（化学工艺专业论文）亚硝酸钠生产工艺的模拟与优化及相关问题的研究.pdf

中文摘要 本文是围绕山东恒昌化工公司所提出的将原有的4 万吨年间歇 亚硝酸钠生产流程改造为4 万吨年的连续生产工艺中有关蒸发结晶 工艺的模拟、优化及相关问题进行的研究。 针对当前我国普遍采用的间歇法亚硝酸钠生产过程中能耗过高、 结晶器结疤等问题，提出了多个工艺流程。对各种工艺过程进行了模 拟计算，过程分析。得出，多效液浸一降膜逆流、并利用冷凝水预热 进料的连续蒸发工艺是一个较优的工艺。 针对以往对蒸发过程进行模拟存在的问题，提出采用序贯模块法 对蒸发过程进行模拟，使模拟计算变得灵活，方便，特别是对于伴有 如预热器、闪蒸结晶器的复杂蒸发过程的模拟计算。 根据模拟的需要，对亚硝酸钠的积分溶解热和亚硝酸钠溶液沸点 与浓度的关系进行了实验测定，并根据实验数据和文献数据对模拟中 需要的有关物性计算式进行了拟合。 关键词：亚硝酸钠，模拟，数学方法，蒸发结晶 a b s t r a c t i nt h i s t h e s i s ，t h e s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h e e v a p o r a t i o n c r y s t a l l i z a t i o n a r es t u d i e di n d e t a i l ，w h i c hi s b a s e do nt h et e c h n i c a l t r a n s f o r m a t i o no fs h a n d o n g h e n g c h a n gc h e m i c a l sc o l t df r o mb a t c h p r o c e s s o fn i t r i t e p r o d u c t i o n l i n ew i t h4 0 0 0 0t o n sa n n u a l o u t p u t t o c o n t i n u o u s p r o c e s sw i t h t h es a m ea n n u a lo u t p u t s e v e r a lt e c h n i c a l p r o c e s s e s a r ep u tf o r w a r di no r d e rt os o l v et h e p r o b l e m s ，s u c h a sh i 曲e n e r g yc o n s u m p t i o n ，c r y s t a l l i z e rp r e c i p a t a t i o n f o u l i n g a n ds oo n e x i s t i n g i nt h e p r e s e n tb a t c hp r o c e s s o fn i t r i t e p r o d u c t i o n t h e s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o na n d a n a l y s i sc o n d u c t e d t ot h e s e p r o c e s s e s s h o wt h a tm u l t i - e f f e c tc o u n t e r c u r r e n t e v a p o r a t i o np r o c e s s w h i c hi n c l u d e sa f l a s h i n gc r y s t a l l i z e rb e f o r e t h ef i r s te f f e c ta n d p r e h e a t s e v e r y e f f e c tf e e d sb yt h ec o n d e n s e dw a t e r s e q u e n c em o d e lm e t h o d i sa p p l i e dt ot h es i m u l a t i o no ft h ep r o c e s si n o r d e rt os o l v et h ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h es i m u l a t i o no f e v a p o r a t i o n b y a p p l i c a t i o no ft h em e t h o d ，t h es i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o na r ee a s i e ra n d m o r ec o n v e n i e n t ，e s p e c i a l l yi nt h es i m u l a t i o no fc o m p l e xe v a p o r a t i o n w i t ht h eh e a te x c h a n g e ra n