低温余热回用的逆流三效蒸发节能工艺设计_高妍.pdf

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1、第 36 卷第 6 期 2018 年 11 月石化技术与应用 Petrochemical Technology ApplicationVol 36No 6Nov 2018工业技术( 406 410)低温余热回用的逆流三效 蒸发节能工艺设计高妍， 沈延顺， 张帆， 郭中山( 天华化工机械及自动化研究设计院有限公司， 甘肃 兰州 730060)摘要: 在工业固体废料处理装置中， 采用逆流三效蒸发节能工艺将质量分数为 27% 的硫酸铝溶液浓缩至 57%; 此外， 该装置的反应 闪蒸工段会产生一定量的低温余热， 因此可将其回用于第 2 效加热器中。结果表明: 通过计算， 确定了硫酸铝三效蒸发的有效传热

2、温差、 二次蒸汽压力及温度; 余热回用及未回用时所消耗的加热蒸汽量分别为 1 625， 2 100 kg/h， 全年可节约运行成本 58 14 万元。关键词: 硫酸铝; 逆流三效蒸发工艺; 余热回用; 节能中图分类号: TQ 111 14文献标志码: B文章编号: 1009 0045( 2018) 06 0406 05硫酸铝已在 我 国 各 行 各 业 得 到 广 泛 应用1。在硫酸铝工业生产中， 通常采用常压单效列管式加热 蒸发器进行浓缩， 换热管为钢管外搪铅或钛管2。在江西九江惠城环保科技有限公司工业固体废料处理装置中， 拟将质量分数为 27% 的硫酸铝溶液浓缩至 57% ， 由于该溶液处

3、理量大且浓度低， 若采用单效蒸发工艺，则蒸汽消耗大， 因此， 本工作采用多效蒸发工艺。另外， 在该装置的反应 闪蒸工段会产生一定量的低温余热， 本工作将此余热回用于多效蒸发工段， 这样不仅降低了加热蒸汽的消耗量， 也达到了节能降耗的目的。1多效蒸发设计参数的确定1 1已知条件本工作确定 F 为 8 138 kg/h， x0， x1分别为27%， 57%， 0， 1分别为 1 298， 1 710 kg/m3。此外， P1为 500 kPa( 绝压) ， P3为 20 kPa( 绝压) 。1 2操作方式及效数多效蒸发是将若干个蒸发单元( 由蒸发器、加热器、 泵等组成) 串联而成。将加热蒸汽通入第

4、 1 个蒸发单元的加热器中， 由蒸发器产生的二次蒸汽作为下一个蒸发单元的加热蒸汽， 依次类推， 有几个蒸发单元即为几效。为了获得必要的传热温差， 末效单元需与真空装置相连。当硫酸铝浓缩液温度低于 100 时， 会出现结晶现象; 随着浓度增加， 黏度增大。为了防止加热器堵塞， 采用逆流多效蒸发工艺， 以确保硫酸铝浓缩液出料温度高于 100 ; 同时， 逆流操作可降低各效浓度和温度对黏度的影响， 各效的传热条件和传热系数相近3 。多效蒸发与单效蒸发的区别在于节约蒸汽。经调研和成本核算可知， 若硫酸铝蒸发超过 3 效时， 所产生的设备投资费用已无法抵消节约的蒸汽费用4 5 。因此， 本工作最终采用逆

5、流三效蒸发工艺。1 3逆流三效蒸发工艺流程由图 1 可知: 硫酸铝溶液经加热蒸汽和二次蒸汽的凝液预热后进入第 3 效蒸发器( S 3) ，随后依次蒸发浓缩， 最终浓缩液由第 1 效蒸发器( S 1) 排出; 加热蒸汽由第 1 效加热器( E 1)进入， 与原料换热后由 S 1 蒸发产生的二次蒸汽进入第 2 效加热器( E 2) ， 最终 S 3 产生的二次蒸汽由于温度过低无法利用而直接进入第 3 效的冷凝器。收稿日期: 2018 05 07; 修回日期: 2018 09 09作者简介: 高妍( 1984) ， 女， 辽宁辽阳人， 硕士， 高级工程师。主要从事干燥系统的研究工作， 已发表论文 5

