способ концентрирования алюминатных растворов и многокорпусная выпарная батарея для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ концентрирования алюминатных растворов, включающий упаривание в несколько стадий, которое на предварительной стадии осуществляют противоточно пару вторичным паром, поступающим с окончательной стадии с последующим подогревом раствора на 20-60°С перед промежуточной стадией, на которой раствор упаривают острым паром, а на окончательную стадию раствор подают, смешивая его с циркулирующим, и упаривают вторичным паром, поступающим с промежуточной стадии, отличающийся тем, что на промежуточной стадии смешивают подогретый раствор с циркулирующим в соотношении 1:(10-20) и нагревают полученную смесь на 4-8°С, а на окончательной стадии смешение поступающего раствора с циркулирующим производят в соотношении 1:(20-50) и нагревают на 2-6°С при скорости движения раствора 2-3 м/с.

2. Многокорпусная выпарная батарея для концентрирования алюминатных растворов, включающая последовательно соединенные по пару выпарные аппараты с вертикальными теплообменными трубками, в которой последняя по ходу пара ступень, содержащая, например, два пленочных аппарата, соединена с трубопроводами для подачи исходного алюминатного раствора и для подачи вторичного пара из второго по ходу пара корпуса и содержит трубопровод отвода упаренного раствора, сообщенный с первым по ходу пара корпусом и снабженный подогревателем раствора, а первый по ходу пара корпус сообщен по раствору со вторым по ходу пара корпусом, снабженным циркуляционным контуром и камерой кипения раствора, размещенной над теплообменными трубками, отличающаяся тем, что первый по ходу пара корпус снабжен циркуляционной трубой и вынесенной камерой кипения раствора, причем длина теплообменных трубок в нем составляет 6-9 м, а второй по ходу пара корпус снабжен циркуляционным насосом и имеет длину теплообменных трубок 5-7 м.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к области производства глинозема из бокситов и могут быть использованы для упаривания алюминатных растворов в многокорпусной выпарной батарее с вертикальными теплообменными трубками с целью их концентрирования и удаления примесей, накапливающихся в процессе.

Процесс выпаривания играет важную роль в технологии получения глинозема. Показатели стадии выпаривания в значительной степени определяют экономические показатели производства глинозема. При этом эффективность работы выпарных батарей во многом обусловлена уровнем совершенства технологии процесса выпаривания, а также конструкций выпарных аппаратов.

Алюминатные растворы, поступающие на выпаривание, имеют сложный состав: каустическую соду, алюминий, карбонат и алюмосиликат натрия, органику и другие компоненты. Выпаривание этих растворов сопровождается выделением гидроалюмосиликатной накипи на начальной стадии и кристаллизацией карбоната натрия на конечной стадии, что значительно осложняет работу выпарных аппаратов.

Известен способ упаривания щелочно-алюминатных растворов в многокорпусной выпарной батарее (см. авт. свид. СССР №179271, МПК В 01 D 1/26, опубл. 1966 г., БИ №5), осуществляемый с периодической сменой режима работы выпарной батареи. По этому способу упаривание раствора ведут при прямоточном движении его с теплоносителем до промежуточной концентрации, после чего изменяют направление движения раствора на противоположное и упаривают его до заданной конечной концентрации.

Способ реализуют в многокорпусной выпарной батарее, включающей последовательно соединенные по пару корпуса с кипятильниками подогреватели раствора, баки-сборники и насосы. В обоих случаях работы направление движения пара в батарее не изменяется. При упаривании растворов по известному способу в известной батарее ее промывка происходит автоматически за счет периодической смены режима, кроме того, уменьшается износ кипятильных труб последнего корпуса.

Однако при выпаривании по прямоточной схеме наряду с кристаллизацией карбоната натрия, выделяющегося в последнем корпусе, на теплообменных поверхностях, особенно в первых корпусах батареи, отлагается накипь в виде гидроалюмосиликата натрия (ГАСН), который имеет обратную зависимость растворимости от температуры и концентрации каустической соды. Указанные отложения приводят к снижению интенсивности работы аппаратов и, следовательно, к снижению производительности выпарной батареи. Переключение на противоточную схему ведет к тому, что в последний корпус батареи, в котором имеют место наибольшие отложения соды, подают наименее концентрированный исходный раствор, который растворяет отложения соды, и производительность батареи возрастает. Однако для растворения карбоната натрия требуется время, в течение которого производительность установки недостаточная. При этом исходный раствор растворяет карбонат натрия не полностью, так как для полного растворения необходимо подавать воду, которую затем придется упаривать. То есть энергетические затраты при таких сменах режима возрастут.

Наряду с изложенным следует отметить, что слабоконцентрированный раствор способен растворить только карбонат натрия, но не алюминатную накипь. Поэтому при переключении питания батареи раствором с прямоточного на противоточный может происходить лишь частичное увеличение производительности. То есть батарея не будет работать в достаточно интенсивном режиме.

Кроме того, переключение с прямотока на противоток в значительной степени усложняет аппаратурно-технологическую схему установки за счет дополнительной арматуры и насосов. Это ведет к удорожанию процесса выпаривания и снижению надежности работы установки.

