传热学溶出基本知识概要.ppt

1、传热及溶出相关知识,学习大纲,一、传热学知识介绍 二、高压溶出组成及热耗、汽耗分析 三、我国几种典型溶出工艺介绍,第一部分 传热学基本知识,了解稳定传热的基本概念； 理解稳定导热、对流换热和辐射换热的基本概念； 了解稳定传热的过程及传热的增强与削弱。,传热学是研究热量传递过程规律的一门学科。 本章介绍传热的基本方式，分析导热、热对流和辐射的基本特性及应用。,1 稳定传热的基本概念,一、温度与热量 1、温度 定义：用来表示物体冷热程度的物理量。 测量温度的仪表：温度计，玻璃管温度计、热电偶温度计、热电阻温度计等。 衡量温度的数值标尺：温标。 绝对温标：国际单位制规定的热力学温标，符号T，单位K(

2、开尔文)，中文代号“开”。 摄氏温标：工程实际常用一种温标，符号t，单位摄氏度，代号“”。 换算关系 ： T=t+273.16 一般工程计算中：T=t+273,2、热量 定义：物体吸收或放出热能的多少。 热量的单位 国际单位制中：J，kJ 工程单位制中：cal，kcal 换算关系 ：1kcal=4.19kJ 热量与能量的区别： 我们可以说一个物体含有多少能量，但我们不能说它含有多少热量。热量是一个过程量，只有在物体通过热传递交换热能才谈得上热量。我们可以说一个物体放出多少热量，吸收多少热量。,3、传热的基本方式 导热 热对流 热辐射 4、稳定传热的基本概念 稳定传热 传热中温度差保持一恒定值，

3、即不随时间有所变化。 不稳定传热 传热中温度差随时间变化而变化。 本章无特别说明的传热现象都是指稳定传热。,2 稳定导热,一、定义 温度不同的物体直接接触，温度较高的物体把热能传给温度较低的物体，或在同一物体内部，热能从温度较高的部分传给温度较低部分的传热现象。 二、计算公式 单层墙壁,t1t2，温度恒定不变，热能以导热方式由墙体内表面经墙体传向墙的外表面。,单位时间的导热量,墙壁的传热面积。,墙壁的厚度。,通过单层平壁的导热量。,墙壁外表面的温度。,墙体材料的导热系数。,墙壁内表面的温度。,热流强度：单位时间内通过单位面积的热量。,墙体材料的导热系数 ，是材料导热性能的一个指标，由材料本身决

4、定。 材料导热系数大，导热性能好；反之，导热性能差 。 R称为热阻，是热流通过墙壁时遇到的阻力，或者说墙壁抵抗热流通过的能力。 R与成反比关系。,3 对流换热,一、对流换热的特征及影响因素 1、定义 依靠流体的运动，热量由一处传递到另一处的现象称之为热对流。 2、特征 传热过程中流体质点发生了相对位移，而热传导中质点并不发生相对位移。 3、热对流与对流换热的区别 热对流是基本传热方式的一种。 对流换热不是基本传热方式，而是一种复杂的传热过程，既有热对流作用，同时又有导热作用。,4、影响对流换热的因素 （1）流动的起因 自然对流 受迫对流 （2）流体的流动状态 层流 紊流 （3）流体的物理性质

5、导热系数、热容、密度、动力粘度等。 （4）换热表面的几何尺寸、形状与大小,二、对流换热计算,对流换热热流强度。,墙壁的换热面积。,单位时间的对流换热量。,流体的温度。,对流换热系数， 其大小反映了对流换热的强弱。,墙面的温度。,变换公式的形式，可得：,对流换热热阻，与对流换热系数成反比。,4 辐射换热,一、热辐射的本质和特点 1、定义 2、特点： 不依靠物质的直接接触而进行能量传递。 伴随能量形式两次转化：内能电磁波能内能。 只要TOK，物体都会不断向周围发射热射线。 即使没有温差，也存在热辐射，只不过物体辐射和吸收的能量相等，处于动态平衡。,二、辐射能的吸收、反射和透射 根据能量守恒定律，有