df l a s hc r y s t a l l i z a t i o n i no r d e rt om e e tt h e r e q u i r e m e n t so ft h es i m u l a t i o n ，t h er e l a t i o n b e t w e e nb o i l i n gp o i n t ，c o n c e n t r a t i o na n de n t h a l p yo ft h es o l u t i o ni s a c q u i r e db ye x p e r i m e n t s t h e d a t a a c q u i r e d f r o m e x p e r i m e n t s a n d l i t e r a t u r ea r e r e g r e s s e di n t oe q u a t i o n sn e e d e di nt h es i m u l a t i o n k e y w o r d ： s o d i u m n i t r i t e ，s i m u l a t i o n ，m a t h e m a t i c a l m e t h o d ， e v a p o r a t i o nc r y s t a l l i z a t i o n 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文巾小包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鲞盘鲎或其他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了谢意。 学位论文作者签名：弦去一圹量签字日期：m “j 年f 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂一有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盔鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：辟豸彳互导师签名：震f 羔堂 签字日期：二， 年月多日签字日期：加岁年，月弓日 第一章前言 第一章前言 亚硝酸钠是一种白色或稍带黄色的斜方晶系结晶或粉末，用途十分广泛，主 要为纺织物染色的助剂，丝绸亚麻的漂白剂，制造亚硝酸钾、硝基化合物、染料、 香料、橡胶助剂、化学试剂、药物、氧化氮，可用作金属处理剂、电镀缓蚀剂、 防锈剂、照相剂等。 生产亚硝酸钠最普遍而经济的方法是用碱液吸收含硝尾气，然后利用中和液 中n a n 0 2 和n a n 0 3 的溶解度不同，经分离得到亚硝酸钠。主要反应如下 2 】： n a 2 c 口3 + n o + n 0 2 呻2 n a n 0 2 + c 0 2 n a 2 c 谚十2 n 0 2 哼n a n 0 3 十n a n 0 2 早- 谚 中和液中亚硝酸钠和硝酸钠的质量比调控至约为8 1 5 ，经澄清过滤后采用 单效蒸发的方法，在1 2 9 1 3 3 下蒸发浓缩，使蒸发浓缩液中亚硝酸钠的含量达 到6 3 ，浓缩液再在结晶器中冷却至5 0 , - 一7 0 ，亚硝酸钠呈结晶析出。母液送出 用硝酸转化为硝酸钠。每制取1 吨亚硝酸钠消耗蒸汽约为3 0 0 0 k g , 1 】 由于结晶器需要周期性的进行结晶和溶疤操作，所以单效蒸发冷却结晶流程 一般采用间歇式运转。间歇单效冷却结晶生产亚硝酸钠流程劳动强度大，加热蒸 汽消耗量高，产品质量也受到工艺条件波动的不利影响。为克服上述缺陷，本文 欲探讨一种连续多效亚硝酸钠生产流程。 目前，国内对蒸发过程的模拟的研究有很多，对于常规的并流、逆流及冷凝 水闪蒸的蒸汽利用的多效蒸发也有人进行了研究，口 【4 1 但主要集中在简单多效蒸 发的工艺流程上，对复杂多效蒸发缺乏研究，特别是有结晶产生、冷凝水预热进 料等方面的模拟未见报道。并且对于多效蒸发的模拟计算方法存在着收敛性能 差，初值要求高等问题。本文提出求解蒸发问题的新的模拟及求解方法。 本课题对各种蒸发过程进行了模拟，编制了模拟程序，可以对亚硝酸钠的蒸 发结晶工艺进行优化，从而达到降低消耗的目的。 第二：章文献综述 第二章文献综述 2 1 蒸发器种类 2 1 1 循环形蒸发器【5 循环形蒸发器有自然循环式和强制循环式两种。主要结构形式有中央循环管 式、悬筐式、外加热式、列文式等。它们的共同特点是被蒸发溶液在蒸发器内不 断循环流动的同时，被加热蒸发，直至溶液浓缩到所需的浓度。循环推动力主要 是由循环回路中溶液的密度差产生或# l - d n 推动力。自然循环蒸发器具有动力消耗 少，应用范围广，制造、维修方便，操作弹性大等优点。但是，也有较大缺点， 不宜用于粘度大、易结垢物料的蒸发。 ( 1 ) ：中央循环管式( 标准式) 蒸发器 5 】 8 】 中央循环管式蒸发器的加热室由垂直管束组成，中间有一根直径较大的管 子，称为中央循环管。