（冶金工程专业论文）反循环结晶蒸发技术研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 蒸发有结晶析出的物料，如食盐、无机盐、隔膜法烧碱、磷酸、 磷胺等，国内外广泛采用外加热式强制循环蒸发器。其中尤以制盐行 业应用最为广泛，而利用反循环技术延长蒸发器的运转率也是在制盐 行业首先应用，目前我国氧化铝生产行业还没有采用该技术进行结晶 蒸发的厂家。 我国氧化铝生产行业蒸发设备主要是标准式蒸发器和外加热强 制循环蒸发器，都是属于能耗高，运转率低的设备，尤其是强制循环 蒸发器，作为主要的浓缩设备和结晶蒸发设备，其运转率的高低和效 率的高低直接制约氧化铝生产的液量平衡。 通过“反循环结晶蒸发技术研究”项目的技术创新，不仅可以提 高蒸发器的运转周期，实现结晶蒸发，降低料浆水分、节能降耗，还 能够进一步提升我公司技术创新的水平，满足可持续发展的需要；伺 时也填补了国内同行业结晶蒸发技术的空白，具有较高的经济效益和 社会效益，在中铝公司推广应用后将进一步提高中国铝业股份有限公 司的科技发展水平。 本文对反循环蒸发器机理进行了研究，同时结合在实际应用中遇 到的情况说明了反循环蒸发器在操作中应注意的事项及应控制的生 产条件，并探讨了循环方式的改变结垢生成速度的影响及其机理，通 过改变循环泵的安装方式，将蒸发室传统的切向进料正循环方式，改 变成蒸发室的轴向进料，改变了物料的流向，实现蒸发室物料的反循 环运转。物料反循环流动，罐壁结疤速度减慢，抗结疤能力效果显著， 蒸发器清洗周期缩短，降低了清洗工作量，降低了生产成本，结疤问 题得到了有效的解决，可以实现高浓度蒸发。 关键词反循环，切向进料，轴向进料，强制循环蒸发器 中南大学硕士学位论文a b s 豫a c t a b s t r a c t f o rt h ee v a p o r a t i o no fl i q u i dw i t hc r y s t a lp r e c i p i t a t e ds u c ha ss a l t , i n o r g a n i cs a l t , s o d i u mh y d r a t ep r o d u c e dw i t hm e m b r a n e ，p h o s p h o r i ca c i d , p h o s p h o r e x t e r n a lh e a t e dc i r c u l a t i o n - f o r c e de v a p o r a t o ri sw i d e l yu s e da l l o v e rt h ew o r l d a m o n gv a r i e t yo fi n d u s t r i e s t h es a l ti n d u s t r yi st h e g r e a t e s tu s e fo ft h et e c h n o l o g y i ti sa l s ot h ef i r s tu s e rw h oa d o p t st h e t e c h n o l o g yo fr e v e r s ec i r c u l a t i o nt oe x t e n dt h eo p e r a 她r a t eo f e v a p o r a t o r n o w , i na l i l l a ，t h et e c h n o l o g yi sn o ty e tu s e di na l u m i n a p l a n t si nt h ep r o c e s so f e v a p o r a t i o na n dc r y s t a l l i z a t i o n i nt h ea l u m i n ai n d u s t r yo fc h i n a ；m o s t 取l u 辆蝴o f 舒f a p o r a t i o n 哦s t a n d a r da n de x t e r n a lh e a t e dc i r c u l a t i o n - f o r c e de v a p o m o r t h e e n e r g yc o m u m p t i o ni sh i g ha n dt h eo p e r a t i n gr a t ei sl o w e s p e c i a l l y w h e ni ti su s e d 嬲t h em a r ee q u i p m e n t sf o r 伤睁c o n c e n t r a t i o na n d c r y s t a l l i z a t i o ne v a p o r a t i o n , t h eq 嘲燃r a t ei st h ek e yf a c t o rf o rt h e e q u i l i b r i u mo fl i q u i de q u i l i b r i u mi nt h ep r o d u c t 泌no f a l u m i n a w i t ht h er