（化学工程专业论文）Ⅱ效蒸发浓缩过程的节能研究.pdf

摘要 淡碱液蒸发过程的汽耗是氯碱企业的两大能耗之一，仅次于电耗。本文针对 西化公司淡碱液蒸发工艺及设备落后，汽耗高的问题，对该过程的节能降耗进行 了研究。 本文在西化公司现有蒸发工艺及设备的基础上，详细分析讨论了i i 效真空 度、淡碱液进料浓度、温度对汽耗的影响，提出了通过控制操作指标节约汽耗的 措施。分析讨论了在现有基础上增设蒸汽喷射式热泵、机械压缩式热泵后的节能 效果。增设两级喷射热泵，利用i l 效二次蒸汽作为i 效的加热热源，利用量达 6 0 0 k 酬1 碱) ；增设一级蒸汽喷射式热泵可利用n 效二次蒸汽作为其它工序的加 热热源，利用量高达1 5 0 0 k g ，( t 碱) ，效果更为明显；增设机械压缩热泵，利用l l 效二次蒸汽作为i 效的加热热源，效果较好，但所需的压缩功较高。 在西化公司现有基础上，控制好操作指标，同时增设一级喷射式热泵利用i l 效二次蒸汽作为其它工序的加热蒸汽，则是更为经济有效的节能降耗措施。 关键词：氯碱生产、蒸发浓缩、节能降耗、热泵 t i t i e ：r e s e a r c ho nm ee n e r g y - s a v i n gi np m c e s so ft h et w o e f f e c tt h i na a l ii i q u i de v a p o r a t i o n a b s t r a c t 1 1 他s t e 锄c o 璐u m p t i o no ft 量l et h i l ia l k a l il i q u i de v a p o m t i o np r o c e s si so n eo ft w o m o s te n e r g yc o 船u m p t i o n si nt i i cc h l o r _ a l k a l if a c 幻r y 粕d “i so l l l yn c x tt ot h e e l c c m c i t yc o n 辄m p t i o n ht h i sp a p e r ，t l i ee m r g y s a v i l l g 卸dc o n 蛐m p t i 0 d e c r c a s e w e 陀s t u d i e di t h cp m c c 豁o ft l l i na l l 【a l il i q u i de v a p o f a t i o ni nt h ex i 孤c h c m i c a l c o m p a i iy t h ei n n u e n c e so ft w o e f l b c lp 聪s s u r e ，f e e d i n gc o n c 蚰打a t i o n ，t e m p e r a t u r co nt h e s t e 枷c o 璐u m p t i w c d c t a i l c d l yd i s c l l 鲻e d 柚d 粕a l y z c d n em e t h o d so fs t e 啦 c o n 辄m p i i o nd e c r e 猫ew e f ep i l tf o 】m a f db yt l i ec o n l r o l so fo p e r a t i o nc o n d i t i o n s n e 蚰e 唱y s a v i n ge 脑d so fi l l c 坤a so fs t c 锄j c th e a tp u m p 柚dc o m p r e s sh e a tp u m p w 盯ed i s c u s s e da n d 锄a l y z c d t h e 俺帕- e f f e c ts t c 啪i su s e da sh e a ts o u r c eo f e - e 如c i 柚dt h c 惦i l i gq u 锄t i t yi su pt o6 0 0 k 烈t n a o 哪u n d e rt h ei n c r e a s e o f 锕o - s t a g cs t c a mj c th tp u m p n em o - 胡。