利用加热时受热程度的不同，溶液液体在加热管内被管外 蒸汽加热后，在上半部管内沸腾，所形成的汽液混合物密度小于循环下降管( 中 央管) 中受热较少的溶液，由于密度差而由中央循环管下降，其它加热管上升。 优点是结构紧凑、制造方便，缺点是循环速度低，总传热系数小。 ( 2 ) ：悬筐式蒸发器8 】 这种蒸发器的加热室悬挂在蒸发器壳体下部，溶液沿加热管上升而沿悬筐外 壁和壳体内壁向下做循环流动。循环速度约为1 1 5 m s ，优点是加热室检修更换 方便，缺点是结构复杂，单位传热面金属耗量大。 ( 3 ) ：外加热式蒸发器1 5 】 它的加热室安装在蒸发室的外面，加热管较长，循环管不用蒸汽加热，这样 可降低蒸发器的高度，加热室便于清洗和更换，溶液的循环速度较大，可达1 5 m s 。 ( 4 ) ：列文式蒸发器【5 】 它在加热室上部增设了沸腾室，将溶液的沸腾气化由加热室移到没有传热面 的沸腾室。蒸发器循环管截面积约为加热管总面积的2 3 倍，比一般自然循环管 蒸发器大，溶液流动时阻力小，循环速度大，传热效果好，能避免加热管表面结 晶和结垢。缺点是液柱静压强引起的温差损失大，制造成本高。 ( 5 ) ：侧沸式倒循环蒸发器 6 1 侧沸式倒循环蒸发器，是利用倒循环原理。在助推器作用下，产生较大的循 环推动力，使溶液沿加热管向下流动，经循环管上升，在上升的过程中，随液柱 静压力的减小，溶液逐渐沸腾，沸腾的气液混合物最后流回分离室进行气液分离， 形成与常规循环方向相反的循环倒循环。 第二章文献综述 ( 6 ) ：l 型蒸发器1 6 j 它是出卧式加热室与立式循环沸腾管组成，使蒸发器整体呈“l ”形，这种 蒸发器具有如下优点：( 1 ) 由于加热区受较大的液柱静压力，能确保加热管管壁 曲面层中的溶液不沸腾，从而减少结垢。( 2 ) 由于加热室水平放置，与传统的竖 直放置相比可提高蒸汽向管壁的给热系数，从而强化传热。( 3 ) l 型蒸发器与列文 式相比，可使设备总高降低，厂房高相应减少3 9 m ，节省建造投资。( 4 ) 运行 平稳可靠，与列文循环蒸发器相比，可省去助推器。 ( 7 ) ：立式双程自然内循环蒸发器【6 j 该设备曾用于一轻金属研究院中间试验厂铝酸钠溶液的蒸发，目前己正式投 产运行。这种蒸发器的特点是：( 1 ) 有足够的液柱静压力抑制加热区内溶液的沸 腾，从而防止铝酸钠溶液中的盐在加热室表面析出。( 2 ) 采用对称结构，使得操 作灵活、方便、稳定可靠。( 3 ) 启动、清洗、维修方便。 ( 8 ) ：强制循环式蒸发器【7 它的溶液循环是依靠泵的# l - 力n 动力，用泵输送液体，迫使液体以较高速度流 过加热元件，促进流动与传热、汽液分离等功能分开。循环速度为1 5 到3 5 米t 秒，循环截面积约为管总截面积的1 5 0 ，所以强制循环蒸发器的适应性较强。 但强制循环系统的造价较贵，并增加运转与维护的费用。 强制循环蒸发器的优点：传热系数大；抗盐析，抗结垢；适用性能好；易于 清洗。缺点：造价高，属循环型，溶液停留时间长，要承担泵的运行与维修费用： 泵轴不容易保持密封：为抑制加热区内汽化，循环液的平均温度较高，从而降低 了总的有效传热温差。强制循环蒸发器用在处理粘性、析出结晶；容易结垢或浓 缩程度较高的溶液；它在真空条件下操作的适应性很强。 2 1 2 膜式蒸发器 ( 1 ) ：升膜蒸发器【5 】 它的加热室由许多垂直长管组成，常用的加热管直径为2 5 5 0 m m ，管长和管 径之比约为1 0 0 - 1 5 0 。预热到饱和温度的料液送入加热室的底部，但这种被高速 汽芯带动的升膜流动必需在较强烈的沸腾条件下才能形成所以要求有较大的传 热温差。 - 这种蒸发器要求控制较严，加料分布、预热温度以及加热蒸汽压的波动，都 将影响成膜的稳定。把预热到饱和温度的料液送入加热室的底部，料液沿加热管 上升时，其温度因加热而上升。到约为管长半处开始汽化，汽化后的蒸汽集中 在加热管的芯部，以较高的汽速上升。携带溶液沿管壁呈膜状上升，并在此过程 中继续蒸发，故叫升膜蒸发。上升蒸汽的速度常压下一般为2 0 - 5 0 m _ s ，减压下 可达1 0 0 - 1 6 0 m s 。优点是设备紧凑，传热效率高，蒸发速度快，溶液在蒸发器 第二章文献综述 内停留时间短，有效温差较大。但加热管较长，要求厂房高，清洗不方便。 ( 2 ) ：降膜蒸发器【1 它与升膜蒸发器相同，它的加热室也是由许多垂直长管组成。主要区别是降 膜蒸发器的料液由顶部经液体分布装置，均匀的进入加热管内，在重力作用下， 料液沿管内壁成膜状下降进行蒸发。汽化不是在加热管的内表面，而是在强烈扰 动的膜表面出现，因此不易结垢。它的液体停留时间比升膜蒸发器短，但液膜分 布不易均匀。这种蒸发器消除了由于液柱静压引起的有效传热温差损失问题。蒸 发器的压降也很小，在低温差下有较高的传热速率，宜于用在多效蒸发系统之中。 ( 3 ) ：升一降膜蒸发器1 8 1 它是将升膜和降膜蒸发器装置在个外壳中，原料液由蒸发器底部进入，经 过升膜加热式蒸发器，再经降膜式蒸发器下降蒸发。它可用于溶液粘度在浓缩过 程中变化大或厂房高度有一定限制的场合。 ( 4 ) ：刮膜薄膜蒸发器h 刮膜薄膜蒸发器，又称旋转薄膜蒸发器或搅拌薄膜蒸发器，是由上部的驱动 部分和下部的蒸发浓缩部分组成，内冷式旋转薄膜蒸发器下部还有内部冷凝器部 分。