e v e r s ec i 阿i l l 蜘屯e 曲棵岫o f c r y s t a l l i z a t i o n e v a p o r a t i o n , t h eo p e r a t i n gp e r i o ac a nb ei n c z e a s e d ，a n dt h ea m o u n to f w a t e ri ns l u r r yr e d u c e dt o 蝴甜埒礓錾t h 蓐i n n o v a t i o no f t h i st e c h n o l o g y m e e t st h er e q u i r e m e n t so fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t , a n dh a sh i g h e c o n o m i cr e u i i l l sa n d h i g h s o c i a le f f e c t s 。 i nm i sp 毫i p l t h em e c k 嗽i c so f 糟慨c i r c u l a t i o ne v a p o r a t o rw a s s t u d i e d c o n c e r n i n g 讹t l 蝣p r a c t i c a lp r o d u c t i o np r o c e s s t h ep “x i u c t i o n c o n d i t i o ni nt h eo p e r a t i o nt h er e v o r s ec i r c u l a t i o n , e v a p o r a t o r , w h i c h s h o u l db ec o n t r o l l e dc 峨f u n y , 黼p o i n t e d 耽ei n f l u e n c eo f t h ew a yo f c i r c u l a t i o n0 1 1t h es c a l i n gr a t ew a ss t u d i e d b yc h a n g i n gt h ew a yo f i n s t a l l a t i o na n dt h ef e e d i n ga p p r o a c hf r o mt a n g e n tf e e d i n gt oa x i a l f e e d i n g ，t h ef l o wd i r e c t i o no ff l u i d w a sc h a n g e da n dt h er e v c l s e c i r c u l a t i o no p e r a t i o nw a sa c h i e v e d a sar e s u l to ft h a t , s e a l m gr a t ew a s d e c r e a s e d , t h el e a n i n gf r e q u e n c yw a ss h o r t e n e d , a n dt h ec o s to f p r o d u c t i o nw a sr e d u c e d i nt h i sw a y , h i g hc o n c e n t r a t i o ne v a p o r a t i o nw a s r e a l i z e d k e yw o r d sr e v e r s e c i r c u l a t i o n , t a n g e n tf e e d i n g ，a x i a lf e e d i n g ， c i r c u l a t i o n - f o r c e de v a p o r a t o r 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的成果。尽我所知，论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为为获得中南大学或其他 单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所做的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：年月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留学位论 文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门 规定送交学位论文。 储样： 翩馘呻咱醐：讲1 1 月娟日 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 研究背景 第一章文献综述 我国氧化铝生产目前主要有烧结法、拜耳法两种生产方式，随着氧化铝生产 规模的不断扩大，能源消耗的高低逐渐成为工业生产规模进一步提高的制约因 素，对于氧化铝生产来说尤其如此。