真空制盐蒸发结晶器的设计与实践.docx

真空制盐蒸发结晶器的设计与实践罗大忠!自贡市轻工业设计研究院四川自贡 3$#摘 要#真空蒸发制盐外热式强制逆循环轴向出料蒸发结晶器$经多个厂家生产应用实践证明是成功的$具有生命力的% 这种新型结构$作为一项新技术新设备应加强研究$总结提高$推广应用$不断完善 文 章从流体力学&结晶机理角度要求$到具体工程设计参数和材质选用$论述了该罐的特点关键词真空制盐!蒸发结晶器!结晶机理!罐型结构!设计参数!材质选用中图分类号!(%文献标识码!)文章编号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前 言蒸发和结晶是重要的化工单元操作过程在真空制盐行 业中处于关键地位并起主导作用$ 目前我们所采用的蒸发结 晶器是在原始蒸发装置的基础上发展起来的它不再是仅仅 为了强化传热及蒸发能力而获得产品同时更主要的是以提 高结晶产品的质量和粒度为目的$ 所以说传热及蒸发是为结 晶产出合格的产品创造条件和环境$ 在传热蒸发过程中 严格控制料液的过饱和度以及晶核的形成和成长环境产出合格的结晶产品这是蒸发与结晶相结合的原理方面向前迈进 了一大步$蒸发结晶器的沿革盐的生产主要是通过对卤水进行加热使其蒸发浓缩结 晶析出固体 (B%H 的过程$ 随着社会发展和科学技术进步盐 作为人们食用所占比例 越来越小而是大量作为基础化学工+图 !蒸发结晶器简图!外热式强制正循环切向进料蒸发结晶器!#外热式强制正循环轴向进料蒸发结晶器!$外热式逆循环径向出料蒸发结晶器!%外挂式逆循环轴向出料蒸发结晶器作者简介罗大忠(&()$男$四川峨眉山市人$高级工程师$原副总工程师$长期从事盐化工及真空制盐工程设计与研究工作%!#年 ! 月第 期 ,罗大忠!真空制盐蒸发结晶器的设计与实践业和其它工业部门的原料! 盐的品种由古老的雪花盐筒盐锅巴盐#发展到今天的各种特殊要求用途的特种盐! 制盐设 备 也 由 古 老 的 作 坊 式 手 工 操 作 的 园 锅 镶 锅 小 方 锅 小 平 锅大平锅# 至近代制盐工业用的内热式强制循环$ 标准式% 蒸发结晶器和现代外热式强制正循环$又分为切向进料和轴 向进料两种% 蒸发结晶器及外热式逆循环$ 分为径向出料和 轴向出料两种%蒸发结晶器! 这也是目前制盐企业应用最多 的蒸发结晶器$如图 & 所示%! 若为了获得粒径更大的结晶盐 可在上述蒸发结晶器上增设奥斯陆$()$%育晶器! *&+&, 型 育晶器或倒园锥型育晶器# 这样可获得粒径在 &- 至数毫 米的结晶盐产品!式中(!/* 溶液的过饱和度$# . /%/&* 溶液在同一温度下的平衡饱和浓度$56)7/1* 溶液的实际过饱和浓度856)7!要使结晶成长# 必须使溶液达到 过 饱 和 # 并 控 制 在 介 稳 区内#溶液的过饱和度完全用于晶种成长而消失! 在实际的 运行过程中溶液的实际过饱和度远比其最大 的 过 饱 和 浓 度 低 ! 一 般 情 况 下 溶 液 的 实 际 过 饱 和 浓 度 !/ 值 宜 控 制 在&%9!56) 左右#为最大过饱和浓度 !/-.: 的 &!;!/3/14/&$56)7) ) ) ) ) $,%图 各种温度条件下盐晶成长速度与过饱和浓度的关系() !#$% &! #$%罗大忠!真空制盐蒸发结晶器的设计与实践#$!$# 溶液中的杂质浓度及悬浮物的变化!在相同的温度条件下溶液中杂质含量及悬浮物增加则溶液浓度增高# 溶液 粘度上升溶液的扩散速度下降晶体的成长速度也减小#$!$% 晶体在蒸发结晶器内停留时间! 根据溶液中 &() 的 成核速率与产品排出速率基本一致&() 晶体的成长速率和 产品粒径的要求 从而确定晶体在蒸发结晶器内的 停 留 时 间# 据资料介绍产品平均粒径*$%+ 时其停留时间应在 , 小时以上# 晶体生长速率公式如下$按球形计%!