Известен способ концентрирования глиноземсодержащего сырья (Еремин Н.И., Наумчик А.Н., Казаков В.Г. Процессы и аппараты глиноземного производства. - М.: Металлургия, 1980 г., сп. 300, рис.129в), включающий выпаривание в многоступенчатой выпарной установке (МВУ). Раствор в такой установке проходит ряд последовательно соединенных по пару выпарных аппаратов, называемых корпусами. Проходя через эти аппараты, раствор концентрируется, нагреваясь паром, образующимся в предыдущем корпусе. По схеме смешанного тока (3-4-1-2) раствор поступает в третий корпус, где в качестве теплоносителя используется вторичный пар предыдущего (второго) корпуса. Далее раствор движется прямоточно движению пара. Из последнего (четвертого) корпуса он при помощи насоса перекачивается в первый по пару корпус, откуда частично упаренный раствор перетекает во второй корпус.

При выпаривании прямоточно в III и IV корпусах происходит выделение на теплообменных поверхностях накипи ГАСН, имеющей обратную растворимость, хотя выделение накипи в этих корпусах будет меньше, чем в I корпусе установки по авт. свид. СССР №179271, вследствие меньшей температуры раствора в них, так как они обогреваются вторичным паром, а не острым.

Ввиду выделения накипи интенсивность работы выпарных аппаратов установки будет снижаться. Поэтому производительность установки будет снижена и эффективность известного способа упаривання будет недостаточной.

Согласно данной известной схеме установки упаренный в четвертом корпусе раствор подают затем в первый по ходу пара корпус. При этом температура раствора в четвертом корпусе обычно меньше, чем в первом, на 70-80° С. Поэтому прежде чем упаривать раствор в первом корпусе, его необходимо нагреть до температуры кипения, что требует значительных затрат пара. Эти затраты пара можно несколько снизить за счет использования подогревателей раствора, обогреваемых вторичным паром. Однако энергозатраты при данном способе концентрирования в известной установке будут очень велики.

Наиболее близкими к заявляемым являются способ концентрирования алюминатных растворов и многоступенчатая выпарная батарея для его осуществления, действующие на Богословском алюминиевом заводе и описанные в отчете ВАМИ (Всесоюзный научно-исследовательский и проектный институт алюминиевой и электродной промышленности) по НИР "Промышленные испытания 4-х и 5-ти корпусных выпарных схем с упариванием кристаллизующихся растворов в установке мгновенного испарения и аппарате с вынесенной зоной кипения". Тема 5-73-558, этап I. "Промышленные испытания четырехкорпусной выпарной батареи смешанного тока с двухходовым аппаратом на БАЗе". - Ленинград, 1974 г. Эта батарея и способ концентрирования описаны также в Технологической инструкции АООТ "Богословский алюминиевый завод" ТИ БАЗ-10-01-95, "Производство глинозема из бокситов", 1995 г. Эти способ и устройство приняты заявителем за прототип. Указанный способ концентрирования алюминатных растворов, полученных при переработке бокситов, включает упаривание в несколько стадий, которое на предварительной стадии осуществляют противоточно пару (4-3 корпуса) в пленочных аппаратах (одном или двух, связанных по раствору последовательно) вторичным паром, поступившим с окончательной стадии, при температуре раствора (55-90)° С с последующим подогревом упаренного раствора на (20-60)° С перед промежуточной стадией, на которой раствор упаривают в пленочном выпарном аппарате острым паром при температуре (120-140)° С. На окончательную стадию, осуществляемую в выпарном аппарате и самоиспарителе, раствор подают, смешивая его с циркулирующим, и упаривают вторичным паром, поступающим с промежуточной стадии с вскипанием раствора вне трубок и с последующим его самоиспарением при температуре (100-115)° С вследствие снижения давления в результате того, что самоиспаритель соединен по пару с корпусами предварительной стадии упаривания.

Многокорпусная выпарная батарея - прототип - для концентрирования алюминатных растворов содержит последовательно соединенные по пару выпарные аппараты с вертикальными теплообменными трубками. Предварительная стадия упаривания при этом содержит один или два (последовательно соединенных) пленочных аппарата, являющихся последними по ходу пара в батарее и соединенных трубопроводом с конденсатором, соединена с трубопроводами для подачи исходного алюминатного раствора и для подачи вторичного пара из второго по ходу пара корпуса и содержит трубопровод отвода упаренного раствора, сообщенный с первым по ходу пара корпусом и снабженный подогревателем раствора. Первый по ходу пара корпус сообщен по раствору со вторым по ходу пара корпусом, который снабжен циркуляционным контуром и камерой кипения раствора, размещенной над греющими трубками. Из второго корпуса раствор направляют в самоиспаритель, сообщенный с третьим по пару корпусом.

Итак, способ-прототип и выпарную батарею для его осуществления характеризуют последовательность соединения входящих в батарею выпарных аппаратов по ходу пара и упариваемого раствора, а также типы выпарных аппаратов и режимы концентрирования. Именно от названных факторов зависят достоинства и недостатки способа и батареи.

Достоинством действующих способа и батареи (см. фиг.1) является последовательность соединения аппаратов по ходу раствора (4-3-1-2) в четырехкорпусной по пару батареи.

Недостатки существующего способа выпаривания, осуществляемого на действующей выпарной батарее, связаны с применяемыми типами выпарных аппаратов на промежуточной и окончательной стадиях выпаривания. На промежуточной стадии выпаривания - в первом корпусе батареи - используется пленочный выпарной аппарат с восходящей пленкой раствора. В этом аппарате раствор однократно проходит по греющим теплообменным трубкам, в которых происходит его кипение. Вследствие кипения внутри трубок в них выделяется накипь ГАСН, что приводит к снижению интенсивности работы аппарата.