蒸发工序作为平衡氧化铝生产液量的主要工 序，是氧化铝生产中的耗汽大户，蒸汽消耗占整个氧化铝生产汽耗的4 0 以上， 蒸发成本占整个氧化铝生产的1 0 左右。因此如何降低蒸汽的消耗，是降低蒸 发成本的关键，也是降低氧化铝生产成本的关键【l 】 我国烧结法氧化铝生产历史悠久，相对于拜耳法生产氧化铝来说，烧结法的 工艺流程复杂、生产流程长、能耗高；但烧结法作为化学品氧化铝生产的基础， 其产品具有白度高、杂质含量少、颗粒均匀、强度较高等优点，这是拜耳法氧化 铝产品所不具备的，因此烧结法氧化铝在氧化铝生产行业中仍占有重要的位置 1 。 无论拜耳法生产还是烧结法生产，蒸发工序都是必不可少的，二者都面临如 何提高蒸发器蒸水能力、降低蒸水汽耗的问题。拜耳法蒸发生产的物料主要是种 分母液，烧结法主要是碳分母液，二者因蒸发的物料不同选用的蒸发器也不尽相 同。对于烧结法蒸发生产来说，由于碳分母液的沸点高、粘度较大，其面临的蒸 发任务更加严峻，选择好的设备、合适的蒸发工艺成为每个氧化铝厂所面临的一 道难题1 4 1 。 强制循环蒸发器具有循环速度大、物料在管外沸腾、不易结垢的优点，但其 自身又有局限性：为了提高循环速度必须采用大循环量设备，设备操作复杂、工 艺条件不易控制、汽耗高、长时间高浓度操作结垢速度快运转率低。 反循环结晶蒸发在盐业化工行业中已经得到较为广泛的应用，其关键技术在 于在加热管中母液反方向循环流动，依靠液位差提高加热管内溶液的沸点，杜绝 在加热管内的汽化，从而大大减缓加热管的结疤速度四 通过试验研究反循环结晶蒸发技术，并在氧化铝生产母液蒸发工序推广应 用，可以有效延缓强制循环蒸发器加热管结疤速度，延长清理周期，提高传热效 率，提高设备的运转率及生产能力，达到节约费用、提高产能、降低消耗、提高 效益目的( 6 1 因此，降低强制循环蒸发器的能耗，最大限度地提高其蒸发浓度是 确保烧结法氧化铝可持续发展的重要保证 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 2 蒸发概述 蒸发是重要的化工单元操作之一，蒸发操作是用加热的方法，在沸腾状态下， 使溶液中的水分或其他具有挥发性的溶剂部分气化移除，其溶液中的溶质数量不 变，从而使溶液浓缩。因此，蒸发过程是一个热量传递过程，其传热速率是蒸发 过程的的控制因素。蒸发设备属于热交换设备0 1 工业生产中蒸发操作的目的主要有三个嘲： 1 ) 提高水溶液中溶质的浓度。例如：电解烧碱液的浓缩，稀硫酸的浓缩， 尿素溶液的浓缩等。 2 ) 浓缩溶液和回收溶剂。例如：有机磷农药苯溶液的浓缩脱苯，中药渗漉 液的浓缩回收酒精等。 3 ) 通过蒸发制备纯净的溶剂。例如：海水淡化、丙烷脱沥青，双乙烯酮脱 除高沸物等。 。 除此而外，蒸发操作还用于溶液脱臭，放射性废液的处理等随着膜式蒸发 技术的发展，已成功用于气一液相反应唧这主要是由于膜式蒸发器的传热效果 好，气液两相接触均匀、充分，蒸发时间短，防止了副反应，可以达到提高收率、 实现连续化生产的目的。 蒸发操作可在加压、常压、真空下进行。为了保持产品生产过程的系统压力 + ( 例如丙烷脱沥青) ，蒸发需要在加压状态下操作【明对于热敏性物料( 例如抗 生素溶液、果汁) 为了保证产品质量，需在较低温度下蒸发浓缩，一般可以采用 真空操作以降低溶液的沸点若利用低压或负压的蒸汽以及热水加热时，采用真 空操作也是有利的。因为真空下加热介质与沸腾液体间的温度差，比常压下大， 从而加速了热量传递过程。但由于沸点降低，溶液的粘度亦相应增大，而且造成 真空需增加设备和动力。因此，一般无特殊要求的溶液，则采用常压蒸发为宜 目前我国使用的蒸发设备达三十余种，而且部分形式已定型化、系列化。先 进的多效多级闪急蒸发器已成功用于工业生产【嘲。为防止蒸发结垢，可以采用电 磁防垢器有效地防止了结垢的生成1 1 3 】。在蒸发装置中还创制了自排不凝性气体的 大气冷凝器，这样可省去真空泵，节约了投资和动力。 。 国内外对蒸发操作的研究，十分活跃，主要有以下几个方向【1 4 1 ： 1 ) 大型化：现代工业规模日益扩大，而设备数量不能成倍增加，从金属耗 量、安装空间、能量消耗定额、管理控制等方面分析，装置的大型化已 被认为是有效办法之一。蒸发装置为适应大型化的需要，不但要从操作 方式、壳体与调节机构进行改进，而且为了使设备紧凑，更多的迸行了 提高传热性能的研究，即增大传热管的传热系数和确定传热面积等都能 有效发挥作用的配管排列。其中最有效的方法是通过管子形状的改变， 2 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 或在管内放置辅件，以达到强化传热过程的目的。例如在竖式长管蒸发 器中采用双面纵槽管，可使其蒸发传热系数显著增加( 6 0 0 1 2 0 0 ) 。 2 ) 最佳化：蒸发器是一个大的热能消耗装置，由于能源价格不断提高，在 系统工程中以及蒸发装置本身，如何降低和合理分配热能，有效地利用 各种余热是十分重要的。多效蒸发依然是研究的重点，其最佳化参数有： 效数、温度差、浓度比、年经营费用和总传热面积等。 3 ) 改进和创制新结构：改进原有装置的重要目的之一是将蒸发器改进后， 可作为蒸发干燥、蒸发分馏、蒸发造粒等双重目的操作设备。