c is l c a mi su s e d 鸥h e a ts o u 北eo fo t h c r p r o c e 踌a n d 也eu s i n gq u 卸t i t ) ri su pt o1 5 0 0 k 欧t n a o h ) 蛐d c f 也ei l l c r e a s co fo n e s t a g es t e 锄j e th e a tp u m p t h ct w 0 - e 丘b c ts l c a mm a yj sa l u d 弱h e a ts o u r c eo f e - e 雎c tu n d c rt l i ei l l 口e 勰e0 fc o m 阳髑h e a lp u m p ，卸dt h ec 龀di s9 0 0 db u l t h e w o r k sf b rc o m p r e 鹞i sm o r e ni st h ec c 0 m i c a lm e t h o d sf 研t l l e e f g y - s a v 血g 强dc o n s u m p t i o nd e c r e a s e t h a to p m t i o nc o n d i t i i sw e l lc o n 仃o u c d 柏dt h em o e 疰e c ts t e a mi su s e d 弱h e a t s o u r c eo fo t h c fp r o s s 砒d 盯t h ci n a e a o f 傩cs t a g es t c 啦j e t h e a tp u m pa tp r e s e n t f u n 出幔e n t a lo ft h ex i 衄d 嘲面c a lc o m p 缸y 1 【e yw o r d s ：c h l o r _ a l 豫hp f o d u c t 女d n ，e v a p o f a t i ，e l l e r g y - s a v i l l g ，h e a tp u m p 2 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被 查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文 童 沙 年g 月) 日 指导教师签名：龃 夕占年多月7 日 西北大学学位论文独创性声明 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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 细占年，oo v 日 胁 1 前言 烧碱是重要的基本化工原料，广泛应用于国民经济的各个部门i l 。由于资 源的原因，化学法生产烧碱仅占很少部分，而电解法占有绝对主导地位p ，4 1 ，自 1 9 9 8 年以来，随着国际经济的快速发展，我国氯碱工业也获得了快速发展，2 0 0 0 年，全国( 台湾除外) 烧碱产量己达6 6 7 8 8 1 5 】万吨与1 9 9 9 年的5 5 6 9 7 万吨【6 相比增 长了1 9 9 ，仍列世界第二位。 氯碱工业有三种生产法：水银法、隔膜法、离子膜法。到2 0 0 0 年全国生产能 力达7 0 0 万吨，其中水银法占4 ) 隔膜法占7 3 ，离子膜法占2 3 ) 可见隔膜法 仍是氯碱企业的主要生产方法，尽管离子膜法能耗低，产品纯度高，但由于国内 尚未完全解决膜制造的问题，从而限制了离子膜的广泛推行，原水银法由于汞的 环境污染问题，基本被淘汰。 1 1 能耗在氯碱工业中的地位 氧碱工业中有三大突出的问题：一是能耗大，主要是电耗和汽耗高：二是氯碱 平衡问题：三是腐蚀和污染问题。而氯碱工业中最前沿的课题仍主要集中在降低 能耗上，这是因为氯碱企业本身就是高能耗工业，据资料介绍，电解法生产烧碱 的总能耗占全国总能耗的0 5 ，表1 1 列出了2 0 0 2 2 0 0 4 年我国电解法烧碱的 平均能耗情况i ，1 表1 11 9 9 3 - 2 o 年我圈电解法烧碱的平均能耗情况 从表1 1 可知，近年来，我国电解法烧碱生产能耗有所下降，但下降幅度较 小，我国吨碱综会能耗仍比国外先进水平高o 2 - o 4 t 标煤，平均电耗高 2 0 0 3 0 0 k w h ，平均汽耗高1 吨左右邛】，因此，围绕节能这一永恒课题，努力开 发节能技术与装置，从而降低生产成本，提高碱产品在国际上的竞争能力，已刻 不容缓。电解法烧碱生产工艺能耗区域包括整流、盐水、电解、氯氢处理、液碱 蒸发、固碱等工序，因此，其能耗包括上述工艺及附加设施的水、电、汽等消耗， 据介绍，电解法烧碱生产工艺，吨碱综合能耗在各工序的分布如表1 2 。 表1 2 吨碱综合能耗在各工序的分布表 从表1 2 可知，淡碱蒸发是仅次于电解的主要能耗工序，淡碱蒸发工序中的 能耗又以汽耗为主，约占7 4 以上，即淡碱蒸发工序的汽耗是隔膜电解法生产烧 碱的一个重要能耗指标，因此，研究淡碱蒸发浓缩过程节能具有重要意义。 1 2 西化公司现状及蒸发浓缩过程节能研究的意义 以2 0 0 2 年为例，每生产1 吨1 0 0 烧碱，其生产成本如表1 3 所示，而能耗 在各工序中的分配如表1 4 。 表1 3 每生产1 吨l 帅烧碱的车间成本 表1 4 烧碱生产能耗的分配表 从表1 3 、表1 4 可知，西化公司能耗占总成本的3 8 1 ，蒸发工序能耗占总 能耗的2 6 3 5 ，而国内氯碱企业一般能耗占总成本的2 8 ，3 0 ，蒸发工序能耗 占总能耗的2 3 左右。