組成,其中蒸發(fā)工序所耗低壓蒸汽約占工藝能耗的14.8%～21.0%[1]。為了實現(xiàn)拜耳法氧化鋁生產(chǎn)節(jié)能降本,許多技術(shù)人員都在研究[2-4]蒸發(fā)節(jié)能技術(shù)。如果能降低現(xiàn)有蒸發(fā)工藝的能耗和運行成本,對于眾多的氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)來說意義將非常重大。

目前七效管式降膜兩段蒸發(fā)工藝技術(shù)已成功在氧化鋁工廠中應(yīng)用,該蒸發(fā)工藝也是當前新建、改建或擴建的氧化鋁工廠主流蒸發(fā)技術(shù),某氧化鋁廠建成投產(chǎn)的該工藝裝置蒸水能力超過了500 t/h,且運行狀況良好。本文將計算多個七效管式降膜分段蒸發(fā)的物料及熱平衡,根據(jù)計算結(jié)果分析原液量、汽水比、器組運轉(zhuǎn)功率、蒸發(fā)強度、平均比熱、蒸發(fā)器溶液沸點升、總傳熱面積在一定條件下的變化規(guī)律;同時針對該主流蒸發(fā)技術(shù),分析當提高蒸水量和提高Ⅴ效進料比例時以上參數(shù)的變化規(guī)律,為相關(guān)技術(shù)人員和生產(chǎn)操作人員生產(chǎn)運行調(diào)控提供參考。

1 分段蒸發(fā)流程

本次分段蒸發(fā)計算采用四個流程,分別如下:

圖1為七效逆流一段蒸發(fā)流程(以下簡稱“流程1”),特點是蒸發(fā)原液全部經(jīng)過原液閃蒸器閃蒸后,進入七效逆流蒸發(fā)提高濃度,再進行五級閃蒸降溫出料。

圖2為七效逆流兩段蒸發(fā)流程(以下簡稱“流程2”),特點是蒸發(fā)原液分成兩部分,一部分蒸發(fā)原液經(jīng)過原液閃蒸后,依次進入Ⅶ、Ⅵ效蒸發(fā)器逆流蒸發(fā)后出料,另一部分蒸發(fā)原液依次進入Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ效蒸發(fā)器逆流蒸發(fā)提高濃度,再進行五級閃蒸降溫出料。

圖2 七效逆流兩段蒸發(fā)流程圖

圖3為七效逆流三段蒸發(fā)流程(以下簡稱“流程3”),特點是蒸發(fā)原液分成三部分,第一部分蒸發(fā)原液經(jīng)過原液閃蒸器閃蒸后,依次進入Ⅶ、Ⅵ效蒸發(fā)器逆流蒸發(fā)后出料,第二部分蒸發(fā)原液依次進入Ⅴ、Ⅳ效蒸發(fā)器逆流蒸發(fā)后出料,第三部分蒸發(fā)原液依次進入Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ效蒸發(fā)器逆流蒸發(fā)提高濃度,再進行五級閃蒸降溫出料。

圖3 七效逆流三段蒸發(fā)流程圖

圖4為七效錯流兩段蒸發(fā)流程(以下簡稱“流程4”),特點是蒸發(fā)原液分成兩部分,一部分蒸發(fā)原液依次進入Ⅵ、Ⅶ效蒸發(fā)器順流蒸發(fā)后出料,另一部分蒸發(fā)原液依次進入Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ效蒸發(fā)器逆流蒸發(fā)提高濃度,再進行五級閃蒸降溫出料。

圖4 七效錯流兩段蒸發(fā)流程圖

以上四個流程中,冷凝水利用流程相同,即新蒸汽冷凝水經(jīng)五級閃蒸降溫后送其他工序,各效二次蒸汽冷凝水依次閃蒸降溫后送其他工序,新蒸汽冷凝水和二次蒸汽冷凝水閃蒸的二次蒸汽分別作為各效蒸發(fā)器的熱源。

2 物料及熱量平衡計算條件

2.1 蒸發(fā)原液

本次計算分析采用的蒸發(fā)原液分為高濃度蒸發(fā)原液(以下簡稱“原液1”)和低濃度蒸發(fā)原液(以下簡稱“原液2”),其典型成分見表1。

表1 蒸發(fā)原液成分及密度

2.2 計算條件

為了便于計算分析,采用以下初始條件:

(1)原液溫度為85℃;

(2)末效二次汽溫度為50℃;

(3)熱損失相同;

(4)各效蒸發(fā)器傳熱系數(shù)不改變;

(5)各效蒸發(fā)器面積分配比例相同;

(6)蒸發(fā)母液濃度為220 g/L;

(7)泵的揚程不改變。

2.3 計算流程與代號

為了便于繪制圖表,各計算流程采用代號表示,具體見表2。

表2 計算流程與代號表

3 計算結(jié)果及分析

根據(jù)以上確定的8個計算流程條件,分別針對原液1和原液2進行計算,用Excel編制并計算完成16個分段蒸發(fā)的物料及熱平衡,各熱平衡表中的總熱量收入與支出偏差均在1.0%以下。主要計算結(jié)果及分析如下。(注:本節(jié)各小節(jié)第一項結(jié)論中,流程2的比較基準條件是蒸水能力為500 t/h,且進料比例Ⅴ效為0.55,Ⅶ效為0.45)。