驱动部分由电机一齿轮减速器或电机一带轮减速器组成，上部和下部的轴封 处采用双面机械密封来保证设备的密封性；蒸发浓缩部分由带夹套的蒸发简体和 转子组成。转子带分布器、捕沫器、主轴、沟槽刮板及支架等结构：内部冷凝器 是一个从下部安装到蒸发圆筒中心的竖直多程管束。 刮膜薄膜蒸发器按其安装形式可以分为立式和卧式两种。立式薄膜蒸发器是 竖直安装的，物料自上而下流过蒸发圆筒体。而卧式薄膜蒸发器指蒸发器主体水 平安装，物料在水平方向上通过蒸发器蒸发表面。 刮膜薄膜蒸发器具有如下特点：蒸发效率高，宽广的粘度加工范围，可以 处理高粘性液体，出口物料对进口物料的粘度比可达1 0 0 0 以上；停留时间短， 物料在加热区内停留时间短，物料的热分解和热缩聚反应较少，所以适宜处理热 敏性物料：可消除结焦、结垢；生产能力调节幅度大，其能力可达到设计能力的 1 0 ：在蒸发区设备的贮液量低，操作方便，产品指标易控制，可以实行自控。 从刮膜薄膜蒸发器的以上特点来看，其特别适用于处理高粘度、高沸点和热 敏性物料，也可以用于含有微量固体颗粒的溶液，或在蒸发过程中有微量结晶产 品出现的过程。刮膜薄膜蒸发器一般用作制药、轻工、食品、石油、化工等工业 中的蒸发浓缩蒸馏设备。 2 1 、3 板式蒸发器 板式蒸发器是一种高效、紧凑的新型蒸发设备，1 9 5 6 年英国a p v 公司正式 开始生产并使用。当时，主要用于明胶蒸发及食品加工行业，目前已广泛应用 4 第二章文献综述 于石油、化工、医药、造纸、海水淡化等行业。 2 1 3 1 升降膜式板式蒸发器j 1 ：四流道单元的升降膜式板式蒸发器 a p v 公司开发制造的板式蒸发器是这一类型的典型代表。它以并排的四个 流道为一个单元，整机由若t 二个单元加首尾两端板构成，是一个升膜蒸发和降膜 蒸发相结合的蒸发装置。物料进入第1 流道时沿传热表面上升，进行升膜蒸发， 然后，流入第3 流道，白上而下地在传热表面上进行降膜蒸发，并排出二次蒸汽 和浓缩液至汽液分离器。2 、4 流道分别为蒸汽冷疑放热的流道。在实际装置上， 每一流道的两板之间都有特殊结构形式的垫圈，将相邻两侧的不同物料互相隔 开，并起到密封作用。 这种板式蒸发器与普通蒸发器相比，具有结构更紧凑和单位体积的传热面积 较大等特点，其传热系数达2 o 3 0 1 0 , v m 2 k ，很适宜于真空作业、多效蒸发 和热敏性物料的浓缩。 2 ：二流道单元的升降膜板式蒸发器 该蒸发器是由日本日版制作所生产的，与a p v 公司的产品相比，其原理类 似但结构有所改变，其不同之处在于它的一个蒸发流道中左右方被分成升膜和降 膜两个部分，原料在一个流道内完成升、降膜蒸发过程。因此，一个蒸发流道和 一个加热流道组成一个单元，若干个单元加上端板组成了二流道单元的升降膜式 板式蒸发器。该蒸发器的操作性能和用途与四流道单元的升降膜式板式蒸发器大 致相同。 2 1 3 2 降膜式板式蒸发器 降膜式板式蒸发器的开发是板式蒸发器的一个新进步。它剔除了升膜部分， 减少了物料在蒸发器内的停留时间，因而非常适用于热敏性物料的蒸发和多效蒸 发。由于降膜式板式蒸发器没有升膜部分，因而料液在蒸发流道内的分布就成了 操作过程中影响传热的关键因素。实验结果证明：小孔节流和料液温度、喷淋密 度等都是影响该类蒸发器正常运行的重要因素；另一方面，与列管式降膜蒸发器 相比，其喷淋密度要小得多。 2 1 33 料液循环型板式蒸发器 在标准型蒸发器和强制循环型蒸发器操作原理的基础上，板式蒸发器技术也 获得了进展，在日本就有外循环型板式蒸发器和自然循环( 内循环) 型板式蒸发器 的专利申请。 l ：外循环型板式蒸发器 该类型蒸发器的蒸发流道和加热流道互相错列设置，与二流道的板式蒸发器 基本相同。不同之处是蒸发器有一与蒸发流道连通的外循环管，操作时在蒸发通 镐二章文献综述 道内充满了被蒸发物料，其物料通过外循环管进行循环操作。这种蒸发器也可称 为外循环充液型板式蒸发器。 2 ：自然循环( 内循环1 型板式蒸发器 与外循环型板式蒸发器不同，此处所述的自然循环型板式蒸发器没有供料液 循环的外循环管，料液的循环是在板式蒸发器内部完成的。另外，它的板片之间 也不充满液体，但在蒸发器的下部有一定数量的料液。 2 1 3 4 板片内置型板式蒸发器 以上所述的各种类型的板式蒸发器在生产场合一般都需配置汽液分离器，以 除去二次蒸汽雾沫中夹带的料液。板片内置型板式蒸发器将板式蒸发器置于卧式 筒体内部，使蒸发器和汽液分离器合为一体，从而在结构上更为紧凑。下述的两 种型式就是这类板片内景型板式蒸发器的典型实例。 1 ：四流道喷射型板式蒸发器 该类型蒸发器主要由两种板片一传热板和喷射板组成，若干这样的板片按 一定顺序排列，便形成一个具有一个加热流道、两个蒸发流道和一个料液喷射流 道的工作单元，若干单元在一个卧式圆筒容器内沿轴向排列就组成一台四流道喷 射型板式蒸发器。剖析该蒸发器的一个单元，就可看到，在每两块板之间都有各 种不同形状、起不同作用的密封垫圈，以此将加热载体、原料液、浓缩液和二次 蒸汽按其各自不同的去向隔开，并形成料液喷射流道。 2 ：带有冷凝器的板片内置型板式蒸发器 与上例四流道喷射型板式蒸发器不同，它除了在简体内有蒸发器外，还置有 一个板式冷凝器，且蒸发器和冷凝器都是一个两流道型的板式结构。