（冶金工程专业论文）碳分母液高浓度结晶蒸发技术工艺设计.pdf

东北人学坝学化论1 ：c =摘要 碳分母液高浓度结晶蒸发技术工艺设计 摘要 随着| | 铝烧结法氧纯铝部分实施选精矿烧结法，磺分母液蒸发巍由无结晶 析出向大量析出结晶的蒸发工艺转变，通过对国内氧化铝行业和其它棚关行、儿! ：蒸 发工艺和蒸发设备的了解，结合山铋前期已经做的相关工作酌经验包括理论研 究，提出了段蒸发、二段蒸发窝二段蒸发鸯 | 沉隆槽等三转技术方案送行跑选， 最终从可靠性和氯化铝行业的成功经验等角度出发，选择了流穰相对复杂但可靠 的二段蒸发加沉释稽，作为本次技术设计的总体方案。系统分祈了所采取的关键 技术鞠设餐，重点就强制循环蒸发嚣的进料练构、囊蒸发器型式、管式降膜蒸发 器、过料浆和循环泵、敲间直接预热器、冷凝水回收方式等进行了探讨，以确保 结晶蒸菱帮节麓簿耗的颓稳实施，工艺方案中对多效蒸发流程遴行琵较，势对蒸 发器效数主挠行了优化选择，台理确定了这瞬段蒸发所采取的流秘。即第一段蒸发 采取六效逆流加四级闪蒸流程，第二敬蒸发采取四效逆流加两缴闪蒸流程，适应 了碳分母滚的毪溪，_ 并袋致了效闼熬蹇接予熬器霸冷凝东分效鹾教等技术，采舔 了d c s 控制，并就检测方案、仪表选择和控制回路等进行了说明。提出了一段蒸 发已经达蓟的效果，并进行了经济效益分析，最后进行总结，指出了存在的问题 窈建议。 关键词：蒸发结晶两段蒸发管式降膜蒸发器强制循环蒸发器沉降槽 逆流流程节能降耗 l l s o d i u mc a r b o n a t es o l u t i o nh i g hc o n c e n t r a t i o nc r y s t a l e v a p o r a t i o nt e c h n o l o g yp r o c e s sd e si g n a b s t r a c t a ss m t e n n gm e t h o da l u m i n a0 i s h a n d o n ga l u m i n i u mc o r p c o n d u c tc o n c e n t r a t e s i n t e r i n gm e t h o d ，s o d i u mc a r b o n a t es o l u t i o ne v a p o r a t i o np r o c e s si sc o n v e r t e dt ol a r g e c r y s t a ld e p o s i t i o nf r o mn o c r y s t a ld e p o s i t i o n ，p a s su n d e r s t a n d i n ge v a p o r a t i o np r o c e s s a n de v a p o r a t i o ne q u i p m e n t so f c i v i la l u m i n aa n do t h e rr e l a t e dp r o f e s s i o n ，c o m b i n a t i o n e x p e r i e n c eo fh a v i n gd o n er e l a t e d w o r ki n c l u d i n gt h et h e o r i e s r e s e a r c h ，b r i n gu p p r o j e c to f t h r e ek i n d so f t e c h n i q u e si n c l u d i n gf i r s te v a p o r a t i o na n d s e c o n de v a p o r a t i o n a n ds e c o n d e v a p o r a t i o n a d dd e c l i n es l o t p r o c e e d s t o c o m p a r et oc h o o s e ，a t l a s t a c c o r d i n g t od e p e n d a b l ea n ds u c c e s se x p e r i e n c eo fa l u m i n a p r o f e s s i o n ，c h o i c es e c o n d e v a p o r a t i o n a d dd e c l i n es l o ta st o t a lp r o j e c to f t h i st e c h n i q u ed e s i g n a n a l y s i sa d o p t s o fk e yt e c h n i q u ea n de q u i p m e n t ss y s t e m l y s t u d yf e e dc o n s t r u c t i o no fc o m p u l s o r y c i r c u l a t i o ne v a p o r a t o ra n ds e l f - e v a p o r a t