强制循环蒸发器在氧化铝生产中的应用和产能提升途径分析强制循环蒸发器在氧化铝生产中的应用和产能提升途径分析 摘 要:蒸发器是氧化铝生产中用来浓缩循环母液浓度，使循环母液达到循环利用的关键设备，也是整个拜尔循环中平衡系统液量的关键设备。本文分析了强制循环蒸发器在氧化铝生产中的优缺点和影响蒸发器产能的因素，提出了通过改进水洗方式、单效隔效酸洗、利用汽水平衡乏汽提高原液温度、在冷凝水乏汽管上增加节流孔板、使用过饱和的新蒸汽加热等措施，提高了蒸发器产能，并降低了蒸发器汽耗，达到了节能降耗的目的。 关键词:强制循环 传热系数 真空度 原液温度 前言 在氧化铝生产中，需要...

  强制循环蒸发器在氧化铝生产中的应用和产能提升途径分析 摘 要:蒸发器是氧化铝生产中用来浓缩循环母液浓度，使循环母液达到循环利用的关键设备，也是整个拜尔循环中平衡系统液量的关键设备。本文分析了强制循环蒸发器在氧化铝生产中的优缺点和影响蒸发器产能的因素，提出了通过改进水洗方式、单效隔效酸洗、利用汽水平衡乏汽提高原液温度、在冷凝水乏汽管上增加节流孔板、使用过饱和的新蒸汽加热等措施，提高了蒸发器产能，并降低了蒸发器汽耗，达到了节能降耗的目的。 关键词:强制循环 传热系数 真空度 原液温度 前言 在氧化铝生产中，需要利用蒸发器来浓缩循环母液浓度，使之达到循环利用的目的。目前，在蒸发器的选择上基本都采用管式降膜蒸发器，这类蒸发器的优点主要是蒸水汽耗和运行能耗较低，但是在氧化铝实际生产中，由于循环母液中含有10%左右的碳酸钠和一定量的二氧化硅，当循环母液的苛碱浓度升高时，这些成分易产生结垢，附着在蒸发器加热管束

  面，使蒸发器的换热效率降低，导致蒸发器产能下降和蒸水汽耗升高，使它很难达到设计产能。蒸发器产能的不足又会导致生产系统的液量无法平衡，影响整个生产任务的完成，而强制循环蒸发器正好能够解决以上问题，更适合氧化铝生产的基本工艺。 一、蒸发原理 蒸发是用加热的方法使溶液沸腾，其中溶剂汽化，而溶质不具挥发性，进而达到溶液浓缩目的的操作。一个完整的蒸发过程是由冷热流体热传递和溶剂沸腾汽化浓缩两个阶段组成，在热传递阶段，加热器的传热系数是影响加热效果的最主要因数，而在溶剂沸腾汽化浓缩阶段，蒸发器系统的真空度影响沸腾汽化程度的最主要因数。因此提高加热器的总传热系数和降低系统真空度是提高蒸发器产能的决定因数。 二、强制循环蒸发器在氧化铝生产中的应用 根据铝酸钠溶液的性质和生产工艺

  ，目前在氧化铝生产中多采用6效降膜蒸发器，进料方式一般都会采用混流进料。但是我厂使用的蒸发器是一种混合型的5效强制循环蒸发器，1-3效采用强制循环蒸发器，4-5效采用管式降膜蒸发器，进料方式选用混流进料，蒸发原液分别进4、5效。工艺

  见图1。 图1 蒸发器工艺流程 从工艺流程上我们正真看到，混合型强制循环蒸发器不但具备强制循环蒸发器和降膜蒸发器的优点，而且也有效克服了这两种蒸发器的缺点，比较适应氧化铝生产中对高出料浓度和低汽耗蒸发器的发展需求。首先在加热蒸汽温度和铝酸钠溶液浓度较高的1-3效采用强制循环蒸发器，充分的发挥了强制循环蒸发器循环速度快，出料浓度高和蒸发器强度大的优点，同时这一部分因加热蒸汽温度比较高，有效温差较大，解决了强制循环蒸发器因溶液不停循环，各效溶液浓度接近于完成液浓度，导致溶液沸点上升，当蒸发器效数较多时，末尾几效的有效温差和换热效率下降的问题，并因强制循环蒸发器的溶液在加热器内不会沸腾，又解决了铝酸钠溶液在较大浓度时容易结晶结疤影响蒸发器产能和汽耗的问题，延长了清洗周期和提高了设备运转率。其次是4-5效采用降膜蒸发器，充分的发挥了降膜蒸发器具有传热系数大，蒸发速度快，传热温度差可以降到很小，热能利用率高的优点，有利于提高蒸发器的产能和降低汽耗。 