空间排出的二次蒸汽体积 当分离空间高度确定时 其 蒸 发室直径按下式计算#:. !;300$0( ( ( ( ( (=%;/ 二次蒸汽体积流量)+ 46%5#0/ 允许蒸发体积强度 ,7,*,78+#4+#06)有学者建议取 7?*,7#+#4+#06%,$/ 圆周率-%7,7! 质 量 速 度 法/ 单 位 时 间 内 单 位 蒸 发 表 面 积 允 许 蒸 发水分量计算出蒸发室直径 :-. /! #0$123+!4$00式中!,/ 蒸发室直径)*%,;/ 蒸发室蒸发水分量 124,=+( ( ( ( (=8循环溶液流量!当加热蒸汽量一定时循环溶液流量和#7!$8溶液的过饱和度成反比的函数关系而循环流量又确定了蒸发结晶器各部位的流速大小 速度大又引起晶体之间. 晶体 与器壁之间的碰撞加剧致使晶体破碎成二次晶核的可能性 增大对产品粒径影响也很大因此要有适当的流量#0/ 允许质量速度 !8*?124+!0-末效取下限,$/ 圆周率-%7,7# 近似比例法/ 将蒸发室分离空间看作汽液分离器分离器直径 : 按下式计算-盐浆浓度! 指参加循环料液中的晶 体 浓 度 又 叫 固 液#$!$/比 在其它条件一定的前提下 盐浆浓度高则蒸发结晶器内晶体的保有量多# 晶体停留时间增长有利于料液过饱和度的 消除和晶体成长# 但盐浆浓度过高晶体之间.晶体与器壁之 间碰撞机率增多 晶体被破碎成二次晶核的机率也多 对晶 体成长也不利 所以应控制适当的晶体浓度才行 一般的固 液比控制在 !9左右为宜#% 现代蒸发结晶器的设计与实践设计是科研实验和生产实践的桥梁和纽带# 工程设计不 能是简单地照抄照搬前人原有的图纸.资料和成果盲目.机 械的加以缩小或放大# 设计要结合国情是一项切合实际的 创新性劳动# 创新是设计的灵魂与推动力# 要创新必须迎接 风 险 和 挑 战 必 须 实 事 求 是 善 于 总 结 前 人 的 经 验 . 有 所 发 现.有所改进.有所提高设计才能做到技术先进.经济合理. 安全适用.达到提高经济效益之目的#我 国 制 盐 行 业 目 前 普 遍 采 用 的 蒸 发 结 晶 器 罐 型 如 图 , 所示的四种为主# 它们主要由蒸发室.加热室.上下循环管. 循环泵及盐脚组成一个功能完善的罐型整体# 要求 结 构 合 理.符合流体力学原理 做到系统阻力小 动力消耗省 传热 效率高蒸发强度大汽液分离效果好能满足盐晶成长所需 的条件和环境产出合格的产品# 根据系统物料平衡和热量 平衡计算结果及相关经验数据来确定蒸发结晶器各 组 成 部 分的相关尺寸和参数# 现分述于下#%7, 蒸发室直径及分离室空间高度%7,7, 蒸发体 积 强 度 法/ 即 每 一 秒 钟 从 每 一 立 方 米 蒸 发:. !A负荷478%,-B . !A负荷478%-7% ./012 !A负荷 =+( ()/%式中!,/ 蒸发室直径)*%,A 负荷.; 秒 !C汽4C 液DC 汽 =+#365; 秒/ 二次蒸汽体积=+#365C 汽/ 二次蒸汽重度)123+#%5C 液/ 料液重度=123+#5-B/ 实际汽体速度与基础速度之比值 )一般取7%若设有捕沫器可取 ,7,8-%7,7% 二 次 蒸 汽 断 面 流 速 法/ 通 过 蒸 发 室 的 二 次 蒸 汽 流 速)即空塔速度%设计规范确定为 %*E+36F笔者认为在多效蒸 发时末效二次蒸汽速度宜控制在 %+36 左右 其直径 : 按下 式计算!:. !%G03$;式中!,/ 蒸发室直径)*%,G/ 二次蒸汽量=1235=+( ( ( ()2%0/ 二次蒸汽比容=+ 3125;/ 二次蒸汽流速=+365$/ 圆周率-#%7,78 二 次 蒸 汽 分 离 空 间 高 度/ 指 蒸 发 室 液 面 上 汽 液 分离段的有效高度- 料液经加热进入蒸发室沸腾 汽泡不断产 生 穿过料液层到达液面汽泡破裂 逸出二次蒸汽时所 带 出 的液滴和液沫绝大部分能沉降回落的有效高度- 文献资料 上大多采用 !7*#7+-!