o rp a t t e r na n dt u b ed e c l i n ef i l me v a p o r a t o ra n d f e e dp u m pa n dc i r c u l a t i o np u m pa n dd i r e c tp r e h e a t e ra n dc o n g e a l e dw a t e rr e c o v e r y w a ye t cp o i n t t oi n s u r es u c c e s s f u l l y i n t o p r a c t i c e o fc r y s t a l l i z e e v a p o r a t e s a n d e c o n o m ye n e r g y p r o c e e dc o m p a r i s o nm u c hs t a g ee v a p o r a t ep r o c e s si n t h ep r o c e s s p r o j e c t ，a n dt h eb e s tc h o i c ee v a p o r a t o rs t a g e ，r e a s o n a b l ec e r t a i np r o c e s so fs e c o n d e v a p o r a t i o na d dd e c l i n es l o t n a m e l yt h ef i r s te v a p o r a t i o na d o p ts i xs t a g ea g a i n s tt h e c u r r e n ta d df o u rs t a g es e l f - e v a p o r a t o r , t h es e c o n de v a p o r a t i o na d o p tf o u rs t a g ea g a i n s t t h ec u r r e n ta d dt w os t a g es e l f - e v a p o r a t o r , a d a p tt ok i n do fs o d i u mc a r b o n a t es o l u t i o n a d o p tt o a d dd i r e c tp r e h e a t e rb e t w e e ns t a g ea n dc o n g e a l e dw a t e rd i v i d et h es t a g e r e c o v e r ye r et e c h n i q u e a d o p td c sc o n t r o l ，e x p l a i ne x a m i n a t i o np r o j e c ta n dm e t e r c h o i c ea n dc o n t r o lb a c kt r a c k b r i n gu p r e s u l th a v i n ga l r e a d ya t t a i n e do ft h ef i r s t e v a p o r a t i o n ，a n a l y z ee c o n o m i cp e r f o r m a n c e a tl a s tp r o c e e d st os u m m a r y , p o i n to u t e x s i to f p r o b l e ma n ds u g g e s t i o n k e yw o r d ： e v a p o r a t i o nc r y s t a l t w os t a g e e v a p o r a t i o nc o m p u l s o r yc i r c u l a t i o n e v a p o r a t o r d e c l i n es l o t p r o c e s sa g a i n s t t h ec u r r e n t e c o n o m y e n e r g y i l l 声明 本人声明所呈交的学位论文是存导师的指导卜- 完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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浣明并表示谢意。 本人签名 日期 东j e 人学碗l j 学位论文蚺一学绪论 1 1 项目背景 第一章绪论 1 1 1 氧化铝生产工艺流程的变化 为适应氧化锅节能降耗和提高熟料窖产能的需要，烧结法氧化铝生产已部 分实旋选精矿烧结，即采用选精矿( a s = 9 6 ) 与循环碳分母液、碱粉配料，烧制 成无钙或低钙熟料，熟料中a 1 2 0 3 含量可控制在4 5 左右，大大降低了熟料折合 比和单位氧化铝烧成能耗，但由于矿浆中固体量减少，循环母液如仍采用原有的 浓度( n t 2 2 0 9 1 ) ，、势必造成矿浆含水量的提高，增加熟料烧成能耗和降低熟料 窑产能。