На окончательной стадии выпаривания - во втором корпусе батареи - используется выпарной аппарат с естественной циркуляцией с вынесенной зоной кипения. На этой стадии упаривания из раствора происходит усиленное выделение кристаллического карбоната натрия. Применение в данном случае аппарата с циркуляцией раствора и вынесенной зоной кипения вполне оправдано. Благодаря наличию циркулирующего раствора и вынесенной зоны кипения снижаются инкрустации внутренних поверхностей теплообменных трубок карбонатом натрия. Однако использование аппарата с естественной циркуляцией в качестве второго корпуса приводит к тому, что давление в нем составляет (0,01-0,05) МПа, т.е. близкое к атмосферному. При таком давлении плотность вторичного пара, являющегося движущей силой естественной циркуляции, невелика. Поэтому скорость циркуляции раствора, а следовательно. расход циркулирующего раствора также невелики.

При этом кратность смешения раствора, приходящего с промежуточной стадии выпаривания, с циркулирующим в аппарате раствором равна 5-10.

Вследствие недостаточной скорости циркуляции, составляющей (0,4-0,6) м/с, ее не хватает, чтобы нести кристаллы твердой фазы, что приводит к завалам кристаллов внутри аппарата, приводящим, в свою очередь, к еще большему снижению скорости циркуляции. В результате этого возрастает перегрев раствора в греющих трубках аппарата, что вызывает инкрустацию внутренних поверхностей трубок карбонатом натрия и снижает интенсивность работы аппарата.

Применение аппарата с естественной циркуляцией на окончательной стадии концентрирования приводит к тому, что в нем невозможно допарить раствор до требуемой концентрации с полным выделением карбоната натрия при указанной температуре (100-115)° С (которая необходима для отделения твердой фазы от раствора), так как при данных обстоятельствах используемый аппарат практически неработоспособен. Поэтому в прототипе на окончательной стадии концентрирования применяется самоиспаритель раствора, в котором происходит доведение раствора до заданной конечной концентрации с полным выделением из него карбоната натрия. При этом указанное концентрирование раствора ведется при требуемой температуре (100-115)° С. Однако использование самоиспарителя раствора приводит к образованию большого количества мелких кристаллов, отделение которых от раствора требует больших энергозатрат вследствие необходимости промывки их водой, возвращаемой на выпаривание.

Вследствие изложенного интенсивность работы выпарных аппаратов в батарее прототипе, характеризуемая коэффициентом теплопередачи, невелика. В данном случае коэффициенты теплопередачи указанных аппаратов не превышает 700-1200 Вт/м²· К. Выпарная батарея-прототип способна работать без промывки всего 20 часов, что вызвано интенсивным зарастанием содой теплообменных трубок, в результате чего производительность батареи снижается на 30%, а иногда и на 50%. После этого батарею приходится промывать, а промывные воды упаривать, расходуя дополнительно греющий пар.

Изучение причин плохой работы батареи-прототипа позволило авторам предлагаемых изобретений устранить вышеназванные недостатки и создать способ и выпарную батарею, отвечающие современным требованиям, предъявляемым к процессам концентрирования растворов.

Предлагаемые на экспертизу способ концентрирования алюминатных растворов и выпарная батарея для его осуществления, сохраняя все достоинства способа и устройства-прототипа, касающиеся последовательности подключения выпарных аппаратов по пару и раствору, имеют существенные отличия от него, касающиеся типов используемых выпарных аппаратов на каждой стадии выпаривания, благодаря которым достигается требуемый современными условиями технический результат - предотвращение отложений гидроалюмосиликатной накипи и карбоната натрия, увеличение интенсивности работы и производительности оборудования, а также снижение энергозатрат.

Заявляемый способ концентрирования алюмичатных растворов включает упаривание в несколько стадий, которое на предварительной стадии осуществляют противоточно пару вторичным паром, поступающим с окончательной стадии с последующим подогревом раствора на (20-60)° С перед промежуточной стадией, на которой раствор упаривают острым паром, а на окончательную стадию раствор подают, смешивая его с циркулирующим, и упаривают вторичным паром, поступающим с промежуточной стадии. Эти признаки являются общими для прототипа и заявляемого способа.

Новым в способе является то, что на промежуточной стадии смешивают подогретый раствор с циркулирующим в соотношении 1: (10 - 20) и нагревают полученную смесь на (4-8)° С, а на окончательной стадии смешение поступающего раствора с циркулирующим производят в соотношении 1:(20-50) и нагревают на (2-6)° С при скорости движения раствора (2-3) м/с.

Многокорпусная выпарная батарея для концентрирования алюминатных растворов, так же как и прототип, включает последовательно соединенные по пару выпарные аппараты с вертикальными теплообменными трубками. Последняя по ходу пара ступень содержит, например, два последовательно соединенных пленочных аппарата, соединена с трубопроводами для подачи исходного алюминатного раствора и для подачи вторичного пара из второго по ходу пара корпуса и содержит трубопровод отвода упаренного раствора, сообщенный с первым по ходу пара корпусом и снабженный подогревателем раствора, а первый по ходу пара корпус сообщен по раствору со вторым по ходу пара корпусом, снабженным циркуляционным контуром и камерой кипения раствора, размещенной над греющими трубками.

Новым в предлагаемой выпарной батарее является то, что первый по ходу пара корпус снабжен циркуляционной трубой и вынесенной камерой кипения раствора, причем длина теплообменных трубок в нем составляет (6-9) м, а второй по ходу пара корпус снабжен циркуляционным насосом и имеет длину теплообменных трубок (5-7) м.