为了使设 备紧凑，增加液膜的湍动，防止结垢，缩短接触时间，研究和创制了各 种不同新结构的蒸发器 减少蒸发器的结垢：这方面虽做了大量的研究工作，但至今关于结垢过 程的机理，还没有统一的观点。控制结垢的研究，过去重点是防止或延 缓结垢过程的本身，今后所面临的课题将是，如何合理组织蒸发器的运 行，使沉积在加热面上的污垢热阻的增长速率减小，并且较容易从加热 面上脱除 1 3 蒸发设备的分类及选型 1 3 1 蒸发设备的分类 随着工业技术的迅猛发展，蒸发设备亦不断的改进和创新，种类繁多，结构 各异【1 5 1 其分类方法也有不同：按使用目的分类，则可分为浓缩用蒸发器和海水 淡化蒸发器等；按操作分类，可分为单效、多效、二次蒸汽压缩式和多级闪发式、 多效多级闪发式等；按流程分类，则可分为间歇式、连续式或单流型，自然循环 型，强制循环型；按加热部分的结构分类，又可分为管式和非管式；按沸腾区分 类，则可分为管内沸腾和管外沸腾等等。也有按膜式和非膜式蒸发器来分类的【l q 工业上实用的蒸发设备约有六十多种，其中最主要的形式也仅十余种，分类 如下【1 7 】： 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 非 膜 式 膜 式 1 3 2 蒸发设备的选型 直接火加警敞口夹套锅 聋套式 附搅拌夹套锅 。+ 。二0 黎譬真空浓缩锅r 列文式 艚麒空拦丁麟环t i ：意 ，l “m h n b j 垂直长管l 强制循环。“8 “ 列管式 l 倾斜式r 标准式 垂直短管_ l 悬筐式 h 式 ：二： f 升膜式，垂直管型 列管式 降膜式t 水平管型 l 升一降膜式 板式真空单板式卧式) 旋转式 蒸发设备的选型是蒸发装置设计的首要。选型时应优先考虑传热系数高的型 式，但料液的物理、化学性质常常使一些传热系数高的型式，在使用上受到限制 1 8 1 。另外在使用蒸发设备的各部门，有时分别采用多种不同型式，均能得到相同 的效果。因此在选型时，应把技术要求、现场条件、投资限额，甚至传统习惯等 统一考虑。 7 1 3 3 选型时应考虑的因素 1 ) 料液的性质：包括成分，粘度变化范围，热稳定性，发泡性，腐蚀性，是否 易结垢、结晶，是否含有固体悬浮物等旧。 2 ) 工程技术要求；包括处理量，蒸发量，料液进出口的浓度和温度，安装现场 的面积和高度，设备投资限额，连续或间歇生产等刚。 3 ) 公用系统的情况；包括可以利用的热源，蒸汽供应量及压力，能利用的冷却 4 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 水之水量、水质和温度等【2 “。 1 4 选型的基本原则 1 4 1 物料的粘度 物料在蒸发过程中粘度的增加程度，是选型的关键因素之一 1 4 2 物料的热稳定性 对热敏性的物料( 即在较长时间受热或在较高温度时，物料容易发生分解、 异构，缩聚或将需保留的低沸点成分蒸出等) ，一般应选取储液量少，停留时间 短的膜式蒸发设备，而且常采用真空操作以降低料液的沸点和受热温度。非膜式 蒸发设备一般不用于热敏性物料阎 。 1 4 3 有结晶析出的物料 物料在蒸发过程中有结晶析出，或作为蒸发结晶器使用时，一般应采用管外 沸腾型蒸发器，例如强制循环蒸发器，外加热式等，这些蒸发器的加热管始终存 满料液，管内不蒸发而阻止了结晶的析出，同时由于料液在管内的流速2 m s ， 而使结晶无法附着管壁。此时膜式蒸发器则不适用嘲 ， 。 1 4 4 易发泡的物料 ” 料液在蒸发过程中易产生泡沫的物料，其泡膜强度往往较大，不易破碎，泡 的上面又重叠着泡，逐渐充满蒸发器顶部的空间，并随泡膜内二次蒸汽排出而造 成料液的损失。对于易发泡的物料，应采用升膜式、强制循环式以及外加热式蒸 发器。这是由于这几种蒸发器具有较大的料液循环速度，具有破泡的作用。由于 真空条件下会加速溶液的发泡，因此易发泡的物料不采用真空蒸发刚在所有的 蒸发设备中，为了防止泡沫夹带，都必须设置适宜的汽液分离器。 1 4 5 腐蚀性的物料 应根据料液的化学性质，蒸发温度选取既防腐蚀又有良好导热性的材料及适 宜的型式嘲例如对于硫酸等强酸，在蒸发温度下腐蚀性很强，金属材料一般不 适，可考虑用不透性石墨管作为加热管。实际生产中像苛性钠高温浓缩制固碱， 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 可采用采用镍管蒸发器。 1 4 6 易结垢的物料 料液在传热面上的结垢，是由于料液被浓缩后粘度增大、悬浮的微粒积沉、 无机盐的晶析、局部过热而焦化等原因造成无论什么样的溶液，长期使用后蒸 发器的传热面总有程度不同的结垢。垢层的导热性很差，因此明显影响了蒸发器 的蒸发效果，严重的甚至堵管以致蒸发器无法运转 2 6 1 因此对于十分容易结垢的 物料，应首先考虑选取便于清洗和清除结垢的蒸发设备，另外，可选用循环速度 大，在加热管外沸腾的蒸发器像强制循环蒸发器等。在管内沸腾的蒸发器是不适 用的。 1 4 7 处理量的大小 传热面积较大时，为了提高其热经济性，减少加热蒸汽用量，应力求考虑采 用多效蒸发或多级闪急蒸发器，其型式应采用高效的升膜式，降膜式，外加热式， 强制循环式等为宜鲫。 