（冶金工程专业论文）管式降膜蒸发技术在氧化铝生产中的应用.pdf

中南大学学位论文摘要 摘要 本文主要从蒸发器目前在氧化铝生产中的重要作用，以及各种蒸 发器的主要特点、发展概况来论述降膜技术在氧化铝生产中的应用情 况，同时通过对板式降膜蒸发器和管式降膜蒸发器两种发展较快的蒸 发技术在具体运行过程中的差异，说明管式降膜蒸发技术在满足目前 我国氧化铝生产的需要上有更大的优越性。 通过对管式降膜蒸发器结构及其主要部件如布膜器、加热管、分 离室等的论述，并从布膜技术、雾沫分离技术、蒸发器材质选择技术 要求、各种杂质对管式降膜蒸发器产生的影响及消除办法、通过管式 降膜蒸发器与强制循环蒸发器结合解决结晶排盐的问题以及管式降 膜蒸发器易于自动控制技术说明该种设备适合于氧化铝生产的要求， 通过对管式降膜蒸发器能耗分析及降低途径等方面论述这种蒸发器 对这些问题的解决办法以及具备更加能够降低消耗的优越性。 通过对管式降膜蒸发器技术特点的描述，为了进一步论述其实用 性及特别性，从实际生产、施工设计出发，对管式降膜蒸发器的主要 工艺参数进行了计算。并以5 2 m 2 管式降膜蒸发器半工业试验结果为 依据，对国内实施管式降膜蒸发技术开发进行理论与实践的可行证。 并从中州分公司应用管式降膜技术在种分母液和碳分母液的蒸发上 的成功。认为管式降膜技术是可行的，能够解决当前国内氧化铝生产 蒸发作业中的问题，可以在氧化铝生产行业中推广使用。 关键词管式降膜，布膜器，加热管，强制循环，蒸发 中南大学学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h r o u g hd e s c r i b i n ga ni m p o r t a n tr o l e ，m a i nc h a r a c t e r i s t i c sa n d o p e r a t i o n o fv a r i e t i e so fe v a p o r a t o r s ，t h i s p a p e rd i s c u s s e s an e w a p p l i c a t i o no ff a l l i n g - f i l me v a p o r a t i o nt e c h n o l o g yt oa l u m i n a - p r o d u c t i o n c o m p a r i n gd i f f e r e n c ew i t ho p e r a t i o nb e t w e e nt h ep l a t ef a l l i n g - f i l ma n d t h et u b e f a l l i n g f i l m e v a p o r a t o r sd e v e l o p e dr a p i d l y ，i tp o i n t s o u t a l u m i n a - p r o d u c t i o ni nc h i n aa r ev e r ys a t i s f i e dw i t ht h et u b ef a l l i n g - f i l m e v a p o r a t o r i ts t a t e st h eb a s es e l e c t i n gt h i sk i n do f e v a p o r a t o ra n di t sm a j o rp a r t s s u c ha sf i l m i n gu n i t ，h e a t i n gt u b ea n ds e p a r a t i n gc h a m b e r p r o b l e m so n c r y s t a l l i z a t i o n ，s a l ts c a l i n ga r es o l v e db yu s i n gf i l m i n gt e c h n o l o g y ，m i s t s e p a r a t i o nt e c h n o l o g y ，c o r r e c tm a t e r i a ls e l e c t i o no fe v a p o r a t o r ，a n d a n a l y z i n g v a r i e t i e so fi m p u r i t i e s e f f e c t i n g 0 1 1 e v a p o r a t o r ，a n db y c o m b i n a t i o no f t h et u b ef a l l i n g - f i l ma n df o r c e dc i r c u l a t i o ne v a p o r a t o r s i t a l s of m d so u tt h ew a yt or e d u c e e n e r g yc o n s u m p t i o n sb ya d o p t i n g a u t o - c o n t r o lt e c h n o l