Заявляемые способ и выпарная батарея отвечают всем критериям патентоспособности.

Они являются новыми, так как из уровня техники не известны решения с такими же совокупностями существенных признаков, о чем свидетельствует приведенный выше анализ способов и установок для концентрирования алюминатных растворов.

Предлагаемые для патентной экспертизы изобретения имеют изобретательский уровень, так как для специалиста они не следуют явным образом из известного уровня техники, то есть из известного уровня техники не выявлено влияние предписываемых этими изобретениями преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками на достижение технического результата. Действительно, проведенные заявителем патентные исследования показали, что среди известных в мировой технике и науке решений, предназначенных для концентрирования алюминатных растворов, не существуют такие, которые бы, имея отличительные существенные признаки заявляемых способа и установки, уже привели бы при их использовании к тому техническому результату, на достижение которого направлена группа изобретений по настоящей заявке.

Более того, проблема концентрирования алюминатных растворов, полученных в глиноземном производстве при переработке бокситов и имеющих столь сложный состав, до сих пор не была решена, хотя потребность решить ее существует давно. Предлагаемые способ и выпарная батарея позволили эту проблему решить, удовлетворив существующую потребность, и дали возможность устранить узкое место в сложной цепочке переработки бокситов. Благодаря заявляемым решениям нет необходимости останавливать оборудование через каждые двадцать часов работы и проводить отмывки теплопередающих поверхностей, снижающие производительность производства и вызывающие увеличение энергозатрат.

Заявляемая группа изобретений промышленно применима - и способ, и устройство по всем признакам заявляемых совокупностей признаков выполнимы и воспроизводимы; ничто в предлагаемых изобретениях не мешает использованию их в промышленности с достижением ожидаемого технического результата.

Представляемое описание конкретного выполнения выпарной батареи и осуществления в ней заявляемого способа - подтверждение тому.

На на фиг.2 - иллюстрация схемы заявляемой выпарной батареи, на которой реализуется заявляемый способ. При этом на фиг.2 показана схема четырехкорпусной выпарной батареи.

Многокорпусная выпарная батарея для концентрирования алюминатных растворов содержит последовательно соединенные по пару выпарные аппараты 1, 2, 3 и 4 с вертикальными теплообменными трубками, размещенными в греющих камерах 5, 6, 7 и 8. Последняя по ходу пара ступень, содержащая два выпарных аппарата 3 и 4 пленочного типа, соединенных между собой последовательно, соединена с трубопроводом 9 для исходного раствора и с трубопроводом 10 для подачи вторичного пара из второго по ходу пара выпарного аппарата 2. Между собой аппараты 3 и 4 соединены по пару трубопроводом 11, а по раствору трубопроводом 12, на котором установлен насос 13 для перекачивания раствора противоточно пару. При этом последний корпус батареи соединен с конденсатором.

В случае реализации заявляемого устройства в виде трехкорпусной батареи последняя по пару ступень может содержать только один аппарат пленочного типа, к которому подсоединен трубопровод 9 подачи исходного раствора и трубопровод 10 для подачи вторичного пара из второго корпуса 2.

Третий по ходу пара пленочный выпарной аппарат 3 содержит трубопровод 14 для отвода из него, то есть с предварительной стадии концентрирования, упаренного раствора с помощью насоса 15. На трубопроводе 14 размещен подогреватель раствора 16, в который по трубопроводу 17 подается греющий пар для нагрева упаренного в корпусе 3 раствора перед его поступлением в первый корпус 1. Обогрев первого корпуса 1 осуществляется острым паром, подаваемым по трубопроводу 18 в греющую камеру 5. Трубопровод 19 служит для отвода упаренного раствора из первого корпуса 1 во второй корпус 2, обогреваемый вторичным паром из первого корпуса 1, поступающим по трубопроводу 20.

Второй корпус 2 снабжен циркуляционным контуром 21 и камерой кипения раствора 22, размещенной над теплообменными трубками камеры 6, длина которых составляет (5-7) м. Второй корпус 2 является продукционным. Для отвода из него концентрированного упаренного раствора предусмотрен трубопровод 23, а для осуществления циркуляции раствора он снабжен насосом 24.

Первый по ходу пара корпус 1 снабжен циркуляционной трубой 25 и вынесенной камерой 26 кипения раствора, причем длина теплообменных трубок, размещенных в греющей камере 5 этого корпуса, составляет (6-9) м.

Выпарная батарея работает следующим образом.

Исходный алюминатный раствор с концентрацией каустической соды по Na₂O₃ (140-150) г/л, поступающий на выпарную батарею по трубопроводу 9, подают в четвертый корпус - пленочный выпарной аппарат 4. При этом указанный раствор проходит в виде пленки по вертикальным трубкам греющей камеры 8, этого аппарата, подогреваясь за счет тепла вторичного пара третьего корпуса, приходящего в камеру 8 по трубопроводу 11. Выделяющийся из раствора в аппарате 4 вторичный пар поступает в конденсатор (без позиции), где конденсируется водой, создавая тем самым вакуум в выпарной батарее. Температура раствора в аппарате 4 (50-70)° С.

Из четвертого корпуса раствор по трубопроводу 12 при помощи насоса 13 подают в третий корпус - пленочный выпарной аппарат 3, в котором он, так же, как и в четвертом корпусе, проходит в виде пленки по вертикальным трубкам греющей камеры 7. Для подогрева этого раствора используют вторичный пар с окончательной стадии концентрирования - из второго корпуса, поступающий по трубопроводу 10. При этом температура раствора в этом аппарате (70-90)° С, а концентрация Na₂О_k - (170-200) г/л.