通过我厂10年来的生产运作情况来看，混合型强制循环蒸发器和降膜蒸发器相比具有操作维修简单、进料量和产能大、出料浓度和浓缩比高、蒸发强度大等优点，但是也具有各效循环泵和循环水泵流量和功率大，早期设备投资和运行电耗大的缺点，而且这种蒸发器因循 环量和循环管直径大，管道焊缝长，发生碱脆泄漏概率大，循环管使用寿命较短。主要运行参数见表1。 三、影响蒸发器产能的因素 蒸发过程由热交换和沸腾汽化两个阶段组成，蒸发器的构造也都由加热器和分离室两部分组成，总的来说，当一组蒸发器设计安装完成后，影响蒸发器产能的因数主要有三个，分别为加热器的传热效率、系统线 加热器的传热效率对蒸发器产能的影响 在蒸发过程中，蒸发器的产能取决了加热器的热流量，所以也可以用热流量来衡量蒸发器的生产能力。根据热力学理论，加热器的热流量方程式为 式中为单位时间传热量 kJ/h; 为传热系数，kJ/(m2?h??); 为传热面积，m2; 为有效温差，?; 由上式可知，加热器热流量与传热系数、传热面积、以及有效温差成正比，因蒸发器安装完传热面积为定值，所以影响加热器传热效率的因数为传热系数和有效温差，下面就这两个因数进行分析。 3.1.1 结疤对传热效率的影响 在氧化铝生产中，铝酸钠溶液的黏度较大，而且随着浓度的升高而升高，同时溶液中含有一定浓度的碳酸钠、氢氧化铝和二氧化硅等杂质，在蒸发浓缩过程中，这些杂质容易结晶沉淀，形成一定厚度的结疤附在加热器管束内壁上，甚至在加热器下部形成“瘤状”结疤块将管束堵死，影响加热器的换热效果。结疤化学成分见表2。 从表2中可以看出，结疤主要成分是硅铝酸盐和碳碱结晶。 根据热力学理论，管壳式加热器的传热系数可以表示为: 式中为加热蒸汽的给热系数 为铝酸钠溶液的沸腾给热系数 为加热器管束材质的热导率 为加热器管束的壁厚 为加热器管束内侧表面上的污垢热阻 为加热器管束外侧表面上的污垢热阻 为加热器管束内径 为加热器管束外径 为加热器管束内外径的对数平均值， 根据上式可知，因蒸发器建成后加热器管束的内外径、壁厚以及材质已经固定，因此影响传热系数的4个因数分别是: 加热蒸汽的给热系数 铝酸钠溶液的沸腾给热系数 加热器管束内侧表面上的污垢热阻 为加热器管束外侧表面上的污垢热阻 在这4个因素中，因为加热蒸汽的给热系数较小，且洁净度好，管束外侧表面污垢热阻也较小，所以这两个因数对值影响不大。 管束内侧的污垢热阻不是一个固定值，它随着加热器的运行时间和结疤程度的增加而增加。根据有关资料表明，结垢从0mm增加到0.3mm时，其传热系数下降50%;增加到1mm时，传热系数不及无垢时的25%，所以蒸发器管束内侧结垢是影响传热系数的主要因素。 3.1.2 溶液流速对传热效率的影响 我厂1-3效采用的强制循环蒸发器，铝酸钠溶液在蒸发器内流动是依靠循环泵来实现的， 单效循环量为8800m3/h，循环速度约为2 m/s。从上文的分析中我们可知铝酸钠溶液的沸腾给热系数是影响加热器传热系数值的因数之一。根据无相变流体给热的相关理论 式中为努塞尔数， 将雷诺数和普朗特数 代入上式得 其中、、、都是铝酸钠溶液的物性常数，分别表示密度、黏度、比热容、热导率，表示加热管束内径。这些值可以视为定值，如果用常数C代替这些物理常量可以得到 从公式中可以直观看到，管内铝酸钠溶液的传热系数与溶液流速的0.8次方成正比。同时溶液流速的提高，还可以降低溶液与加热管束间的过热度和局部汽化程度，并使溶液中的晶体保持悬浮状态，不易沉淀于管束表面形成结疤，对于延缓管内侧结疤有好处。在实际操作中，可以根据循环泵工作电流的大小变化情况来判断铝酸钠溶液流速的变化，而引起溶液流速变化的原因主要是循环泵皮带、皮带轮和叶轮磨损。 