6、 篇。图 1硫酸铝逆流三效蒸发工艺流程2逆流三效蒸发工艺的计算2 1蒸发量和采出液组成对逆 流 三 效 蒸 发 系 统 进 行 溶 质 物 料 衡算， 即:Fx0= ( F W) x1，( 1)则总水分蒸发量为W = F( 1 x0 x1) 。( 2)通常假设各效蒸发的水分量相同， 即:W1= W2= W3=W 3。( 3)第 i 效采出液质量分数为xi=Fx0 F W1 W2 Wi，( 4)将已知条件带入式 ( 2) 式 ( 4) ， 可得 x2为 41 9%， x3为 33 0%。 2 2溶液沸点和有效总温差 2 2 1溶液沸点的升高假设各效的压降相同， 则按下式可求得各蒸发器的P， 并且

7、根据饱和蒸汽的热力学性质得到 Ti， ri。P =P1 P3 3=500 20 3=160 kPa( 绝压) ，P1 = P1 P =340 kPa( 绝压) ，P2 = P1 P =180 kPa( 绝压) ，P3 = P2 P =20 kPa( 绝压) 。影响多效蒸发计算准确性的主要因素是传热温差， 而影响后者的关键因素是溶液沸点。溶液沸点可从文献查找或实验数据中得到， 在缺少数据的条件下可引入 fi， 并采用以下经验公式估算3 :fi=0 016 2( Ti +273)2ri，( 5)i = f( Ti0100) 。( 6)由式( 5) 和式( 6) 计算可得: = 1 + 2 + 3

8、=22 12 。2 2 2液柱静压引起沸点升高蒸发器内存在一定高度的液层， 因此， 需采用平均压强法计算得到液柱静压引起的总沸点升高温度:Pmi= Pi +1 2igl，( 7)i = tPmi tPi。( 8)由此计算可得: = 1 + 2 + 3 =10 28 。704第 6 期高妍等 低温余热回用的逆流三效蒸发节能工艺设计2 2 3二次蒸汽阻力二次蒸汽由蒸发器流至加热器须克服管道阻力， 存在一定量的温度损失， 这使得二次蒸汽压强和温度降低， 由此产生的 为1 2 ， 每效温度损失约 0 5 。2 2 4有效总传热温差根据以上计算结果， 则三效总温度损失为 = + + =34 40 。当

9、P3为20 kPa( 绝压) 时， 其对应的 t0， T 1分别为 60， 151 83 ， 则:t = T1 t0=91 83 ，t = t =57 43 。2 3有效传热温差2 3 1加热器材质及形式硫酸铝为强腐蚀性介质， pH 值约为 2。国内硫酸铝加热器中的加热管材多选用钢管外搪铅或钛等。铅在高温下会产生铅蒸气， 影响人体健康6 。工业纯钛不耐稀硫酸腐蚀， 若选用钛作为硫酸铝加热器的加热管材， 由于管内需通入蒸汽加热， 管壁实际温度较高， 加上溶液处于沸腾状态， 如此会导致加热管严重腐蚀7 。若使用阳极保护的钛加热管可解决腐蚀问题， 能够延长加热管的使用寿命， 但是仍无法从根本上解决腐

10、蚀问题8 。石墨材料具有优良的耐腐蚀性、 化学稳定性、 导热性等特点， 同时， 其膨胀系数小， 不污染介质， 检修和清理方便， 对热衡具有良好的适应性。酚醛树脂浸渍石墨材料的热导率可达 110 130 W/( mK) ， 是碳钢的 3 倍、 不锈钢的 6 倍。因此， 由该材料制作的加热器应用越来越广9 。石墨加热器按其结构可分为列管式和圆块孔式。其中， 后者具有密封性好， 使用压力高， 结构紧凑等特点， 广泛用于操作条件苛刻或有热冲击及震动的场合10 。本工作选用酚醛树脂浸渍石墨圆块孔式加热器。2 3 2各效有效传热温差根据石墨设备制造厂家提供的设备结构参数， 结合文献 10 的方法， 得到

