蒸发教材

第六节
蒸发器的清洗
5.1 蒸发器结疤程度的判断 在蒸发器加热管形成结疤的两种主要成分： 碳酸钠和铝硅酸钠。随着结疤层不断增厚，蒸 发器换热效果会越来越差、蒸汽单耗上升、出 料浓度无法满足要求。因此必须定期清洗蒸发 器，一般水洗效果仍然到达较佳的传热效果情 况下，说明硅结疤已相当严重，此时要考虑停 车对蒸发器进行稀硫酸清洗。
第一节 概述
1.1 蒸发概念和工业应用目的 • 将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，使其中挥
发性溶剂部分汽化从而将溶液浓缩的过程称为 蒸发。
• 从微观角度（分子运动学）分析，当液体受热 时，靠近加热面的分子不断获得动能，当一些 分子获得的动能大于分子间引力时，这部分分 子便会从液体表面逸出而成为自由分子，这就 是汽化现象。为了使溶液连续蒸发汽化，一方 面，必须不断给溶液提供热能；另一方面，必 须不断的把液面上的蒸汽移除掉，否则，进出 液面分子数将逐渐趋于平衡，溶液将不再蒸发 浓缩。
碳酸钠在铝酸钠溶液中的溶解度随着温度的 提高而增大，温度降低更容易结晶析出碳酸钠。 因此，逆流流程可有效的抑制碳酸钠结疤在加热 管快速析出。 拜耳法生产过程中，铝酸钠溶液积累了一定 有机物，因为有机物会使溶液粘度增大，从而导 致碳酸钠过饱和。工业铝酸钠溶液中碳酸钠浓度 一般会比平衡浓度高出1.5－2.0％。
3.2 传热速率方程 蒸发器传热速率方程： Q＝K.A.∆tm （3-3） 式中：A-蒸发器的传热面积，m2； K-蒸发器的总传热系数，W/(m2. Oc)； ∆tm-传热的平均温度差，Oc； Q-蒸发器的热负荷， W。 当忽略热损失情况下，Q为加热蒸汽冷凝成水时 放出的热量（蒸汽潜热）即： Q=106.D(H-hc)/3600=106.D.r/3600
举例：I效蒸发器总传热系数的计算 已知I效蒸发器运行参数：加热面积1500m2 蒸汽压力3.8bar、温度142 Oc、流量52t/h；分离 器液温134 Oc，求I效蒸发器总传热系数。（蒸 汽142 Oc时，汽化热2141kJ/kg） 解：热负荷：
Q＝D.r.106/3600（52*2141*106）/3600 =3.09*107W
在实际生产中，蒸发器总传热系数主要受外管壁对 流传热系数和内管垢层热阻的影响：1）当蒸汽夹带不 凝性气体时，对流传热系数和总传热系数减小。为保 证蒸发器良好的传热效果，在蒸发操作中要有专门的 不凝性气体排除系统。2）蒸发器运行一定时间后，内 管形成垢层（碳酸钠和铝硅酸钠），总传热系数将迅 速减小、传热效果差、汽耗上升。因此，要定期对蒸 发器进行水洗（碳酸钠）和酸洗（铝硅酸钠） 。 在加热管清洁状况下，降膜蒸发器K值：1200-3500 W/(m2. Oc)。
F1 x1
W=F0 ρ 0- F0x0 ρ 1 /x1
（3）
式中：F0－ 进料流量，m3/h； x0－进料浓度，g/l； F1－ 出料流量， m3/h； x1－出料浓度，g/l； ρ 0－进料密度，t/m3；
ρ 1－出料密度， t/m3；
W－蒸水量，t/h。 计算中要注意，进出料流量是体积流量，蒸水 量是质量流量。在计算蒸水量时要引入密度，才能 精确计算出蒸水量。
I组蒸发器
I组强制效 热电 锅炉
分 解 母 液
强碱液
排盐苛化
冷 凝 水
循 环 母 液
全 厂 各 点
II组强制效
全厂 各点
热电新蒸汽
II组蒸发器
原料、溶 出工序
不凝性气体
循环上水 水冷器
新蒸汽
循环下水
I
II
III
IV
V
VI
新蒸汽冷凝水 I闪 II闪 III闪
原液 二次冷凝水
强制效
பைடு நூலகம்
溶出二次汽
沉降槽
两组蒸发的差别 两组蒸发工艺原理相同，但设备设置及流程 有一定差别：1）I蒸发I--IV效各配置一台预热器， 而II蒸发只有I—II效配置预热器，其它效没有。 设计初衷是因为I期III、IV效预热器震动较严重， 因此，在二期设计中把它取消了。这从降低汽耗 方面分析也是合理的；2）各效加热面积分配差 别较大，例如I组I效1955m2, II组I效1500m2。从 实际运行效果上看，I组I效加热面积设计得更合 理些，也就是说II组I效加热面积设计偏小，其最 终代价是，增大温度差∆tm，这对设备平稳运行 是不利的。3）两组蒸发进料及各效间过料方式 也有所差别。