由此可见：西化公司的能耗较高，丽蒸发工序的能耗所占 比例也大于其他氯碱厂，2 0 0 2 年生产3 0 的碱，吨碱汽耗高达4 2 饥n a 0 h ，这 主要是由于西化公司生产规模较小，淡碱蒸发工艺、设备简单落后所致。 由于西化公司三期工程投产，盐酸、烧碱用量将大幅上升，且氯碱厂现有厂 房将被占用，因此，西化公司将进行异撼扩能改造，在本次改造过程中，对淡碱 蒸发浓缩过程节能( 汽耗) 进行研究，降低汽耗，从而降低生产成本有着重要的意 义。 1 3 本课题的主要工作 从上述可知，汽耗是电解法烧碱生产过程中的一个熏要能耗指标，直接关系 到氯碱厂的经济效益，因此，本课题将在西化公司现有双效蒸发工艺的基础上， 提出不同的节能方案进行研究，通过计算，并对计算结果分析、讨论，选择最适 宜的节能方案，以便在西化公司的生产运行和搬迁扩能改造中采用。 2 蒸发浓缩过程节能原理及节能技术应用 2 1 蒸发过程原理 以单效蒸发为例，其蒸发工艺过程示意图( 见图2 1 ) 。 蒸发有自然蒸发和沸腾蒸发两种，自然蒸发是指溶剂在低于沸点下的表面汽 化，如海盐的晒制，沸腾蒸发是指溶剂在沸点下，其内部和表面都进行汽化的现 象，工业上所说的蒸发是指沸腾蒸发，其传热方程式： 图2 1 蒸发过程不惹翻 旦k f f q ， 式中f 传热流效率，i 【j m 2 s 置传热系数，k j ，m 2 s ； f 传热温差， 兀 成 液 上式中：q f 随f 的增加而增加，同时传热系数k 又随着传热温差乙t 的升高在 不同的阶段发生不同的变化，以水蒸发为例，其机理可用图2 2 表示。 图2 2 水沸腾时缸一k 的关系图 图中a b 段为自然对流段，此时液体尚未沸腾，传热系数k 随着传热温差缸 的提高而缓慢上升，当上升到5 5 砣2 2 范围内，受热面上的汽泡越来越多，当 汽泡大量离开受热面上升时，对液体引起的搅动越来越大。此时，传热系数k 随f 的提高急剧增加。这就是图上的b c 段，称为泡核沸腾段。如果将出再继 续提高，上升到f 2 2 2 时，在受热面上的汽泡密度足以连成一片，形行成一 层蒸汽膜，由于蒸汽膜的导热系数低，造成了传热系数的急剧下降，但当a f 增 加到1 1 1 时，传热系数k 又上升，这是由于热量以辐射的形式击穿了蒸汽膜， 进入了液体，这就是图上所示的c d e 段，称为膜状沸腾段。通过上述分析， 不难理解，在烧碱蒸发中，以控制在泡核沸腾段为最好，也就是说控制其温差在 5 5 2 2 2 之间。工业生产上，一般都在1 2 1 5 ，过高，过低对蒸发传热都不 利。 2 2 蒸发过程的节能原理 在普通蒸发系统中，从溶液中蒸发l k g 水需要消耗不少于l k g 的加热蒸汽， 尤其是在大规模工业生产中，当蒸发大量水分时，需要大量的加热蒸汽，为了节 约汽耗，常常采用多效蒸发、真空蒸发和热泵蒸发操作。 2 2 1 多效蒸发节能 在蒸发浓缩过程中，当加热蒸汽通入蒸发器时，被浓缩的液体受热沸腾，产 生二次蒸汽，若将此二次蒸汽引入另一个蒸发器作为加热蒸汽，只要后一个蒸发 器的蒸发室内压力和沸点比前一个蒸发器的低即可实现。此时第二个蒸发器相当 于第一个蒸发器的冷凝器，这就是多效蒸发的原理。将多个蒸发器这样连接起来 一同操作，即组成多效蒸发系统见图2 3 所示， 图2 3 多效蒸发工艺流程圈示意图 根据经验，不同效数蒸发1 k g 水所需要韵生蒸汽量见表2 1 【1 1 】。 表2 。l 蒸发l k g 东所需要的生蒸汽囊 吨 效数单效双效三效四效五效 生蒸量 1 1o 5 70 4o 30 2 7 4 从表2 1 可以看出，当效数增加时，所需的生蒸汽量是不断减小的，但降低 的程度亦随之减小，考虑至u 温度和设备费用等因素，实际生产中多采用双效、三 效和四效，少数多达六效。多效蒸发是在真空条件下进行的，其真空度由真空泵 或喷射泵来完成，若末效温度太高，由于较高温度的蒸汽要进入冷凝器冷却后排 掉，会造成热量损失，加大循环冷却水的用量，所以多效蒸发的效数主要取决于 被蒸发物料最高加热温度和效之间的温度差。效与效之间的温度差要求不小于 1 2o c ，以保证每效的蒸发强度，温差太小，增加效数的节能不抵输送时散热损 失。多效蒸发工艺流程主要分为四种： 并流f 顺流) 法：被蒸发的物料与蒸汽的流动方向相同，均由第一效顺序至末 效。它主要用于进料温度较高，并且蒸发浓缩后的物料仍便于输送的情况下。 逆流法：被蒸发的物料与蒸汽的流动方向相反即加热蒸汽从第一效通入，二 次蒸汽依顺序至末效，而被蒸发的物料从末效进入，依次用泵送入前一效，最终 的浓缩液，从第一效排出。它主要用于来料温度较低，要求出料温度较高的情况。 平流法：平流法是把原料液向每效加入，而浓缩液自各效放出的方式进行操 作，溶液在各效的浓度均相同，而加热蒸汽的流向仍为第一效顺序至末效。 混流法：被蒸发的物料与蒸汽的流动方向有的效间相同，有的效间相反的蒸发 方式。 2 2 2 热泵蒸发节能的原理 热泵蒸发是又一种有效的蒸发节能措施，其原理为：由于二次生汽与生蒸汽 的焓差并不大，只是二次蒸汽的压力和温度比较低，若选用某种方法提高二次蒸 汽压力，则二次蒸汽的热能可得到重复利用，而此过程需外加的能量远小于可利 用的能量，经济上是合算的，热泵蒸发又分为机械压缩式热泵蒸发和蒸汽喷射式 热泵蒸发两种。 