经综合计算，采用熟料窑蒸水需消耗采用蒸发器蒸水2 倍多的能耗。因 此尽量降低矿浆含水率是合理的，如按照矿浆水份含量3 8 5 计算，循环碳分母 液的浓度应在n t = 3 3 5 9 1 ，而在实验室条件下进行的碳分母液在6 0 一1 1 0 。c 下的蒸 发浓缩试验结果表明，当溶液蒸发浓缩至n a 2 0 v = 2 2 0 9 l 时已达到饱和浓度，继续 蒸发液相成份基本不变，丌始析出n a 2 c 0 3 h 2 0 和2 n a 2 s 0 4 n a 2 c 0 3 复杂结晶， 由此氧化铝蒸发工艺也由无结晶析出的蒸发作业变化为有较多结晶盐折出的蒸 发作业，蒸发工艺有了较大变化。 1 。1 2 目前山铝蒸发工序现状 目前山铝蒸发工序共有十组蒸发器，其中五效板式降膜蒸发器一组，传热 面积3 5 2 0 m 2 ，蒸水能力6 5 t h ，汽耗o 3 t t h 2 0 ，蒸发浓度n t 2 1 0 9 h 三效强制循 环蒸发器两组，传热面积1 3 5 0m 2 组，蒸水能力3 5 t h 组，汽耗o 。5 t t - h 2 0 ，蒸 发浓度n t 2 5 0 9 h 四效柴伦巴型蒸发器一组，传热面积3 2 0 0m 2 ，组，蒸水能力 5 0 t h 组，汽耗0 4 5 t t h 2 0 ，蒸发浓度n t 2 5 0 鲋。目前蒸发工序存在如下问题： ( 1 ) 板式降膜蒸发器尽管效数多、传热效果好，蒸发汽耗也较低，但在实 际蒸碳分母液时，浓度达到n t = 2 1 0 9 1 时，由于碳分母液局部过热，已部分析出 结晶，造成经常堵塞板片和布膜器，运转率大大降低，不适应蒸高浓度碳分母液 的需要。 ( 2 ) 其它蒸发器组多为三效操作，汽耗较高，循环速度慢、效率低，如果 继续提高蒸发浓度，效率会更低、汽耗会更高，清洗工作会更频繁，运转率下 降，而且蒸发器本身以现在的观点看也不适应结晶蒸发的需要。 东北人学坝 学似l 亡史第一帝绪论 ( 3 ) 除板式降膜蒸发器外，其它蒸发器均比较陈旧、落后，已经不适应t 艺发展的需要。 1 1 3 管式降膜蒸发器蒸碳分母液的适应性和可靠性 由十板式降膜蒸发器在蒸碳分母液时遇到的问题，因此提出了设备同样 先进的管式降膜蒸发器的选择，但由于管式降膜蒸发器只有平果铝业公司心 用，而且属于进口设备，国内在氧化铝行业尚无成功应用的先例，因此需进 行必要的实验以验证管式降膜蒸发器蒸碳分母液的效果及可靠性，试验在供 货方的5 2 m 2 管式降膜蒸发器上进行，单效运行。由山铝提供了2 0 m 3 的碳分 原液，进行了八次试验，其试验情况是： 表1 - 1 试验情况 t a b l e1 - 1e x p e r i m e n tc i r c u m s t a n c e 分析如下： ( 1 ) 管式降膜蒸发器的关键部位经过冷态和热态试验，布膜均匀、传 热效果较好： ( 2 ) 碳分母液在浓度n t = 2 2 0 9 i 时，管式降膜蒸发器运行可靠，不易 发生堵管现象，停车检查布膜器均十分清洁，未发现结晶、沉淀和任何积料 现象； ( 3 ) 碳分母液继续增浓时( n r 2 2 0 9 1 ) ，出于已析出结晶，易发f e 堵 管现象，尤其结晶含量高时，堵管现象更加频繁，导致蒸发器不有运行； ( 4 ) 在n t 高达3 0 0 1 时，加热管堵死后，布膜器依然保持清洁不结 晶； 东北人学坝i “ 位论文第一章绪沦 ( 5 ) 住蒸碳分母液时循环量不易过小。 其结论是： ( 1 ) 管式降膜蒸发器具有传热好、能耗低、蒸发强度人、设备结构紧 凑的特点，适用于蒸发含少量结晶的碳分母液； ( 2 ) 布膜器具有布膜均匀，能长期运行不被结晶和细粒吲含堵塞，且 易于检修更换的特点，适合碳分母液的蒸发； ( 3 ) 该管式降膜蒸发器用于蒸发碳分母液的最佳浓度在n t ( 2 3 0 9 1 ，在 此浓度下，蒸发强度大，运行连续稳定、可靠，充分体现了该蒸发器节能降 耗、传热系数高的优点。 ( 4 ) 对于进行高浓度结晶蒸发，宜采用两段蒸发，即第一段采用管式 降膜蒸发器，第二段采用强制循环蒸发器。 1 1 4 现有强制循环蒸发器碳分母液结晶蒸发的适应性及缺陷 目前强制循环蒸发器皆为传统型式，即切向进料，正循环，其存在如下缺 陷： ( 1 ) 切向进料使蒸发室中的料液旋转，固相因离心力而向四周分离，造成 蒸发室中固相偏析、沸腾区固相浓度低，增加成核速度和结赫速度，另外由于沸 腾产生的过饱和度不能被足够的晶体所吸收，因此一次成核速率高，产生过量细 品，蒸发室也易结盐； ( 2 ) 外循环料液中的固相浓度反而高，晶体与循环泵叶轮碰撞，增加二次 成核速率，并加速盐浆对叶轮和加热管的磨损； ( 3 ) 切向进料蒸发室段面上向上的速度较小，较大区域出现向下的轴向分 速度，造成进入蒸发室的部分过热料液无法上升到液面，因液柱静压作用，还未 充分闪蒸降温到与蒸发室压力相平衡的温度，就向下从蒸发室锥底排出，这种短 路现象使进入加热室的料液温度升高，从而减小传热有效温差，降低蒸发器生产 能力； ( 4 ) 蒸发室内液面呈漏斗状抛物面，正中的液面下降，循环泵进口侧的循 环管f 对低液位，而出口侧的循环管连接蒸发室外围的高液位，其液位差即为循 环泵要克服的阻力，即“漩涡损失”，另外，漩涡的出现还造成下循环管中的料 液带汽，料液比重减少，降低循环泵的入口压力，这些均增加乐循环泵功耗； ( 5 ) 循环量小，易出现结晶块堵塞。