AL(OH)3洗水
矿石带入水分 赤泥洗水
焙烧工序
原料工序
溶出工序
沉降工序
分解工序
溶出闪蒸 带走水分
赤泥带 走水分
其他原因 带入水分
循环母液Nk240 ~250g/l
蒸发工序
蒸发排除水分
分解母液Nk175~185g/l
第二节
蒸发器结构原理
根据溶液和加热介质在蒸发器中接触情况， 蒸发器可分为间接加热蒸发器和直接接触传热 蒸发器。工业上，应用得最多的是间接加热蒸 发器，这类蒸发器的加热介质和受热溶液隔离 分开，可防止溶液被冲淡或受污染。我厂采用 的降膜蒸发器属于间接加热蒸发器。 降膜蒸发器主体设备由加热室和分离室两 部分组成，附属设备包括：冷凝水罐、直接接 触预热器、除沫器、布膜器。
降膜蒸发器组＋ 一个强制效蒸水能力可达190t/h,蒸 汽单耗0.286t. 汽/t.水。 由于一期引进的降膜蒸发技术取得了巨大的成功， 二期氧化铝继续采用降膜蒸发器，系统包括：六效 降膜蒸发器组 ＋ 一个强制效，设计最大蒸水量 220t/h、蒸汽单耗0.273t. 汽/t.水。 具体见工艺流程图
蒸发操作广泛应用于化工、轻工、制药、食 品以及冶金等行业。 工业蒸发操作的主要目的有： 1）将低浓度溶液浓缩后直接制取合格浓度的 产品如低浓度的分解母液经过六效降膜蒸发器蒸 发浓缩后得到的蒸发母液，又如各种果汁、牛奶 也必须经过蒸发浓缩后才能制成合格的产品。 2）将浓缩后的溶液进一步蒸发浓缩，使溶液 浓度提高到溶质形成结晶析出的程度，这个过程 叫做超浓缩，例如我厂蒸发工序特别设置了一个 效叫强制效，其作用就是把六效降膜蒸发浓缩后 的蒸发母液(NK250g/l)进一步浓缩处理，得到浓 度更高的蒸发母液(NK320g/l)，在这个浓度之下， 溶液中的一种溶质成分碳酸钠将形成结晶析出， 最终经过排盐苛化回收。这部分内容将在以后
I效蒸发器总传热系数:
K=Q/(A. ∆tm)=3.09*107/[1500*(142-134)] =2575 W/(m2. Oc)
计算结果表明，蒸发器加热管清洁，传热性 能良好。
第四节 氧化铝蒸发工艺及流程简述
4.1 区域任务 蒸发浓缩低浓度的种分母液（原液)并调配成配 矿要求的循环母液浓度、部分排除流程中的杂质 碳酸盐、维持全厂液量平衡。 4.2 流程描述 我厂是国内第一家引进降膜蒸发技术的厂家， 一期蒸发系统包括：五效降膜蒸发器组 ＋ 一个 强制效，设计最大蒸水量170t/h、蒸汽单耗0.350.38t. 汽/t.水。2002年底对原系统进行料技术改造， 增加了第VI效MVR蒸发器（机械压缩蒸汽的蒸发 器），其设计蒸水能力30t/h。经过技改后，六效
式中：D－加热蒸汽流量，t/h； H－加热蒸汽热焓，kJ/kg； hc－冷凝水热焓， kJ/kg； r－蒸汽汽化热， kJ/kg。 蒸发器加热室一侧为加热蒸汽，另一侧为溶 液，那么平均传热温差： ∆tm＝T-t1 式中：T－加热蒸汽温度， Oc； t1－溶液沸点， Oc 。 在加热面积已给定情况下，可由（3－3）式 计算出蒸发器的总传热系数K，而K值是判断蒸发 器运行性能最为重要的参数。
章节中进一步讲解。 3）通过加热蒸发、溶剂形成蒸汽，冷凝后制 取纯度符合要求的溶剂产品。这种操作方法也叫 蒸馏，如从海水中制取淡水。 4）另外还有一种操作方法兼备制取浓溶液和 回收有用溶剂，如中药生产中酒精浸出液的蒸发， 工业上要浓缩的溶液的溶剂大多是水，在这里， 我们仅限于讨论水溶液的蒸发。
1.2 蒸发在氧化铝生产中的作用和目的
3.1 物料衡算 对右图所示的单效蒸发器 进行溶质的物料衡算（根据 铝酸钠溶液各组分在蒸发过 程中的行为，实际计算中采 用苛性碱进行衡算，结果更 为准确些）可得：
F0x0=F1x1 F1 = F0x0 /x1 （3-1）
D H D hc F 0 x0 W
则蒸水量：