1 5 本选题意义t 蒸发有结晶析出的物料，如食盐、无机盐、隔膜法烧碱、磷酸、磷胺等， 国内外广泛采用外加热式强制循环蒸发器其中尤以制盐行业应用最为广泛， 而利用反循环技术延长蒸发器的运转率也是在制盐行业首先得到应用，目前 我国氧化铝生产行业还没有采用该技术进行结晶蒸发的厂家。 、 目前我国氧化铝生产行业蒸发设备主要是标准式蒸发器和外加热强制循 环蒸发器，都是属于能耗高，运转率低的设备，尤其是强制循环蒸发器，作 为主要的浓缩设备和结晶蒸发设备，其运转率的高低和效率的高低直接制约 氧化铝生产的液量平衡网。 ， 由于山铝氧化铝厂降本提产的需要，熟料窑产能不能满足要求，提高其 产能的关键在于降低料浆水分，这就要求蒸发器能够尽量提高蒸发浓度，实 现快速结晶蒸发。在现有蒸发条件下，高浓度结晶蒸发意味着缩短运转周期， 增加汽耗，容易形成恶性循环。 通过“反循环结晶蒸发技术研究。项目的技术创新，不仅可以提高蒸发器 的运转周期，实现快速结晶蒸发，降低料浆水分、节能降耗；同时也可以填补 了国内同行业结晶蒸发技术的空白，具有较高的经济效益和社会效益，在中铝 公司推广应用后将进一步提高中国铝业股份有限公司的科技发展水平网 6 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 由于国内相关技术主要应用于制盐行业，氧化铝生产中尚未使用，在本项 目进行中，参照了制盐行业有关该技术的应用情况。 主要研究内容： 1 、循环方式的改变对蒸发器结垢速度的影响及其机理； 2 、 反循环蒸发的设备配置； 3 、反循环蒸发器的操作控制技术 7 中南大学硕士学位论文第二章氧化铝生产蒸发过程及其设备 第二章氧化铝生产蒸发过程及其设备 2 1 蒸发的基本概念 2 1 1 基本流程 图2 一l 是蒸发的简化流程，稀溶 液经预热后加入蒸发器。蒸发器下部是 由许多加热管组成的加热室，在管外 用加热蒸汽加热管内的溶液并使之 沸腾汽化；经浓缩后的料液从蒸发器加热蒸汽 的底部排除。蒸发器上部为蒸发室， 汽化产生的蒸汽在蒸发室及其顶部的除 沫器中将其中挟带的液沫予以分离，然 后送往冷凝器被冷凝而除去蒸发操作 图2 1 蒸发流程 可以是连续的也可以是间歇的，但在大多数情况下，它是在稳定和连续的条件下 进行的鲫 2 1 2 加热蒸汽和二次蒸汽 蒸发需要不断的供给热能。工业上采用的热源通常为水蒸气。为了易于区别， 前者称为加热蒸汽，后者称为二次蒸汽。如果溶液沸腾点较高，可用联苯、融盐 等其他的高温载热体作为热源 2 1 3 分类 1 ) 。2 ) 按操作空间的压力可分为；常压，加压或减压( 即真空) 蒸发此时，为了 维持蒸发所要求的真空度，冷凝器后连有真空泵；为了在负压下将被冷凝的 水排出，如图：2 - - 1 ，可使冷凝器具有足够的高度而依靠重力排水，或者用泵 抽出。 按二次蒸汽利用的情况可分为单效和多效蒸发将所产生的二次蒸汽直接送 冷凝器冷凝以除去水蒸汽的蒸发操作，称为单效蒸发。若将二次蒸汽通到另 8 水 中南大学硕士学位论文 第二章氧化铝生产蒸发过程及其设备 一压力较低的蒸发器作为加热蒸汽，则可以提高原来加热蒸汽( 亦称为生蒸 汽) 的利用率。这种将多个蒸发器串联，使加热蒸汽在蒸发过程中得到多次 利用的蒸发过程称为多效蒸发 8 1 。 2 1 4 蒸发操作的特点 常见的蒸发实质是在问壁两侧分别有蒸汽冷凝和液体沸腾的传热过程，所 以，蒸发器也是一种换热器。然而，和一般传热过程相比，蒸发还需要注意如下 几点： 1 ) 沸点升高：蒸发的物料是溶有不挥发溶质的溶液。由拉乌尔定律可知：在相 同温度下，其蒸气压较纯溶剂的为低，因此，在相同压力下，溶液的沸点就 高于纯溶剂的沸点故当加热蒸汽温度一定时，蒸发溶液时的传热温度差就 比蒸发纯溶剂时为小，而溶液的浓度越大，这种影响也越显著 2 ) 节约能源：蒸发时汽化的溶剂量是较大的，需要消耗大量的加热蒸汽，如何 充分利用热量，使单位质量的加热蒸汽能除去较多的水分，亦即如何提高加 热蒸汽的经济程度，这是蒸发必须要考虑的 3 ) 物料的工艺特性：蒸发的溶液本身常具有某些特性，例如有些物料在浓缩时 可能结垢或析出结晶：有些热敏性物料在高温下易分解变质；有些则具有较 大的粘度或较强的腐蚀性等等。 。 2 2 单效操作和真空蒸发 1 2 3 对于单效蒸发，在给定生产任务和确定了操作条件后，需要计算以下内容： 水分蒸发量； 加热蒸汽消耗量； 蒸发器的传热面积 这些都需要应用物料衡算、焓衡算和传热速率方程来解决。 2 2 1 物料恒算和焓衡算 1 蒸发量的计算【1 川如图2 2 ，令 f 溶液的进料量，l 噜h ： w 一水分蒸发量，l 【g m ： i 完成液流量，】唔m x 旷- 料液中溶质的浓度，质量分数； r - 完成液中溶质的浓度，质量分数。 9 中南大学硕士学位论文第二章氧化铝生产蒸发过程及其设备 溶质在蒸发过程中不会挥发，进料中的 溶质将全部进入完成液。故溶质的物料 衡算应为： f x o = l x = ( f w ) x 由此，可求得水分蒸发量为： w = f ( 1 - x o x ) ( 2 一1 ) 完成液的浓度：。 ) 产f x d ( f w ) ( 2 2 ) 2 加热蒸汽消耗量的计算 令d 加热蒸汽消耗量，k $ h ； 付喵料温度，； 卜蒸发器中溶液的温度，； h o _ 一料液的焓，k l 唔； 。 