o g ya n de n e r g yc o n s u m p t i o na n a l y z ef o rt h et u b e f a l l i n g - f i l me v a p o r a t o r t h ep a p e ri n d i c a t e sp r a c t i c a b i l i t ya n ds p e c i a l t i e s ，a n dc a l c u l a t e s m a i np r o c e s sd a t ao f t h et u b ef a l l i n g - f i l me v a p o r a t o r a c c o r d i n gt or e s u l t s f r o mp i l o ts c a l ef a c t o r yt e s t s ，i tt h i n k st h a ti ti sf e a s i b l et od e v e l o pt h e t e c h n o l o g yo f t h et u b ef a l l i n g - f i l me v a p o r a t o ri no u rc o u n t r y i nf a c t ， a p p l i c a t i o no f t h et e c h n o l o g yt oe v a p o r a t i o no f t h es e e d - p r e c i p i t a t i o na n d c a r b o n a t i o n - p r e c i p i t a t i o ns p e n tl i q u o ra r ev e r ys u c c e s s f u li nz h o n g z h o u b r a n c h ，c h a l c o ，t h e r e f o r e ，i ts u p p o r t sa ni d e at h a tt h i st e c h n o l o g yc a nb e w i d e l yu s e di na l u m i n a - p r o d u c t i o n k e yw o r d st h ef a l l i n gf i l me v a p o r a t o r ，f i l m i n gu n i t ，h e a t i n gt u b e ， f o r c e dc i r c u l a t i o n ，e v a p o r a t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学 位或者证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论 文中作了明确的说明。 作者签名：越 关于学位论文使用授权的说明 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，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可以根据国家和湖南省有关部门 规定送交学位论文。 作者签名：挝导师签名日期：生县 目 中南大学学位论文第一章管式降膜蒸发技术在氧化铝生产中发展综述 第一章管式降膜蒸发技术在氧化铝生产中发展综述 1 1 蒸发器在氧化铝生产中的实际意义 蒸发是氧化铝生产中非常重要的一个作业环节，其主要作用是将氧化铝生产 过程产生的多余的水分基于真空蒸发的原理蒸发掉，保证氧化铝生产过程中水份 的平衡：同时对生产过程中的循环母液进行浓缩，以利于碱液的循环使用。另外， 在铝酸钠溶液蒸发过程中，还可以使母液中的部分盐类结晶析出，达到除杂的目 的，确保生产的正常进行。氧化铝的蒸发过程与一般的化工过程有较大的区别， 除了以上所说的排盐工作以外，还存在着蒸发水量大( 法国彼旆涅公司加丹厂， 建有世界上最大降膜蒸发器，蒸水量达到2 5 0 t h i ”，要满足不同的蒸发原液及浓 度的要求，一般设施庞大，多效真空作业，控制过程复杂，配套设施多，能耗高， 因此对氧化铝蒸发设备及工艺的研究有着重要实际意义。 1 2 国内氧化铝生产中蒸发器的使用情况 目前在氧化铝生产行业使用的蒸发器的种类颇多，自9 0 年代初平果铝业公司 首次从法国g e a k e s t n e r 公司引进的管式降膜蒸发器之前，在国内氧化铝生产 工艺中主要是采用自然循环蒸发器、强制循环蒸发器、单程蒸发器、闪急蒸发器、 板式蒸发器等，其中自然循环蒸发器又包括夹套式和蛇管式、悬筐式、列文式、 外加热式等蒸发器类型，单程蒸发器就是降膜式蒸发器，可分为升膜式蒸发和降 膜式蒸发。自然循环蒸发器因为产能较低，占地面积较大，对热能的综合利用能 力较差，热效率低等原因，随着氧化铝生产形势的发展，这种蒸发器已难以进一 步满足大规模生产的需要，目前使用的数量越来越少。强制循环型蒸发器要实现 强制循环必然消耗大量动力，在同样的情况下，四效逆流强制循环蒸发器动力消 耗为0 1 5 0 3 0 k w h m 2 , 板式和管式降膜蒸发器的动力消耗为0 0 2 - 0 0 6 k w h m z ，自蒸 发器动力消耗为0 t 2 1 。