碱液的蒸发工序及操作.doc
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1、碱液的蒸发工序及操作摘 要:本文介绍碱液蒸发基本原理、蒸发流程、蒸发工序设备的结构、原理,操作及和运行过程中的故障处理。关键词:碱液蒸发 原理 设备 故障处理前 言烧碱(又称为氢氧化钠)在国民经济中有着重要的作用。广泛应用于造纸、纤维素的生产、洗涤剂、合成脂用酸的生产以及动植物油的提炼。纺织印染工业用作棉布退浆、煮炼剂和丝光剂。化学工业用于生产硼砂、氰化钠、甲酸、草酸、苯酚等。石油工业用于精炼石油制品,并用于油田钻井泥浆中。同时,还用于生产氧化铝、金属锌和铜以及玻璃、搪瓷、制革、医药、染料和农药等方面。近年来,随着中国国民经济的发展,烧碱在各行各业中的应用也越来越重要。目前,氯碱生产有隔膜法、
2、水银法和离子膜法。无论在技术先进、工艺优越性以及产品质量、节约能源等方面均为离子膜法占优。然而,无论用何种方法生产,在烧碱生产过程中都存在着多种危险危害因素,一旦发生事故可能造成极为严重的后果,不仅影响到生产的正常进行,同时人们的生命和财产也将遭到损失。本文作者对国内某离子膜烧碱现役装置进行了调研,同时查阅了国内外氯碱生产的资料和国家安全生产规范与标准,在经有关专家进行论证后,对离子膜烧碱生产过程中可能遇到的危险有害因素进行了辨识与评价,同时提出了相应的对策措施,以消除或降低这些危险有害因素,为安全生产提供保障。碱液蒸发是各类生产工艺中的一个重要工段,占生产成本高,优化蒸发工艺具有深远的意义。
3、蒸发的基本原理一、碱液蒸发工序的原理 碱液蒸发与所有的蒸发过程一样,是借加热作用(一般用蒸汽)来提高碱液的温度,使溶液中所含的溶剂(水)部分汽化,以提高溶液中溶质碱的浓度的物理过程。 工业上的蒸发过程是典型的传热过程。这个过程可由传热方程式来表示:Q=KFt式中Q传热速率,kJh; F传热面积,m2; t传热温差,; K传热系数,kJ离子膜电解碱液蒸发过程的几个特性溶液的沸点升高 在一定压力下,溶液处于沸腾状态下的温度即为该溶液在此压力下的沸点。 电解碱液的粘度 电解碱液的浓度提高时,它的粘度也随着增加。一定浓度的碱液,它的粘度又随着温度的升高而降低, 蒸发过程的温差损失 (1) 溶液沸点升高
4、而引起的温差损失,即t=t实-t水(t为溶液沸点升高而引起的温差损失)。 (2) 由液体静压引起的沸点升高 在蒸发器内进行的蒸发过程中,由于需要维持一定液位,碱液在蒸发器底部进入加热室内所受到的压力要比液面上的压力大,则就形成了由于静压引起的沸点升高值。 (3)流体阻力所引起的温差损失 离子膜电解碱液蒸发的传热系数离子膜电解槽所生产的碱液,由于其纯度高,杂质含量少,可近似视为烧碱水溶液的蒸发,蒸发传热系数要比隔膜碱液蒸发的传热系数高。 离子膜碱液的腐蚀性二、离子膜碱液及其蒸发的特点(一)离子膜碱液的特点 离子膜电解碱液具有隔膜电解碱液所无法比拟的优点,这可以从其电解碱液的质量指标得知,见表8-
5、2。指 标旭硝子公司ICl公司旭化成公司迪诺拉公司伍德公司西方公司NaOH,NaCI,mgI,NaCl03,lnglLFe203mgL3335401532501530333033355020333303340so515(1)碱液浓度高,NaOH含量在2935。(2)碱液中Nacl含量少,NaCl含量一般在3050wngL。(3)碱液中氯酸盐含量低,NaCl03含量一般在1530mgL。(二)离子膜法碱液蒸发的特点流程简单,简化设备,易于操作浓度高,蒸发水量少,蒸汽消耗低离子膜法碱液蒸发流程三、离子膜法碱液的蒸发流程(一)单效蒸发流程1单效升膜蒸发流程其流程见图1 2单效旋转薄膜蒸发流程见图2
6、图1流程叙述:离子膜法碱液由电解室内碱泵直接送至升膜蒸发器1入口,在升膜蒸发器中,碱液在管内受到管外蒸汽的加热,温度升高达到沸点,并沸腾,然后进入蒸发室蒸发,浓碱液依靠重力流入出料贮罐2。蒸发出来的水蒸汽,由喷射冷凝器6真空抽出。并经水冷凝进入冷却水贮罐7。出料贮罐交替使用,碱液装满后切换至另一贮罐,然后解除真空,启动泵将热碱经热交换器4冷却后送至贮罐5。蒸汽冷凝水依靠压力排入汽液分离器8,经汽液分离后蒸汽冷凝水送至凝水贮罐9。 流程叙述:加热蒸汽由旋转薄膜蒸发器3上部夹套进入并加热碱液,冷凝液由蒸发器底部出口依靠自身压力进入换热器2,与碱液进行热交换后的凝水去凝水贮罐。 由电解来的32碱液经