11、K1， K2， K3依次约为 400， 450， 500 W/( m2K) ， 则各效的有效传热温差为ti= t1/Ki 1/K1+1/K2+1/K3。( 9)由此 可 得， t1， t2， t3依 次 为 17 08，18 99， 21 36 。2 4计算结果各效溶液质量分数及二次蒸汽温度、 压力计算结果见表 1。表中结果作为余热回收三效蒸发的计算依据。表 1各效溶液及二次蒸汽的计算结果项目第 1 效第 2 效第 3 效加热蒸汽温度/15183117719075Ti/134 74987269 39Ti/118 31912561 00Pi( 绝压) /MPa018700740 021xi/%5

12、7 04193313低温余热回用的三效蒸发设计3 1余热回用方式本工作余热来源于反应 闪蒸工段。其中，反应部分热量为 142 饱和蒸汽( Q外1为 9 3 105kJ/h) ， 闪蒸部分为 110 饱和蒸汽( Q外2为4 2 105kJ/h) 。这些热量均需要通过间接换热的方式加以回收。本工作采用二效二次蒸汽冷凝水( 约 90 75 ) 回收以上两部分热量。由表 1 可知: 第 2 效的加热蒸汽温度为117 71 ， Q外1经换热后能够产生高于117 71 的热水， 可用于E 2的换热; Q外2不能直接用于E 2， 但是， 可用于 E 3 或者与 Q外1串联用于 E 2。多效蒸发的热源( 除第

13、 1 效外) 为上一效蒸发器产生的二次蒸汽， 而第 3 效产生的二次蒸汽无法利用。如果将反应 闪蒸工段产生的余热回用至E 3， 则 S 3 蒸发水分量增加， 由此势必造成能量的浪费。因此， 将这部分余热回用至第 2 效的E 2 中( 见图 1) ， 则可以提高 S 2 的蒸发量， 同时减少第 1 效的蒸发量， 从而节省更多的蒸汽。因此， 本工作采用 Q外1， Q外2串联取热， 并将热量回用至 E 2 的操作方式。3 2质量和热量衡算根据逆流三效蒸发工艺流程， 对系统进行质量和热量衡算， 其计算过程见图 2。804石化技术与应用第 36 卷图 2余热回用后的逆流三效蒸发工艺的质量和热量计算过程由

14、图 2 可计算得到余热回用后采出液的x新1，x新2，x新3，三 者 依 次 为 57 0%，43 1%，33 4%， 该值与表1 的结果存在差异。因此， 需要重新计算温度损失， 并且对热量和各效压力进行再分配。3 3有效温度差的再分配以表 1 计算结果为依据， 采用上述计算方法， 当t 为 91 83 时， 可得到余热回用后的以下各值:新= 新 + 新 + 新 =36 17 ，t新= t 新=55 66 。将 K1， K2， K3带入式( 9) ， 可计算得到余热回用后的t新1， t新2， t新3， 三者依次为 19 67， 20 88，16 12 。余热回用后的各效溶液质量分数及二次蒸汽温度

15、、 压力计算结果见表 2。表 2余热回用后各效溶液及二次蒸汽的计算结果项目第 1 效第 2 效第 3 效加热蒸汽温度/151 831153885 51T新i/1321794 5069 82T新i/1158886 0161 00P新i( 绝压) /MPa0 17400600021x新i/%57043 4335根据表 1 和表 2 的数据， 经计算可得余热回用及未回用时所消耗的加热蒸汽量分别为1 625，2 100 kg/h， 前者较后者节约了 475 kg/h， 若蒸汽价格以 170 元/t 计， 则全年可节约运行成本58 14万元。4结论a 采用逆流三效蒸发工艺对硫酸铝进行蒸发浓缩。通过计算，

16、 确定了余热回用及未回用时硫酸铝三效蒸发的有效传热温差、 各效二次蒸汽压力及温度。b 采用 Q外1， Q外2串联取热， 将热量回用至E 2的操作方式可利用余热。c 计算表明， 当硫酸铝的质量分数由 27% 升至 57%时， 余热回用及未回用时所消耗的加热蒸汽量分别为 1 625， 2 100 kg/h， 前者较后者节约了 475 kg/h， 全年可节约运行成本 58 14 万元。符号说明:F: 原料硫酸铝溶液流量， kg/h;D0: 加热蒸汽质量流量， kg/h;i: 第 i 效溶液密度， kg/m3;W: 总水分蒸发量， kg/h;Wi: 第 i 效水分蒸发量， kg/h;Wi: 假设计算得