但由于它对含固体物料的特殊适应性，常与降膜式蒸发器 在一起使用主要担负起排除结晶盐的作用，在降膜式蒸发器中，溶液的停留时间 一般较升膜式蒸发器的短一些，但有液膜分布不均匀和液膜热阻较大的缺点【3 j 。 闪急蒸发器的物料从进料管进入中央循环管，温度高达1 4 5 左右的物料以一定 的速度进入闪蒸器内，便很快以喷射状射出中央循环管，以滴状、薄膜状在闪蒸器 内进行蒸发，这样蒸发表面积大，设备的单位产能高。由于蒸发剧烈，不易形成大的 结晶体所以闪蒸器蒸发表面大、没有静压头损失、不易堵管。闪蒸器比较现有 中南大学学位论文第二章管式降膜蒸发技术在氧化铝生产中发展综述 的自蒸发器以提高蒸发器组的蒸水能力，可提高蒸发产能2 “组h 以上 4 1 。但一般 不单独使用，常只作于其他蒸发器的出料的自蒸发用。 由于我国铝土矿以高硅低铁的中低品位一水硬铝石为主，生产方法多采用烧 结法或混联法和拜耳法，循环母液浓缩比大、母液中杂质含量高，在蒸发浓缩过 程中，大量的杂质以结晶形式析出，造成加热管结疤，传热效率低，机组产能迅 速降低。为满足氧化铝生产的需要，各个厂家不得不以增建蒸发器组的方式来扩 大产能。截止到2 0 0 2 年底，中国铝业的六个分公司中，五个都有庞大的蒸发站， 共有蒸发机组5 1 组、1 8 5 台设备，平均运转率不足7 5 ，吨水汽耗高达o 5 5 t ， 平均蒸发消耗费用占总成本的9 0 8 。 为适应氧化铝的发展形势和世界循环经济的发展的要求，蒸发技术不断得到 改进，从实际情况来看，降膜蒸发技术因其特有的优势得到重视，越来越多的板 式降膜蒸发器和管式降膜蒸发器相继在各氧化铝厂得到应用。 1 3 管式降膜蒸发器的发展速度及研究现状 2 0 0 1 年4 月，由张家港市化工机械有限公司与中国铝业中州分公司联合自 主开发的，安装有自行研制的布膜器。加热面积5 2 m 2 的管式降膜蒸发器半工业 试验装置研制成功，国产化进程进一步加快。随着2 0 0 2 年5 月1 8 日中州分公司 第一套国产管式降膜蒸发器的一次试车成功后，2 0 0 3 年1 月，中铝河南分公司 第六组蒸发器采用管式降膜技术的蒸发器顺利投入运行，相继山东分公司、中州 分公司选矿拜耳法、河南义煤集团公司氧化铝厂、中铝山西分公司( 两组) 、中 铝山东分公司改建项目，中铝河南分公司新建第七组已经或即将投产1 5 j 。尤其是 中州分公司第五组蒸发器因其第一次使用在烧结法生产氧化铝的工艺中，对该类 蒸发器在氧化铝生产中应用推广的意义重大，管式降膜蒸发器得到进一步的发 展，正在逐步取代各类蒸发器。实践证明，降膜蒸发器与闪速蒸发器相结合的流 程是目前世界上拜尔法种分母液蒸发的先进流程 6 】。蒸发降膜技术的应用代表了 氧化铝生产行业蒸发器的发展方向【”。但同时因为该类蒸发器对各种氧化铝生产 方法的适用性有所区别，虽然在氧化铝行业使用蒸发器种类较多，各有优劣，但 近几年管式降膜技术还未有系统的研究，本文主要是对管式降膜蒸发器共性的问 题进行描述以及解决。 中南大学学位论文第二章管式降膜蒸发技术在氧化铝生产中发展综述 第二章管式降膜蒸发技术的应用研究和特点描述 2 1 蒸发原理 任何物质都有三种不同的状态，汽相、液相和固相，相态可以在一定的压力 和温度下进行相互转换，液体的蒸发便属于相变过程，即借助热作用使溶液中所 含的溶剂汽化提高溶质浓度的物理操作。在蒸发的过程中，溶液受热后溶剂部分 汽化从液态转变位气态，为了使蒸发过程继续进行，必须将所产生的蒸汽及时除 去，否则蒸发过程将由汽液两相趋于平衡而停止。因此，蒸发设备除了要不断的 供给热能外还必须不断将蒸发过程中产生的蒸汽排走。 蒸发可在沸点或低于沸点的情况下进行，前者的速度远大于后者，工业上的 蒸发多在沸腾状况下进行的，当溶液被加热，其温度不断上升，直升到某一固定 温度时，液体内部产生大量的气泡，气泡上升至液面而破裂，于是溶剂便发生汽 化，这种现象叫做沸腾。溶液在沸腾时的温度为该溶液的沸点，溶液的沸点均高 于溶剂的沸点，因为任何物质开始沸腾时的温度，就是当它的饱和蒸汽压达到与 外界压力相等的温度，溶液的浓度升高造成其沸点的升高，即溶液的浓度越高， 则其沸点越高。液体达到沸点汽化时需要的热量要从外部供给，因此蒸发是属于 传热过程，蒸发器是换热器的一种。 加热被蒸发的溶液所需的热量，可以通过间壁或采用直接接触的办法由热源 提供。氧化铝生产工业上使用最广的是通过水蒸汽加热的蒸发器，这种蒸发器蒸 发的溶液是铝酸钠溶液，溶质的主要成分有氧化钠、氧化铝、碳酸钠、硫酸钠、 氧化硅等物质，溶剂则是水。这种蒸发器操作时一方面有水蒸汽作为热源供给热 量，而另一方面水溶液本身亦生成蒸汽，为了易于区别，前者称加热蒸汽( 或一 次汽) ，后者称二次蒸汽。工业上将蒸发时产生的二次蒸汽不再利用的蒸发过程 称为单效蒸发，即产生的二次蒸汽直接冷凝不再利用。若将产生的二次蒸汽再次 用于其他蒸发器加热，这种蒸发过程称为多效蒸发，所用设备称为多效蒸发设备。 蒸发操作可在常温、常压、减压下进行，在减压下进行的蒸发称为真空蒸发，目 前在氧化铝生产中的蒸发都是减压蒸发。