W=F0 ρ 0- F1 ρ 1 （3-2）
4.3
4）两组蒸发都采用六效作业，但I期第六效采用 了独特的蒸汽压缩技术，增加了两台风机及附属 设备，无疑在电能消耗及设备维护费用方面比II 组要高；实际运行数据说明，I组蒸汽单耗高于II 组。因此，可以得出这样的结论： I组运行成本 要高于II组，蒸汽压缩技术在氧化铝蒸发的应用 是不合算的。
第五节 杂质成分在蒸发过程中的变化 5.1 碳酸钠Na2CO3 种分母液中的碳酸钠主要来源是：铝土矿 和添加石灰中的碳酸盐在溶出过程中发生反苛 化作用而生成的，少量是铝酸钠溶液吸收空气 中的二氧化碳生成的。 碳酸钠在铝酸钠溶液中的溶解度随着浓度 的提高而急剧下降。在蒸发过程中，当碳酸钠 的浓度高于其平衡溶解度时，便会结晶析出 Na2CO3.H2O。
（如右图）低浓 度溶液在直接 预热器被本身 产生的二次蒸 汽预热，然后 引入循环泵进 口，再由循环 泵送到加热室 顶部，先经过 一套特制布膜 器作用，溶液 在加热室管束 内呈膜状下降， 通过加热蒸汽 加热升温，
加热室 加热蒸汽 二次蒸汽 低浓度溶液
预热器
冷凝水罐
分离室
冷凝水
完成液
达到沸腾温度，溶液到达分离室时，沸腾产生的 二次蒸汽被不断的排除（引入下一效作加热用）， 部分二次蒸汽引入直接预热器预热低温溶液。蒸 发浓缩后的溶液由一台出料泵送往下一效进一步 处理。加热蒸汽与管束内溶液换热后冷凝成水， 引入一台冷凝水罐，冷凝水依靠压力差作用产生 流动而排除，管路上安装气动阀来调节冷凝水罐 的液位（一般控制在50％）。 在蒸发器操作中，分离室的液位控制十分重 要，液位过高或过低都不利于蒸发器的稳定运行 和指标的控制。一般分离器液位控制在50％左右， 由计算机控制的一套连锁装置自动调节。 为防止二次蒸汽夹带碱滴导致冷凝水受污染， 分离室内部要安装专门的除沫器，上图所示是II 期蒸发器采用的除沫装置，实际上是一种折流除 沫器，共有六套。
第三节
蒸发基本计算
蒸发计算的基本方程是质量守恒方程、能 量守恒方程及传热数率方程。其中能量守恒方 程的计算最为复杂，在这里主要介绍其它两种 方程。 对于蒸发计算，给定的操作条件有：进料流量， 温度及浓度，出料浓度，加热蒸汽温度、压力 和流量，水冷器真空度等，一般要求确定： 1）加热管总传热系数； 2）蒸发水量及蒸汽单耗； 3）出料浓度。
举例：强制效的蒸水量的计算
已知强制效进料：NT 268g/l,NK249 g/l,AL2O3149.5 g/l, 流量80 m3/h ，ρ 01.271 t/m3；出料： NT 328g/l,NK315g/l, AL2O3189.2 g/l, ρ 11.460 t/m3，求强制效蒸水量。 解：根据溶质NK不变原理： F0N进=F1N出 F1 = F0N进/ N出＝80X249/315=63.2 m3/h 则蒸水量：W= F0ρ 0-F1ρ 1=80X1.271- 63.2X1.460= 9.4 t/h
5.2 二氧化硅
实际上二氧化硅在铝酸钠溶液中是以铝硅酸 钠Na2O•AL2O3 •1.7SiO2 •nH2O形式存在的，这 就是常说的钠硅渣，它在溶液中有一定量的溶 解度，其含量是过饱和的。在一定条件下，二 氧化硅以铝硅酸钠Na2O•AL2O3 •1.7SiO2 •nH2O 形式析出。其溶解度随温度升高和溶液浓度降 低而降低，相对于溶液浓度而言，温度对其溶 解度的影响更大些，因此，在实际生产中第I效 更容易析出硅结疤。 在实际生产运行中，蒸发器内部不断析出 硅结疤和碳酸钠结疤，两者层层叠加覆盖，层 次分明，使蒸发传热效果变差。
• 在拜耳法生产氧化铝过程中，水分的带入主要由以下 几个过程： 1）铝土矿带入水分； 2）赤泥洗涤带入水分； 3）AL(OH)3洗涤带入水分。 这些水分进入到流程中，导致了母液浓度的降低、 无法满足原料配矿及溶出对母液浓度的要求，因此， 必须把这部分多余的水分从流程中排除出去。 除了赤泥附液和AL(OH)3附液及自蒸发带走小部 分外，其余绝大部分靠蒸发来排除掉。另外，生产过 程中，不断积累有害杂质碳酸钠等也有一部分在蒸发 工序中排除并回收。