a 、机械压缩式热泵蒸发节能原理 机械压缩式热泵蒸发流程如图2 4 所示，是将蒸汽压缩机与蒸发器联合起来 的一种节能装置，它的流程是将二次蒸汽所用压缩机压缩升温、提压后，再作为 加热蒸汽反复利用其潜热，这样可以用少是的高质机械能通过热泵装置把大量的 低温熟能转化为可以利用的热能，从而节约大量的热能，由于机械压缩式热泵蒸 发是用补充一定的压缩功( 耗电) 代替了消耗大量的加热蒸汽( 耗煤) ，故电煤比价 是决定机械压缩热泵蒸发系统是否有利的关键因素，考虑到我厂处于电价较优惠 的地域( 电价仅o 3 1 元度) ，故电煤比价较低，因此可考虑此方案。 图2 4 机械压缩热泵工艺蒸发示意翻 b ，蒸汽喷射式热泵蒸发节能原理。 蒸汽喷射式热泵蒸发流程如图2 5 所示，蒸汽喷射器主要由喷嘴，吸入室， 扩压室等部份组成，其喷射过程可分为四个阶段即引入段，混和段，激波段，扩 压段，其工作过程以较高压力的工作蒸汽，将蒸发出来的二次蒸汽压缩，工作蒸 汽通过喷嘴绝热膨胀以较高的速度进入吸气室，由于流动速度增加，在吸入室造 成低压，二次蒸汽被吸入与工作蒸汽混合，相互混合的蒸汽进行速度的等化及升 压，在扩压器的喉部，混合蒸汽的速度降低而压力升高，喷射器内蒸汽压力及速 度变化示意图如图2 6 所示【1 2 “。 高压蒸汽 冷 凝 水 嘲2 5 蒸汽喷射式热泵工艺蒸发示意图 采用蒸汽喷射式热泵的蒸发系统流程又可分为闭环和开环两种，闭环流程 ( 图2 7 所示) ，其特点是离开系统的低品位蒸汽被热泵全部回收，且提高品位后 又全部返回原系统，完全利用，形成了一个完全封闭的、除工作流外与环境再无 其他质量交换的蒸汽环路，这是一种理想的流程。开环流程( 图2 8 所示) ，其特 点是在引射流体的管线或出口流体的管线上开有支路，离开的系统的二次蒸汽不 能被热泵完全回收，或提升后不能全部返回原系统，理论上讲这类流程不如闭环 流程优越，但从工程角度上讲，它比翔环流程更有实用价值，因分支的存在，一 方面增加了流程的方案性，另一方面则起到了平衡热能回收与利用之问的矛盾， 因此工程上蒸汽喷射式热泵蒸发系统只能利用一部分二次蒸汽，在单效蒸发中， 其能量利用性上不如机械压缩式热泵蒸发系统，所以蒸汽喷射式热泵蒸发系统常 常和多效蒸发联合使用。 6 图2 6 喷射式内蒸汽压力及速度变化示意图 图2 7 舰环流程示意图 高压蒸汽 完成液 图2 8 开环流程示意图 2 3 蒸发过程节熊技术的应用 在食品、化工、制药等行业中，液体的浓缩、脱水等工艺都是利用蒸发来实 现的，蒸发操作是大量耗热、高温位的蒸汽f 句低温位蒸汽转化的过程，而二次蒸 汽的利用决定了蒸发操作的经济性，多效蒸发和热泵蒸发很好地利用了二次蒸汽 的大量潜热，是淡碱蒸发过程中节能降耗的两条主要途径。 2 3 1 多效蒸发过程节能技术的应用 多效蒸发由于后效的加热蒸汽使用前效的二次蒸汽，能节约大量的汽耗，故 广泛应用于各个行业，多效蒸发的效数主要取决于被蒸发物料的最高加热温度和 效与效之间的温差，如牛奶、苹果汁的蒸发要在1 0 0 以内，糖清汁的蒸发要达 到1 2 0 0 c ，而蕃茄浆要求在7 0 以内，这些一般都采用双效顺流工艺，而米黄 浆采用四效混和工艺蒸发【l 。 我国隔膜法淡碱蒸发工艺较多，先进的工艺有：吉化股份有限公司电石厂三 效顺流部分强制循环蒸发装置生产4 2 烧碱，汽耗为3 。4 8 t ( t 碱) ，沈阳化工股 份有限公司的三效逆流强制循环蒸发装置生产4 2 烧碱，汽耗为3 1 9 6 t ( t 碱) ； 浙江巨化股份有限公司电化厂采用我国自行设计建成的三效逆流蒸发装置生产 5 0 烧碱，汽耗为3 t ( t 碱) ；齐鲁石化公司氯碱厂引进的四效逆流蒸发装置生产 5 0 烧碱，汽耗为2 2 t “t 碱) 【“l ，此外，一些企业的改造也获得成效，例如：江苏 安邦电化有限公司自行设计和安装的三效四体部分强制循环蒸发装置于2 0 0 0 年 1 月一次试车成功。运行状况表明：该装置最大生产能力达1 2 万t a 烧碱( 折1 0 0 蒸发蒸汽单耗2 ，2 谁碱) 【1 ”。浙江巨化股份有限公司电化厂于1 9 9 8 年初对其二效 顺流蒸发工艺进行改造，改造后为三效顺流，l i ，i l i 效带强制循环的工艺，已于 1 9 9 9 年初投入生产运行，测试表明生产3 0 烧碱汽耗从二效顺流蒸发的4 w t 碱) 的降到3 1 6 娟碱) 1 1 6 1 ，山东大成农药股份有限公司对其三效顺流部分强制循环蒸 发装置进行了一系列改造，1 9 9 9 年烧碱蒸发汽耗比1 9 9 8 年平均降低0 3 9 t ( t 碱) ， 2 0 0 0 年1 9 月份平均汽耗为3 4 3 ( t 碱) ，节能效果良好i l ”。 