#年 ! 月第 期 !罗大忠!真空制盐蒸发结晶器的设计与实践我国现生产的蒸发结晶器蒸发室有效分离空间高度!在没有捕沫设施的情况下大多在 & 以上# 尚有进一步增高的 趋势#%(%) 二次蒸汽管径$ 二次蒸汽比容随压力而变化%为了 减小二次蒸汽管道压力和温度损失%目前设计中二次蒸汽管 内流速大多控制在 (!*!&+, 进行计算&%- 加热室面积加热管直径长度的确定式中(7$ 换热管根数+.$ 加热面积!&-38$ 加热管计算直径!&39$ 加热管有效换热长度=&3$ 圆周率&上式关键在于加热管计算 直 径 的 选 取 & 我 国 对 于 列 管 式换热器计算的有关标准规范规定% 加热管计 算 直 径 取 外 径& 我国制盐行业传统习惯采用加热管内径与 外 径 的 平 均 值$ 中径作为计算直径& 根据笔 者 的 设 计 实 践 与 资 料 介 绍% 因为总括传热系数 1 值直接受管外蒸汽冷的给排系数#( 和管内料液对流给热系数 $- 所左右& 当 $(H$- 时计算直径取外径& $(/$- 时计算直径取中径& $(I$- 时% 计算直径取 内径& 在我们的 制 盐 加 热 室 中 % 管 外 蒸 汽 侧 的 $( 远 远 高 于 管内料液侧的 $-%起码 $( 是 $- 的 -* 倍& 所以笔者认为在 计算用于制盐的加热室加热管根数时应取加热 管 内 径 作 为计算直径为宜&%-% 加热室筒体直径的确定在加热管直径和根数确定 之 后 % 制 盐 用 加 热 室 内 加 热 管多用等边三角形方式排列% 其筒体直径可用 以 下 经 验 公 式计算(加热面积的确定(根据物料平衡和热量平衡计算结果%-%(及选用的参数%按下式计算(./0+1)!2式中(.$ 加热面积!&-3!&-* * * * * * * !(0$ 单位时间内传热量!)456+731$ 总括传热系数!)456+&-)7)* 3!2$ 传热有效温度差!*&加热管直径与长度的确定在一定的热负荷条件下% 确定了加热面 积 % 这 就 基 本 确%-%-定了进出加热室料液温度升高 !2+ 和料液的过饱和浓度 !+&根据 !2+ 与直径 8 长度 9 和管内料液流速 : 之间的关系%我们可用下式计算&0/1),)!2-;)8)9)!2.- 8-)* *=?=)456+7* *=(!J/(%(EK2 ! #式中(J$ 加热室筒体直径 &+K2$ 管间距 &+#$ 加热管根数&=&* * * * * *=(/将!?代入!(!化简得(!2B/1)!2)9+?!)A)8式中(.$ 传热量!)+12 3 4+!* * * !00管间距$ 加 热 管 与 加 热 管 的 中 心 距 离 % 采 用 胀 管 法K2/(%*(%E8 外 & 我国制盐行业在较长时期内%一套多效装的 加热室均采用相同的管间距% 这样各效加热室 直 径 也 均 相 等& 笔者认为这是欠妥的%从首效到末效进入加热室的蒸汽 比容相差很大% 为降低压力及温度损失有利于传热% 应 依 据 蒸汽比容的不同%也应采用不同的管间距& 在较高真空度的 状态下末效的管间距应进一步扩大& 所以 K2/(%*(%G8 外 来 选取为好&%-%E 加热室蒸汽进口的设置为了防止高速蒸汽流对加 热 管 的 冲 刷 而 引 起 侵 蚀 和 振 动%应在蒸汽进口处设防冲挡板或导流器&1$ 总括传热系数!)456+&-)7)*3!2$ 传热有效温度差!*+!2B$ 进出加热室料液温度升高!*+8$ 加热管计算管径=&39$ 加热管有效换热长度!&3:$ 加热管内料液流速!