由于存在以上缺陷，在进行结晶蒸发 时，强制循环蒸发器出现效率下降和洗罐周期缩短等问题，尤其浓度再高时，其 东j t 人学f i l j ! i 。学位论文第一章绪论 暴露的问题越多，因此目前这种强制循环蒸发器进行结晶蒸发是1 i 适宜的。 1 2 国内外概况、水平、发展趋势 1 2 1 国内氧化铝行业 目前中国氧化铝行、【k 除l u 铝外，另外还有长城铝业公司、中州铝厂、山两 铝厂、贵州铝厂和平果铝、1 k 公司等五家氧化铝厂，其蒸发工序情况如下：( 1 ) 长 城铝业公司共有两组三效标准式蒸发器，传热面积1 2 3 0 m 2 组；八组三效自然循 环蒸发器，传热面积3 3 0 0 m 2 组；一组五效管式降膜蒸发器，传热面积5 9 0 0 m 2 ， 碳分母液不进行结晶蒸发。( 2 ) 中州铝厂共有四组三效强制循环蒸发器，传热面 积2 4 0 0 m 2 组；一组四效管式降膜加一效强制循环蒸发器，传热面积6 9 9 0 m 2 组， 其中蒸发器出料浓度n t 为2 5 0 9 l ，含少量结晶，然后去沉降槽浓缩至n v = 2 8 0 9 1 。 其碳分母液进行少量结晶蒸发。( 3 ) 山西铝厂共有七组四效自然循环蒸发器，传 热面积3 8 0 0 m 2 组，三组四效强制循环蒸发器，传热面积3 2 0 0 m 2 组；组六效管 式降膜蒸发器，传热面积9 0 6 0 m 2 ；其碳分母液不进行结晶蒸发。( 4 ) 贵州铝一共 有十一组四效强制循环蒸发器，传热面积3 5 2 0 m 2 组，一组六效板式降膜蒸发器， 传热而积9 0 6 0 m 2 ，其种分母液采用一效强制循环蒸发器、沉降槽和转鼓过滤机进 行析盐蒸发。( 5 ) 平果铝业公司只有一组五效管式降膜蒸发器，析盐也采用一效 强制循环蒸发器、沉降槽和转鼓过滤机进行。 1 2 2 国外氧化铝行业 国外氧化铝行业大部分为拜尔法氧化铝，其蒸发流程大部分采用五效操作， 蒸发器形式一般为内热式自然循环蒸发器和管式降膜蒸发器，但总的趋势是向管 式降膜蒸发器发展，没有采取板式降膜蒸发器的，其析盐流程也大部分采用一效 强制循环蒸发器、沉降槽和转鼓过滤机进行。 1 2 3 国内造纸和制盐行业 国内造纸和制盐行业蒸发器室主要有三类，即( 1 ) 升膜式蒸发器，( 2 ) 降 膜式蒸发器，( 3 ) 强制循环蒸发器。目前应用比较多的是板式降膜蒸发器，其具 有传热系数高，循环量小，结垢易清沈，产生的黑液浓度相对较高等优点，这些 也主要针对黑液这种物料结垢疏松，不易堵板片等性质具有的，但在蒸更高浓度 4 东北人。产坝1 学位论文第章绪论 的黑液时，仍然采用强制循环蒸发器。国内制盐行业蒸发多属于结晶蒸发，其普 遍采用强制循环蒸发器结合淘析腿的方式。强制循环蒸发器的型式主要有采用外 加热式管外沸腾型，进料方i 也由切向进料向轴向进料转变，循环方式有j f 循环 和反循环之分，目前多以正循环为主。 1 2 4 斯文森结晶蒸发技术 美国斯文森公司结晶蒸发技术在世界上享有盛誉，其技术要点是： ( 1 ) 维持蒸发器循环碱液中有足够的盐晶体，这对于减缓蒸发器结盐速度、 延长洗罐周期，增大盐粒度都有重要作用，实现较高晶浆浓度操作，是结晶蒸发 节能和增产的一条重要技术作用； ( 2 ) 设置改进型淘析褪，对盐浆进行分级、洗涤和增稠，可排出粒度较粗 大、均匀的稠厚盐浆，提高了分盐设备的能力和效率，并避免了我国逆流分盐流 程巾长期存在的“浓碱倒流”的问题； ( 3 ) 外加热式蒸发上的循环管为轴向进料，这比传统的水平切向型合理， 它有利于将成长中的晶体不断送到过饱和度最高的沸腾表面，从而可减慢蒸发室 内壁的结盐速度，并可减少“热短路循环”现象的发生； ( 4 ) 蒸发器循环泵选用大直径慢速型，以减少晶体的破碎，避免晶体细化。 ( 5 ) 采用逆流分盐技术，增加了盐的粒度，减少了分盐工序的碱损失。 总之，无论国内还是幽外，在无固相析出时，溶液的蒸发都向五效以卜的板 式或管式降膜蒸发器发展，流程以逆流为主，但在有固体结晶析出时，溶液的蒸 发采用外热式强制循环蒸发器，其进料方式也由切向进料向轴向进料发展，在固 体结晶析出较多时，采用淘析腿出盐，流程以逆流和平流为主。 1 3 蒸发器的种类与选型原则 蒸发器按照溶液在其中的流动特点，可分为循环型和单程型，其中循环型又 分为自然循环、强制循环、列文式、二次蒸汽再压缩式等。单程型又分为膜式、 回转式、刮扳式等，其各有优缺点，被广泛地应用在实践生产中，其选型遵循如 下几个原则： f 1 ) 物料的粘度，粘度较小的介质可选用标准式、升膜式或自然循环型， 粘度适中的可选用降膜蒸发器，粘度较大的可选用强制循环蒸发器，高粘度的需 选用刮板式蒸发器； ( 2 ) 有结晶析出的物料需选用外热式管外沸腾强制循环蒸发器，其它蒸发 e 苎! ! 是兰型! ! 鲎! ! 堡! j ! ； 篓：二萱笾堡 嚣是不适爆的； ( 3 ) 对热敏性的物料，一般选用贮液量少，停留时问短的液膜式蒸发器； ( 4 ) 易发泡的瀚瓣，翁选用强制循环蒸发蘩和秀簇蒸发器，其鞭溷是糕液 及二次蒸汽在加热管内流速快，有利于破坏泡沫。 ( 5 ) 对于极易结垢的物料，应选用循环速度人，便于清洗和消除结垢的蒸 发设鍪，麓管辨沸腾强翻蕹环、终攘热式、阗蒸蒸发器等。 1 磊本次技术设计的意义及目标 1 4 1 本次技术设计的意义 本项目的成功实施在保障选精矿烧结、节能降耗、提高自动化水平和提高 装备水平等方磷其有鼙要的慧义。 4 + 。 爨逶痤烧结法生产氧毒| 二韬滚程变毙豹霉熏 由于烧结法生产氧化铝部分实施选精矿烧结，蒸发工艺也幽无结晶析出的蒸 发作业变化为有较多结晶盐折出的蒸发作业，现有蒸发器已不能满足这种变化， 霹拢本瑗醚魏实潍是成功实藏选精矿烧结懿保证。 1 。4 ，1 。2 罴节能降耗的鬻要 目前山铝蒸发器大部分为三效操作，汽耗高达0 4 8 t t i - i ：o ，本项目实施后可 大大降低汽耗，节能魏巢显著。 1 。4 。 。3 爨提裹囊动化水孚豹黉要 目前山铝蒸发器基本上以人工操作为主，自动化水平很低，工人劳动工作 量大，本项目全部采用d c s 控制，大大提商了控制水平，优化了操作参数，大大 降撼了工人劳动工作量，邈为达裂鼓零指标提供了保证。 1 ，4 。t 4 燃提高装备水平的需要 目前山铝蒸发器设备陈旧、落盾，已不能满足现代化生产的需要。本项目全 部采耀在毽界上稻于领先东平静设备，为节靛、簿耗葵态了基磷。 1 4 2 本次技术设计的目标 工艺实施后，可满足选精矿烧结法氧化铝对碳分母液浓度的要求，并达到 节麓洚耗，提毫按术装备东平豹嚣懿，其吴落譬稼为： 6 尔北人学硕i 学位论文 第一章绪论 1 4 2 1 一段蒸发 ( 1 ) 蒸发后母液：n j ：2 2 0 9 1 ： ( 2 ) 蒸发水量：1 6 5 t h ( 3 ) 汽水比：o 2 4 5 t t h 2 0 ( 4 ) 运转率：9 0 1 4 2 2 二段蒸发 ( 1 ) 蒸发后母液浓度n t ：2 8 0 9 1 ( 2 ) 蒸发水景：7 0 t h ( 3 ) 汽水比：o 4 3 t t h 2 0 ( 4 ) 运转率：9 0 1 4 2 3 沉降槽 底流母液浓度n t ：3 3 5 9 1 1 5 本次技术设计的主要内容 本论文属于技术设计，即确定整个项目的技术方案，并以此为基础，进行 施工图设计工作，其中主要内容为： ( 1 ) 对蒸发器的工艺、设备形式及发展等进行详细的调研并取得相应资 料； ( 2 ) 了解与本项目有关的相关理论； ( 3 ) 进行总体技术方案的比选； ( 4 ) 对拟采用的关键技术和设备进行探讨和分析； ( 5 ) 具体工艺流程的确定，并进行详细的工艺计算，以此结果为基础， 合理的进行设备选择计算，然后进行设备配置工作： ( 6 ) 自动化控制的介绍、目前运行情况及经济效益分析。 本文重点在于流程设计、工艺计算、设备选择和工艺配置等工作。 求北人学坝卜学位论丑 第二章相关理论 本文主要涉及碳分母液在此条件下的部分性质以及蒸发、结晶和自蒸发等几 令纯工过程。其其体如f ： 2 1 碳分母液的部分性质 山锚目前碳分母液的饱和浓度n r = 2 2 0 9 l ，实验室条件下进行的碳分母液在 6 0 。c 1 1 0 。c 卜- 的蒸发浓缩结果表明，当溶液浓缩至n a z o r = 2 2 0 9 l ，已达到饱和浓 度，将溶液继续蒸发，渡楣艘份基本不变，并开始攫出n a 2 c 0 3 h 2 0 积 2 n a 2 s 0 3 n a 2 c 0 3 复盐结晶，碳分原液、饱和碳分母液和结晶复盐的成份如下： 袭2 - 1 碳分蓬l 液残份 ! ! ! ! ! ：! q 垡墨! 璺! ! ! ! 曼! ! 壁! 旦! 竖! ! ! ! i ! 旦! ! ! ! i ! ! 墨! 呈：! ! ! ! ! ! 成份n a 2 0 tn a 2 0 k n a z o ca 1 2 0 3n a 2 0 s c 0 2 s 0 3h 2 0 p 影l 1 2 9 + 51 3 ，81 1 5 71 1 01 3 。3 58 2 11 7 ，2 29 4 8 31 2 0 0 表2 - 2 饱和碳分母液成份 t a b l e2 - 2s a t u r a t e dl i q u i dc o m p o s i t i o no f s o d i u mc a r b o n a t e 成份n a 2 0 tn a 2 0 kn a 2 0 ca 1 2 0 3n a 2 0 sc 0 2s 0 3h 2 0 p g 1 2 2 52 6 01 9 9 02 4 62 1 51 4 2 12 7 29 2 01 3 6 5 褒2 - 3 维晶复簸戒街 t a b l e2 - 3c o m p o s i t i o no f c r y s t a l l i z es a l t 测定结果表明，在沸点下蒸发析出的结晶复盐，其粒度+ 3 3 m 粒缴占5 8 ， 当辛行赭温度在8 0 4 c l 三主下时，产出的结晶盐粒度变绸，在9 0 。c 下测定含结晶复赫 2 0 0 拶q + _ 的碳分母波，其缝蛀复盐的沉隆速度为4 - 5 m h ，沉降压缝l s 走0 9 1 1 ， 这浇明结晶复盐有良好的性能和压缩性能，遮为采用沉降槽浓缩结晶撮供了理论 基破。 