3.1.3 不凝性气体对换热效率的影响 不凝性气体是在换热过程中，不能在水蒸汽凝结点温度下凝结成液体的气体的总称。在氧化铝生产母液蒸发过程中，不凝性气体的主要组成是空气和二氧化碳。其来源一是开车过程时，加热器、分离室、冷凝水系统以及输送管道内残存的空气，二是碳酸盐的分解产生的二氧化碳气体。 在蒸发过程中，不凝性气体不但占据了一定的空间，减少了换热面积，而且和水蒸汽混合后，使混合蒸汽的温度降低。造成加热器有效温差减小，传热效率和蒸发器产能下降。不凝性气体对蒸汽温度的影响见表3。 3.1.4 加热蒸汽压力对传热效率的影响 根据上文中的热力学传热方程式可知，加热器的传热效率还受到有效温差影响。管壳式加热器的有效温差 式中、分别表示加热器冷、热两端的温差。 从上面公式可以看到，加热蒸汽的温度是影响加热器传热效率的一个因数。而对于饱和蒸汽来说，蒸汽温度和蒸汽压力是一一对应的关系。 氧化铝生产中，蒸发器所用的加热新蒸汽压力一般在4.5-7公斤，主要原因是当饱和蒸汽的压力超过这个压力后，随着蒸汽压力的升高，蒸汽温度升高的幅度减小，但是蒸汽生产成本和安全保障措施的投入将大幅度增加，在经济效益上不划算。 3.1.5 冷凝水罐液位控制对传热效率的影响 加热蒸汽和铝酸钠溶液在加热器内进行热交换时，最主要的热量来源是就是加热蒸汽的冷凝相变放热，饱和蒸汽变成冷凝水，并利用水泵及时将冷凝水排走。在这个过程中，冷凝水罐中的水能起到液封的效果，强化了冷凝相变放热过程，因此冷凝水罐的液位的控制是影响传热效率的一个因数。 在实际操作中，如果冷凝水不能及时排走，造成冷凝水罐满罐，不但减少了加热蒸汽的传热面积，而且也减少了冷凝水的自蒸发量。但是如果冷凝水排走太快，造成冷凝水罐空罐，这又会导致加热蒸汽的热利用率下降和汽耗升高。 3.2 分离器液位对蒸发器产能的影响 溶液在分离室进行沸腾蒸发时，受循环泵和导流柱的影响，沸腾面为深U型，这样不但能够扩大沸腾面的面积，而且能够减少因溶液由液位产生的静压所引起的溶液沸点升高，加剧溶液沸腾程度和提高蒸发效率。当分离器液位过高时，情况就会变得和上面的相反。不但液柱静压差增大，溶液沸点升高，导致有效温差降低，而且沸腾面的形状也会被拉平，沸腾面积减少，影响蒸发器产能。 3.3 原液温度对蒸发器产能的影响 在不考虑热损失和溶液浓缩热的情况下，蒸发器的热平衡方程如下: 式中为进料流量，kg/h; 为原液比热容，kJ/kg??; 为原液温度，?; 为出料温度，?; 为冷凝水流量，kg/h; 为加热蒸汽的汽化潜热，kJ/kg; 为蒸汽的汽化潜热，kJ/kg; 为蒸水量，kg/h; 从上式可以得到，提高原液温度，可以提高蒸发器的蒸水量，相反，如果当原液温度过低时，要想保证蒸发器的蒸水量，就只能降低出料温度来达到，这就必须提高系统真空度。 四、提高蒸发器产能的途径 4.1 提高加热器的传热效率 4.1.1 改进水洗方式 以前我厂蒸发器的水洗周期为7天，水洗方式主要有压汽水槽循环和进水后自循环两种，这两种水洗方式最大的优点就是节省水洗时蒸汽消耗，但是水洗效果一般，当时因为蒸发运转率较低，有充足的水洗时间，同时要求出料浓度较低，上述两种水洗方式能够满足生产要求。但现在随着串联法产量和循环母液苛碱浓度的升高，水洗频次减少，原来的水洗方式效果减弱，管束内侧的结疤程度加剧。 目前我厂将蒸发器的水洗方式改为通20吨新蒸汽，保持3公斤的蒸汽压力进行水洗，这样能将洗水温度从60?提高到90?(I效)，促进了碳碱的溶解，同时管束两侧因温度不同引起材质膨胀大小不一样，也能促进水洗效果。根据这几年的运行情况去看，在水洗周期延长到10天的条件下，管束内侧的碳碱结疤明显减少，水洗效果明显改善。 