Упаренный на предварительной стадии концентрирования раствор из третьего корпуса 3 по трубопроводу 14 при помощи насоса 15 подают на промежуточную стадию выпаривания - в первый корпус батареи 1. При этом на указанном трубопроводе размещен подогреватель раствора 16, обогреваемый паром, поступающим по трубопроводу 17, например, греющим (острым) паром. В отмеченном подогревателе раствор подогревается на (20-60)° С.

В качестве первого корпуса в заявленном техническом решении применен выпарной аппарат с естественной циркуляцией раствора, например, аппарат с обращенной циркуляцией. В данном случае может быть применен также выпарной аппарат с естественной циркуляцией и вынесенной зоной кипения. Этот аппарат обогревают острым паром, поступающим в греющую камеру аппарата 5 по трубопроводу 18. Приходящий с предварительной стадии и подогретый в теплообменнике 16 раствор смешивают с циркулирующим в аппарате 1 раствором в соотношении 1:(10-20). Полученная смесь поступает в греющую камеру 5, нагревается в ней на (4-8)° С и входит в циркуляционную трубу 25, по которой подымается вверх до вынесенной камеры кипения 26, где начинается кипение раствора. Вследствие кипения раствора из него выделяется пар, пузырьки которого находятся в объеме раствора. Образующаяся парожидкостная эмульсия легче раствора и поэтому вытесняется более тяжелым некипящим раствором вверх, пока не входит в сепаратор выпарного аппарата, в котором вторичный пар отделяется от раствора. Таким образом осуществляется естественная циркуляция раствора в аппарате. Причем заявленное соотношение потоков приходящего раствора и циркулирующего, равное 1:(10-20), получается в случае, если длина теплообменных трубок греющей камеры составляет (6-9) м. При этом соотношение сечений теплообменных трубок и циркуляционной трубы в аппарате должно быть равно 1:(1,1-1,3). Температура раствора в первом корпусе (120-140)° С, а концентрация Nа₂О _к (230-270) г/л.

Упаренный на промежуточной стадии выпаривания раствор перетекает из первого корпуса 1 на окончательную стадию концентрирования - во второй корпус 2 по трубопроводу 19. В качестве второго корпуса применен выпарной аппарат с принудительной циркуляцией раствора и с вынесенной зоной кипения. Указанный корпус обогревают вторичным паром первого корпуса, приходящим в греющую камеру аппарата 6 по трубопроводу 19.

Данный аппарат работает следующим образом. Сконцентрированный на промежуточной стадии раствор во втором корпусе смешивают с циркулирующим в аппарате раствором в соотношении 1:(20-50). Образовавшаяся смесь по циркуляционной трубе 21 поступает в циркуляционный насос 24, который прокачивает ее через греющую камеру 6 со скоростью (2-3) м/с. Проходя через греющую камеру, раствор нагревается на (2-6)° С и входит в камеру кипения 22, размещенную над греющей камерой 6. В камере 6 происходит вскипание раствора. Кипящий раствор из камеры кипения 6 поступает в сепаратор аппарата 2, где вторичный пар отделяется от раствора, из которого при этом кристаллизуется карбонат натрия. Сконцентрированный во втором корпусе продукционный раствор, содержащий кристаллический карбонат натрия, отводят из аппарата на разделение по трубопроводу 23. При этом температура раствора составляет (100-115)° С, а концентрация Na ₂O_к((290-300) г/л.

Работающий вторым корпусом выпарной аппарат 2 с принудительной циркуляцией спроектирован таким образом, чтобы длина теплообменных трубок греющей камеры 6 была равна (5-7) м. Для этого аппарата подбирается такой циркуляционный насос, который сможет обеспечить скорость движения раствора в аппарате, равную (2 - 3) м/с. Благодаря указанным факторам достигается заявленная величина нагрева циркулирующего раствора в аппарате на (2-6)° С. При этом соотношение сечений теплообменных трубок и циркуляционной трубы в этом аппарате равно (1:0,0-1,2).

Заявленная совокупность признаков при реализации предлагаемого технического решения позволяет значительно интенсифицировать работу аппаратов, используемых на промежуточной и окончательной стадиях выпаривания, т.е. первого и второго корпусов батареи. При этом коэффициенты теплопередачи указанных аппаратов в выпарной батарее, выполненной и работающей согласно заявленного способа, составляют (2500-3500) Вт/м²· К, тогда как на выпарной батарее - прототипе коэффициенты теплопередачи аналогичных аппаратов равны (800-1200) Вт/м²· К. Благодаря достижению такой интенсивности работы возрастает производительность заявляемой выпарной батареи. которую можно оценить по такому показателю, как удельный съем выпаренной воды с квадратного метра поверхности теплообмена батареи. Так, для заявленной батареи отмеченный показатель составляет (40-70) кг/м², в то время как для батареи-прототипа этот показатель всего (20-30) кг/м², т.е. в 2-3 раза меньше.

Кроме того, применение предлагаемой батареи, действующей в заявленных условиях, позволяет исключать зарастание и забивку аппаратов накипью и содой, что дает возможность удлинить срок работы выпарной батареи без промывок до (5-10) суток, тогда как у батареи-прототипа межпромывочный период работы не превышает 20 часов. Вследствие этого исключается необходимость регулярных промывок аппаратов, как в прототипе и связанная с этим потребность упаривания промвод, приводящих к увеличению энергозатрат на выпаривание, то есть заявленные технические решения позволяют снизить энергозатраты.