本装置中蒸 发和冷凝两部分在筒体中由隔板沿轴向隔开，板片在隔板两侧沿轴向顺序排列。 蒸发器中加热流道和蒸发流道交错排列设置，加热介质进口和出口设置在板片的 对角( 在蒸发板和传热板之间分别由不同形式的垫圈) 将这两种流道内的不同介 质隔开。原料由进口进入蒸发流道，通过吸收热量蒸发，加热介质在加热流道内 放热后从出口排出，二次蒸汽经除沫器流入冷凝部分。在冷凝器中，二次蒸汽的 冷凝流道与冷却水流道亦为互相交错排列设置，冷却水进口和出口也对角设置： 两流道之间配以不同结构形式的垫圈，使两侧不同的物料互不接触并起到密封作 用。二次蒸汽冷凝流道与简体内的空间相通。 这套装置在强化传热过程中具有如下几个显著特点： ( 1 ) 本装置中，不论是蒸发器还是冷凝器，其冷、热流体均为逆向流动，从 而使整个传热过程始终都在良好的状态下进行。 ( 2 ) 蒸发器中蒸发通道的截面积较小，料液在纵向流动时有较高的流速，且 达到湍流流动状态，强化了传热、保证了蒸发器有较高的传热系数。 6 第二章文献综述 ( 3 1 在冷凝器的板片上，挚圈的设置保证了二次蒸汽全部冷凝为清水，从而 防止了蒸汽短路、直接从真空排气口排出。 ( 4 1 不凝性气体通过真空排气口抽出，使冷凝器提高了传热系数。 2 1 4 气液固三相循环流化床蒸发器 循环流化床因其具有两相接触率高，生产能力大，强化传热，可处理粘性物 料及适用于快速加工工艺等特点，在石油、化工、轻工、动力、能源、食品、医 药及环保等领域得到了广泛应用。作为多相流态化技术和防、除垢技术相结合的 液一固流化床换热器的开发始于本世纪7 0 年代初，并已应用于海水淡化过程以 及结垢较为严重的加工工业领域中【l ”。2 0 世纪8 0 年代末期以来，将多相流态化 技术推广应用于结垢更为严重而且应用更加广泛的蒸发沸腾换热过程逐渐成为 研究热点之一，但由于该相变过程的复杂性，对过程的研究还较为初步。天津大 学的陈健生、李修伦、张少峰、林瑞泰对已开发的汽液固三相循环流化床蒸发器 的强化传热和防、除垢性进行了研究，并对其机理进行了探讨【1 3 j 。 三相循环流化床技术具有明显的强化传热和防垢效果，可以应用于众多产 业部门中的蒸发、沸腾换热过程。如蒸发器、再沸器、各种换热器以及重力热管 和蒸汽锅炉中的强化换热和防垢。此外，目前对于多元物系两相流动沸腾传热的 研究有一些报道，学者们采用不同物系进行了研究，得出的一致结论是，与一元 物系相比，多元物系的流动沸腾传热系数明显下降，在这种流动沸腾传热系数较 小的情况下，显然就更有必要采用三相流技术，但这方面的研究末见进一步的报 道。另外，多相流技术在传质领域中也有广阔的应用前景。固体粒子的加入可促 使加热壁面温度降低，相对降低了设备的热负荷及物料对设备的腐蚀程度【1 4 】。 2 2 蒸发过程的模拟及优化的研究 2 2 1 多效蒸发模拟的研究 多效蒸发是节约蒸发过程所需生蒸汽的一个十分有效的手段。随着企业对蒸 发节能的要求提高，多效蒸发系统大多采用了抽汽预热、冷凝水闪蒸等节能措旎。 抽汽预热是抽出一部分生蒸汽对原料液进行预热，提高进入蒸发器溶液的温度。 冷凝水闪蒸则是各效蒸发器加热蒸汽的冷凝水闪蒸产生蒸汽与该效二次蒸汽一 同进入下一效蒸发器。对于上述蒸发过程的模拟，文献已经进行了较多的研究。 原则上讲，对多效蒸发过程的模拟问题，是指对各效分别应用质量衡算、热 量衡算、传热速率和相平衡方程，联立即可得系统模拟的数学模型，求解这一模 型即完成了过程模拟。然而，由于方程的强非线性、方程数目较多( 随效数增加 而增加) ，数学上求解这一组非线性方程存在困难。 o d e n 介绍了用图表计算多效蒸发的方法【”1 ，这一方法快捷，但在获得浓度 第二章文献综述 方面有困难，从而会引起较大误差。同时该文指出，如果每天坚持画曲线，通过 曲线比较即可迅速啥断泄漏结垢等问题。 b a d g e rw l 和w lm c c a b e 【1 6 利用温度校正迭代的方法对简单多效蒸发 的设计问题进行了模拟求解，并给出计算程序，但没有涉及沸点升高的计算。 r a d o v i c 指出【”】：稳态模拟对过程设计和现有系统分析非常有用，它亦是非 稳态分析和优化的基础。针对制糖工业，作者应用n e w t o n - - r a p h s o n 方法设计 了一个新的蒸发系统，分析了系统特性。指出试差设计常忽略沸点升高和溶解热 对浓度的依赖，这常会引起较大的误差；以及抽汽对溶液浓度、生蒸汽消耗、传 热面积有很大影响，存在一个最佳抽汽量；使用不同传热系数表达式，得到的传 热面积相差很大。 l a m b e r t 和k o k o 指出 1 9 】，用计算机模拟多效蒸发问题，通常的困难在于 收敛与稳定，涉及复杂的数值分析。解多效蒸发模拟通常有两种方法，即非线性 数值方法与把非线性方程简化成线性方程的方法。作者将非线性方程简化为线性 方程，从而可用任意的线性解法求解，并认为该法稳定、精确、适应性强、不需 要收敛加速技术，对初值不敏感，可用于等面积设计或优化设计。然而，这罩介 绍的线性化方法可能会在线性化过程中产生较大误差。 b a n v o l y i 对五效铝液蒸发系统 2 0 】，应用g a u s s - - n e w t o n - - m a r q u a r d t 方法评价 了计算机模型的未知参数，运用有限差分分析了参数的敏感性，模拟了多效稳态 蒸发系统。 