2 3 2 热泵蒸发节能技术的应用 热泵理论形成于1 8 5 2 年，1 8 8 0 年瑞士产生了第一台热泵，尽管热泵技术己 问世一个多世纪，但直到近5 0 年才大量应用于工业中，美国一粘胶公司用热泵 蒸发工艺回收无水硫酸钠，蒸发量为每小时6 8 吨l 堋，热泵在造纸行业中广泛用 于黑液浓缩过程，处理量高达每小时几百吨，在德国、法国、瑞士、奥地利等国 家，热泵广泛用于啤酒行业。目前，热泵技术已成功应用于化工、食品、造纸、 医药和木材加工领域，国外已有专门厂家生产热泵，在我国，热泵蒸发的研究越 来越深入，如：内蒙古工业大学对热泵蒸发在天然盐碱硝加工过程中的应用研究 【1 9 】，青岛化工学院热泵热集成精馏流程的优化设计与综合研究【2 0 j ，吉林化工学 院对热泵精馏计算中绝热闪蒸计算方法的研究1 2 l j 等。在工业生产上也得到了一 些应用，如锦西炼油化工总厂利用热泵技术改造丙烯一丙烷精馏塔1 2 2 j 等，而氯 碱行业中，热泵蒸发还未得到大规模的应用，但随着热泵蒸发技术的发展，在国 内氯碱工业中推广应用势在必行。 8 3 西化公司淡碱液蒸发浓缩过程的初始节能方案 3 1 西化公司淡碱蒸发浓缩过程 烧碱分厂蒸发工序采用的是双效顺流工艺如图( ( 3 1 ) 所示，其过程为：电解送 来的淡碱进入淡碱液贮槽( 1 ) ，由加料泵( ( 2 ) 将淡碱送往预热器( 3 ) 后进入i 效蒸发 器( ( 4 a ) ，通过i 效循环泵( 5 a ) 循环蒸发到1 4 ，再由i 效循环泵( ( 5 a ) 加料到i i 效 蒸发器( 4 b ) ，在i i 效真空度为5 0 0 唧h g 的状态下，通过i i 效循环泵( 5 b ) 循环蒸 发至含碱3 0 ，由i l 效循环泵出料至冷却高位槽( 6 ) ，蒸发器为标准式蒸发器，其 加热面积为i 效6 0 m 2 ，i i 效5 0 m 2 。 持凝水 i 一电麓虢贮膏 转科磊3 - 倒融村羹热 5 “铀一hi 礴坤嗜豢6 喝嘲叠嘲t - 曩勰 图3 1 蒸发工艺过程示意图 3 2 西化公司淡碱蒸发过程节能方案 hn 工、黻薰鐾薯 3 2 1 现有双效蒸发工艺节能 西化公司蒸发工艺、设备均已确定，在不进行投资改造的情况下，可以通过 调整、控制操作指标来达到节约汽耗的目的。 a ，i i 效真空度对汽耗的影响，随着真空度的升高，蒸发器内压力将随之降低， 汽化潜热随之增加，这时对汽耗是不利的，但随着真空度的提高，蒸发器内碱液 的沸点降低，碱液加热至沸点所需要的热量和浓碱带走的热量便减少，这时对汽 耗是有利的，两者相比，后者比前者更为明显，一般来说真空度越高对汽耗越有 利，但对真空系统要求更高，对我厂双效蒸发，在现有工艺、设备状况下，控制 好i i 效真空度，对节约汽耗有较大的作用。 b ，淡碱液浓度对汽耗的影响，淡碱液的浓度对汽耗的影响是显而易见的，浓 度越高，蒸发的水量就越少，汽耗就越低，但过高对电解槽的操作及电耗的影响 都不利，将会得不偿失，一般电解工序送来的淡碱液浓度都是出电解工艺要求确 定的，基本是一个恒定值，淡碱液浓度变化主要在蒸发工序，如洗水、洗效水及 工业生产杂水混入淡碱液后导致其浓度降低，因而蒸发操作过程中控制好洗赫、 洗效操作，确保淡碱液在蒸发工序尽可能少的降低，对节约汽耗非常重要。 c 、淡碱液温度对汽耗的影响，淡碱进入蒸发系统的温度越高，将其提升至 沸点所需的蒸汽量越少，但西化公司现有工艺，操作条件决定进蒸发系统的淡碱 液温度仅能达到4 0 左右，因此在淡碱液进蒸发系统前采取措施，提高其温度， 对蒸发节能、降耗有较大的积极意义。 3 2 2 热泵蒸发节能 西化公司现有双效蒸发工艺中，l 效二次蒸汽作为i i 效的加热热源，i i 效的 二次蒸汽由于压力、温度较低，未利用，童接排放了，但由于其热焓较高，若通 过热泵提高其压力，相应温度随之提高，这样便具有较高的利用价值。因此，通 过热泵提高的l i 效的二次蒸汽压力、温度后再利用，对节约汽降有较大的意义。 根据西化公司的实际，热泵蒸发节能方案选三种：通过两级蒸汽喷射热泵将i i 效二次蒸汽增压达到i 效加热蒸汽的条件后，用于i 效代替部分生蒸汽加热， 通过一级蒸汽喷射热泵将i l 效二次蒸汽增压达到o 2 4 5 m p a 后，用于厂其它工序 作低压加热蒸汽用，通过机械压缩式热泵将l l 效二次蒸汽增压达到i 效加热蒸 汽的条件后，用于i 效代替部分生蒸汽加热。 1 0 4 西化公司节能方案计算 4 1 现有双效蒸发工艺节能 4 l1 蒸发水量的计算 a 、计算原始依据见表4 1 表4 1 备碱液的原始指标 蒸发过程碱损失：l 效：1 0 k g ( 1 1 0 0 n a o h ) ， 效1 0 k g l ，( t 1 0 0 n a 0 h ) ， 蒸发过程中水、盐的损失忽略不计。 b 、计算( 以1 吨1 0 0 n a 0 h 为基准) ： l i 效出碱量：s ：。喜塑生 v 2 - 0 忖 i 效出碱量：s 望婴亟 v l n 4 n h l 效进电解液量：品i 竺塑喜蛐 l o 舳n h 对i 效水组份进行物料衡算可得： h ，坍：。- & ( 1 一c o 。