7、热交换器2预热后,由旋转薄膜蒸发器3上部加入;经分配成降膜下流,与蒸汽进行热交换,碱液经加热沸腾蒸发,蒸发出来的二次蒸汽进入喷射冷凝器5,被上部进入的冷却水冷凝,冷却下水送至循环水系统。 浓缩后的碱液在蒸发器下部由泵4抽出去成品碱系统。图2单效旋转薄膜蒸发流程示意图)1-碱液送料泵;2一换热器;3一旋转薄膜蒸发器;4 一成品泵;5一喷射冷凝器;6一冷却水贮槽 (二)双效蒸发流程为了更好地利用蒸汽,节约能源,在离子膜碱液蒸发中比较广泛地采用了双效蒸发流程,目前所被采用的双效流程又可分为:、双效顺流流程其流程见图3。、双效逆流程,见图4。 、降膜双效逆流流程。见图5。讲解流程从离子膜电解槽来的碱液
8、被送入I效蒸发器4,在外加热器中由大于O5MPa(表压)的饱和蒸汽进行加热,碱液达到沸腾后在蒸发室中蒸发,二次蒸汽进入I效蒸发器6的加热室,I效蒸发器中的碱液浓度控制在3739,碱液依靠压力差进入效蒸发器6中,在加热室被二次蒸汽加热沸腾,蒸发浓缩至产品浓度(42、45、50)。 效的二次蒸汽进入喷射冷凝器后被冷却水冷凝,然后冷却水进入冷却水贮罐12。达到产品浓度的碱连续出料至热碱贮罐7,然后由浓碱泵8经热交换器9冷却后送入贮罐10,最后销往用户。图3双效顺流蒸发流程示意图1一I效冷凝水贮罐;2,5一气液分离器;3一I效冷凝水贮罐;4I效蒸发器; 6一I效蒸发器;7一热碱贮罐;8一碱泵;9一热交
9、换器;10一成品碱贮罐;11一水喷射器12一冷却水贮罐流程特点:各效温差较大,提高了传热速率,设备传热面积相比顺流小,但末效对设备材质要求较高,增加了设备投资。双效逆流蒸发流程见图4图4双效逆流蒸发流程示意图lI效冷凝水贮罐;2,6一气液分离器,3一I效过料泵;4一I效冷凝水贮罐5一I效蒸发器;7一I效蒸发器;8一热碱贮罐;9一浓碱泵;10一热交换器 1 1一成品碱贮罐;12一水喷射器13一冷却水罐(三)三效蒸发流程分类 1三效顺流强制循环流程三效顺流强制循环(流程对设备材质的要求相对来说不苛刻,投资费用较低而又具有多利用蒸汽、汽耗较低的特点,所以也是生产企业容易接受的流程。其流程见图6。)2
10、三效逆流强制循环流程(三效逆流强制循环蒸发流程具有传热温差大、传热效率高、设备能力大的特点,但由于末效高温、高浓碱的需要,对设备材质要求也较高。其流程见图7。)3三效降膜逆流蒸发流程(是一种在国外能耗费用较高地区推荐使用的流程,在国内目前尚没有引进该流程道。见图8)讲解流程所谓三效顺流部分强制循环工艺,即每套蒸发由三个蒸发器,分别叫一效、二效、三效蒸发器,顺流是指碱的流向与蒸汽的流向一致:从电解槽产出的淡碱先进一效蒸发器,蒸到浓度约15%时进二效蒸发器,蒸发到浓度约20%时再进三效蒸发器,蒸到30%时出料;从电厂来的蒸汽称为生蒸汽,进一效蒸发器加热室,从一效碱液中蒸发出的水蒸气称为二次汽进二效
11、加热室,同理二效蒸发出的二次汽作为热源进三效加热室。所以理论上讲三效蒸发工艺1吨生蒸汽能从碱中蒸出3吨水来。部分强制循环是指一效内的碱液靠蒸发前后自身的比重差形成循环流动,而二、三效则主要靠泵的动力来循环流动,所以称之为强制循环。在蒸发过程中,随着碱液浓度的升高,原来溶解于碱液中的盐不断结晶析出,为了得到较大颗粒的结晶,生产中把三效析出的盐用旋液分离器采回二效,以使晶体进一步长大。把二效的盐用旋液分离器采到盐碱高位槽,然后用离心机实现盐碱的最后分离。图6三效顺流蒸发流程示意图1一l效凝水贮罐;2,7,9一气液分离器,31效循环泵;4一I效蒸发器;5一II效循环泵;6一I效蒸发器,8一I、效凝水