2 2 温度对n a 。c o 。h 2 0 折出影响 n a z c o 。在铝酸钠溶液中的溶解魔是随着温度下降而降低的，温度降低，易 拆鑫n a 2 c 0 3 h 2 0 ，毽滋凄低予8 0 v 对，终鑫羹粒度交粳，沉降淫栽下降，溢 东北人学颅j 学位论殳 第一章相关理论 度继续下降，尤其在3 5 以下时，溶液的n 1 浓度迅速下降，析出的结晶复盐为 n a 2 c 0 3 7 h 2 0 、n a 2 c 0 3 1 0 h 2 0 ，这使浆液变得相当粘稠，固体含量迅速l 升，堵塞管道，因此这种情况在蒸发作业中是应绝对避免的。 2 3 蒸发 蒸发操作是用加热的方法，使溶液中的水分或其他具有挥发性的溶剂，部 分汽化除去，其溶液中溶质数量不变，从而使溶液被浓缩，因此蒸发过程实际是 一个热量传递过程，蒸发方式有自然蒸发和沸腾蒸发两种，自然蒸发是溶液中的 溶剂在低于沸点下汽化，溶液的汽化只能在溶液的表面进行，沸腾蒸发是使溶液 中的溶剂在沸点下进行汽化，在汽化过程中，溶液从表层到深层，都同时发生汽 化，蒸发速率远较前者快，工业上的蒸发基本上都属于沸腾蒸发，蒸发器的热源 都是以饱和水蒸汽做热源，其优点是冷凝过程中放出大量的汽化潜热，并且由于 发生相变、传热系数也较高，因此在蒸发器中及时排出冷凝水是必要的。目前蒸 发一般实行多效操作，且大都采用真空蒸发，其优点是： ( 1 ) 在减压下溶液的沸点降低，可增大加热蒸汽与溶液之间的温度差，增 加传热推动力，易实现多效操作和减少蒸发面积； ( 2 ) 可以利用低压蒸汽作加热源： ( 3 ) 由于溶液的沸点较低，蒸发器热损失小。 2 4 结晶 结晶是固体物质以晶体状态从蒸汽、溶液或熔融物质中析出的过程，工业 中一般指固体物质从溶液中结晶出来，其历经两个步骤，首先是要产生称为晶核 的微观晶粒作为结晶的核一t s , ，其次是晶核长大成为宏观的晶核，其推动力为溶液 的过饱和度，过饱和度的大小直接影响晶核形成和晶体成长过程的快慢，进而影 响结晶产品的粒度及粒度分布，晶体大小、温度和杂质对晶体成长速度均有影响。 结晶方法分为三大类： ( 1 ) 不去除溶液的结晶法，主要使溶液冷却而变成过饱和； ( 2 ) 去除一部分溶剂的结晶法，主要使溶液在常压或减压下蒸发而浓缩， 以形成过饱和溶液： ( 3 ) 第三类是真空结晶法，它使溶剂在真空状态下闪急蒸发而绝热冷却， 其实质是同时冷却与去除一部分溶剂的方法。 本次设计是第二类和第三类的结合。添加适量的晶种可有效控制晶体的粒 9 第一章相关胖论 度，采用淘析原理可有效消除细晶。 2 5 自蒸发 自蒸发义称闪蒸，是一种余热回收方式，它是利用减压使进入器内的料液 发生闪蒸，并绝热降温到所要求的温度，排出的蒸汽则加以回收和利用，在逆流 蒸发操作流程“泛地应用此项技术。 东北人学顺i 。学位论文第二章总体方案的选择 第三章总体方案的选择 本次技术设计根据碳分母液的性质以及前面所做的工作初步确定三种方案 进行选择比较，即一段蒸发、二段蒸发和：段蒸发加沉降槽，f 面分别分析如下： 3 1 一段蒸发 一段蒸发即一次将n a 2 0 v = 1 2 0 5 9 1 的碳分原液蒸浓到n a 2 0 t = 3 3 5 9 1 的含结 晶碳分母液，其流程为六效逆流加四效自蒸发，主体设备为前四效采用管式降膜 蒸发器，后二效采用强制循环蒸发器，四级闪蒸采用高效自蒸发器，总蒸水能力 2 3 5 t h ，总传热面积1 5 3 5 0 m 2 ，蒸水汽耗0 2 6 t t h 2 0 ，这个方案投资相对较高， 综合汽耗较低，流程相对简单。其技术要点为控制饱和浓度蒸发在前四效管式降 膜蒸发器内完成，即蒸水能力控制在1 6 5 t h 以内，结晶蒸发在后二效强制循环蒸 发器和四级高效自蒸发器内完成，即蒸水能力应大于7 0 t h ，其缺点为操作要求精 确、严格，而且要求强制循环蒸发器和四级高效自蒸发器在蒸高浓度碳分母液时 要可靠运行，并且要有较高的运转率。但实际生产中对各效的蒸水量很难严格计 算，操作参数也会随着设备的运行情况在随时变化，而且两种设备由于蒸发的母 液情况差距较大，运行周期会有很大不同，相互影响太大，大大降低了运转率， 因此这个方案尽管在理论上和经济上都是较好的，但在实际操作中很难运作，对 稳定生产会有一定不利影响，而且就目前所掌握的强制循环蒸发器要在 n a 2 0 t = 3 3 5 9 l 长期运行是没有把握的，因此本方案风险太大，本次技术设计不考 虑此方案。 3 2 二段蒸发 二段蒸发即采用二次蒸发将n a 2 0 t = 1 2 0 5 l 的碳分原液蒸浓到 n a 2 0 t = 3 3 5 9 l 的含结晶碳分母液，第一段流程为六效逆流管式降膜蒸发器加四级 自蒸发器，为饱和碳分母液的蒸发。即碳分母液出料浓度为n a 2 0 - c = 2 2 0 9 1 ，主体 设备为六效管式降膜蒸发器和四级自蒸发器，总传热丽积为1 0 7 8 0m 2 ，蒸水量 1 6 5 t h ，蒸水汽耗o 2 4 5 t t h 2 0 ，第二段流程采用四效逆流加二级闪蒸，为结晶蒸 发，即碳分母液出料浓度为n a 2 0 r 3 3 5 ；g 1 ，主体设备为四效强制循环蒸发器和两级 自蒸发器，总传热面积3 2 0 0r l l 2 ，蒸水量7 0 t h ，蒸水汽耗o 4 3 t t h 2 0 。