在蒸发过程中，由于液体汽化所需热量 随汽化温度降低而增加，因此在真空蒸发中，蒸发单位体积的液体所消耗的加热 蒸汽较在常压下消耗的多但真空蒸发有以下优点： ( 1 ) 在减压下溶液的沸点较在常压下低，因此加热蒸汽与沸腾液体问的温度差 可以加大，于是蒸发器的加热面积可以相应地减少。 ( 2 ) 可以利用低压蒸汽或废蒸汽作为加热蒸汽。 中南大学学位论文第二章管式降膜蒸发技术在氧化铝生产中发展综述 ( 3 ) 可以浓缩不耐高温的溶液。 ( 4 ) 由于溶液的沸点的降低，蒸发器的热损失于外界的少。 2 2 蒸发器的能力描述 蒸发器的生产能力通常以单位时间内蒸发器从溶液中蒸发出的水量w 来表 示，即等于所获得的二次蒸汽量。蒸发过程中所需的热量q 是通过蒸发器传热面 传给溶液的。单位时问内蒸发的水量决定于传递的热量。 p = k d a t ：w 0 0 l f s j 所以 w ；k a t l ( i 一0 ) 式中：w 蒸发量，k g s 彳蒸发设备的加热面积，m 2 k 传热系数。k j m 2 x c ，有效温度差， i 二次蒸汽的热含量，k j k g 0 溶液在沸点温度下，冷凝水的热含量，k j 瓜g 上式仅说明，当溶液温度与设备内溶液沸腾温度相等时，二次蒸汽的量才能 真正地表示蒸发器的能力。若加料溶液温度低于溶液沸腾温度，则有一部分热量 消耗于将溶液加热至沸点。反之，若加料温度高于溶液沸腾温度，则有溶液过热 之热量将会产生一部分二次蒸汽。对于传热系数决定了蒸发过程中的传热速率， 事实上，随着蒸发过程的不断进行，传热面上的结垢现象越来越严重，传热的效 率也越来越低，要确定传热系数的大小，一是可以从理论上计算，二可以实际测 定。 对于蒸水量w 也可以从盐类的物料平衡和料流的物料平衡来计算。 2 3 多效真空蒸发 多效真空蒸发是相对于单效蒸发来言的，单效真空蒸发器在氧化铝的实际生 产中一般不采用，除非产生的二次蒸汽可以得到有效的利用。多效真空蒸发器即 是将加热蒸汽通入一蒸发器，则液体受热沸腾，所产生的二次蒸汽其压强和温度 必较原加热蒸汽低，然后将此二次蒸汽当作加热蒸汽引入另一蒸发器，此时后面 一效蒸发器的加热室便是前一效的冷凝器，在实际生产中可以用更多的蒸发器串 联起来。 对于多效蒸发器的任一效均可列出热量衡算方程式： d n ( i n - 0 n ) = d p n = g n i n + w n - g n + 1i n + 一 中南大学学位论文 第二章管式降膜蒸发技术在氧化铝生产中发展综述 式中：d i 卜_ 一第n 效加热蒸汽消耗量，k g s ，d n - - - - = w n 1 ( w n l 为前一效的蒸发量) g + 1 ，r n 十l 分别为后面一效溶液量和溶液的热含量，k j k g ： e n 第1 3 效冷凝水的热含量，k j n 唱。 2 4 蒸发器结构 2 4 1 普通蒸发器 l 7 加热室 6 图2 - 1 普通蒸笈嚣结构图 1 一原料液2 一二次蒸汽3 一分离室4 一加热室蛐凝水6 一完成液7 一加热蒸汽 如图2 - 1 是一台普通蒸发器的结构图，由蒸发室和加热室组成。加热室中装 有许多加热列管，加热用的蒸汽在加热管外冷凝，放出的热量来使管内的溶液沸 腾和蒸发。这种蒸发器源于前苏联【9 】。自2 0 世纪6 0 年代以来，我国第一家氧化 铝厂的蒸发工序所采用的蒸发设备该类蒸发器，是当时大型工业生产中使用广泛 且历史悠久的一种蒸发技术。这种设备适用于结垢不严重，有少量结晶析出和腐 蚀性较小的溶液。此蒸发器的缺点是有效温差要求大，因而限制了多效作业，一 般为3 - 4 效作业，汽耗相对较高，一般蒸发1 t 水的耗气量为0 3 5 0 5 t 。目前国 内的氧化铝厂还有此类型的蒸发器应用于浓度要求不高和没有结晶析出的溶液 蒸发。 中南火学学位论文第二章管式降膜蒸发技术在氧化铝生产中发展综述 2 4 2 强制循环蒸发器 3 4 图2 - 2 强制循环蒸发器结构 l 一二次汽出口2 汽液分离室3 一蒸汽进1 34 一蒸汽加热室5 一强制效出料 强制循环列管式蒸发器( 见图2 2 ) 结构与自然循环蒸发器类似，就是在循环 管进加热室之前安装了强制循环泵，利用强制循环泵对溶液进行强制循环以提高 溶液的循环速度到1 5 3 5 m s 。强制循环蒸发器属于管外浓缩，溶液循环速度 快，溶液在管内的流速大，因而传热效率高，适宜与高粘度、易结垢和易结晶的 溶液蒸发，对温差的要求低温度差较小时3 5 c 仍可操作) ：其总的传热系数范 围为3 3 4 4 2 0 9 0 0 1 0 m 2 h 。缺点是动力消耗较大，每平方米传热面积耗费功 率0 4 0 8 k w ，因此于其加热面积受到限制。强制循环泵是该类设备的关键设备 之一，国内强制循环泵轴密封困难，法国a g r o c h e m 和美国z a r e m b a 强制循环装 置使用效果较好i l o 】。目前在国内的氧化铝厂，此类型的蒸发器主要应用与浓度要 求比较高和有结晶析出的溶液蒸发【“j 。 2 4 3 管式降膜蒸发器的基本结构 经过多年的发展，已形成二种基本结构形式： ( 1 )以法国g e a - k e s t n e r 为代表的的结构形式 如图2 - 3 所示，加热室与分离室上下叠合形成一体。