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蒸发技师培训教材

技师培训教材

蒸发工序

2006年7月12日

第一节概述

1.1蒸发概念

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。

1.2蒸发在氧化铝生产中的作用和目的

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。

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。

（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，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）

则蒸水量：

W=F0ρ0-F1ρ1（3-2）

举例1：

强制效的蒸水量的计算

已知强制效进料：

NT268g/l,NK249g/l,AL2O3149.5g/l,流量80m3/h，ρ01.371t/m3；出料：

NT328g/l,NK315g/l,AL2O3189.2g/l,

ρ11.466t/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=63.2m3/h

则蒸水量：

W=F0ρ0-F1ρ1=80X1.371-63.2X1.460=17.0t/h

举例2：

蒸发器组的蒸水量及蒸汽单耗的计算

已知蒸发器组进料：

NT187g/l,NK178g/l,AL2O3101.6g/l,流量740m3/h，ρ01.267t/m3；III闪出料NT265.7g/l,NK250g/l,AL2O3142.3g/l,

ρ11.370t/m3；退碱流量30m3/h，NT321.7g/l,NK310g/l,AL2O3179.1g/l,

ρ11.460t/m3；强制效进料：

NT268g/l,NK249g/l,AL2O3149.5g/l,流量80m3/h，ρ01.371t/m3；出料：

NT328g/l,NK315g/l,AL2O3189.2g/l，ρ11.466t/m3；加热蒸汽流量60t/h.求蒸发器组蒸水量及蒸汽单耗。

解：

1）画物料平衡图

2）根据溶质NK不变原理，求III闪出料流量：

Q原×NK原+Q退×NK退＝Q强进×NK强进+QIII×NKIII

QIII＝（Q原×NK原+Q退×NK退-Q强进×NK强进）/NKIII

QIII＝（740×178+30×310-80×249）/250

QIII＝484.4m3/h

3）根据溶质NK不变原理，求强制效出料流量：

Q强进×NK强进＝Q强出×NK强出

Q强出＝（Q强进×NK强进）/NK强出

Q强出＝（80×249）/315

Q强出＝63.2m3/h

4）求蒸发器组蒸水量

W=（Q原×ρ原+Q退×ρ退）-（Q强进×ρ强进+QIII×ρIII）

=（740×1.267+30×1.460）-（80×1.371+484.4×1.370）

=208t/h

5）求蒸汽单耗

蒸汽单耗＝加热蒸汽流量/蒸水量

D＝Q蒸/W＝0.288t.汽/t.水

第四节传热速率方程

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

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。

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：

1200-3500W/（m2.Oc）

举例1：

I效蒸发器总传热系数的计算（蒸发器组水洗周期初始实际数据）

已知I效蒸发器运行参数：

加热面积1500m2蒸汽压力3.8bar、温度142Oc、流量52t/h；分离器液温134Oc，求I效蒸发器总传热系数。

（蒸汽142Oc时，汽化热2141kJ/kg）

解：

热负荷：

Q＝D.r.106/3600＝（52×2141×106）/3600

=3.09×107W

I效蒸发器总传热系数:

K=Q/（A.∆tm）=3.09×107/[1500×（142-134）]=2575W/（m2.Oc）

计算结果表明，蒸发器加热管清洁，传热性能良好。

举例2：

I效蒸发器总传热系数的计算（蒸发器组水洗周期末期实际数据）

已知I效蒸发器运行参数：

加热面积1500m2蒸汽压力3.47bar、温度152Oc、流量39t/h；分离器液温141Oc，求I效蒸发器总传热系数。

（蒸汽152Oc时，汽化热2116kJ/kg）

解：

热负荷：

Q＝D.r.106/3600＝（39×2116×106）/3600

=2.29×107W

I效蒸发器总传热系数:

K=Q/（A.∆tm）=2.29×107/[1500×（152-141）]=1389W/（m2.Oc）

由于结疤在加热管的形成，水洗周期初始阶段与末期的总传热系数相比较，其值下降了近一半，为确保机组的蒸发效率，必须进行清洗。

第五节　分解母液蒸发与一水碳酸的苛化

1.分解母液中各种杂质在蒸发过程的行为

拜耳法生产氧化铝分解母液（原液）是由铝酸钠、氢氧化铝、碳酸钠、硫酸钠、铝硅酸钠、氢氧化钠组成的溶液。

蒸发是传热过程，提高系数是提高蒸发器产能和降低蒸发汽耗的主要途径。

导致蒸设备传热系数降低的主要原因是管壁结垢，研究防止或减轻结垢的方法，必须了解原液中各种杂质在蒸发过程中的行为。

1.1　碳酸钠（Na2CO3）

拜耳法种分母液中Na2CO3含量一般在10—20g/l范围，这些Na2CO3大部分是铝土矿和石灰中的碳酸盐在浸出过程中发生反苛化作用生成的，少量是铝酸钠溶液吸收空气中CO2生成。