12、贮罐;10III效循环泵;11一I效蒸发器;12一水喷射器13一冷却水贮罐;14一浓碱贮罐;15一浓碱泵;16一热交换器 图7三效逆流蒸发流程示意图效蒸发器;2,7,12一循环泵;3,5,10一气液分离器;4一热水贮罐,6,11,16一板式换热器;8一效蒸发器;9一l效凝水贮罐;13一I效蒸发器;14一热碱贮罐;15一浓碱泵;17一水喷射器; 18一冷却水贮罐效数的选择是图8三效降膜逆流蒸发流程示意图1一大气冷凝器;2一l效降膜蒸发器3,7,11碱泵;4,5,8,9一换热器 ; 3,7,11碱泵;4,5,8,9一换热器 (四)蒸发流程选择采用的依据和比较对于离子膜法碱液的蒸发流程的选择可以大体
13、上分为以下几个方面:效数的选择;蒸发器的效数愈多,蒸汽被利用的次数也就愈多,汽耗也就愈低,从而使生产运转费降低,产品成本下降。 蒸发器形式的选择参考下页蒸发器的主要性能情况见表。 顺逆流工艺流程的选择;a 分地利用加热蒸汽的热量 从而提高了蒸汽的热利用率。 b 提高了传热系数 循环方式的选择。表。表几种常见的蒸发器的主要性能对照表型式 项目标准蒸发器悬筐蒸发器外热蒸发器列文蒸发器强制循环蒸发器升膜蒸发器降膜蒸发器旋转刮板蒸发器循环速度传热系数I效效效对蒸汽压力要求耗材与投资蒸发能力O30512001400800900400500低少低 l121500170010001200600800 低较少
14、低12151800200010001200800900 较低较多较低1520300240012001500 8001000 高多 较低 182518002000(顾)20002200(逆)18002200(顺)9002100(逆)18002000(顺)8002000(逆) 较高多 较高 不循环20002300 - -较低少 高 不循环1400160024002600 -较高少 高 不循环23002500- -较低较少 较高表推荐采用的蒸发流程和设备序号项目名称 内 容 备 注序号项目名称 内 容备注流程:效数双效或三效以三效为佳2蒸发器强制循环蒸发器,升膜蒸发器,降膜蒸发器, l循环方式采用强
15、制循环蒸发或旋转薄膜蒸发器不循环的膜式蒸发3真空设备水喷射器,蒸汽喷射泵顺逆流方式尽可能采用逆流工艺4换热器板式换热器循环泵轴流式循环泵蒸发工序设备的结构、原理,操作四、主要设备及原理、操作(一)蒸发器 1蒸发器的基本结构(1)蒸发室:蒸发器的蒸发室一般都呈圆柱形筒 体,它的作用是提供蒸发空间、对蒸发出来的二次进行汽液分离 (2)加热室:加热室通常是列管加热器,其作用是把加热蒸汽的潜热冷凝热传有冷凝水出口,上部有蒸汽进口管及不凝气体出口管(3)循环系统循环系统 :自然循环或者强制循环蒸发器中的循环管和循环泵。蒸发器的循环系统是使需要蒸发浓缩的料液达到要求的循环速度,改善传热状况的重要部件。尤其
16、是循泵,对提高蒸发器的传热系数具有重要作用。2各种类型的蒸发器及其特性(1)自然循环型蒸发器 a标准式蒸发器;(见下页图9)。在通常情况下,中央循环管的截面积应不小于加热管截面积的35,一般为4050。标准式蒸发器具有结构简单、制作方便、投资省等特点。缺点是循环速度低(约为04O5ms),更换和检修加热室较不容易。)b悬筐式蒸发器;(内热式自然循环蒸发器见下页图10),c外加热式蒸发器。外加热室蒸发器外加热蒸发器是将加热室移至蒸发器体外的一种外热式自然循环蒸发器(见图11)。 图9 标准式蒸发器 图10 悬筐式蒸发器1一外壳; 2一加热室; 3一中央循环管; 1一外壳;2一加热蒸汽管; 3一除
17、沫器I4一蒸发室;5一除沫器 4一加热室;5一液沫回流管 图11 外加热室蒸发器损失较大。 1-加热室;2-蒸发室;3-循环室(2)强制循环蒸发器 a强制外循环蒸发器 强制外循环蒸发器如图12,主要由四部分组成:即蒸发分离室、加热室、循环管、循环泵。 b强制内循环蒸发器 (见图13) ,它系由蒸发室、加热室、液体箱三部分组成图12强制外循环蒸发器 图13强制内循环蒸发器1一液沫捕集器;2一分离器;3一循环管; 1一分布器;t2加热室;3一上升通道4一循环泵; 5一加热室;6一旋流板 4一轴流泵;5一下降通 (3)不循环蒸发器 不循环蒸发器常见的有升膜蒸发器:由加热室和蒸发分离室两部分组成(见图
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