Получение указанных эффектов достигается благодаря применению в качестве первого и второго по ходу пара корпусов выпарных аппаратов отличных от прототипа конструкций. Первым по пару корпусом в заявленной батарее установлен выпарной аппарат с естественной циркуляцией, а в прототипе в тех же условиях использован пленочный аппарат. Применению в прототипе выпарного аппарата с естественной циркуляцией в качестве первого корпуса 1 препятствует то, что обычный аппарат с естественной циркуляцией будет работать ничем не лучше пленочного. В обоих аппаратах кипение раствора происходит в трубках и сопровождается выделением накипи ГАСН, снижающей интенсивность работы. Причем пленочный аппарат значительно менее металлоемок, чем аппарат с естественной циркуляцией. Для достижения эффекта необходимо вынести кипение раствора из трубок аппарата с естественной циркуляцией, достигнуть степени смешения поступающего раствора с циркулирующим 1:(10-20) и нагревать полученную смесь на (4-8)° С при длине теплообменных трубок (6-9) м.

Как было указано выше, достижение заявленного соотношения потоков поступающего и циркулирующего растворов 1:(10-20) получается при длине теплообменных трубок первого корпуса (6-9) м. Оснащение греющей камеры аппарата с естественной циркуляцией теплообменными трубками с длиной меньше 6 м приведет к снижению степени смешения менее 10. Это вызовет выделение накипи ГАСН на теплообменных трубках и снижение интенсивности работы. Использование трубок длиной более 9 м приведет к значительному увеличению высоты вынесенной зоны кипения, что вызовет увеличение высоты и металлоемкости аппарата. Кроме того, высоты зоны кипения может оказаться недостаточно, вследствие чего кипение перейдет в теплообменные трубки и на трубках будет выделяться накипь, а интенсивность работы аппарата снизится.

Нагревание получаемой в первом по пару корпусе 1 смеси растворов на (4-8)° С также является обязательным для получения положительного эффекта. В случае нагрева смеси менее чем на 4° С интенсивность работы аппарата упадет. Если же нагрев превысит 8° С, то на трубках будет выделяться накипь, что вызовет понижение интенсивности работы.

В качестве второго корпуса, то есть корпуса 2, в котором происходит окончательная стадия концентрирования раствора, в заявленной батарее применен выпарной аппарат с принудительной циркуляцией, тогда как в прототипе действует аппарат с естественной циркуляцией. Использованию аппарата с принудительной циркуляцией в прототипе в качестве второго корпуса мешает то, что в нем избыточное давление (0,01-0,05) МПа. Вследствие этого оснащение такого аппарата циркуляционным насосом проблематично из-за отсутствия гарантий надежной работы уплотнения насоса. Если же отказаться от использования самоиспарителя раствора, действующего в прототипе, то давление во втором корпусе снизится меньше атмосферного, то есть до вакуума, равного (0,03-0,05) МПа. При таком давлении обеспечить надежную работоспособность уплотнения циркуляционного насоса вполне возможно. Однако при указанном давлении используемый в прототипе выпарной аппарат с естественной циркуляцией неработоспособен. Для второго корпуса 2 в заявленном техническом решении, как было сказано выше, подбирается такой насос 24, который сможет обеспечить скорость движения раствора в аппарате (2-3) м/с. Вследствие этого, а также вследствие применения в греющей камере 6 аппарата 2 теплообменных трубок длиной (5-7) м, можно нагреть циркулирующий в аппарате 2 раствор на (2-6)° С. Выполнение указанных условий, а также обеспечение смешивания приходящего и циркулирующего растворов в соотношении 1: (20-50) позволяет интенсифицировать работу рассматриваемого аппарата, благодаря чему увеличивается его производительность. Кроме того, исключается зарастание и забивка аппарата 2 кристаллическим карбонатом натрия, вследствие чего межпромывочный период работы не только аппарата 2, но и всей батареи возрастает до 5 - 10 суток. Это приводит к исключению промывок батареи и к исключению необходимости упаривания промывных вод, а следовательно, к экономии энергозатрат.

Смешение раствора, приходящего с промежуточной стадии выпаривания (из первого корпуса 1) с циркулирующим во втором корпусе 2 раствором в соотношении 1:(20-50), исключает кристаллизацию карбоната натрия внутри аппарата 2. Такие инкрустации имеют место и прототипе, где степень смешения растворов составляет 5-10. При этом в прототипе отложения со стенок аппарата 2 обваливаются и в виде кусков несутся циркулирующим раствором, забивая и закупоривая теплообменные трубки, приводя к снижению интенсивности теплообмена в аппарате. При степени смешения в заявленном интервале кристаллизующийся из раствора карбонат натрия осаждается на присутствующей в циркулирующем растворе твердой фазе, играющей в данном случае роль затравки. Тем самым предотвращаются инкрустации внутренних поверхностей аппарата и исключаются условия для забивки и закупоривания трубок. При степени смешения менее 20 имеющейся в циркулирующем растворе твердой фазы недостаточно для исключения инкрустаций внутри аппарата, что ведет к вышеуказанным негативным последствиям. Если же степень смешения растворов более 50, то для циркуляции смеси растворов в аппарате 2 необходимо увеличить производительность циркуляционного насоса 24, что вызывает увеличение затрат электроэнергии на циркуляцию.