6、：,两边同除以 ：,分别为吸收率、反射率、透射率。,黑体：能吸收全部热射线的物体，即 。 白体：能反射全部热射线的物体，即 。 透明体：能透过全部热射线的物体，即 。 在自然界中，绝对黑体、白体和透明体的是不存在的。,三、热辐射的基本定律 在所有的物体中，黑体辐射能力最强，其他物体辐射能力小于黑体，称灰体。,灰体的辐射系数，表示物体的向外辐射的能力。,绝对温度。,物体的黑度，表示物体与黑体的接近程度。,黑体的辐射系数。,四、辐射换热的计算 TOK的物体都能辐射热量，两物体通过辐射进行热交换，高温物体辐射给低温物体的热量大于低温物体辐射给高温物体的热量，最终两者差值决定换热量。,平均角系数。,5

7、 传热,一、稳定传热的过程 建筑物围护结构和换热设备的传热过程，实际上是导热、热对流和热辐射三种基本方式都存在的复杂的换热过程。 以一建筑物外墙为例，来分析建筑物围护结构的实际传热过程。,假定墙两侧空气温度分别为tn和tw，且tntw，室内热量通过墙体向外传热的过程，要经历三个阶段。,1、吸热阶段（对流换热和辐射换热） 2、导热阶段 3、放热阶段（对流换热和辐射换热）,由于是稳定传热过程，外墙三个阶段的传热量应当相等，即： 联立、及式，可得：,墙体的总传热阻。,墙体的总传热系数。,式中：,二、传热的增强与削弱 1、增强传热的基本途径 （1）提高传热系数 （2）增大传热面积 （3）增大传热温差

8、2、增强传热的方法 （1）改变流体的流动状况 （2）改变流体的物性 （3）改变换热表面情况 3、削弱传热的方法 （1）热绝缘 （2）改变表面状况,第二部分 高压溶出组成 热能消耗、汽耗分析,高压溶出系统组成,原矿浆在进压煮器溶出以前须进行预热，高压溶出的高温压煮矿浆要通过一系列自蒸发器逐步冷却，将压力降为常压，由预热器、压煮器、自蒸发器等设备组成高压溶出系统。,高压溶出过程的热能消耗分析,1、热能消耗分析 高压溶出过程的热能消耗是拜耳法热能消耗的主要工序之一，占拜耳法能耗的40%左右。在重视能源节约的今天，我们必须了解高压溶出过程热能消耗情况，以改进生产，降低能量消耗。 我国的拜耳法高压溶出过

9、程大多采用十级预热、十级自蒸发、高压新蒸汽间接加热的热工制度。原矿浆在预热器和溶出器中加热到溶出温度。一方面原矿浆经过预热，以便降低蒸汽需用量，另一方面通过溶出料浆的多级自蒸发以利用它们自蒸发时释放出的蒸汽来预热原矿浆，以回收其热量。 实际溶出过程的热量收支情况以图表示。,溶出过程的热量收支情况,带入热量 铝土矿 循环母液 新蒸汽 溶出反应热 溶出过程 散热损失 溶出料浆 新蒸汽 二次蒸汽 废气 冷凝水 冷凝水 支出热量,热能消耗分析,所谓废气是指在溶出过程无法利用的低压蒸汽。它虽然可用于其它工序，如加热赤泥洗水，但数量太多时不得不放空排出，成为增大热耗的主要原因。如果溶出过程没有这种废气，物

10、料在溶出前后的温度相同，那么新蒸汽只是为了提供溶出反应热和补偿散热损失，则其用量与溶出温度关系很小。新蒸汽消耗量D的经验公式为： D=2.2(T-t预)kg/m3 （原矿浆） 式中 2.2经验常数； T溶出温度， t预原矿浆预热温度， 由上式可见，新蒸汽消耗量实际上是预热温度的函数。提高预热温度可降低新蒸汽的消耗量。,热能消耗分析,热能消耗分析,由于实际条件的限制，溶出料浆自蒸发的二次蒸汽(Ti)用来预热原矿浆，并不能使原矿浆获得相同的温度，这两种料浆在溶出过程中从始到终彼此都分别存在着一个温度间距。这个温度间距由三个因素构成：,热能消耗分析,(1) 由于沸点升高而造成的温度间距。料浆的沸点高