q 广_ 料液的比热，1 【gk ； 卜- 完成液的焓，如，l 唔； c _ 完成液的比热，圳k gk ； c _ 水的比热，l 【j ，坶k ； f , x o , t c o ，h o d ，i 饵w d ，t ，旭 图2 - 2 单效蒸发的物料衡算及焓衡算 h 旷伽热器中冷凝水的焓，k j ，蚝；。， 地一加热蒸汽的焓，l 【j ，i 唔； t 一加热蒸汽的饱和温度，； 3 h _ 二次蒸汽( 温度为t 的过热蒸汽) 的焓，l d l 唔；。 r 加热蒸汽的蒸发潜热，圳蚝； 广- 温度为t 时二次蒸汽的蒸发潜熟，k j l 唔； q l 热损失，k j b 。 当加热蒸汽的冷凝液在饱和温度下排出时，由焓衡算，可得 d i - i , + f h o = l h + w h + d 1 1 + q t ( 2 - 3 ) 整理后得d ( 地一k ) + f h f ( f w ) h + 眦i ( 2 - 4 ) 用式( 2 - 3 ) 进行计算时，必须预知溶液在一定浓度和温度下的焓对于大 多数物料的蒸发，可以不考虑溶液的浓缩热，而由比热求得其焓。习惯上取0 时液体的焓为零，故有 k - - c t l o = c + t i ； h o = c o t o o = c o t o ； h - - c t o = c t ： 带入上式并整理得 l o 中南大学硕士学位论文第二章氧化铝生产蒸发过程及其设备 d ( h c t ) + fc o t 旷；( f w ) c 什w 融q l 式中料液的比热c o 和完成液的比热c 可分别按下式近似的计算： c o = c ( 1 一) + c bx o c - c _ ( 1 - x ) + c b x 式中c 毫为溶质的比热，i ( j l 【gk 。 ， 由式( 2 3 ) 或( 2 - - 4 ) 可解得加热蒸汽消耗量为； d = f ( h h o ) + 1 m 一h ) + q l 日臣一h | ) 若忽略浓缩热，则 d = f ( ct c ot o ) + w 饵- - ct ) + q d ( h - - h ) 考虑到h s c t l = r ，h ct 4 r ，故得 、 d = f ( ct - - c ot o ) + w 卜 q t 瓜 ， 若为沸点进料，即t o = t ，并忽略浓缩热损失和比热c 和c 0 的差别， d = w ( h - - ct ) 瓜w 矾t ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 6 a ) ( 2 - - 6 b ) 则有； 或d ，w = 但一c t ) ，r r 瓜 ( 2 7 ) 式中d ，w 称为单位蒸汽消耗量，用以表示蒸汽利用的经济程度 由于蒸汽的潜热随温度的变化不大，即溶液温度t 和加热蒸汽温度t i 下的潜 热r 和r 相差不多，故单效蒸发时d w * l ，即蒸发ll 【g 的水，约需ll 唔的加 热蒸汽。考虑到r 和r 的实际差别以及热损失等因素，d ，w 约为1 1 或稍多 ， 2 2 2 蒸发器传热面积的计算 由传热速率方程口1 】得a = q kat 。 式中：a 蒸发器的传热面积，m 2 ； ， q 传热量； 、 k 传热系数，w m 2 k ； k 平均传热温度差，k 。 ， 。 由于蒸发过程为蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温差传热，a t = = t s t ，故有 = q ( t s t ) = d r k ( t s - - 0 ( 2 - 8 ) ， 2 2 3 蒸发设备中的温度差损失 蒸发器中的传热温度差t 等于t s t 当加热蒸汽的温度t s 一定 例如用 4 7 6 k a i m t ( 绝压) 的水蒸汽作为加热蒸汽，t s = 1 5 0 c ，若蒸发室内压力为l a t m 而蒸发的又是水( 其沸点t = 1 0 0 ) 而不是溶液，这时的传热温度差最大用 t t 来表示嘲： a t t = t s - - t = 1 5 0 - - 1 0 0 = 5 0 ( 2 中南大学硕士学位论文 第二章氧化铝生产蒸发过程及其设备 如果蒸发的是3 0 的氢氧化钠溶液，在常压下其沸点必高于1 0 0 如其t = l1 5 ，贝q 有效温度差t = t s - - t - - - - 1 5 0 - - 1 1 5 - - - - 3 5 a t 比a t r 所减小的值称为传 热温度差损失，简称温度差损失用符号a 表示 由于6 = a t t a t 一( t s t ) 一t s t t tr 所以传热温度差损失a 就等于溶液的沸点t 与同压下水的沸点t 之差只有求得 6 ，才可求得溶液的沸点t ；t + 厶) 和有效传热温度差厶l ( = 6 t , - - 矗) 温度差的损失由下列原因所产生t 一，溶液的沸点升高这是由于溶液蒸气压较纯溶剂水) 在同一温度下的蒸 气压为低致使溶液的沸点比纯溶剂的高、 二蒸发器中液柱静压头的影响以及流体流过加热管时产生的摩擦阻力，都导 致溶液沸点的进一步上升， ， 2 2 4 溶液的沸点升高与牡林规则。 溶液中含有溶质，故其沸点必然高于纯溶剂在同一压力下的沸点亦即高于 蒸发室压力下的饱和蒸汽温度此高出的温度称为溶液的沸点升高以a 。