Скорость циркуляции раствора в аппарате 2, равная (2-3) м/с, обеспечивает такой режим течения раствора с кристаллической твердой фазой в трубках, при котором исключается инкрустация внутренних поверхностей труб аппарата и создаются условия для интенсивного теплообмена. При скорости циркуляции менее 2 м/с возможно выделение карбоната натрия внутри трубок вследствие закипания в них раствора, забивка трубок кусками твердой фазы, а также завалы твердой фазы внутри циркуляционного контура аппарата 2, приводящие к дальнейшему снижению скорости циркуляции. Кроме того, такая скорость недостаточна для интенсивного теплообмена. Увеличение скорости более 3 м/с, ведет к значительному возрастанию затрат электроэнергии на циркуляционный насос 24, а также к эрозионному износу теплообменных трубок камеры 6, приводящему к быстрому выходу их из строя.

Для достижения положительного эффекта следует оснастить греющую камеру 6 аппарата 2 теплообменными трубками длиной (5-7) м. Применение трубок длиной меньше 5 м вызывает усиленный подогрев раствора, находящегося в пристенном слое, при движении в теплообменных трубках, что является причиной отложений карбоната натрия на стенках труб. В результате снижается интенсивность теплообмена в аппарате 2 и его производительность. Кроме того, при этом уменьшается межпромывочный период работы. В случае оснащения аппарата 2 теплообменными трубками длиной больше 7 м требуется повышенный расход электроэнергии на циркуляционный насос 24, так как возрастает гидравлическое сопротивление циркуляционного контура аппарата. При этом также возрастет металлоемкость аппарата 2.

Нагревание циркулирующего во втором корпусе 2 раствора на (2-6)° С является необходимым для создания условий интенсивной работы при отсутствии отложений карбоната натрия, то есть обеспечения длительного межпромывочного периода. При нагреве раствора меньше 2° С интенсивность работы аппарата 2 будет невелика, что снизит производительность работы батареи. Нагрев раствора свыше 6° С порождает выделение твердой фазы на внутренней поверхности трубок, что влечет снижение производительности, необходимость промывки аппарата 2 и, как следствие, увеличение энергозатрат.

Примеры осуществления заявленных способа и батареи.

Пример 1. Реализация заявленного способа на четырехкорпусной выпарной батарее. На выпаривание поступал алюминатный раствор, полученный в результате переработки бокситов в производстве глинозема. Этот раствор имел следующий состав: каустическая сода (Na ₂O_к) (140-150) г/л; алюминий (Аl₂ О₃) (65-70) г/л; карбонат натрия (Na₂O _y) (20-25) г/л, каустический модуль (3,5-3,7). Расход раствора (240-250) м³/ч, с температурой (60-70)° С. Указанные здесь и в дальнейшем при описании примеров осуществления заявленных технических решений интервалы значений технологических параметров работы были зафиксированы в ходе проведения испытаний в течение нескольких суток.

Исходный раствор подавали на предварительную стадию выпаривания: сначала в четвертый, а из него в третий корпус батареи, являющиеся пленочными выпарными аппаратами. В четвертом корпусе 4 батареи раствор упаривали при давлении (абс.) (0,015-0,02) МПа. Корпус 4 обогревался вторичным паром третьего корпуса 3. Из него упаренный раствор с температурой (60-67)° С при помощи насоса 13 откачивался в третий корпус 3. В третьем корпусе раствор упаривали при давлении (абс.) (0,035-0,05) МПа. Корпус 3 обогревался вторичным паром из второго корпуса.

Упаренный на предварительной стадии концентрирования раствор с температурой (83-90)° С и с концентрацией (185-200) г/л из третьего корпуса при помощи насоса 15 подавали на промежуточную стадию выпаривания - в первый корпус батареи 1. При этом перед подачей в первый корпус этот раствор подогревали до (135-140)° С, то есть на (50-60)° С в подогревателях 16, обогреваемых острым и вторичным паром.

Первый корпус 1 представлял собой выпарной аппарат с естественной обращенной циркуляцией. Он обогревался острым паром с давлением (0,45-0,5) МПа. Этот аппарат 1 имеет циркуляционную трубу 25 и вынесенную камеру 26 кипения, он оснащен теплообменными трубками длиной 9 м. Поступавший в аппарат 1 раствор в количестве (185-190) м³/ч смешивался с циркулирующим в нем потоком раствора, расход которого (2200-2700) м³ /ч, то есть в соотношении (12-15). Смешанный поток проходил через греющую камеру 5, в которой он нагревался на 6-7° С. Далее раствор проходил через циркуляционную трубу 25 аппарата 1 и входил в камеру 26 кипения, где вскипал. Кипящий раствор поступал в сепаратор, в котором при давлении (0,23-0,28) МПа происходило отделение вторичного пара от раствора.

Упаренный на промежуточной стадии 1 раствор с температурой (135-140)° С и с концентрацией Na₂O_к (240-260) г/л из первого корпуса 1 перетекал во второй на окончательную стадию концентрирования.

В качестве второго корпуса 2 действовал выпарной аппарат с принудительной циркуляцией. Он оснащен циркуляционным насосом 24, камерой 22 кипения раствора и имел в греющей камере теплообменные трубки длиной 7 м. Этот аппарат обогревался вторичным паром первого корпуса 1 с давлением (0,23-0,28) МПа. Поступающий в него из первого корпуса раствор в количестве (155-160) м³/ч смешивался с циркулирующим в аппарате раствором, расход которого 3700 м³/ч, то есть в соотношении 1:(23-24). Полученная смесь растворов прокачивалась циркуляционным насосом 24 через греющую камеру 6. При этом скорость движения раствора в теплообменных трубках составляла 2,2 м/с. При прохождении через греющую камеру раствор нагревался на (3,5-4)° С, после чего входил в камеру кипения 22, в которой вскипал. Кипящий раствор из камеры 22 кипения поступал в сепаратор, в котором при давлении (абс.) (0,07-0,09) МПа из раствора происходило отделение вторичного пара и кристаллизация карбоната натрия. Температура раствора в аппарате (110-115)° С.