一c 0 。a ) 一s ( 1 一c k w c l m a ) 对i i 效水组份进行物料衡算可得： 。2 0 - 墨( 1 一q 。一c o a ) 一是( 1 一c z m 。一c 一“) ( 4 - 1 a ) ( 4 1 b ) ( 4 1 c ) ( 4 1 d ) ( 4 1 e ) 式中：磁。：。、。2 。分别为l 效、i l 效的蒸发水姜bk g ，( t 1 0 0 n a o h ) ； c 0 。、c 0 。d 分别为电解液中n a o h 、n a a 的含量， c l 、c l m a 分别为i 效出碱中n a o h 、n a c l 的含量，； c 2 m 、c 2 a 分别为i 效出碱中n a o h 、n a c l 的含量， s o 一为i 效进电解液量，k 烈t 1 0 0 n a o h ) ； 1 1 s 1 一为i 效出碱量，k 烈t 1 0 0 n a o h ) ； s 2 为i i 效出碱量，k g ( 1 1 0 0 n a o h ) ； g 1 损g 2 女一分别为蒸发过程中i 效、i i 效碱损失，k 鲥t 1 0 0 n a o h 。 将原始数据代入4 1a 一4 1e 式可算得s o s 1 ，s 2 ，w l m ow 2 h 2 0 ，若改变 c 赫。o h 可得相应的数据，见表4 2 。 表4 2 各效蒸发水量和进料量表 单位：k ( 1 l n t o ) 4 1 - 2 各效温度的计算 a 、计算原始依据： 生蒸汽压力：o 3 9 2 m 腿 l i 效真空度( h ) ：3 5 岫m l g ( 表压) 。 b 、计算 由常压下被n a c i 饱和的n a o h 溶液沸点值表查得； 1 5 ，3 0 烧碱溶液沸点升值为：1 2 ，2 0 6 由水蒸汽性质表查得： 压力为0 3 9 2 m p a 时，生蒸汽温度：t 0 = 1 5 1 1 真空度为3 5 0 n 珊旧g 时，二次蒸汽温度：t 2 1 = 8 3 5 则i 效温差损失：溶质引起沸点升值：1 ，= 1 2 标准蒸发器由静压差引起沸点升值：，：= 2 i i 效温差损失：溶质引起沸点升高值：2 。：2 标准蒸发器由静压差引起沸点升高值：。= 2 0 6 二次蒸汽流动温差损失：= 1 总温差损失：总= ( l l + 1 2 ) + ( 2 i + a 2 2 + 2 3 ) = 3 7 5 。c( 4 2 a ) 理论总温差：目= t 0 一t 2 1 = 6 7 6 ( 4 - 2 b ) 有效总温差：l - t 一b = 3 0 1 ( 4 2 c ) i 效、i i 效有效温差比可取：乞幺：一x 5 ( 假设l 、i i 效传热系数相同) 妣矿5 。一1 2 0 口c 矿1 彤5 。一1 8 t c 那么：l 效沸点：t 1 = t o 一t l = 1 3 9 1 i 效二次蒸汽温度：t 1 l = t l 一l l 一1 2 = 1 2 5 1 i i 效沸点： t 2 = t 1 1 一2 3 一t 2 = 1 0 6 1 i i 效二次蒸汽温度：t 2 1 = t 2 一2 1 一2 2 = 8 3 5 以上各式中： ( 4 2 d ) ( 4 2 e ) ( 4 2 d ( 4 2 曲 ( 4 - 2 h ) 1 1 ，2 1 分别为i 效、i i 效溶质引起沸点升值，： 2 2 ，2 2 喻别为i 效、h 效标准蒸发器由静压差引起沸点升值，： 2 3 为二次蒸汽流动温差损失，： n 为总温差损失，： 2 3 为理论总温差，； 厂一为有效总温差，： t 1 、t 广分别为i 效、i i 效有效温差，： l l 、t 厂分别为i 效、i i 效的沸点，： t o 、t 1 1 、t 2 l 分别为生蒸汽、i 效二次蒸汽、i i 效二次蒸汽温度，。 生蒸汽压力不变，改变i i 效真空度可得相应的数据见表4 3 。 表4 3 各效数据表生蒸汽p = ”蚣m p a n 效真空度 3 5 0枷4 5 05 0 05 6 06 0 0 6 5 0 l 效沸点f ) 1 3 9 11 3 7 61 3 6 3 1 3 4 51 3 2 1 31 3 0 11 2 7 1 i 效有效温差 1 2 o1 3 51 4 81 6 8 6 1 8 82 1 o2 4 0 ( ) i 温度f ) 1 2 5 11 2 3 61 2 2 3 1 2 0 51 1 8 31 1 6 11 1 3 1 效 压力 o 2 3 2o 2 2 10 2 1 40 2 0 1 0 1 8 60 1 7 70 1 5 9 7 ( m p a ) 兰 热焓2 7 1 4 02 7 1 22 7 0 92 7 0 62 7 0 4 ”o l 2 6 9 6 鐾 俺) 汽化潜能 2 1 8 8 2 1 9 52 1 9 7 2 2 0 1 2 2 0 72 2 1 32 2 2 4 ( k j 【g ) l l 效沸点f 1 1 0 61 0 2 39 99 4 