表示 6 主要和溶液种类，溶液中溶质的浓度以及蒸发压力有关其值由试验测定 对于分子量小的溶质( 如氢氧化钠、氢氧化钾) ，其水溶液在高浓度时的沸点升 高很大例如在常压l a t m 下5 0 ( 质量) 的氢氧化钠溶液。其a 为4 2 。饱 和的氯化钙溶液( 7 5 9 质量) 的a 为分子量大的溶质如蔗糖水溶液的 沸点则升高较小。 在文献和手册中嗍，可以查到常压下i 岫) 某些溶液在不同浓度时的沸 点数据。但在蒸发操作中，蒸发室的压力往往不是高于就是低于常压计算非常 压下溶液沸点的方法很多最常用的方法是按杜林规则计算嘞该规则认为t 某液体( 或溶液) 在两种不同压力下两沸点之差 t 中) ，与另一标准液体在 相应压力下两沸点之差( k t 。- ) ，其比值为一常数即一 ， ( t a - - t 。 ) ，( t w - - t w ) a 薮 、 ， ( 2 9 ) 式中l ： 和t 代表某液体( 或溶液) 在两种不同压力下的沸点。知和t 。- 代表某标准液体在相应压力下的沸点1 【值求得后可按下式求出任一压力下某 液体或溶液的沸点t ： “= t + k ( t w t w ) ( 2 一l o ) 选用的标准液体通常为水 2 2 5 液柱静压头和加热管内摩擦损失对溶液沸点的影响 由于蒸发器在操作时需要维持一定的液面高度，设蒸发室空问的压力为p 。 中南大学硕士学位论文第二章氧化铝生产蒸发过程及其设备 n 2 ，溶液面上所受的压力即为p ，而溶液底层所受的压力则为p + o 乒，其中l 为液面高度，m ，p 为溶液的密度】( g 一。一般在操作时液面高度仅为加热管长的 t 3 2 3 ，视物料的性质而定。溶液中层的液体静压力与液面上压力之差当为 p = p 豇也 ( 2 一1 1 ) 将上式中的p 加上前述的p ，则为溶液平均深度l 2 处的压力，于是可从 饱和水蒸汽表中查得该压力下的沸点，从查得的沸点减去相当于压力p 下的沸 点，即取为因液柱静压头所致的温度差损失，以厶4 表示之，即 ”= to p + p ) - - t p ) ( 2 一1 2 ) 实际上，当加热管内液体流速较大时，管内的摩擦损失会进一步增大液体的 平均压力，因而使温度差损失随之增大。但这一温度差损失很难做定量的计算， 在设计时一般可只用式( 2 一1 2 ) 做作粗略估算，而不另计入摩擦损失的影响 另外，蒸发室在常压或加压操作时”与a 相比很小，减压时则。稍大。如果 溶液不易结垢和结晶，且粘度不大时，操作时可尽可能地降低液面高度以使 减小圈 2 2 6 真空蒸发 。 ； 工业上常使溶液在减压下亦即真空下蒸发以降低溶液的沸点。真空蒸发具有 下列优点【3 3 】： + ：。， 1 在减压下溶液的沸点较在常压下的为低，因此可以提高加热蒸汽与沸腾液体 间的温度差，于是蒸发器的传热面积可以相应减小 2 可以利用低压蒸汽或废汽作为加热蒸汽 3 可用以浓缩不耐高温的溶液。 4 由于溶液的沸点降低，蒸发器损失于外界的热量较小 但另一方面，在真空下蒸发需要增设一套真空的装置以保持蒸发室的真空 度，从而消耗额外的能量，保持的真空度愈高，消耗的能量也愈大同时，随着 压力的减小，溶液沸点的降低，其粘度亦随之增大，常使对流传热系数减小，从 而也使总传热系数减小。此外。由于二次蒸汽的温度降低使得冷凝的传热温度差 相应降低由此可知，在蒸发操作中选择蒸发室的压力往往是一个经济核算的问 题。 ， 2 3 多效蒸发 无论在常压、加压或真空下进行蒸发，从溶液中蒸发出1k g 水，都需要消耗 不少于1 蚝的加热蒸汽。因此，在大规模工业生产过程中，当蒸发大量的水分时， 势必要消耗大量的加热蒸汽为了减少这项消耗，可采用多效蒸发p 4 1 。 中南大学硕士学位论文第二章氧化铝生产蒸发过程及其设各 如前所述，倘将加热蒸汽通入一蒸发器，则液体受热而沸腾，所产生的二次 蒸汽，其压力与温度必较原加热蒸汽( 生蒸汽) 的为低。但此二次蒸汽仍可设法 加以利用将其当作加热蒸汽，引入另一个蒸发器，只要后者的蒸发室压力和溶 液沸点，均较原来蒸发器中的为低，则引入的二次蒸汽仍能起到加热作用。此时 第二个蒸发器的加热室便是第一个蒸发器的冷凝器，此即多效蒸发的原理。将多 个蒸发器这样连接起来一同操作，即组成一个多效蒸发器。每一蒸发器称为一效， 通入生蒸汽的蒸发器，称为第一效，利用第一效的二次蒸汽以加热的，称为第二 效，依此类推。 。， 由于各效( 除最后一效外) 的二次蒸汽都作为下一效蒸发器的加热蒸汽，这 就提高了生蒸汽的利用率，即蒸发同样数量的水w ，采用多效时所需要的生蒸 汽量d 将远较单效时为小根据经验，最小d w 的大致数值如表2 1 所示n o ： 表2 一l 蒸发l1 唔水所需的生蒸汽，d w 2 3 i 多效蒸发的流程 多效蒸发操作的加料，可有四种不同的方法： 1 溶液与蒸汽成并流的方法，简称为并流法； 2 溶液与蒸汽成逆流的方法，简称为逆流法； 3 溶液与蒸汽在有些效问成并流而在有些效问则成逆流，简称为错流法； 4 每一效都加入原料液的方法，简称为平流法。 ， 2 3 2 蒸发器的生产能力、生产强度和多效蒸发器效数的限制 2 3 2 1 蒸发器的生产能力和蒸发强度 采用多效蒸发可以节省生蒸汽的用量，但是这生蒸汽利用率的提高是以降 低其生产强度作为代价而取得的。 