s t e w a r t 和a y a n g b i l e 对并流、逆流及其它流型的多效蒸发进行了稳态模拟 口1 1 2 ”，考虑了热回收，运用布尔矩阵分解单元，建立了通用的模拟算法。 n j s h i t a x f i l 2 ”对一个与喷射冷凝器、热交换器相连的单个蒸发装置，考虑了抽 汽预热，系统的操作条件，针对投资成本与能量消耗的权衡，运用多目标优化法， 通过全枚举，分析了蒸发系统的能量和资源消耗，但其计算量极大。 s l o t a 分析了蒸发器物流间的热交换作用1 2 4 ，指出使用热回收没备( 如热交换 器、闪蒸) 可节约能源，但该文的热回收模型中没有包括过程流，无法预测对设 备要求的下限。 c r o w e l l 悼圳运用n e w t o n - - r a p h s o n 迭代法对六效黑液蒸发过程进行了模拟， 通过传热系数的再估算，蒸发面积的调整，使装置的处理量增加，但经济性有所 下降。 h o l l a n d 给出了用n e w t o n - - r a p h s o n 迭代法解决多效模拟问题的方法( 2 6 】，通 过解严格的数学方程组可解决多效蒸发模拟问题，但该法对初值要求甚严，常导 致发散。胡琳娜、刘智勇、陈志川以电解烧碱液三效并流部分强制循环蒸发为例 睇“，采用n e w t o n - - r a p h s o n 迭代法进行计算，作了很大的简化，该法对初值有 第二章文献综述 一定的要求。 s c h w e i t z e r 运用反向合成技术 2 8 1 ，减少或忽略许多变量或可能的依赖关系， 该法能迅速判断已有信息是否足够解决问题，运用这一技术还设计了一个两效蒸 发器。 s h e w c h u k 提供了一个黑液多效蒸发模拟程序【2 9 1 ，该程序具有一定通用性， 能分析、优化现有装置，是工程师迅速模拟黑液蒸发操作的工具。但是该方法存 在着一定的偏差。 h o e k s t r a 给出了一个制糖多效蒸发的计算机模型【3 0 1 ，它能推算每效性能和传 热系数，该程序具有一定通用性。 舒其茂提出了多效蒸发复杂流程的倒卷算法。用此法尝试了不等面积求解， 该方法引入了网络分解合成技术；李鹤延针对不考虑沸点升高的蒸浓，对无闪蒸 无抽汽的三效n a o h 蒸发系统编制了程序。 周亚夫以三效并流蒸发为例，对无抽汽、闪蒸的系统，用n e w t o i 广r 丑p h s o n 法解非线性方程【3 ”，由于方法本身的局限，要求所给初值必须足够接近真实解； 刘玉军以并流多效蒸发流程为对象，用b r o d e n 方法对无抽汽、无闪蒸的三效糖 液蒸发系统进行模拟【3 2 1 ，b r o d e n 法对初值要求比n e w t o n - - r a p h s o n 法略低。 谭学富、王红心、秦忠顺【3 3 1 采用严格的b r o d e n 方法对三效并流蒸发进行了 模拟计算，收敛性能较好，初值的要求有所降低。但对复杂蒸发系统模拟计算收 敛性能不好。 g e o r g er o s s 编写了求解简单多效蒸发的程序【3 4 】，并给出了三个多效蒸发求 解的例子，但没有给出复杂多效蒸发过程的模拟。 2 2 2 多效蒸发系统优化设计的研究 多放蒸发系统的优化设计主要是根据已知的料液流量、温度、浓度、生蒸汽 压力和最终冷凝器中的压力，在选定的目标函数下，优化效数、参数分布、生蒸 汽耗量、传热面积。与模拟相似，多效蒸发过程优化也由于方程数量过多、强非 线性，数学求解上存在一定困难。 b o n i l l a 首先提出多效蒸发优化设计的概念【”】，作者在总面积的表达式 2 , 4 = e q u a t 中，假定q 和u 为常数，则z a = f ( a t ) ，而求翻的最小值。当各 效爿出相等时，得到最小的总面积。如果以一次投资成本或年度固定资本为目 标，亦可得到类似结论。 r e i n h o l d 指出p ，在选择最优效数时，通常使效数变更，详细计算总成本， 然后以总成本最小时的效数为最优效数。但在最初阶段，由于没有最终设计，所 以要采用简化方法。主要的操作费用取决于蒸汽消耗量，年度化的总成本等于年 度化投资与操作费用之和，一个多效蒸发器的年度化固定投资近似正比于效数的 第二章文献综述 o 7 次方。效数最佳时，总的年度化成本最小。该文最后引入价格因子，利用所 给的水溶液蒸发的效数与价格因子来确定最佳效数。 k o h l i n s 分析了蒸发器设计中的价格因素【3 7 、效数、制造、流程和操作条件、 热回收，合理确定这些因素可使成本降低。 i t a h a r a 应用动态规划于简单多效蒸发系统的设计1 3 8 ，决定最小传热面积、 最佳效数，给出了精确和简化的动态规划设计方法。精确的方法要求复杂的方程 转换和大的计算机内存：简化方法则减少了对内存的要求。 s h e r w o o d 在有抽汽预热和冷凝液利用的情况下【3 9 ，假定蒸发器面积和热交 换器中的温度关系，从而使热交换器面积、抽汽率、生蒸汽量被唯一确定，但这 一方法对给定情况不一定能得出最小的成本。 