随着溶液中总碱度的提高，Na2CO3溶解度急剧下降，母液蒸发时，当碳酸钠超出其平衡浓度，Na2CO3·H2O即自溶液中结晶析出。

Na2CO3在母液中溶解度随温度升高而增加，温度低析出的Na2CO3多。

有机物会使溶液中的Na2CO3过饱和，因此工业溶液中的Na2CO3浓度一般比平衡溶液高出1.5—3.0％，原因是有机物使溶液粘度升高，有机物会使结晶析出的Na2CO3·H2O粒度变细，造成沉降和过滤分离的困难。

在联合法中，拜耳法系统母液蒸发析出流程中有机物来源于铝土矿中腐植酸与苛性碱反应生成腐植酸钠Na2C2O4。

Na2OT,g/l

Nc/Nt%

图1-3Na2CO3在铝酸钠溶液中溶解度

1.2硫酸钠

拜耳法溶液中的Na2SO4主要是铝土矿中含硫矿物与苛性碱反应进入流程并循环积累的。

随着浓度增大，Na2SO4的溶解度急剧下降，在蒸发时，结晶析出的情况与Na2CO3.H2O相似。

温度对Na2SO4的溶解度有着显著影响，升高温度可增加其在铝酸钠溶液中的溶解度。

蒸发过程中，原液中的碳酸钠与硫酸钠能形成一种水溶性复盐芒硝碱（2Na2SO4·Na2CO3）结晶析出，芒硝碱还可以与硫酸钠形成固溶体，因此，在平衡溶液中，Na2SO4的浓度很低。

表1-1100℃时Na2SO4－NaOH－Na2CO3－H2O系平衡溶液的组成及平衡固相

液相组成（%）

平衡固相

Na2SO4

Na2CO3

NaOH

1.2

0.8

0.6

0.5

10.8

8.0

5.0

3.5

15.4

18.4

23.2

26.9

2Na2SO4·Na2CO３+Na2CO３·H2O

1.3氧化硅

铝土矿溶出时，循环碱液中含有大量游离苛性碱，所以在矿桨制备和溶出过程中，铝土矿中各种硅矿物都首先与苛性碱作用，以硅酸钠形式进入溶液中（Na2[H2SiO4]）。

铝酸钠溶液中的Na2O和AL2O3浓度对SiO2的平衡浓度很复杂，但也有一定规律：

H2SiO42-+2Al（OH）4-[Al2（H2SiO4）（OH）62-+2OH-①

在低苛性比值溶液中SiO2主要是络合离子{Al2[H2SiO4]（OH）6}2-存在，由于AL2O3浓度提高，脱硅得到的水合铝硅酸钠为铝酸盐方钠石（碱性钠石）即3[Na2O·AL2O3·2SiO2]·NaAl（OH）4·nH2O

12Na++6{Al2[H2SiO4]（OH）6}2-+aq3[Na2O·AL2O3·2SiO2]·NaAl（OH）4·nH2O+5NaAl（OH）4+aq②

从反应式②中看出AL2O3增大，反应向左进行，因而表现为SiO2含量增大。

在高苛性比值的铝酸钠溶液中，尤其是当AL2O3浓度低于40—60g/l的情况下，由于大量游离碱存在，脱硅反应如下：

10Na++3{Al2[H2SiO4]（OH）6}2-+3[H2SiO4]2-+aq3[Na2O.AL2O3.2SiO2].pNaOH.mH2O+（4-P）NaOH+aq

此时析出的是羟基方钠石，从反应式中看出随AL2O3浓度的减小，生成铝硅酸络离子可能与苛性碱反应生成铝酸钠和硅酸钠。

所以溶液中的苛性比值越高，溶解的氧化硅将主要以H2SiO42-离子存在，显然硅酸钠在苛性碱溶液中有较大的溶解度，换句话说，当溶液中游离苛性碱浓度相对减小时，上述反应向右进行，因而表现溶液中SiO2含量降低。

温度对铝酸钠溶液中SiO2的平衡溶解度的影响也十分复杂，但总的来说，温度升高SiO2平衡溶解度降低。

因此高温低浓度有利于铝酸钠结晶析出，当母液硅量指数低，且溶液中含硫酸钠和碳酸钠较多时，都会促进脱硅而在加热管表面形成硅渣结垢。

这种结垢较坚硬，不溶于水，但较易溶于酸中，蒸发器加热管壁上的硅渣结垢增长至一定厚度时，必须停车清洗，所以有些工厂在压煮料桨的稀释槽内添加石灰补充脱硅，以利于蒸发过程的进行。

实际上，2Na2SO4·Na2CO3往往是和铝硅酸钠混杂在一起的，并在加热管壁上形成致密的结垢，使传热恶化。

第六节蒸发流程简述

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0.35-0.38t.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

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。

工序配套排盐苛化系统包括:

两台18M2排盐过滤机,两台苛化过滤机,设计排盐量2×2.154吨/时（干滤饼）.