具有较多的优点，但设 计、制造及安装的难度较大。 ( 2 )以c c m s u l z e r 为代表的的结构形式 如图2 4 所示，加热室与分离室分开，形成左右并列的结构。其构造简单， 运行可靠，易为用户接受。 生蜜丕堂堂垡论文 第二章管式降膜蒸发技术在氧化铝生产中发展综述 图2 - 3 g e a k e s t n e r 管式降膜蒸发器结构图 目1 - 4 c c m s u l z e r 管式降膜蒸发器结构图 这二种结构形式目前都应用于国外氧化铝厂的蒸发站。经对比，形式( 1 ) 具有如下优点： 1 ) 经生产实践证明，从加热管高速直泻而下的溶液和二次蒸汽流能很轻易 地击碎分离器液面厚厚的泡沫层，使泡沫几乎不存在，使从溶液中闪蒸 出来的二次蒸汽离开液面时的夹带量最小从而获得更为洁净的冷凝水。 2 ) 结构形式比较紧凑，钢材耗用量较低。 3 ) 设备向空中发展，占地面积为形式( 2 ) 的一半左右，使蒸发站的基建投 资大大降低【l ”。 2 4 4 板式降膜蒸发器 板式降膜蒸发器( 见图2 - 5 ) 工作原理：外流自由降膜板式蒸发器，主要由简 体、加热板片、布膜器、循环泵等部件组成，参见结构示意图。其核心部件的加 热板片是由两片1 5 2 5 m m 的进口合金不锈钢板片，四边焊接在一起，再通过 鼓压铆焊成型的。两板片之间组成的空间内通汽加热，板片外侧是通过布膜器后 中南大学学位论文第二章管式降膜蒸发技术在氧化铝生产中发展综述 形成的自由下降流动的液膜，薄膜贴附在加 热板片上，从上到下垂直降落到简体底部液 室，液膜受到从板片传入的热量，边流动边 蒸发汽化。二次蒸汽产生立即分离出来，在 加热元件之间排出，并进入除沫器流入下一 效。热交换传热系数可达1 2 0 0 _ + 6 2 7 0 k j m 2 h ，加热面积可达1 7 0 0 m 2 厶，一 般可以五效或六效作业，蒸水量1 3 0 1 7 0 t 组时。板式降膜蒸发器与外加列管式蒸发器 相比较而言，传热效率高、蒸发速度快、可 多效作业、汽耗低，一般蒸发1 t 水的耗汽量 位0 2 0 0 3 5 t ：但加热板片的可换性差、一 般的结垢易清理，而比较致密的硅结垢就难 以清理。尤其在高温高浓度的首效，板片易 发生破损和碱淬；另外布膜器的防堵、防结 垢要求高，而且造价也比较高( 由于采用进 1 3 的合金不锈钢板片) 1 1 3 。图2 - 5 板式降膜蒸发器结构示意图 2 5 实际应用中管式降膜蒸发技术和板式降膜蒸发技术性能对比 目前在国内的氧化铝制造行业中，在蒸发器的选型上，新上设各整体趋向于 使用降膜蒸发器，但在降膜技术使用中一直存在着板式和管式降膜技术的争论。 广西平果分公司引进的管式降膜技术于1 9 9 5 年9 月投入使用来，自主开发 的管式降膜蒸发器于1 9 9 5 年1 2 月在郑州轻金属研究院中试厂投入生产，但由于 对循环母液中杂质含量高容易结疤的情况，在混联法、烧结法生产氧化铝的企业 中，还不曾使用。各个生产厂家为解决各自蒸发能力不足的状况，1 9 9 9 年6 月 贵州分公司首次使用板式外流自由降膜蒸发器，1 9 9 9 年7 月山西分公司的六效 板式降膜蒸发器投入运行，2 0 0 1 年1 月山东分公司的五效板式降膜蒸发器投入 使用，2 0 0 2 年1 月贵州分公司的第二套六效板式降膜蒸发器投入使用。2 0 0 2 年 5 月中州分公司开始使用管式降膜技术，广西分公司第二期仍然采用法国 k e s t n e r 技术及设备。中国铝业各分公司目前投入生产运行的管式降膜蒸发器 一共有三套，在建两套，扳式降膜蒸发器一共有四套，贵州分公司在建两套，管 式降膜蒸发器已经使用超过十年，板式降膜蒸发器的使用也已超过5 年，为此对 这两种蒸发器的具体运行情况可作一对比。 中南大学学位论文第二章管式降膜蒸发技术在氧化铝生产中发展综述 表2 - 1 管式降膜蒸发器的使用情况 项目 贵州分公司第一套贵州分公司第二套山西分公司山东分公司 通过对二者在实际使用过程中达到的技术要求和表现的其他技术特性进行 综合性能的对比，具体如下： ( 1 ) 两种蒸发器加热元件结构的差异及对材质的要求 管式降膜蒸发器的加热管为冷拔无缝钢管，一效材质设计寿命为8 年，加热 管材质为一种专门用于苛性碱和铝硅酸钠结疤的钢【1 4 】与管式降膜蒸发器配套使 用的强制循环蒸发器加热管为蒙乃尔镍钼合金，二者的使用寿命完全可以达到设 计寿命。 中南大学学位论文第二章管式降膜蒸发技术在氧化铝生产中发展综述 板式降膜蒸发器加热元件上百个特殊成型后的板片组成，每个板片由两块 1 5 2 r a m 厚、1 0 0 0 * 7 3 0 0 r m n 的薄不锈钢板经四周组焊后，再在整个板面上用双面 压力焊使两块钢板点距1 0 8 n u n 的菱形网状连接点，然后将其放入鼓压成型模中 在2 0 0 - - 4 0 0 m p a 压力下一次鼓压成型，鼓压高约3 m m 。由此可见，板式降膜蒸 发器的每一个加热元件上每个焊点都是一个应力集中点，一个加热元件上由上千 个这样的焊点，这些应力集中点经过钝化处理也无法消除，加上高温高浓度含 c l 。离子碱液的浸蚀，这就是为什么3 0 4 l 、3 0 6 l 不锈钢很快破裂的原因【l ”。 ( 2 ) 布膜特性及对传热系数的影响 板式降膜蒸发器的加热元件虽然薄，只有2 m m ，但液膜厚度的增加，使总 传热系数降低，而管式降膜蒸发器壁厚较厚，为3 5 m m ，但是液膜厚度只有板式 的l 5 或更小，因此总传热系数较高，从以上两种蒸发器的对照表上可以明显看 出板式降膜蒸发器和管式降膜蒸发器的传热系数基本相同。 ( 3 ) 出料浓度及设备运转率 广西分公司管式降膜蒸发器的运转率为9 6 ，出料浓度为2 4 5 2 6 0 9 l ，板 式降膜蒸发器的出料浓度各分公司不同，山西和山东分公司为避免板片腐蚀和结 疤都实行两段蒸发，板式降膜蒸发器蒸低浓度段，其他蒸发器蒸高浓度段，浓度 控制在l s s 2 2 0 9 l ，三个使用板式降膜蒸发器的分公司该类设备的运转率均在 8 0 左右。 ( 4 ) 设各产能和蒸发强度 在相同的工艺条件下，蒸发器机组的产能与加热面积有关，加热面积越大， 产能越高，同一组蒸发器产能与出料浓度关系，出料浓度低产能高，这些不足以 比较蒸发器的实际效率，只有蒸发强度既单位加热面积的蒸水量，是真正反映蒸 发设备性能的一个重要指标。由前对照表可以看出，五效降膜蒸发器蒸发强度分 别为广西一期2 3 9 4 k g m 2 和中州五组2 1 4 6 k g m 2 ，广函分公司二期为1 5 7 k g m 2 ， 而板式降膜蒸发器五效和六效作业蒸发强度均在1 4 k g m 2 左右，说明同样的蒸水 量，板式降膜蒸发器需要比管式降膜蒸发器更大的蒸发面积。管式降膜蒸发器 在上世纪6 0 年代后期在国外氧化铝厂逐步使用，由于其传热效率高、温差推动 力小，多设计为五效或六效作业，吨水汽耗达0 3 t 以下【1 6 1 。 ( 5 ) 设备投资及运行成本 管式降膜蒸发器加热管是普通的材质的无缝管，发生管壁腐蚀穿孔时，可以 单独更换广西分公司一效加热管使用周期是8 年，板式降膜蒸发器由于加热板 片的特殊结构，有些使用寿命不到半年。中铝山西分公司第五蒸发站在投入使用 仅一年左右，i 效、i i 效加热板片的点焊接点及周边焊接接头就大面积开裂，无 法使用【1 7 1 。为了提高设各的运转率和降低运行成本，必须采取更昂贵的材料， 中南大学学位论文 第二章管式降膜蒸发技术在氧化铝生产中发展综述 i n c o l o y s 0 0 奥氏体在耐点蚀、耐应力腐蚀和冷加工成型上具有优越性”】。但使设 备费用迅速增加，中州分公司第五蒸发站中五台蒸发器的总费用为6 5 0 万元，而 贵州分公司一台材质为i n e o l o y s o o 、加热面积1 5 1 0 m 2 的蒸发器，费用高达6 0 0 多万元。 2 6 管式降膜蒸发器工艺技术和设备结构特点 2 6 1 降膜蒸发器作业特点 按降膜原理作业的蒸发器应该列为一种特殊类型的蒸发器，它与其他类型的 蒸发器的区别是其传热过程的机理不一样。在降膜蒸发器中的热交换实际上是与 热流的表面密度是无关的。由于在管子的进口处有稳定的液膜，这里的传热过程， 甚至在溶液和表面沸腾状态下也是强烈的。在蒸发器中实际没有流体静力学温 差。膜的形成与有效温差有关，不存在流体静力学引起的温差损失，温度衰减小， 所以在相同的蒸汽压下，蒸汽能完成较多级数的蒸发，提高蒸发强度2 0 以上。 【1 8 】 降膜蒸发器不同于升膜蒸发器的特点是：溶液由上落下，而蒸汽从下面排出。 溶液从蒸发器顶部的上封头进入，为使溶液沿管壁作膜状运动，采用了各种流罐 设施，广泛应用的是在每根沸腾管上装有各种形式的顶盖。进入到这些顶盖中的 物料在其中旋转，并沿管子四周流下，由加热蒸汽和溶液之间的换热过程生成的 二次蒸汽，实际上沿管子整个断面与液膜作平行运动，然后整齐和溶液进入分离 室，二次蒸汽从蒸发器中排出。 管式降膜蒸发器主要由管式降膜加热器、分离室、直接预热器、布膜器( 即 液体分配器) 四部分组成，其主要部件是布膜器，工作原理是由后一缴蒸发器将 料液送至该蒸发器的预热器，在预热器中溶液与凝结水等产生的乏汽进行直接加 热，被加热的溶液进入分离室，通过循环泵将溶液送到蒸发器的顶部，通过布膜 器使溶液在管内呈膜状流动，液膜向下流动时被管外的蒸汽加热，得到热量的溶 液所产生的二次蒸汽在蒸发器下部的分离室内被分离。管式降膜蒸发器一般都在 4 级以上。 管式降膜蒸发技术这些年在国内氧化铝生产中，由于全面吸取了法国等国外 公司领先水平的管式降膜蒸发器的技术，融合了国内氧化铝生产的特点。其主要 技术指标：蒸水量、汽水比、蒸发强度均不低于从国外引进的蒸发器的指标，在 二次蒸汽冷凝水含碱等指标上还好过于平果铝( 平果铝：2 0 3 0 p p m ，中州铝： 6 1 2 p p m ) 。 中南大学学位论文第二章管式降膜蒸发技术在氧化铝生产中发展综述 2 6 2 布膜器型式及技术特点 用于各种不同型式的降膜蒸发器的布膜器主要有以下几种： ( 1 ) 喷淋式布膜器：这种布膜器结构简单，利用喷淋方式，流量分布较均 匀。但由于喷淋头的小孔极易被溶液中析出的结晶物堵塞，因此不适用于氧化铝 厂浓缩铝酸钠溶液的蒸发器。 ( 2 ) 由前苏联设计的一种带机械转动装置的喷膜器：将溶液以一定的压力 从特殊构造的喷嘴喷出，完成布膜工作；喷嘴靠机械装置带动旋转，同样由于喷 嘴的易堵塞和不可避免的机械故障，使其工作可靠性下降。 ( 3 ) 塔形布膜器：这种布膜装置，其工作原理是多级流量分配和重力成膜。 经直接预热后已经达到或接近本效沸点的溶液，进入蒸发器项部布膜室后，经多 级塔形分配装置将流量逐级均匀分配，并由固定在塔形分配装置下层的布膜器布 膜，使溶液均匀地进入每一根加热管并自然成膜。保证进入每根加热管的流量均 衡，并均匀成膜，达到“膜式传热”的目的；控制好膜的厚度，蒸发运行中不干膜、 不断膜。整个过程靠重力流动并成膜，无任何机械传动装置，布膜器内流体通道 简洁流畅，并允许流体中携带一定的结晶物，但不沉积、不结垢、不堵塞；布膜 器运行可靠，无须额外进行维护和清洗。溶液进入加热管时必须保证液膜流速三1 米秒，离开加热管时，流速 2 0 0 0 米秒。这是我国降膜蒸发器多采用的形式。 l 2 3 图2 - 6 布膜器结构示意图 1 第一层布膜器2 第二层布膜器 3 布液器懈液 图2 7 雾沫分离器结构示意图 l 一雾沫分离器2 加热室 3 一二次蒸汽 仁分离室 3 布膜技术是管式降膜蒸发器的核心技术之一，具体结构如图2 - 6 ，溶液进入 蒸发器以后，在布膜器的作用下，均匀地进入每一根加热管，紧贴管壁呈膜状， 中南大学学位论文第二章管式降膜蒸发技术在氧化铝生产中发展综述 并依靠重力向下流动，这个过程即称为布膜。由于布膜成功的加热管内是空心状 态，仅在加热管壁有一层膜状溶液流动，相对于溶液为满管状态同样管径的加热 管，空管成膜的加热管单位体积溶液的热交换面积大大增加，热效率非常高，循 环动力消耗低，管式降膜蒸发器的先进性就体现在这里。而如何保证溶液在加热 管内布膜均匀，并且每根加热管从上到下都保持空管成膜状态，也是管式降膜蒸 发器研制成功所必须解决的关键技术难点之一。为了保证管式降膜蒸发器的布膜 效果，需要解决以下几个问题： 1 ) 使用布液器保证所有加热管所通过液量的均匀度 要想布膜成功，首先要做到溶液的均匀分配。在目前的管式降膜蒸发器中普 遍采用了三层塔式布膜器。这种布膜器的作用原理可概括为“分流、导流、溢流， 其中第一层分流层、第二层导流层所起的主要作用就是均匀分配进入蒸发器的溶 液，特别是导流层的作用至关重要，通过在导流层设置布液器可以很好的达到分 配溶液的目的。布液器的形状决定其作用的方式及效果，固定方式决定其工作的 稳定性和检修的方便性，制造材质决定其抗“碱脆”、耐磨损的能力。经过反复试 验验证，最终决定采用圆片状布液器，用三根支脚倒挂在导流层开口下，布液器 为铸造件。 2 ) 强化加工精度保证每根加热管管壁液膜的均匀度 经过分流、导流，溶液已经可以均匀地分布在位于溢流层的每根加热管四 周，通过溢流进入加热管，在溶液自身粘度、表面张力和重力的作用下形成液膜， 而管壁四周的液膜是否均匀，关键在于溢流层的加工精度，包括溢流层的水平度、 加热管管口的平整度等。 3 ) 引入不凝性气体保证液膜与加热管之间的紧密度 形成的液膜在重力作用下沿加热管管壁向下流动，并通过管壁与蒸汽进行 热交换，温度逐渐升高，二次蒸汽不断从液膜逸出，液膜与管壁的紧密度越来越 低，如果液膜脱离管壁则形成加热管部分满管的情况，蒸发器的热效率会大幅降 低。为避免这种情况的出现，在设计过程中创造性地提出了引入不凝性气体的思 路，实际上是用不凝性气体管将极少量加热室的蒸汽引入布膜室，通过引入气体 提高整个加热管空心部分的压力，既可以将液膜更紧密地压在加热管管壁上，也 可以加快液膜向下的流速，提高蒸发器的物料热交换效果。 2 6 3 分离室型式及技术特点 ( 1 ) 分离室的设计应充分考虑到溶液闪蒸时，二次蒸汽和溶液的分离。通过 对二次蒸汽从碱性介质液面蒸发逸出的最佳参数的计算，由此得到的分离室的结 构数据将使各效二次蒸汽的逸出速度和停留时间达到最佳状态，更有利于二次蒸 中南大学学位论文第二章管式降膜蒸发技术在氧化铝生产中发展综述 汽和溶液的分离。1 1 2 1 常采用加热室与分离室上下叠合结构的形式，对利用高速流 下的液汽流击碎分离室液面的泡沫层十分有利，它能使从液面逸出的二次蒸汽夹 带量最小，使冷凝水更为洁净。 ( 2 ) 特殊的夹层结构设计，使高浓度效溶液析出的固体结晶物尽可能在分离 室内析出，避免循环到加热管后在管内壁上结晶析出，形成管内结垢，影响传热 效率。 ( 3 ) 分离室的设计依据为：二次蒸汽从液面逸出的速度为0 3 o 5 m s ，在 分离室空间停留时间约为4 6 秒。以此确定分离室的直径和体积。 2 6 4 除沫器结构及技术特点 采用二级除沫优化设计，使在有限的流动空间里对二次蒸汽进行充分的分离 和过滤，同时保持其流畅的通道，使二次蒸汽冷凝水十分洁净。 雾沫分离器的结构如图2 7 ，除了热效率这一关键指标之外，蒸发器另外一 个关键技术指标回水合格率，特别是二次水的合格率。管式降膜蒸发器热效 率的高低主要在与布膜的成功与否，而二次水合格率则与分离室的雾沫分离效果 好坏直接相关，二次蒸汽从溶液中逸出时如分离不彻底，夹带过多的溶液泡沫， 二次水含碱量便会超标。广西分公司引进的第一台进口的管式降膜蒸发的分离室 和雾沫分离器后，认为其巾有需要完善的地方，主要是二次蒸汽通过空间小，通 过雾沫分离器时速度太快，因而该蒸发器二次回水含碱量高不能直接用于锅炉。 