i t a b a r a 又将动态规划应用于复杂多效蒸发系统【4 ，这时由于预热对蒸发可能 的反馈作用，使得精确的动态规划更为困难。他认为每效抽汽量大体相等，与温 度无关，选温差为设计变量，认为传热系数是温度的线性函数，蒸发潜热为常数， 沸点升高是浓度的线性函数，进行不等面积优化时，目标函数取为面积最小或能 耗最小，这个方法给出的结果与等面积设计十分接近，实际没有考虑抽汽作用。 r a m a k r i s h n a 通过蒸发器的投资成本和蒸汽成本间的权衡【4 ”，使总成本最小， 得出最优的效数。这里通过引入两个与进料方式及一次投资有关的人为参数得到 了一个估计最优的效数的简便公式。 n e w e l l 针对两效蒸发系统【42 1 ，认为目标函数= 生蒸汽价+ 效间泵价+ 循环泵价 + 真空泵价，用分解协调的方法将该优化分解为两层，优化现有两效系统的操作 参数，优化方法使用复合形法和惩罚函数法。 n i s h i t a n i 扩充了h o l l a n d 的模型【4 3 】，决定了直到2 0 效的多效蒸发的最优流 型，将多效流型最优当作一个矢量最优问题，提出了解各种流型的设计优化算法， 对所有流型用全枚举解最优流型，此方法计算量太大( 需模拟n ! 个流程) ，且没有 考虑闪蒸与抽汽。 h i l l e n b r a n d 和w e s t e r b e r g 将l i n n h o f f 的换热网络合成技术用于进行多效蒸发 系统的合成 4 ， 使得蒸发系统对运行费的要求能确定出来。该法假定了等沸点 升高，忽略了浓缩热，这样的合成技术也许能得到最小能耗，但因管线布置复杂 化，使安装、操作、维护均不方便。 w e t h e r h o m 针对纸浆黑液蒸发【4 ”，定义蒸发器的优化为：用最小的能耗及最 d , 雕j n 染，从稀黑液中蒸出最多的水。文章通过分析已有蒸发系统的优化问题， 给出了优化步骤，使用热平衡分折法分析操作优化，根据操作优化分析，可以得 出污垢结集程度、结垢速率等。 b h a t t 应用展开操作法优化多效蒸发系统“1 ，认为它比动态规划简单，得到 第二章文献综述 的结果与i t a h a r a 的结果具有可比性。 h a r r i s o n 建立了一个通用的数学模型【4 “1 ，能计算由于结垢而失去工作能力的 黑液蒸发器的最优的水烧蚀次数。m a h a d e v a n 通过结构与操作的改造【4 s l ，提高黑 液流动性、蒸发效率、减少生蒸汽量。k u e r b y 通过三种计算方法【4 ，评价蒸发 器的最优参数，通过优化设计实现节能。w i n k l e r 5 0 1 讨论了氯碱多效蒸发器讨 论了初投资与生蒸汽经济性随效数变化的关系，指出选择氯碱蒸发器应基于进料 方式、电解系统型式、冷却水供应方式、环保等条件。 k o i v o 给出了黑液蒸发七效系统的动态模拟的迭代模型【4 9 1 ，研究了过程变化 和控制策略对经济和蒸发动力的影响。f i n k e l s t a i n 在一定的假设和前提下 ”1 ，从 经济角度比较了多效蒸发与蒸汽再压缩的单效蒸发，以决策采用何种蒸发方式从 而优化蒸发系统的运行。n i s h i t a n i 5 3 在可用能消耗和设备基础上研究了过程中的 能量和资源守恒，建立了一个投资最小和可用能消耗最小的两目标优化问题，但 这里的两目标优化实质仍为年度化总费用最小的单目标函数。 卢赤杰在分析多效蒸发过程工艺参数间相互关系的基础上【” ，给出用经济分 析法求最佳效数和各效最佳工艺设计参数的数学模型，用变量轮换叠代搜索确 定最佳工艺参数。 吴席信通过对年总费用的简化【5 ”，建立了估算不同情况下适宜效数的数学模 型。戴惠良通过对各项费用的简化 ”】，给出了最佳效数的计算公式。 罗臻运用热经济优化理论，对黑液回收的并流简单五效蒸发系统进行了优化 设计【5 7 】。杨山、蔡勇利用了系统规划和计量经济学的思想方法58 1 ，用变量交替 修正搜索法和可行性线平行搜索法分别求最小蒸发面积与最小加热蒸汽消耗两 个问题，然后协调此两个问题求整体优化。 2 2 3 多效蒸发模拟研究的现状 通过文献追踪发现，针对多效蒸发系统设计的模拟主要采用试差法和非试差 的n e w t o n - - r a p h s o n 类方法。已见于报导的多效蒸发的模拟大多针对简单多效 蒸发系统及冷凝水闪蒸，未涉及蒸发过程中有结晶产生的操作，及溶液闪蒸结晶、 冷凝水预热进料等，有的甚至忽略沸点升高。尤其国内开展的工作，对复杂多效 蒸发系统，少见对其模拟的全流程研究。 有鉴于多效蒸发系统模拟与优化存在的问题，本文对包含有冷凝水预热进 料、蒸发结晶、溶液闪蒸的蒸发系统的模拟进行了全面系统深入的研究，得出了 一些结论。 2 2 4 热泵蒸发的研究f 75 “6 0 “1 1 蒸发产生的蒸汽的流量与加热蒸汽量相差无几，只不过它的温度与压力比加 热蒸汽低。如果能够采取一定的手段提高二次蒸汽的压力，则其饱和温度也相应 第二章文献综述 提高，于是就可以用将压力提高后的蒸汽代替新鲜蒸汽，重新用来加热。 热泵技术以消耗一部分高质能( 机械能、电能) 或高温位热能为代价，通过 热力循环，把热能由低温位物体转移到高温位物体。