11、于水的沸点，如料浆沸点升高值为Q，料浆急剧自蒸发时，便与蒸发蒸汽之间有一个数值为Q的温度差，即所谓温度损失。因此不可能依靠自蒸发蒸汽将原矿浆加热到溶出温度，但是自蒸发蒸汽的温度越高，原矿浆预热温度越高，新蒸汽的用量才能减少。,热能消耗分析,2) 由于自蒸发蒸汽减压而造成的温度间距，它可以用增加自蒸发级数来降低。 (3) 由于加热面积受到限制而造成的温度间距，它可以用增加加热面积来降低。 增加自蒸发和预热的级数可以使热回收率提高，热回收率表示原矿浆从预热前的温度To 加热到溶出温度T溶所获得的全部热量中能够回收用于预热的热量。,影响汽耗的因素分析,（1）加热表面结疤对汽耗的影响 在铝土矿溶出过程

12、中，一些矿物与循环母液发生化学反应，进入液相后成为溶解度很小的化合物并从液相中析出，粘附在加热管束表面，随着时间的延续，析出物越积越多，最终形成一层致密的结疤。根据有关文献，结疤的导热性很差，它的传热系数约为钢材的1/35。 在实际生产中，随着管束结疤厚度的增加，换热效果越来越差，在机组运行周期末期的汽耗比初期多10t/h左右，溶出温度也下降35。,影响汽耗的因素分析,（2）预热温度对汽耗的影响 溶出预热温度越低，要达到同样的溶出温度所需要的热量越多，新蒸汽的消耗就越大，溶出汽耗就越高。所以在其他条件不变的情况下，提高预热温度可以降低汽耗。 （3）冷凝水罐液位的控制对汽耗的影响 冷凝水罐液位的

13、调节是调整新蒸汽流量的重要手段。冷凝水罐的液位过低，会引起蒸汽来不及进行换热就直接进入冷凝水系统，造成“串汽”现象；而冷凝水罐的液位过高会造成管束里的冷凝水出不来，影响换热效果，达不到溶出反应的温度要求。,影响汽耗的因素分析,（4）新蒸汽温度、压力对汽耗的影响 根据理想气体状态方程：PV=mRT/M，可得出流量与温度、压力的关系：m=PVM/RT，式中m为蒸汽的质量流量，P为蒸汽压力，M为蒸汽的平均摩尔量， T为热力学温度，R为通用气体常数。在实际生产中，V、M、R为定值，因而当蒸汽压力、温度起变化时，其流量也随之变化。所以在生产中力求蒸汽参数的稳定对汽耗的控制也非常重要。,影响汽耗的因素分析

14、,（5）开停车次数对汽耗的影响 每次开车需要用大量的新蒸汽预热管道、设备。根据某厂生产经验，将设备、管道、加热系统和冷凝水系统从环境温度预热到接近工作温度，所需要蒸汽大约400600吨，停车时用来吹扫料浆大概需要蒸汽200吨左右。因而随着开停车次数的增多，用来吹扫料浆及开车时预热用的蒸汽就越多，汽耗也就增加。,铝土矿溶出工艺,拜耳法生产氧化铝已经走过了一百多年的历程。尽管拜耳法生产方法本身没有实质性的变化，但就溶出技术而言却发生了巨大的变化。溶出的方法由单罐间断溶出作业发展为多罐串联连续溶出，进而发展为管道化溶出。溶出温度也得以提高，最初溶出三水铝石的温度是105，溶出一水软铝石为200，溶出

15、一水硬铝石温度为240，而目前的管道化溶出，温度可达280300。加热方式由蒸汽直接加热发展为蒸汽间接加热，乃至管道化溶出高温段的熔盐加热。随着技术的进步，溶出过程的技术经济指标得到显著的改善和提高。减轻了附属工序的负担，直接或间接降低了氧化铝生产成本，提高了效益，也加大了资源的利用率。,第三部分 我国典型溶出工艺介绍,我国高压溶出技术：,我国高压溶出技术主要有以下几种： （1）单管预热高压釜溶出技术； （2）管道化溶出技术； （3）管道停留罐溶出技术； （4）双流法溶出技术。,我国拜耳法溶出的几种典型工艺,1、直接加热高压溶出器系统 蒸汽直接加热高压溶出器系统流程如图,直接加热高压溶出器系统