这个方案 投资相对较低，其技术要点为： 东匕人学砸l 学位论文第一章总体方案的选样 ( 1 ) 一段蒸发为饱和浓度的蒸发，效数多、汽耗低： ( 2 ) 二段蒸发全部为结晶蒸发，而且浓度很高，需逐效排盐， ( 3 )由于中间有缓冲槽，可解决两种蒸发器运行周期不同的问题。 其缺点是：二段蒸发浓度很高，在氧化铝行、比无成熟的经验，只有在相关 行业巾有类似的流程具有一定的风险性，因此本方案尽管解决了相互影 响的问题，流程也卡h 对简单，但它的风险也不容忽视，一旦浓度达不到要 求，将对熟料窑的提产和节能降耗造成很大的困难，因此本次技术设计电 不予考虑此方案。 3 3 二段蒸发加沉降槽 此方案应当讲是对第二方案的完善和补充，即二段蒸发后碳分母液浓度可 控制在2 8 0 e , l ，然后去沉降槽浓缩底流达到3 3 5 g 1 去配料，溢流再返回第二段蒸 发，这个方案充分借鉴了氧化铝行业中平果铝种分母液的排盐蒸发技术和中州铝 厂的碳分母液结晶蒸发技术，具有一定实践经验，而且碳分母液中的结晶盐具有 很好的沉降性能和压缩性能，为本方案也提供了有力的技术支持，因此尽管本方 案在流程上比较复杂，投资也相对较高，但可靠性却最高，实际设计也应选用稳 妥的方案，因此在这种背景下，本次技术设计选用此方案，需要说明的是，在保 i j e - - - - 段蒸发运行周期的前题下，应尽可能的提高二段蒸发的出料浓度，减少沉降 槽的溢流循环量，进一步降低能耗，最终不开或少开沉降槽，向第二方案靠扰。 因此从另外一个角度讲，本次技术设计由于首次在氧化铝行业实施如此高的 碳分母液结晶蒸发，无论在设备还是工艺上都缺乏足够的技术支持，因此也只能 根据目前氧化铝行业的相似流程上借鉴一些经验，另外结合碳分母液中的结晶盐 的良好沉降性能和压缩性能，在确保可靠性的前提下选择的二段蒸发加沉降槽， 以后随着实际运行的开始，可尽可能简化此方案。 第四章丸进设备和关键技术 第四章先进设备和关键技术 为使本次技术设计具有先进性、合理性、可靠性，采用了多项关键技术和 先进没备，具体如下： 4 1 管式降膜蒸发器 管式降膜蒸发器早在二十世纪六十年代就已在国外氧化铝j 中使用，九十 年代被引进到我国氧化铝厂中，该种型式蒸发器是靠布膜器使溶液均匀的沿着加 热管内壁以膜状从上向下垂直流动，薄膜在流动过程中被加热、汽化。产生的蒸 汽和溶液同向在管内由上而下流动到蒸发器室中，进而分离溶液与二次蒸汽，该 种蒸发器热阻极少，没有流体静压引起的有效温差损失，膜的下降速度可达 6 - 2 0 m s ，传热系数为自然循环蒸发器的1 6 - 2 0 倍，蒸发强度为自然循环蒸发器 的1 5 倍，有效温差可允许为5 7 ，在较低蒸汽压力下，即可实现五六效操作， 减缓了结疤现象。但它只适用于有少量结晶的饱和溶液的蒸发，不适用于有大量 结晶物料析出的蒸发。应当指出，在国内大量使用的板式降膜蒸发器具有管式降 膜蒸发器的大部分优点，在原理上与管式同样先进，本次技术设计为何不选择板 式降膜蒸发器，原因如下： ( 1 ) 从蒸碳分母液的实验情况看，管式降膜蒸发器可以蒸到n a 2 0 t 为2 2 0 9 1 ， 而板式只蒸到n a 2 0 r = 2 0 0 9 1 ，再继续提高浓度，板片易堵，降低运转率； ( 2 ) 不宜采用机械清理，不利于彻底清洗结疤； ( 3 ) 采用焊接方式制作加热器( 国内普遍采用) ，在化学清洗或溶液中c r _ 含 量高时，易产生应力腐蚀和点腐蚀，降低了加热器的寿命； ( 4 ) 采用铸造方式制作的加热器( 国外生产) 能耐化学清洗液的腐蚀，但造 价太高。 4 2 强制循环蒸发器 目前，强制循环蒸发器普遍采用外热式强制循环蒸发器，主要分为管内沸 腾和管外沸腾蒸发器。管内沸腾系指加热室上部静压小，致使溶液在加热过程中 加热管内产生沸腾现象，不适于处理容易析出结晶和结垢的溶液。管外沸腾系指 加热室上部静压足够大，使沸腾现象发生在加热管外，、适用于处理容易析j + 结 品和结垢的溶液。本次即采用管外沸腾技术，目前强制循环蒸发器料液在管内的 东j l 人学坝学位睑义第u u 誊先进没蔷帚i 关键投术 速度一般在2 m s 以上，可有效地减轻结疤和堵管现象的发生，有利f 提高换热效 果。存本工程中，由于物料同含高，为保证k 期运转，循环速度可取2 5 r r d s 。另 外就强制循环蒸发器几个结构上的问题进行探讨： 4 2 1 关于进料方式 目前强制循环蒸发器进料方式主要有切向进料和轴向进料两种方式。采用 切向进料的目的足借助循环料液的网转运动，使进入蒸发室内的过热料液在蒸发 室内与料液迅速混合，沸腾不致过于强烈，由于液面呈凹形抛物面，还增大了蒸 发面积，可减少雾沫夹带。