它能够有效的回收低温位余 热，达到高效节能的特有的优势。 蒸发器产生的二次蒸汽作为低温位的热源，其温度为t 。；而所需的加热蒸 汽就是高温热源，其温度为tm 。高低温热源的温差为t 自一tm ，也就是蒸发器加 热室的名义传热温差( 包括有效传热温差与沸点升高等温差损失) ，在蒸发中采 用热泵技术的条件是非常优越的，可以得到较高的供热系数。 热泵蒸发中，蒸汽是热泵循环的工质，可以采用热力喷射泵或者机械式压缩 机来提高二次蒸汽的压力。 热泵主要有蒸汽压缩式热泵和蒸汽喷射式热泵( 吸收式热泵) 。 ( i ) 压缩式热泵 它以高质能( 电能、机械能) 为代价而致热。即使具有低温位热能q 。工质 通过压缩机压缩吸收外功w 后而得到满足需要的高温位热量q ；。 标志节能效果的制热系数，口为 d ：重墨塑壹塑篁垫量：盟：里巡 7 消耗的外功 缈 如果热泵为可逆卡诺循环，则制热系数应为最大，即 2 去 实际热泵循环不可能做到完全可逆卡诺循环，因为过程必然存在着各种不 可逆损失，在进行有效制热系数纯计算时，应引入一个工作有效系数玑。有效 制热系数纯的大小取决于仉、和，= 一。仉和很多实际因素有关，如 换热设备的温度端差、热力循环方式、压缩机的选型与构造，工作状况容量大小 等a 上面所谈到诸因素又大部分与工质的物理及化学性质有关。叩，大致在0 4 5 0 7 5 之间。 蒸汽再压缩蒸发装置是将蒸发器与蒸汽压缩机联合起来的一种节能装置。就 是把二次蒸汽经过压缩机的压缩，提高压力、温度和焓值，然后把压缩后的蒸汽 送回到蒸发器的加热室中，作为加热蒸汽去蒸发料液。加热蒸汽释放出潜热后凝 结成水，被加热的料液吸收其潜能变成蒸汽。这样以少量的高质能( 电能、机械 能) 通过热泵蒸发装置把大量的低温热能转化为有用的高温热能加以利用，从而 节省了大量的热量。 ( 2 ) 蒸汽喷射式热泵 2 第二章文献综述 这种热泵以高温位热q 。为代价，通过吸收式热循环装置( 通常采用喷射器) 把低温位热幺的温度t 提高到用户所需的热位巨 需。 甲代表吸收式热泵的能量利用指标的制热系数。即： v ：盟 q 从热力学上看，蒸汽喷射热泵可认为是在高温热源( 乃) 与低温热源( t ) 问工作的提供高质能的压缩式热泵装置。如图2 1 所示 喷 图2 - 1 蒸汽喷射式热泵 f i g 2 - 1s t e a m j e tp u m p 理论上的制热系数可从热力学定律推得。设整个喷射式热泵装置是可逆过 程，按热力学第一定律： q + 鲮一o = 0 按热力学第二定律： s 系统+ a s 环境= 0 喷射装置系统熵增s 系统 旦t 鲁一i q l o o 扯勘似蜘硝x 2 苦2 矗+ 半砜半 由式可以看出，互乏至是在巧与t 间工作的卡诺热机的热效率，恒小于1 所以妒。 ，。f 月 的条件下，采用热泵技术才是经济的。 2 3 亚硝酸钠的- | 生质与生产工艺 2 3 1 亚硝酸钠的性质 亚硝酸钠是一种白色或稍黄色的固体结晶或粉末，2 04 c 相对密度为2 1 6 8 。 熔点2 7 1 ，微有成昧，易潮解，易溶于水和液氨，其水溶液呈碱性( p t l = 9 ) ， 微溶于无水乙醇、甲醇、乙醚，常温下在空气中氧化极为缓慢，加热到3 2 0 。c 分 解放出n 2 、0 2 、n o ，最终生成n a 2 0 。 2 3 2 亚硝酸钠与硝酸钠在水中的溶解度 表2 - 2 各温度下n a n 0 2 一n a n 0 3 h 2 0 体系溶解度 液相( 1 0 0 克h 2 0 中的克数) 0 2 1 5 2 固相 n a n 0 3n a n 0 2n a n 0 1n a n 0 2n a n 0 3n a n 0 2 0 07 3 0o 08 4 7 5 o o1 0 8 8n a n 0 2 1 9 06 85968 1 16 71 0 7 9n a n 0 2 3 6 36 7 12 3 57 9 7 2 0 61 0 4 3 n a n 0 2 3 087 3 83 4 51 0 1 8 n a n 0 2 4 3 29 9 5n a n 0 2 6 2 69 8 0 n a n 0 2 4 1 ，76 4 。95 4 97 3 18 2 09 7 8 n a n 0 2 + n a n 0 3 4 6 85 0 35 6 76 4 28 8 o6 52 n 州0 3 5 5 43 0 26 2 84 6 89 294 4 2 n a n 0 3 7 4 ，2o o7 472 1 61 0 l42 7 2 n a n 0 3 8 9 3o o1 0 9 01 47 n a n 0 3 1 1 8 o0 0 n a n 0 3 第二章文献综述 液相( 1 0 0 克h 2 0 中的克数) 6 5 8 1 9 2 1 0 3 固相 n a n o ，n a n 0 2 n a n 0 1 n a n 0 2 n a n 0 3 n a n 0 2n a n 0 3n a n 0 2 0 o1 2 0 7o 01 3 7 1o o1 4 9 7o 0 0 o1 6 6 on a n 0 2 3 4 81 1 1 53 8 81 2 5 72 3 61 4 1 23 3 21 5 3 3n a n 0 2 6 2