16、,磨好的原矿浆在原矿浆槽中贮存搅拌34小时，进行预脱硅。高岭石在95100就能反应生成钠硅渣，预脱硅效果可达60%左右。然后原矿浆用高压喂料泵打入预热器进行二级或三级预热，使矿浆温度从95100，预热到140190，进入加热溶出器，并以高压新蒸汽通入，直接加热矿浆到溶出温度245左右，铝土矿的溶出反应在 此进行。再顺次进入反应溶出器内保温完成溶出反应。溶出以后的矿浆从最后一个溶出器顺次排入第一、第二、第三级自蒸发器，进行三级自蒸发，使溶出矿浆冷却。第一、第二级自蒸发器的乏汽送入第一、第二级预热器预热原矿浆。第三级自蒸发器乏汽送热水槽加热赤泥洗水。从第三级自蒸发器出来的溶出矿浆，为了回收降至常压

17、放出的热量在缓冲器内与95100的赤泥洗液进行混合达到稀释的目的。稀释后的矿浆降至常压(100105)流入稀释槽。,直接加热高压溶出器系统,这种流程的优点： (1)因为用蒸汽直接加热，流程简单，操作控制较简易； (2)高压溶出器本体没有运转部件，维护简单，设备事故少。除定期清理器壁及进料管的结疤外，可以长期连续使用； (3)因为用蒸汽直接加热，不但设备费用低，而且还避免了热交换表面结垢的清理工作。,直接加热高压溶出器系统,这种流程的主要缺点： (1)用蒸汽直接加热，碱浓度被蒸汽冷疑水冲淡，碱浓度约降低4050g/l，恶化了溶出反应的动力学条件，使氧化铝的溶出速度减慢，同时增加母液蒸发的负荷，导

18、致能耗高； (2)溶出后矿浆采用三级自蒸发降温，热回收率低，原矿浆预热温度与溶出温度相差很大，增大了新蒸汽消耗； (3)铝土矿中的粗颗粒溶出不完全； (4)全混流不利溶出。,单管预热-压煮溶出器系统,2、单管预热-压煮溶出器系统 图4-11为单管预热-压煮溶出器系统的流程图。,单管预热-压煮溶出器系统,单管预热-压煮溶出器系统,固含为300400g/l的矿浆在加热槽中从70加热到100,再在预脱硅槽中进行常压脱硅48小时。预脱硅后的矿浆配入适量的循环碱液，调整后矿浆的固含为200g/l，温度9095，用高压喂料泵送入5级单管加热器，用10级矿浆自蒸发器的前5级产生的二次蒸汽加热，矿浆温度提高到

19、155左右。然后进入预热压煮器，用后5级矿浆自蒸发器产生的二次乏汽加热到220左右,再在反应压煮器中用6MPa高压新蒸汽加热到溶出温度260左右，然后在保温压煮器中保温反应45分钟。溶出后的浆液经10级自蒸发，温度降到130后，送入稀释槽。 预热溶出器和反应溶出器都带有机械搅拌装置及加热管排，保温反应溶出器只有机械搅拌装置。,单管预热-压煮溶出器系统,主要优缺点： （1）矿浆在单管加热器中预热到155，再经过间接加热机械搅拌的溶出器进行加热溶出； （2）单套管加热器结构简单，加工制造容易，维修方便，容易清洗结疤； （3）单套管加热器直径大，减少了结疤对阻力和流速的影响； （4）单套管反应器排列

20、紧凑，放在两端可以开启的保温厂房内，管道可以不保温，维修方便； （5）这种溶出器组的主要缺点是加热溶出器的管排结疤需要周期性清理，并且清理难度较大。,双流法溶出系统,3、双流法溶出系统 所谓双流法，是将配矿用的循环母液分为两部分，一部分为总液量的20%（按体积计算）与铝土矿磨制成矿浆流，剩余的大部分碱液为碱液流，两股料流分别用溶出后矿浆多级自蒸发产生的二次蒸汽不同程度地预热后，碱液流再单独用新蒸汽加热，在第一个溶出器（或溶出管）中，两股物料流汇合；汇合后矿浆在溶出器中用新蒸汽再直接加热至溶出温度并在其后的溶出器中完成碱液对氧化铝的溶出过程。图4-12为双流法溶出系统流程图。,双流法溶出系统,双