Упаренный на выпарной батарее раствор отводился из второго корпуса 2 на фильтрацию для отделения карбоната натрия. Раствор содержал (295-300) г/л Na₂O_к, (130-140) г/л Аl₂О₃ и имел каустический модуль 3,5-3,7. В нем содержалось (80-120) г/л кристаллического карбоната натрия.

Выпарная батарея проработала в непрерывном режиме без промывок 10 суток, тогда как в прототипе межпромывочный период работы составляет 20 часов. На протяжении всего периода работы коэффициенты теплопередачи первого и второго корпусов были (2500 - 3000) Вт/м²· К, в то время как в прототипе коэффициенты теплопередачи аналогичных корпусов составляли (800-1200) Вт/м²· К. При этом производительность батареи по исходному раствору составляла (240-250) м³ /ч, а количество выпаренной воды (120-125) т/ч. Для прототипа эти показатели были равны соответственно (130-150) м³ /ч и (65-75) т/ч. Удельный съем выпаренной воды с квадратного метра поверхности теплообмена для предложенной выпарной батареи составлял (40-45) кг/м², а для прототипа данный показатель был (20-22) кг/м², то есть в 2 раза меньше. Кроме того, при работе заявленной батареи отпала необходимость в частой (через 20 часов работы) промывке батареи, за счет чего исключалась необходимость упаривания промывных вод, что позволяет тратить меньше пара на выпаривание, то есть экономить энергозатраты.

Пример 2. Реализация заявленного способа на трехкорпусной выпарной батарее. На выпаривание поступил такой же алюминатный раствор и с таким же составом, как в примере 1. Расход раствора (210 - 220) м³/ч, а температура (60-70)° С. Раствор подавали на предварительную стадию концентрирования - в третий корпус 3 батареи, представляющий собой пленочный выпарной аппарат. В этом корпусе раствор упаривали при давлении (абс.) (0,02-0,025) МПа, обогревая его вторичным паром второго корпуса 2.

Упаренный на предварительной стадии концентрирования раствор с температурой (70-75)° С и с концентрацией Nа₂О_к (170-190) г/л из третьего корпуса подавали при помощи насоса 15 на промежуточную стадию выпаривания - в первый корпус 1 батареи. При этом указанный раствор перед поступлением в первый корпус подогревали до (90 -100)° С, то есть на (20-30)° С в подогревателе 16, обогреваемом острым паром.

В качестве первого корпуса 1 в рассматриваемой батарее применен такой же выпарной аппарат, как и в примере 1. Он оснащен теплообменными трубками длиной 6 м. Поступавший в данный аппарат раствор в количестве (165-170) м³/ч смешивался с циркулирующим в нем потоком раствора, расход которого (2700-3200) м³/ч, то есть в соотношении 1:(16-19). Смешанный поток, проходя через греющую камеру 5, нагревался на (5-7)° С. Затем раствор проходил через циркуляционную трубу 25 и вскипал в камере 26 кипения. Кипящий раствор отделялся от пара в сепараторе аппарата 1 при давлении (0,08-0,1) МПа.

Упаренный на промежуточной стадии концентрирования раствор с температурой (125-130)° С и с концентрацией Na₂O_к (210-240) г/л из первого корпуса перетекал во второй для окончательного концентрирования. Вторым корпусом в данном случае действовал такой же выпарной аппарат с принудительной циркуляцией, как и в примере 1. Аппарат имел теплообменные трубки длиной 6 м. Указанный аппарат обогревался вторичным паром первого корпуса 1 с давлением (0,08-0,1) МПа. Приходящий из первого корпуса 1 раствор в количестве (140-145) м³/ч смешивался с циркулирующим во втором корпусе 2 раствором, расход которого 5500 м³/ч, то есть в соотношении 1:(38-40). Полученный при смешении раствор прокачивался циркуляционным насосом 24 аппарата 2 через греющую камеру 6 со скоростью 2,4 м/с. При прохождении через греющую камеру 6 раствор нагревался на (2,5-3,5)° С и вскипал в камере 22 кипения аппарата 2. В сепараторе аппарата 2 при давлении (абс.) (0,05-0,06) МПа происходило отделение вторичного пара от раствора и кристаллизация карбоната натрия. Температура раствора в аппарате (100-105)° С.

Упаренный раствор отводился из второго корпуса батареи на фильтрацию. Раствор содержал (295-300) г/л Na₂O _к, (130-140) г/л Аl₂О₃ и (80-110) г/л кристаллов карбоната натрия.

Выпарная батарея проработала в непрерывном режиме без промывок 5 суток. Коэффициенты теплопередачи первого и второго корпусов на протяжении всего периода работы практически на менялись и составляли (3000-3500) Вт/м² · К. Производительность батареи по исходному раствору, как было сказано выше, составляла (210-220) м³ /ч, а количество выпаренной воды (105-110) т/ч. Удельный съем выпаренной воды с квадратного метра поверхности теплообмена батареи составлял (60-70) кг/м².