68 9 18 3 77 6 效有效温差18 1 2 0 3 2 2 32 4 92 8 23 1 43 6 1 ( ) 1 l 温度( ) 8 3 57 9 87 6 57 2 16 6 6 6 1 25 3 5 效 压力 0 0 5 4 60 0 4 5 2o 0 4 鸺o 0 3 4 20 0 2 7 7 o 0 2 1 1o 0 1 4 6 = _ _( m p a ) 堡 热焓2 6 4 92 “32 6 3 72 6 3 02 6 2 l2 6 1 1 2 5 9 8 竺 “ 汽化潜能 2 3 0 02 3 0 92 3 1 7 2 3 2 82 3 4 22 3 5 52 3 7 6 ( k j 瓜g ) 1 3 4 1 3 真空度对蒸汽消耗量影响的计算 a 、计算原始依据： 表4 2 ，表4 - 3 的各项数据， 电解液进i 效的浓度：c 0 = 1 0 ， 加热蒸汽压力：p = o 3 9 2m p a 保持不变。 b 、计算 以i i 效真空度3 5 0 m m h g 为计算基准： i 效蒸发器：因二次蒸汽压力降低，消耗于汽化潜热所增的热量( q ，1 ) ： q l 。- i 2 。“一，芦) ( 4 - 3 a ) 因蒸发器内沸点降低，电解液由进料温度升至沸点所节约的热量( q 1 2 ) ： 盔：- 最o ? ”一f 1 ) x ( j ( 4 3 b ) l i 效蒸发器：因真空度提高，二次蒸汽消耗于汽化潜热所增加的热量( q 2 1 ) 留2 l h ：2 0 ( r 2 一喀”)( 4 - 3 c ) 因i i 效碱温度降低，出碱时，碱液少带走的热量( q 2 2 ) ： g 丝is 2 ( f ；卵一f 2 ) x c 2 ( 4 - 3 d ) 因i i 效碱温度降低，出碱时结晶盐粒少带走的热量忽略不计。 那么。从真空度3 5 0 m m h g 提高到任一真空度下所节约的热量( q ) ： q = q 1 2 + q 2 2 一q 1 1 一q 2 l ，( 4 - 3 e ) 则加热蒸汽的节约量为( d 节) ： d = q i ( 4 3 f ) 以上各式中： r 1 为不同真空度下i 效二次蒸汽汽化潜热，圳蚝； r 2 为不同真空度下l i 效二次蒸汽汽化潜热，l 【j l 【g ； t 1 为不同真空度下l 效的沸点，； t r 一为不同真空度下l i 效的沸点，； c r 电解液的比热取o 8 ，l 滩g 0 c ； c 2 一效出料( 成品碱的比热) 取o 7 7 ，l 【j 腿o c ； 卜一生热蒸汽( 压力为o 3 9 2 m p a 时) 的热焓脚瓜g 。 将表4 2 、表4 3 的数据代入4 1 4 4 1 9 式可算得真空度对汽耗影响的一组 相应数据，加热蒸汽压力为0 3 9 2 m p a 保持不变，改变c 0 = 9 ，1 1 可得到另外 两组数据，计算结果见表5 1 。 4 1 4 电解液浓度、温度对汽耗的影响 a 热量衡算 对i 效蒸发器及电解液预热器进行热量衡算，其衡算图见图4 1 1 4 一 电解液及洗水q 2i 二次蒸汽q 5 一一一一一：j j 一 预热器 图4 1i 效蒸发器及电解预热器热量衡算示意图 q | 一所 q 2 - s 瓠 q 3 - s c q 4 - d o q 5 一啊。f q 6 一( q i q 。) 7 由热量衡算可得： q l + q 2 一q 3 + q 4 + g + q 6 将各自变量代入( 4 1 - 2 0 ) 式整理得： 。- 踹 ( 4 - 4 ) ( 1 7 ，一o ) 、7 上式中：d 一加热蒸汽量，k g ； 卜加热蒸汽热焓，l 【j 瓜g i _ i 效二次蒸汽热，k j k g ； c o _ 一电解液的平均比热，( 取o 8 ) k j 傀g ； c 厂l 效出碱的平均比热，( 取0 7 8 ) k j 瓜g ； c 一水的平均比热，( 取1 ) k j l 【g ； 1 0 - 一电解液进i 效的温度，： 1 i 效出料碱温度，； 卜一i 效冷凝水离开预热器时的温度，。 b 、电解液浓度对汽耗的影响 一k 计算条件：表4 2 ，表4 3 的有关数据： 加热蒸汽压力取o 3 9 2 m p a ； 进入蒸发系统的电解液温度为柏； i i 效真空度取5 0 0 删m h g 。 将原始数据代入4 4 式可求出不同电解液浓度下的蒸汽消耗量，计算结果见 表5 2 。 c 、电解液温度对汽耗的影响 计算条件：表4 1 、表4 2 的各项数据； 加热蒸汽的压力取o 3 9 2 m p a ： i i 效真空度取5 0 0 蚴h g 电解液进料浓度取卜a o h 含量为1 0 。 将原始数据代入舢4 式可求出不同电解液温度下的蒸汽消耗量，计算结果见 表5 3 。 