3.1 原液量

原液量F一般用公式[5](1)進行計算,原液量的多少將決定過料泵和出料泵的流量大小,從而對器組運轉(zhuǎn)功率產(chǎn)生影響。各流程的原液量計算結(jié)果見圖5。

圖5 各流程原液量圖

(1)

式中:F——原液量,kg/h;

W——蒸水能力,kg/h;

x0,x1——分別為蒸發(fā)原液和蒸發(fā)母液中苛性堿(Na2Ok)的質(zhì)量分數(shù),%。

根據(jù)圖5中原液流量的變化,可以看出:

(1)原液量的大小關(guān)系:蒸發(fā)原液1時,流程3>流程2>流程4>流程1;蒸發(fā)原液2時,流程2>流程4>流程3>流程1。蒸發(fā)原液1時較蒸發(fā)原液2時所需要的原液量大。

(2)對于流程2,提高器組蒸水量,原液量將增大。

(3)對于流程2,提高Ⅴ效進料比例,原液量將減小。

3.2 汽水比

汽水比是蒸發(fā)裝置的重要技術(shù)指標之一,理論上多效蒸發(fā)的汽水比為1/n(n為蒸發(fā)效數(shù)),但由于存在溫差損失和熱損失等,實際的蒸發(fā)汽水比比理論值大;且隨著效數(shù)增加,節(jié)省汽水比的經(jīng)濟性變?nèi)?故目前在氧化鋁工廠,多效蒸發(fā)實際應(yīng)用最多效數(shù)為七效。各流程的汽水比計算結(jié)果見圖6。

圖6 各流程汽水比圖

根據(jù)圖6中各流程汽水比的變化,可以看出:

(1)汽水比的大小關(guān)系:流程1>流程3>流程2>流程4。蒸發(fā)原液1時較蒸發(fā)原液2時所需要的汽水比大。

(2)對于流程2,提高器組蒸水量,汽水比不變化。

(3)對于流程2,提高Ⅴ效進料比例,蒸發(fā)汽水比增大。

3.3 器組運轉(zhuǎn)功率

器組運轉(zhuǎn)功率是蒸發(fā)裝置的重要技術(shù)指標之一,本文中的器組運轉(zhuǎn)功率包括溶液泵、冷凝水泵、真空泵、污水泵、電動閥門等所有用電設(shè)備。各流程的器組運轉(zhuǎn)功率計算結(jié)果見圖7。

圖7 各流程器組運轉(zhuǎn)功率圖

根據(jù)圖7中各流程器組運轉(zhuǎn)功率的變化,可以看出:

(1)器組運轉(zhuǎn)功率的大小關(guān)系:流程1>流程3>流程2>流程4。蒸發(fā)原液1時較蒸發(fā)原液2時所需要的器組運轉(zhuǎn)功率大。

(2)對于流程2,提高器組蒸水量,器組運轉(zhuǎn)功率將增大。

3.4 蒸發(fā)強度

蒸發(fā)強度U是蒸發(fā)裝置的重要技術(shù)指標之一,是衡量蒸發(fā)器性能的指標,一般用公式[6](2)進行計算。要提高蒸發(fā)強度,必須提高蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)和傳熱溫度差。各流程的蒸發(fā)強度計算結(jié)果見圖8。

圖8 各流程蒸發(fā)強度圖

U=W/F

(2)

式中:U——裝置的蒸發(fā)強度,kg/(m2·h);

W——裝置總蒸水能力,kg/h;

F——各效蒸發(fā)器計算面積之和,m2。

根據(jù)圖8中各流程蒸發(fā)強度的變化,可以看出:

(1)蒸發(fā)強度的大小關(guān)系:流程4>流程2>流程1>流程3。蒸發(fā)原液1時較蒸發(fā)原液2時所獲得的蒸發(fā)強度小。

(2)對于流程2,提高器組蒸水量,蒸發(fā)強度不變化。

(3)對于流程2,提高Ⅴ效進料比例,蒸發(fā)強度將減小。

3.5 平均比熱

鋁酸鈉溶液的比熱與溶液組成和溶液溫度有關(guān),本文計算中溶液比熱采用Langa公式[7]進行計算。熱平衡計算時系統(tǒng)采用了平均比熱進行核算,平均比熱為各效蒸發(fā)器與各級自蒸發(fā)器的溶液比熱平均值。各流程的平均比熱計算結(jié)果見圖9。

圖9 各流程的平均比熱圖

根據(jù)圖9中各流程平均比熱的變化,可以看出:

(1)平均比熱的大小關(guān)系:對于工程設(shè)計,可近似認為流程1≈流程2≈流程3≈流程4。蒸發(fā)原液1時平均比熱為0.865 kcal/(kg·℃),蒸發(fā)原液2時平均比熱為0.871 kcal/(kg·℃)。