&+,3A$ 循环料液重度!;C+&3B$ 料液比热!1D+;C)*+$ 加热管根数+$ 圆周率&上式说明当热负荷和加热面积确定后%!2B 与 9 成正比% 与 8 和 : 成反 比 & !2B 是 设 计 时 必 须 预 以 重 视 的 一 个 重 要 参数& 因为 !2B 与料液的过饱和度% 晶体的成长速度及盐产 品的产量和质量密切相关& 一般应先确定 !2B 值的情况下再 决定加热管直径 8长度 9 及料液在加热管内流速 :&根据文献资料和实践经验%!2B 大多在 *左右% 最高达 E* 以 上 % 管 径 8 外 大 多 在5-*5E&% 管 长 9 大 多 在 E!* F!&% 最 长 达 (-!& 以 上 % 加 热 管 内 料 液 流 速 一 般 在 (%-*-%E&+, 范围内选取% 大多控制在 (%G&+, 左右&%-% 加热管根数的确定当加热管面积确定之后按下式计算/.+)8)9!06! !#$% &! #$%(!罗大忠!真空制盐蒸发结晶器的设计与实践为了防止料液经加热在加热 管 内 沸 腾 造 成 管 壁 结 垢 而降低总括传热系数! 甚至发生堵实心管而影响生 产 正 常 运 行!所以在上花板以上必须保持足够的液柱高度 这个液柱 高度大致可用下式计算01 2/32!$5%& & & & & & &6/+74式中#0( ( 液柱高度65782/( 料液出加热管口的温度减去料液沸点升后对应温度下饱和蒸汽压力6(9782!( 蒸发室二次蒸汽压力6(9784( 为汽液固三相流的平均重度6:; ?+/%2A0#式中#?( 泵的最佳工况流量65#( 泵的规定转速64782A0( 设计或最佳工况时必须汽蚀余量657,=( 汽蚀比转速)当泵的几何相似 ! 运动相似时则 ?1D!-.#E 2A01:/.!.!将 ? 与 2A0 代入+/% 式! 整理得 .%1常数)对 于 几 何 相 似 ! 运 动 相 似 的 泵 !. 值 相 等 ! 则 汽 蚀 相 似 ) 目 前 国 内 轴 流 泵 模 型 1!1/+%4!.%1+#%) 模型泵可在此值下运行可以无汽蚀) 因而把 .1+#%+国外 较先进的大型轴滚泵的 . 值 为 !% 作 为 一 项 准 则 ! 来 选择泵)不论泵的直径 多 大 其 . 值 应 当 小 于 +#%)此 值 越小! 泵越不容易发生汽蚀) 所以当流量一定时! 宜选用泵 叶直径较大* 转速较低的泵) 几何相似告诉我们! 泵的流量 和 转速的一次方* 泵叶直径的三次方成正比! 因流速降低从 而 减小了水力损失!可以提高泵的效率! 效果是非常明显的)面积之比! 一 般 文 献 资 料 为 )-./)/上 循 环 管 切 面 积 与 下循 环 管 相 同 !或 者 上 循 环 管 直 径 为 蒸 发 室 直 径 的 )!.)#装料容积指蒸发结晶器循环系统间的 所 有 料 液 容 积 ) 这 是 完 成 料 液 蒸 发 ! 使 溶 质 (=F 达 到 过 饱 和 析 出 晶 核 ! 并 使 晶 体 成 长为所需产品粒度的地方) 为确保其所需的环境和条件! 其 容积应满足料液每一次循环流经循环系统的时间! 应 大 于# 秒为宜)+),倍 经长期实践! 为了降低料液在循环管中流动阻力! 降 低循环泵扬程宜将循环管直径加大 从目前设计情 况 看 循 环 管切面积与加热管总切面积之比控制在 /)./)% 之间 近期 有进一步扩大的趋势! 而上下循环管直径趋于一致 而加热 室上锥体与上循环管连接的弯头! 传统是采用等径弯头 笔 者将其改为渐缩式弯头!实践证明效果良好+)+ 加热室上花板至蒸发室液面的距离盐脚直径与长度盐脚是成品 (=F 晶体沉降增稠储存中转的容器) 外排+)G!#年 ! 月第 期 #罗大忠!真空制盐蒸发结晶器的设计与实践盐浆量控制着循环料液中的固液比! 确保蒸发结 晶 器 正 常运行 为了提高产品质量! 降低汽耗! 可加淘洗卤水对外 排 盐浆进行淘洗降温回溶晶体表面的可溶性杂质! 浮 选 淘 洗 除去细小的盐晶和其它细小的固体微粒! 起到降 低 排 出 盐 浆温度!提高产品质量!降低汽耗的作用盐脚直径# 根据科学试验和生产实践 验 证 ! 