4 2 蒸汽喷射热泵节能的计算 4 2 1 增压后用于i 效作加热蒸汽 我公司双效蒸发工艺中，效真空度一般在4 0 0 l n l m h ：以上，其二次蒸汽压力、 温度较低，若要将其通过蒸汽喷射泵增压达到i 效加热蒸汽的条件，需用两级喷 射热泵，其工艺过程如图4 2 所示： 高压喷射蒸汽p 卸t 9 8 l m p a 图4 2 两级喷射泵利用i l 效二次蒸汽工艺示意图 a 、计算依据 i i 效二次蒸汽压力：p = o 0 4 5 2m p a ( 真空度为4 0 0 m m h g 时) ， 喷射蒸汽压力：p * = o 9 8 1m p a i 级喷射泵出口压力：p 1 = o 1 9 6m p a ， i i 级喷射泵出口压力：p = o 3 9 2m p a ， i 效加热蒸汽用量( i i 效喷射泵出口流量) ：m = 4 0 0 0k g ，( t 1 0 0 n a o h ) 。 b 、计算 1 6 则 对i 级喷射泵： 对i i 级喷射泵 = 够韧6 残= 钐乱s = = s 勉2 宅 从热力压缩泵的引射系数量与干饱和蒸汽压缩比之间的关系图可查 1 抽 i 级喷射泵引射系数：钙- o 8 i i 级喷射泵引射系数：讫0 8 小一胁射2 + 鸭 小1 。历射l 十m 0 m 鼽= 州扩 对以上各式进行整理得： 小。业l 坍 ”1 + 吼+ 仍+ 砚 m _ m _ 1 + m * ， 将原始数据代入可求得：- 7 0 8 培 珊射- 4 2 9 2 蛔 由水蒸汽性质表可查得： 喷射蒸汽( o 9 8 1m p a ) 的热焓：嗡= 2 7 7 6k j l 【g 增压后蒸汽( o 3 9 2 m p a ) 的热焓：f _ 2 7 3 9k j l c g ( 4 - 5 a ) ( 4 5 b ) ( 4 - 5 c ) ( 4 5 d ) ( 4 5 e ) ( 4 5 f ) 喷射蒸汽的热：q k = m 射噜= 1 1 9 1 4 5 9 2k j ( t 1 0 0 n a o h ) ( 4 - 5 曲 增压后蒸汽的热：q = 埘f = 1 3 6 9 5 0 0 0k j ( t 1 0 0 n a o h )( 4 5 h ) 热量增值为： q ；q 一旦i 射= 1 7 8 0 4 0 8k j ( t 1 0 0 n a o h )( 4 - 5 i ) 热量增值相当于利用蒸汽量：m - = 6 5 0 k g ( t 1 0 0 n a o h ) ( 4 - 5 j ) 以上各式中： 、州。、小分别为i 级喷泵吸入、l i 级喷射泵吸入、i i 级喷射泵出口蒸 汽量，k 酣1 0 0 n a o h ； 册射，、坍射2 、m 射分别为i 级喷泵、l i 级喷射泵、总的高压喷射蒸汽量； k 鲈。1 0 0 n a o h ； 妒。、妒：分别为i 级喷泵、i i 级喷射泵的引射系数； k 、卜一分别为喷射蒸汽、增压后蒸汽的热焓，k j k g ； 妇 射、q 分别为喷射蒸汽、增压后蒸汽的热量，k j ( t 1 0 0 n a o 哟； a q 为热量增值，式t 1 0 0 n a o h ) ； m 热量增值相当于利用蒸汽量，k 蜘1 0 0 卜l a 0 h ) 。 若改变真空度可得相应的数据见表s 4 。 4 2 2 增压后用于厂内其他工序加热 由于西化公司化盐、电解等工序需大量低压加热蒸汽，一般为o 1 9 6 m p a 因此通过一级喷射器增压后的蒸汽可得到有效利用，其工艺过 程如图4 3 所示。 图4 3 一级蒸汽喷射泵利用i i 效二次蒸汽r ：艺示意图 1 8 计算依捌： 表4 2 、表4 3 的各项数据， 喷射蒸汽压力：岛= o 9 8 1m p a ； 喷射泵出口压力：尸= 0 2 4 5m p a ； i i 效二次蒸汽利用量：m 抽= 2 5 0 0k 酬t 1 0 0 n a o h ) 。 i i 效二次蒸汽压力：氏= 0 0 4 5 2m p a 计算： 捌s 勉2 5 4 从热力压缩泵的弓i 射系数声与干饱和蒸汽压缩比钐之间的关系图可查得 抽 引射系数：舻- o 5 m m 。 ，年 m + = 朋抽警 ( 4 - 6 b ) 将数据代入可求得： j 】l f 射2 5 0 0 0 k 啡。1 0 0 n a o 哪 m = 7 5 0 0 k 烈t 1 0 0 n a o h ) 从水蒸汽性质表查得： 增压后利用蒸汽( o 2 4 5 m p a ) 的热焓：f = 2 7 1 6k j 瓜g 则喷射蒸汽的热： q 射- 肘射= 1 3 8 8 0 0 0 0k j ( t 。1 0 0 n a o h ) ( 4 6 c ) 利用蒸汽的热量：q - m f = 2 0 3 7 0 0 0 0l 【j ( t 1 0 0 n a o h ) ( 4 6 d ) 热量增值：q q q 射= “9 0 0 0 0 】d ，( t 1 0 0 n a o 均 ( 4 6 e ) 热量增值相当于利用蒸汽量：m 利= = 2 3 8 9 k ( t 1 0 0 n a o h ) ( 4 6 f ) 以上各式中： m 射、m 抽、m 分别为喷射泵的高压喷射汽、吸入汽、出口汽的量， k 酬t 1 0 0 n a o