(2)對于流程2,提高器組蒸水量,平均比熱可以認為不變化。

(3)對于流程2,提高Ⅴ效進料比例,平均比熱也可以認為不變化。

3.6 溶液沸點升

溶液沸點升對蒸發(fā)設(shè)備選型影響很大,由于鋁酸鈉溶液性質(zhì)與NaOH性質(zhì)相似,選型時有的參考NaOH純?nèi)芤旱姆悬c升進行計算;還有的依據(jù)鋁酸鈉溶液沸點升實驗測定的數(shù)據(jù)進行計算,這樣選型計算的結(jié)果會偏差很大。由于國內(nèi)很少文獻對鋁酸鈉溶液沸點升進行介紹,故本文就針對七效逆流兩段蒸發(fā)工藝,采用Adamson公式進行計算,計算結(jié)果供相關(guān)技術(shù)人員和生產(chǎn)操作人員參考。

當蒸發(fā)高濃度蒸發(fā)原液時,各流程中溶液沸點升計算結(jié)果見圖10;當采用低濃度蒸發(fā)原液時,各流程中蒸發(fā)器的溶液沸點升計算結(jié)果見圖11。

根據(jù)圖10和圖11中各蒸發(fā)器溶液沸點升的變化,可以看出:

圖10 高濃度蒸發(fā)器溶液沸點升圖

圖11 低濃度蒸發(fā)器溶液沸點升圖

(1)Ⅵ效沸點升的大小關(guān)系為:流程3>流程2>流程1>流程4。

(2)對于兩段蒸發(fā),提高器組蒸水量,各效溶液沸點升不變化。

(3)對于兩段蒸發(fā),提高Ⅴ效進料比例,Ⅵ效溶液沸點升將升高。

3.7 總傳熱面積

在給定的計算條件下,各計算流程中的總傳熱面積并不相等。在設(shè)計過程中,各效的傳熱面積還需要根據(jù)設(shè)定的面積分配比例進行調(diào)整。各流程的總傳熱面積見圖12。

圖12 各流程總傳熱面積圖

根據(jù)圖12中各流程的總傳熱面積變化,可以看出:

(1)總傳熱面積的大小關(guān)系:流程3>流程1>流程2>流程4。蒸發(fā)原液1時較蒸發(fā)原液2時所需要的總傳熱面積大。

(2)對于流程2,提高器組蒸水量,總傳熱面積將增大。

(3)對于流程2,提高Ⅴ效進料比例,總傳熱面積將增大。

4 結(jié) 論

通過前文對原液量、汽水比、器組運轉(zhuǎn)功率、蒸發(fā)強度、平均比熱、蒸發(fā)器的溶液沸點升和總傳熱面積分析結(jié)果可以看出:

(1)對于七效管式降膜分段蒸發(fā)工藝,蒸發(fā)流程的選擇、裝置的蒸水能力大小、Ⅴ效進料比例多少、原液濃度高低對技術(shù)指標和設(shè)備參數(shù)有影響,如何做到符合工廠實際要求的蒸發(fā)裝置需要經(jīng)過計算分析后才能確定。

(2)對于七效管式降膜分段蒸發(fā)工藝,提高蒸水量和提高Ⅴ效進料比例將影響各段的物料通過量,為了保證蒸發(fā)裝置與氧化鋁廠生產(chǎn)實際物料波動相適應(yīng),在設(shè)備選型設(shè)計時應(yīng)考慮這因素,以便工人在生產(chǎn)操作時可根據(jù)實際情況進行調(diào)整。

(3)對于七效逆流管式降膜分段蒸發(fā)工藝,苛性堿濃度越低,溶液沸點升也低,越利于堿液蒸發(fā),汽水比、器組運轉(zhuǎn)功率都會變低,蒸發(fā)強度也高。

(4)對于七效逆流管式降膜分段蒸發(fā)工藝,其中二段蒸發(fā)的汽水比低,蒸發(fā)強度大,在工業(yè)實踐中得到了廣泛采用。

(5)對于七效逆流和錯流管式降膜蒸發(fā)工藝,錯流蒸發(fā)的汽水比、器組運轉(zhuǎn)功率最低,而蒸發(fā)強度最大。但是,由于錯流蒸發(fā)的出料溫度低,導致循環(huán)堿液溫度偏低,溶出系統(tǒng)將消耗更多的高壓蒸汽用于加熱循環(huán)堿液,這將增加全廠的工藝能耗,不利于全廠節(jié)能,故工程設(shè)計中一般不推薦采用錯流蒸發(fā)工藝。只有在可以利用廢熱將蒸發(fā)母液溫度提高時,才考慮錯流蒸發(fā)工藝。

(6)蒸發(fā)裝置在采用不同工藝技術(shù)條件時,系統(tǒng)的運行參數(shù)將發(fā)生改變,只有掌握變化規(guī)律,才能在生產(chǎn)過程中做出及時調(diào)整,保證生產(chǎn)正常、穩(wěn)定、安全運行。