但国外的研究成果表明，切向进料蒸发器存在如下缺 陷： ( 1 ) 蒸发室中固相浓度很低，轴线附近更少出现严重偏析，由沸腾产生的 过饱和度不能为足够的晶体的吸收，因此次成核速率高，产生过量细晶，蒸发 室也易结垢； ( 2 ) 切向进料蒸发室断面向上速度较小，较大区域出现向f 的轴向分速度， 造成部分过热料无法上升到液面，因液柱静压作用，还未充分闪蒸，就向下从蒸 发室底部排出，从而减少传热有效温差，降低蒸发器能力； ( 3 ) 蒸发室内液面呈漏斗状抛物面，正中的液面下降，循环泵进口正对低 液位，而出1 2 1 侧循环管则连接在蒸发室外围的高液位，另外，漩涡的出现还造成 下循环管中的料浆带汽，料浆比重减小，以上因素均增加了循环泵的扬程，动力 消耗增大， 由于切向进料存在如上缺陷，国外强制循环器生产厂商开始改用轴向正中 进料循环器，其优点是： ( 1 ) 蒸发室中液流的主流型为轴向向上或向下，使过饱和度最高的沸腾表 面附近能悬浮较多的晶体，这对于增大盐晶体粒度和延长蒸发器洗罐周期十分有 利； ( 2 ) 轴向正中进料方式将沸腾最强烈的区域从切向进料的器壁处移向罐体 中部，此处的晶体浓度高，料液沸腾产生的过饱和度能及时为悬浮的晶体所吸收， 减轻了蒸发器内部结疤； ( 3 ) 过热料液面在蒸发室断面上均匀分布，沸腾较缓和、均匀，可允许选 用较高的断面蒸发强度，有利于提高二次蒸汽的质量，降低了分离室的直径； ( 4 ) 过热料液能全部升至蒸发器液面，消除了热短路现象： ( 5 ) 循环泵入口液比重高于出口液比重，能一定程度上降低循环泵扬稃。 d 查! ! 墨堂堡! ：鲎垡堡兰堡! ! 要查竺坠墨! ! 茎篓垫查 目前这种轴向迸料芏要分为正中向上和j - 中向f 型，雁中向t 结构比较复 杂，一般与海板越配合俊臻，在国乡 铡盐行业广泛应用，在国内氯化锻嚣l e 内， 还没有应用过，目前已成为美阉斯文森公司的标准形式；正中向下型结构比较简 单，在平采铝业公司己谶功应羽多年，不用跷台淘轿褪使弼，魁围井k e s t n e r 公 司的标准形式。应浚讲这两种形式各密优缺点，其应用的效果都较好，但应用螅 一况环境却有差异，因此具体哪种形式更适合碳分母液的商浓度结晶蒸发，还需 要实黢靛稔验。本次技术设计不采嗣海摄褪，凳乡 平采镑显公司的工援与本项鼙 更接近一些，因此本次设计采用轴向谶料正中向下型强制循环蒸发器。 4 2 。2 关平正镁环和反循环 反鹱环龌麓热室在 矮强裂瓣入翻，主要为鲻凌凌囊避辩蒸发器豹簌隆，其 主要特点为： ( 1 ) 辩液幽切向避科变为竖向进料，便过饱和度趋势高的沸腾区悬浮较多 的晶体，熊拯制一次成核速率，减缓蒸发室蹙结盐速度，延长瀵汰周期； ( 2 ) 循环采入口晶体量少，尤其粗晶艇更少，减少了晶体与循环泵叶轮的 碰撞辊会，降低了二次袋孩速率，减轻了对时轮静磨损； ( 3 ) 过热料液能得到充分闪蒸，降低了短路温差损失。 但在采用轴向正中进料改遗后，反循环和正循环效果应该讲差距很小，毕竟 爱德坯熬应鼹实践经验还是较少豹，大多淤甥鑫遘瓣蒸发器改造为主，勇外，反 循环还存在着循环泵要求选用慢转速的泵，否则易汽蚀，造成循环泵造价上升等 缺陷，另外在氧化铝行渡中也无成熟的应用缀验，闲此本次设计仍然采用正循环 技术。 毒。2 ，3 关予淘耩腿 西蓠盐厂结晶蒸发藩遍采用淘祈腿，冀原理憝在结晶器内建立一个澄清疆， 在此区内溶液以缀低的逮度向上流动，使较大的晶粒从溶波中沉降出采，然后熙 到结晶器的主体部分，重新参与晶浆循环并继续长大。不能沉降的细晶则随母液 溢流露鑫，进入鬃晶消酴系统，蓿魏热察稀释方法经之溶解，然惹经循环泵羹薪 回到结晶器中，另外它还具有分级、洗涤和增稠三项功能，分级目的是使排出的 豁浆粒度比较粗大、均匀，满足成品赫的粒度要求。洗涤主要为提高成品盐的纯 度，增穰主要是为提裹褰心分缀援熬产姥。蕊具彝裂本_ 王蕊方案，本次结晶笺麓 不做为一个最终产品，对纯度和粒度均没有严格的限制，另外，结晶复黼具有良 1 5 垄整查堂鳖i ：兰堡笙茎量! ! 至壅鲨鎏堡塑：茎璧墼查 好静漉簿帮压缩性能，沉烽壤熊达到其增蜩曩的，愿旦同奄亍业申已有成熟黝经验， 翻托本次设计不考虑来蠲淘桥腿悉采滔沉降撼浓缝鲍办法。 综曼所述，本次强制循环蒸发器选择避料方式为采掰轴自述辩萎三中囱下型， 循环方向为f f 循环，不设置淘柝髓静形式。 4 3 料浆自蒸发器 囊蒸发器是一穗余热回收设套，剩蠲减压搜进入器内的料滚发生闲蒸，蒡 终热降温至所要求黪溢凄，接出数蒸汽则麴以圈收和利用，本次逆滚蒸发泼程中， 第一致设器斟缓蠢蒸发嚣，第二鹱采用秀级蠡蒸发器，过料动力全部靠嚣差。出 于温降较大，闵蒸瑗蘩比较尉黧。蔼虽阂蒸段均璃浓度最离静阶段，竞英第二段 蒸发箍l 含有大量静结黼，如果鲁蒸发糕选择不当，极翁堵塞遮料管和耀璧结癜严 熏，降低蒸发器缀的运转率，西诧本次设计第二段蒸发选甭带有嘲欧形沸腾室的 岛蒸发器，沸猎室的作用有： ( 1 ) 德部分已经自蒸发的举埠沿沸腾室外俅向沸腾室内循环，以降低混合后 的科液温度，从而减少激鞭沸腾和蒸汽的雾沫夹带现象，以及杜绝部分过闪蒸现 象，防止过细晶核的产生； ( 2 ) 沸腾蒸发在中央进料管内，部分粗粒结晶下沉到底部又返回中央进料 管内起到晶种作用，减缓中央进料管的结疤现象，而器壁四周则蒸发现象平缓， 结疤减轻，延长了洗罐周期； 另外由于第一段蒸发未析出结晶，仍选用上部轴向进料型，这张自蒸发器 在山铝已成功应用多年，其优点悬闪蒸迅速、彻底，对器壁也无磨损现象，掇作 也比较简单。 4 4 直接预热器近沸点迸料 在逆流操作中，由于效问物料温度差距较大，进入下一效的物料距离本效 的沸点差距较大，这样势必造成加热器负荷增大大，目前在逆流流程中都普遍采 用加效