附II期蒸发流程图

第七节常见故障判断及处理方法

故障

故障判断

处理方法

过料管振动

过料控制气动阀失灵或开度小（启动时）或过料管堵塞

1.联系计控人员检修；

2.加大气动阀开度，液位投入自动；

3.停车处理。

真空泵跳停

负荷过大或电器故障

1.破真空，重新启动；

2.请电工检查处理。

真空度不够

1.系统漏真空；

2.真空泵问题；

3.循环水流量不够，温度过高。

1.组织有关人员检查处理；

2.倒泵；

3.加大循环水流量。

分离器液位异常升高

1.出料管不畅；

2.泵不打料；

3.液位计有问题。

1.检查，停车清理；

2.停车处理；

3.请计控检查处理。

冷凝水含碱量升高

1.加热管漏；

2.分离器液位升高或波动；

3.化验及电导计有问题。

1.根据情况打压处理；

2.稳定液位及蒸发器运行；

3.请化验室及计控调整

新蒸汽管振动、打垫子

1、管中积水没有排干；

2、新蒸汽输送波动，压力不稳。

1、压汽停车更换新垫子，开车前打开管路上所有手动阀，把管中积水排干；

2、联系调度室室，保证新蒸汽稳定输送。

预热器振动

机组蒸发量大、进入预热器二次蒸汽过多。

适当减少进料流量以降低机组蒸发量。

I效管束破损

1.酸洗操作不当造成；

2.设计缺陷；

3.管材选型不当。

隔离换管。

循环水跑碱

1、系统压力波动；

2、末效分离器进料口问题；

3、雾沫分离器捕沫效果差；

1、稳定系统压力；

2、停车处理进料口；

3、雾沫分离器改造。

第八节蒸发器的化学清洗

蒸发器的化学清洗指的是稀硫酸的清洗方法，针对的结疤成分是水洗方法无法清除铝硅酸钠结疤。

因为，酸洗方法会多或少对加热管束产生腐蚀作用，故不提倡频繁对蒸发器进行酸洗。

最科学的方法是，根据生产实际统计数据结果，蒸汽单耗上升幅度较大、出料浓度无法满足要求以及各效总传热系数下降较大，此时才考虑对某一效进行酸洗。

一般酸洗周期为：

第I效1－2个月，第II效3－4个月，其它各效周期半年或更长些。

蒸发器酸洗过程中要注意以下几方面问题：

1）酸洗前要用新水冲刷蒸发器，其目的是降低蒸发器内部的温度（<500C）。

因为，在较高温度下进行酸洗，硫酸溶液对加热管的腐蚀非常严重；

2）要根据配酸量精确计算出钝化剂（若丁）加入量：

钝化剂重量＝（2－2.5）％硫酸重量（100％），具体计算方法见例题，酸洗前10－15分钟加入；

3）由浓硫酸配制稀硫酸时，应先往槽内加入适量的密度较小的新水，然后再加入密度较大的浓硫酸。

这样，浓硫酸稀析产生大量热量将会很快散发，可有效的防止酸液飞溅而产生事故。

4）稀硫酸浓度100－130g/l；酸洗时间控制在1.2－1.5h，避免过分延长酸洗时间，以防止钝化剂失效而导致加热管受到酸液的强烈腐蚀；

5）酸洗过程中要打开二次蒸汽管上的排空阀，排除酸洗时产生的硫化氢等气体，同时酸洗现场要严禁烟火，防止硫化氢发生爆燃事故发生。

举例：

若丁加入量的计算方法

已知：

稀酸槽的规格Ø4.4×4.0m，60m3；配酸后测得稀酸槽上空高度1.5m；质量百分比浓度8.5％，密度1.08t/m3；要求若丁加入量为纯硫酸的2％。

根据以上参数计算若丁加入量。

解：

1、计算稀硫酸体积：

Vx=60×（4-1.5）/4=37.5m3

2、计算纯硫酸质量：

Mn=1.08×Vx×8.5%=3.44t

3、计算若丁加入量：

Mr=2%×Mn×1000＝2%×3.44×1000＝68.8kg

第九节碳酸钠的石灰苛化回收

在生产流程中，碳酸钠逐渐积累，如果不加以排除，将会影响一些设备运行的正常运行。

尤其是蒸发器及溶出闪蒸器过料管结疤严重，不但影响生产指标的控制，还会导致生产中断的事故。

因此，要不断地把碳酸钠从流程中排除出来，使流程中的碳酸钠保持一定的平衡。

蒸发器组中的强制效就是为排盐而特别设置的设备。

从溶液中析出的碳酸钠晶体，经热水溶解后，采用加入石灰乳进行反应的方法加以回收，苛化反应式如下：

Na2CO3+Ca（OH）2＝NaOH+CaCO3

因为苛化反应属于可逆的，上式中Na2CO3反应后变为NaOH的转化率称为苛化效率，其计算式：

苛化效率＝（NC原/NT原-NC淡/NT淡）÷NC原/NT原×100%

石灰乳添加量＝56×苛化原液流量×NC原÷（62×CaO）

举例：

已知：

苛化原液

CaO

流量

NC/NT

111.8

17.4

0.696

58.9

2.5

0.05

100

求苛化效率及石灰乳添加量。

苛化效率＝（0.696-0.05）/0.696×100%＝92.8％

灰乳添加量＝56×25×（111.8-34）÷（62×100）＝18M3/H

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