t 若忽略热损失和浓缩热效应，则蒸发器的生产能力可用单位时间内蒸出的水 分总蒸发量w 来表示，也可用通过传热面的传热速率来表示。在三效蒸发器中， 各效单位时间内所传热量，可按传热速率方程式表示如下鲫； q l = k l a l t 1 1 1 0 3 = k 2 a 2 t 2 ( 2 - 1 3 ) 一 i q 3 = k 3 a 3 t 3j 。 1 4 中南大学硕士学位论文第二章氧化铝生产蒸发过程及其设备 三个效的总传热速率为： q = q l + q 2 + q 3 = k z a l a t l + k ：2 t z + k 3 a 3at 3 ( 2 - 1 3 a ) 假设各效的传热面积相等，即a l = a 弘a 3 - - - - - a ；假设各效的总传热系数也相 等，即k l = k z f f i k 3 - - - k ；不考虑各效中的温度差损失，则( 2 - - 1 3 a ) 可改写为： q = k a ( a t l + t 2 + a t d = k a t t ( 2 1 3 b ) 式中的a t t 为总传热温度差，其值等于第一效加热蒸汽的温度与末效蒸发室压力 下蒸汽的饱和温度之差。 假设有一单效蒸发器，其操作条件( 加热蒸汽温度和二次蒸汽温度) 与上述 三效蒸发器的相同，并具有与一个效相同的传热面积a 。近似假定单效蒸发器的 传热系数也等于k ，则此单效蒸发器的生产能力为： q = k a a t t( 2 1 4 ) 比较式( 2 - - 1 4 b ) 和( 2 - - 1 4 ) 可以看到；三效蒸发的三个蒸发器( 其中传 热面积为3 a ) 的生产能力和单效蒸发的一个蒸发器( 其传热面积为a ) 的相同， 可见单效蒸发器的蒸发强度( 以q a 表示) 为三效蒸发器的蒸发强度( 等于q 3 a ) 的三倍 实际上，如果考虑沸点升高以及其他一些因素，多效蒸发器的生产能力反而 比单效蒸发器的要小 。 2 3 2 2 液柱静压头效应和沸点升高 液柱静压头效应和沸点升高在多效蒸发中对生产能力的影响要比在单效蒸 发中的影响更大，这是因为各效中的有效温差都会由于此两项因素而减小，使累 计的温度差损失超过单效之故。 在多效蒸发器中，将前一效的二次蒸汽通入次一效的加热室作为加热蒸汽 此部分蒸汽一般为过热蒸汽过热蒸汽冷凝时，只要壁温低于饱和温度，传热壁 面被冷凝液所润湿，则过热蒸汽和饱和蒸汽冷凝一样，冷凝液层的外表面温度等 于加热室内压力下蒸汽的饱和温度，只是冷凝潜热一项应当用过热蒸汽冷凝成饱 和液体释放出的热量取代因此，在计算某一效的有效温度差时，应按该效加热 室压力下的饱和蒸汽温度作为加热蒸汽温度而不应以前一效液体的沸点( 也即前 一效二次蒸汽的温度) 作为加热蒸汽的温度总的有效温度差等于总温度差t t ( 第一效加热蒸汽温度与末效蒸发室压力下饱和蒸汽温度之差) 减去各效沸点升 高以及温度差损失的总和。其结果是使多效蒸发器的生产能力显著下降 以浓缩氢氧化钠水溶液为例对单效、双效、和三效蒸发器韵温度差损失作 一比较，如图2 3 【埘。设氢氧化钠水溶液的初始浓度为1 0 ( 质量) ，完成液 浓度为5 0 ( 质量) 。又设加热蒸汽的温度均为1 3 0 ，而单效和多效的末效蒸 中南大学硕士学位论文第二章氧化铝生产蒸发过程及其设备 麓懑薰扑m 7 - ：i o c 薹 压力下的饱和蒸汽温度为l o o iii 严1”步爿： ( 即该效中温度差损失为) ；卿卜l l 、 iim 蚕薹蓁曩黼112c 。、。：七斟：目5 ：目三 为1 2 0 ，相应于蒸发室压力下。 s i 杉砑。匕钥l 乡叼阳 的饱和温度为( 即该效中 鳓l 【么a 卯【j 一幽。 溶液的沸点为1 0 2 c ，相应于蒸 一l， 擎效双效三效 在总温度差一定的条件下，若效数增多，则总的有效温度差势必因温度差损 失的增加而更减小。效数的增多和有效温度差的减小都使各效所分配到的温度差 减小根据经验，每效分配到的温度差不应小于6 7 亦即需使溶液维持在 泡核沸腾阶段因此，增加多效蒸发的效数不仅降低生产能力。而且受到有效温 度差的限制，使效数的增加有一最大限度若效数过多就有可能无法操作u s l 多效蒸发的优点是可以提高生蒸汽的经济程度，但从表2 - - 1 可以看出。随 着效数的增多。虽然d ，w 是不断减小的，但生蒸汽的降低率亦随之减小例如： 由单效改为双效时，生蒸汽的降低率约为( 1 1 - - 0 5 7 ) 1 1 = 0 5 ，而自四效改为 五效时，其降低率已低至( o 3 - - 0 5 7 ) o 3 = 0 1 增加效数，需要增加设备费， 当再添一效蒸发器的设备费用不能与所省加热蒸汽效益相抵时，就没有必要再增 加效数故经济也是限制效数的重要因素 中南大学硕士学位论文第二章氧化铝生产蒸发过程及其设备 2 3 3 多效蒸发的计算 多效蒸发的计算远比单效的复杂，因为在多效蒸发计算中的未知数较多，以 三效蒸发器为例，参阅图2 4 晒1 ，一般已知参数有：进料量f 及其浓度】【o 和温 度t 。第一效加热蒸汽温度t 。( 或p 。) 冷凝器中饱和蒸汽温度l ( 或末效蒸发室压 力p 3 ) ，完成液的浓度x 3 ，各效的总传热系数k 以及溶液的物理性质