4.1.2 采用蒸发器单效隔离酸洗 目前，我厂经过酸洗流程改造，酸洗方式由以前的各效捆绑打大循环变成现在的单效隔离酸洗，酸洗时间为15-20分钟，这样既解决了以前因酸洗站容量不够，蒸发器无法进行有效酸洗的问题，又解决了蒸发器各效结疤速度和酸洗周期不一样的问题，避免了2-5效过度酸洗导致的设备腐蚀，延长了循环管和加热器的更换时间。酸洗流程的改造也使蒸发器酸洗作业能够按需进行，有效提高了蒸发器的传热效率和产能。 4.2 定期对不凝性气体排放管、折流板、循环泵皮带叶轮等设备进行检查 我厂每次蒸发器停车检修时，都会对循环泵皮带磨损情况进行检查，并根据循环泵电流大小变动情况，不定期的对皮带轮和叶轮进行检查。而不凝性气体排放管和折流板检查周期分别为3个月和半年。这些检查对蒸发器的正常运行至关重要，能够预先消除使蒸发器产能下降的因数。 4.3 保证新蒸汽的温度有一定的过饱和度 我厂蒸发器用的新蒸汽压力为5.2-6.5Mpa，供汽压力较低而供汽管径又大，造成管道损失大，部分新蒸汽在管道里这就已经发生相变冷凝成水。同时新蒸汽是由8-9Mpa高压锅炉蒸汽直接加入减温水进行降温降压操作后得到，蒸汽含水量较大，携带的热量相对较少。所以为了保证换热效果，必须提高新蒸汽的温度和过饱和度，使用的新蒸汽的温度应比饱和蒸汽的高5-8?。 4.4 在冷凝水乏汽管上增加节流孔板 以前，因为我厂各效蒸发器冷凝水罐的安装位置较低，造成冷凝水泵进料不足和流量受限，导致4效冷凝水罐一直处于满罐状态，对蒸发器产能造成影响。但现在通过在4效冷凝水罐乏汽管上增加节流孔板的改造后，解决了这个问题，使各效冷凝水的液位能够控制在30-60%合理范围，提高了蒸发器的换热效率。 4.5 采用低操作液位进行液位控制 保证蒸发器各效液位是蒸发器稳定运行的标志。目前，我厂采用低操作液位方式的进行液位控制。根据各效蒸发器的结构尺寸，已经将I-III效液位由56%调整到48%，原液闪蒸液位由不高于40%调整到不高于35%，促进了蒸发效率和产能的提高。 4.6 利用汽水平衡乏汽提高原液温度 我厂蒸发器的进料温度设计值为?85?，以前实际进料平均温度不到76?，对蒸发器的产能影响较大。为了提高蒸发器原液温度，我厂做了如下改造:将三效预热器A隔离出流程，并将原液送至预热器中利用溶出、蒸发汽水平衡的I闪的部分二次蒸汽加热。因三效蒸发器是强制循环蒸发器，而且换热面积余量较大，预热器隔离后不会降低蒸发器的产能。这样改造后不但能够提高原液温度和蒸发器的产能，而且解决了汽水平衡I闪二次蒸汽大，造成II效蒸发器憋压，导致整个蒸发器产能下降的问题。改造后，我厂的进料温度平均超过了86?以上，蒸发器产能提高了10吨左右。 4.7 蒸发器产能提升 目前，我厂经过落实上述提高蒸发器产能的途径，产能显著提高。蒸发器产能数据见表4。 五、结论 5.1 强制循环蒸发器具有操作维修简单、蒸发强度大和浓缩比高等优点，并很好的解决了铝酸钠溶液在蒸发过程中，容易结晶结疤造成换热效率和产能下降的问题，比较适应氧化铝生产中对高出料浓度和低汽耗蒸发器的发展需求。 5.2 通过改善生产控制条件、提高加热器传热效率、流程改造以及定期进行设备清理和检查等措施，能够有效提升蒸发器产能。 参考文献: [1] 毕诗文、于海燕.氧化铝生产工艺[M].北京:化学工业出版社，2006. [2] 管国锋、赵汝薄.化工原理[M].北京:化学工业出版社，2008. [3] 符岩、张阳春.氧化铝厂设计[M].北京:冶金工业出版社，2008.

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