按 盐 脚 单 位 横切面积单位时间内沉降盐浆晶体量来确定! 一 般 控 制 在&()!*+,)- 若加淘洗卤水其上升流速视盐晶粒度与盐浆固 液比而定 据文献资料介绍一般在 &(&!,+. 之间选用盐脚长度! 根据国内外生产 装 置 的 实 践 经 验 大 多 控 制 在 /, 左右 也有控制在 , 左右的 这些应视规模$工艺流 程等条件而因地置宜选用才能取得良好效果济和产品质量的分析对比 多数意见认为图 & 中的罐型 ;$! 认 为 ;$ 罐 型 的 缺 点 ! 保 留 其优点并充分地运用了结晶机理! 料液加热升温后! 在蒸 发 室下锥体! 切向进入蒸发室! 逐步形成汽$ 液$ 固三相流呈螺 旋状上升! 穿过盐浆层到达液面蒸发 有利于料液过饱和度 的消除和晶体成长! 并对盐晶进行浮洗! 到达液面料液的 过 饱和度低! 器壁不易结盐块的优势! 因而具有块盐堵管概 率 少 ! 运 转 周 期 长 ! 料 液 短 路 温 度 损 失 小 ! 有 效 传 热 温 度 差 增 大!循环系统阻力降低! 循环泵扬程下降! 动力消耗减小! 单 位面积产量增加!从而达到节能降耗之目的 而图 & 中 ;$ 两种罐型相比!又更倾向 罐型 正如江苏井神盐电厂葛总 所言# *这种罐型目前正如一股流行风在井矿盐企业推广+ 虽 然 我 国 真 空 制 盐 起 步 与 国 外 相 比 晚 了 半 多 个 世 纪 !但是经过几代盐业科技工作者的艰苦努力! 求实探索! 技 术 创新! 差距正在缩小 笔者设计的* 外热式强制逆循环轴 向 出料 蒸 发 结 晶 器 + % 见 图 &!& ! 并 多 次 与 国 内 外 同 行 交 流 探 讨 ! 均受到制盐专家赞许 自 &11 年推出 至 今 已 有 十 多 套 在各种不同原料不同规模的大中小型真空制盐装 置 上 推 广 应用 无论是新设计的厂还是在老装置上改造经 生 产 实 践 验证均达到了预期目的! 证明是成功的 作为一项新技术 $ 新 设 备 ! 还 要 继 续 与 国 内 外 同 行 交 流 ! 加 强 研 发 工 作 ! 深 入 到 生 产 实 践 中 去 ! 努 力 学 习 $ 总 结 提 高 $ 不 断 完 善 $ 开 拓 创 新 争取在更大规模的真空制盐工程设计中应用得更好 力 争 将 此 工 程 建 成 一 座 独 具 特 色 的 一 流 水 平 的 真 空 制 盐 厂 ! 成为亚洲第一!屹立于世界材质选择选 用 蒸 发 室 及 上 下 循 环 管 和 加 热 室 上 下 锥 体 的 材%0%0%&质 ! 应 从 具 体 条 件 出 发 ! 选 择 表 面 光 洁 $ 加 工 $ 维 修 较 易 ! 耐蚀$耐磨 $ 耐冲刷性能好的材料 上世纪 0!(1! 年代应用于 生 产 的 有 2! 铜 镍 合 金 复 合 板 $ 超 低 碳 不 锈 钢 %&34& 复 合 板$双相不锈钢%&05/& 复合板$ 钛及钛合金复合板 经实践 证明均是可行的 但超低碳不锈钢%&34&在浓 675存在的条件下易受 89 值及硫化物等的影响而发生均匀点蚀$孔蚀$穿晶! 甚至穿晶断裂! 影响使用寿命 所以要充分注意使 用环境条件! 调整罐内料液 89 值$除去硫化物% 包括有机硫化 物 & 等 措 施 ! 从 目 前 环 境 $ 条 件 ! 就 耐 蚀 $ 耐 磨 $ 耐 用 $ 加 工 制 造 及 经 济 合 理 综 合 考 虑 ! 以 选 用 耐 蚀 性 能 优 于 %&34& 的 钛及钛合金或双相不锈钢%)!/& 复合板为宜不 管 选 用 何 种材质 ! 对其所有与料液接触的器壁表面及焊缝必 须 进 行 打磨抛光$酸洗$钝化处理 使其表面形成光滑$致密的钝化膜 以防止腐蚀和诱发晶核的附着! 进而形成结晶堆 积 成 盐 块 之目的%0%) 加热室加热管$ 管板及筒体参考文献!& 化 学 工 程 手 册 编 辑 委 员 会