21、流法溶出系统,双流法溶出技术的优缺点： （1）换热面上结疤程度轻。在双流法溶出工艺中，绝大部分溶出碱液不参与制备矿浆而单独进入换热器间接加热，因溶出液碱中SiO2含量很低，加热过程中硅渣析出量很少，因此大大减轻碱液预热器热交换面上的结疤；少量碱液与铝土矿磨制成高固含矿浆，虽然这部分矿浆与单流法矿浆一样，具备矿石和碱液充分接触的条件。但是，与碱液流相比，这部分料流量少，可以在常压预脱硅后不再间接加热或只加热到不严重形成含硅、钛渣结疤的温度，以保护换热器的换热效率。所以，在双流法溶出中，换热面上的结疤程度比单流法要轻的多。,双流法溶出系统,（2）投资省、成本低。双流法溶出工艺的设备投入费用比管道化

22、溶出和管道预热-压煮器溶出等方案低20%以上，而生产运行费用与管道化溶出基本相当，比单管预热-压煮器溶出低，所以采用双流法溶出技术经济上是合理的。,双流法溶出系统,（3）结疤易清理。在双流法溶出过程中，不论是高温间接加热的碱液流还是低温间接加热的矿浆流，换热器管壁结疤的主要成分都是水合铝硅酸钠，避开了单流法溶出时加热管壁上钙、钛、铁等杂质结疤生成的条件。所以，双流法溶出的加热管结疤只需用低浓度（5.010.0%）的硫酸溶液即可有效的清洗。 （4）双流法溶出器组的主要缺点是碱液在高温情况下对管道壁的腐蚀加大，发生碱淬现象，造成溶出机组频繁停车检修，降低了机组运转率。,管道-停留罐溶出系统,4、管

23、道-停留罐溶出系统 原矿浆经预脱硅后，用高压喂料泵送入9级单管预热器。前8级用8级矿浆自蒸发器产生的二次乏汽将矿浆预热到200210，第9级用熔盐加热到反应温度，最高达300。达到溶出温度的矿浆，进入无搅拌的停留罐中充分反应后，进入8级矿浆自蒸发器，降温后排入稀释槽。图4-13为管道-停留罐溶出系统流程图。,管道-停留罐溶出系统,管道-停留罐溶出系统,主要特点： （1） 矿浆在单管反应器中快速加热到溶出温度，再进入停留罐中保温反应。它在加热段利用了管道反应器易实现高温溶出的优点，而在保温反应段又以溶出器取代管道，既能实现较长的溶出时间，又克服了管道反应器太长、泵头压力高、电耗大且结疤清洗困难，

24、以及溶出器机械搅拌密封困难的缺点。该法适合于处理需要较长溶出时间的一水硬铝石型铝土矿。,管道-停留罐溶出系统,（2）由于提高了溶出温度，强化了溶出过程，可使用浓度较低的循环母液，大幅度降低蒸发的负荷，使溶出液达到较低的分子比，提高了生产能力，降低能耗。 （3）单套管停留罐的结构简单，加工制造容易，所以管道、停留罐溶出装置在投资方面也较溶出器低。另外，设备维修方面，结疤清理容易，而且结疤主要在停留罐中生成，这就保证了设备有较高的运转率。,高压溶出过程中的结疤及防治,1、高压溶出过程中的结疤 在铝土矿的预热和溶出过程中，一些矿物与循环母液发生化学反应，生成溶解度很小的化合物从液相中结晶析出并沉积在容器表面上，形成结疤。在氧化铝生产过程中，各工序的结疤现象普遍存在。 拜耳法过程结疤的矿物组成与铝土矿的组成、添加剂及各工序的工艺条件都有很大关系。较为常见的结疤成分有硅矿物、钛矿物、铝矿物、铁矿物及磷酸盐等。根据结疤的来源及其物理化学性质不同，可将结疤的矿物成分分为四大类。,结疤及防治,(1)因溶液分解而产生，以Al(OH)3为主。主要在赤泥分离沉降槽、赤泥洗涤沉降槽、分解槽等设备的器壁上生成。视条件不同，可以是三水铝石、拜耳石、诺尔石，一水软铝石及胶体。 (2)由溶液脱硅以及铝土矿与溶液间反应而产生。如钠硅渣、水化石榴石等。此类结疤主要是