强化雾沫分离器的内部结构，让二次蒸汽以适当的速度碰撞在折流板上。雾 沫分离器的作用就是截留夹带在二次蒸汽中的碱液泡沫，在设计过程中在雾沫分 离器中加入两级折流板，强化雾沫分离效果。折流板的作用机理是；二次蒸汽从 溶液中逸出后上升，折流板挡在蒸汽的通道上，蒸汽撞在折流板上改变方向，而 其夹带的碱液泡沫则粘附在板上被截留下来。通过两级折流净化后，二次蒸汽的 夹带量就会减至最少。 2 6 5 管式降膜蒸发器加热管的选定及理论依据 ( 1 ) 管径 为便于用管板固定成管束状的加热方式，蒸发器加热管的直径一般为3 0 6 0 m m ，常用的有外径3 8 m m 及5 7 m m 两种。与传统的旧式蒸发器不同，管式降 膜蒸发器加热管的工作方式为中空式，即沿内管壁一周是薄薄的液膜，中间主要 空间为从液膜逸出的二次蒸汽，在与重力共同作用下，拉动液膜完成在管程内的 流动与传热过程。如果都取1 2 m 管长，在同样1 0 0 0 m 2 加热面积下，两种不同管 径的加热管应用情况如下表2 - 1 所示： 1 4 中南大学学位论文第二章管式降膜蒸发技术在氧化铝生产中发展综述 表2 - 31 0 0 0 m 2 加热面积应用情况对比( 管长1 2 m ) 口5 7 m m 的管明显具有诸多的优点，实际选用口5 7 3 5 的管0 9 。 ( 2 ) 管长 对于旧式蒸发器的传热方式，为了减少加热管内液柱静压造成的有效温差损 失，都避免使用较长的加热管，其一般长度为4 7 m 。管式降膜蒸发器由于采用 降膜式传热，不存在因液柱静压而产生有效温差损失，增长加热管长度有利于延 长管内液膜的加热时间，提高热效率。流体在管内形成液膜与流体自身的粘度、 表面张力有关，在重力作用下成膜的液膜，其表面张力更与管的长度有关。试验 证明：以水为介质。通过对不同长度的管成膜情况的观测，7 m 以下的管，液膜 厚度不均匀，流动速度也不相同，随着管子的加长，这一状况得以明显改善。但 是，在以液膜厚度为1 ，1 1 2 m m 而确定的最佳循环量下，如果管长超过1 2 m ， 由于过度的加热、蒸发，易造成断膜、1 ：膜，影响蒸发器的正常工作。 g e a k e s t n e r 公司在罗马尼亚土尔恰氧化铝厂的5 x 1 5 0 0 m 2 管式降膜蒸发 器，加热管长度为l o 1 m ，在中国平果铝业公司的7 0 3 0 m 2 管式降膜蒸发器，加 热管长度为1 2 m 。 ( 3 ) 设计及加工要求 加热管是蒸发器最重要的热负荷元件，直接决定了蒸发器的热效率和使用寿 命，在设计上采取了多项措施： 1 ) 蒸汽采用多通道进入加热室，有效避免了高速蒸气流对加热管的冲击。 2 ) 对加热管束在管板上的排列方式作了新的设计，能使加热蒸汽迅速到达 管束的深处，并在加热室内均匀分布，有效提高传热效率。 3 ) 能有效约束加热管的振动并延长蒸汽停留时间，有利于冷凝、传热。 4 ) 加热室自动摔放不凝性气体。 5 ) 为了避免加热管受蒸汽的冲击振动而被内构件切割，造成加热管早期损 坏，对有关部件作了特殊设计有效防止了这种现象的发生。 6 ) 管板上管孑l 的特殊设计以及独特的液压胀管技术，保证了胀管的紧密性， 同时不增加应力。 7 ) 用国产2 0 g 钢管代替法国进口的t u 6 c s c 和t u 4 2 c 钢管作为强碱性介质 中的加热元件，已经实践证明完全可行。当然必须要有严格的热处理。 中南大学学位论文第二章管式降膜蒸发技术在氧化铝生产中发展综述 8 ) 严格的加工程序：设计选定的液膜厚度为1 0 m m 士0 2 m m ，而液膜完全是 依靠重力作用向下流动，因此设计要求蒸发器和加热管安装完之后，其 垂直偏差不得大于l m m ，以保证液膜在整个加热管中能一直紧贴管壁， 不会因垂直偏差而导致液膜在重力作用下脱离管壁的情况。 ( 4 ) 管材选定及依据 为防止加热管在高温、高碱浓度下遭受“碱脆”( 应力腐蚀) 而过早损坏，其 材质的选用必须十分重视。通过对g e a k e s t n e r 公司加热管材质的分析，证 明这种钢管是含有某种特殊元素的优质高铁素体低碳钢。与国产钢材2 0 g 钢管 的成分较为接近，但如果选用国产2 0 g 钢管作为加热管必须经退火热处理，以 消除应力。 理论上说，凡与碱液接触，工作温度在8 0 ( 2 以上的设备，都会出现应力腐 蚀( 碱脆) 。因此在蒸发器设计过程中规定：管式降膜蒸发器各效的加热室、加 热管、分离室整体及其连接管道、各效直接预热器整体、第一、第二闪蒸器整体、 第三闪蒸器的下半部分等与碱液接触的设备或部件，在设备制造完后，必须对其 进行整体热处理以消除应力。蒸发器几大部件设计要求焊制组件后再在施工现场 组装成型，在氧化铝生产中，蒸发器除加热室列管问为水蒸汽外，其他部位接触 的均是铝酸纳溶液及其蒸汽，溶液的碱浓度高时达到n k 2 5 0 9 l 以上。在各大生 产氧化铝厂家，蒸发器均出现过蒸发器焊缝开裂的情况，归纳其所处位置和走向 可大体分为三类：沿熔合线扩展的熔合线裂纹；位于焊缝内沿焊道扩展的焊缝纵 向裂纹；位于焊缝内，横穿焊道扩展的焊缝横向裂纹。 其中尤以熔合线裂纹最多，也最危险，并且都是焊缝两侧开裂。经过理论分