17、到的第 i 效蒸发量， kg/h;x0: 原料液的质量分数， %;xi: 第 i 效采出液质量分数， %;x新i: 余热回用后的第 i 效采出液质量分数， %;P: 各蒸发器压降， kPa( 绝压) ;P1: 加热蒸汽压力， kPa( 绝压) ;Pi: 第 i 效蒸发器二次蒸汽压力， kPa( 绝压) ;Pi: 第 i 效二次蒸汽压力， kPa;P新i: 余热回用后的第 i 效二次蒸汽压力， kPa;fi: 第 i 效矫正系数;Ti: 进入第 i 效物料温度， ;T新i: 余热回用后进入第 i 效物料温度， ;Ti0: 第 i 效物料的常压沸点， ;Ti: 第 i 效蒸发器二次蒸汽温度， ;T

18、新i: 余热回用后的第 i 效蒸发器二次蒸汽温度， ;ri: 第 i 效二次蒸汽的汽化潜热， J/g;i: 第 i 效溶液沸点升高值， ;i: 第 i 效液柱静压力引起的沸点升高值， ;: 溶液总沸点升高值， ;新: 余热回用后溶液总沸点升高值， ;: 液柱静压力引起的总沸点升高值， ;904第 6 期高妍等 低温余热回用的逆流三效蒸发节能工艺设计新: 余热回用后的液柱静压力引起的总沸点升高值， ; : 二次蒸汽阻力损失引起的总温度降低值， ;新 : 余热回用后的二次蒸汽阻力损失引起的总温度降低值， ;: 三效总温度损失， ;新: 余热回用后的三效总温度损失， ;Pmi: 第 i 效平均压强，

19、 kPa;l: 蒸发器距离加热器出口液层高度， m;tPmi: Pmi对应的纯水沸点， ;tPi: Pi对应纯水沸点， ;t0: 第 3 效冷凝器二次蒸汽对应温度， 为 60 ;T1: 加热蒸汽温度， 为 151 83 ;t: 理论总传热温差， ;t: 有效总传热温差， ;t新: 余热回用后的有效总传热温差， ;Ki: 第 i 效传热系数， W/( m2K) ;ti: 第 i 效有效传热温差， ;t新i: 余热回用后的第 i 效有效传热温差， ;Q外1: 反应工段低温余热， kJ/h;Q外2: 闪蒸工段低温余热， kJ/h。参考文献: 1 张德永 硫酸铝的生产现状及应用前景J 世界有色金属，2

20、007( 1) : 11 12 2 刘宝江 硫酸铝生产设备腐蚀与防护J 河南化工， 2012， 29( 7/8) : 39 42 3 管国锋， 赵汝溥 化工原理M 4 版 北京: 化学工业出版社， 2015 4 胡柏松， 杨玉梅， 赵景利 多效蒸发工程中最佳效数的计算 J 无机盐工业， 2012， 44( 11) : 55 56 5 盛展武 化工装置经济 M 北京: 化学工业出版社， 1998 6 甘孝刚 锆反应釜的研制及硫酸铝生产中的工业运用J 广东化工， 2014， 41( 22) : 47 48 7 刘小光， 张树霞， 邵景华， 等 钛制硫酸铝蒸发器排管的腐蚀机理 J 中国腐蚀与防护学报

21、， 1994， 14( 3) : 225 228 8 蒋敏波 外加热式钛质蒸发器用于硫酸铝生产可行性研究 J 无机盐工业， 1997( 3) : 46 48 9 孟海波， 杨丙生 石墨制蒸发器的结构性能特点及设计选型技巧 J 全面腐蚀控制， 2017， 31( 7) : 8 14 10 张猛， 耿尧辰 圆块孔式石墨加热器总传热系数的模拟计算 J 中国氯碱， 2017( 2) : 30 33相关文献链接: 1 张明， 鲍志勤 净烟道自然循环烟气余热回用新技术在锅炉上的应用 J 能源研究与利用， 2016( 6) : 48 51 2 张良 中原石化实施 MTO 低温余热回用J 化工管理， 2014

22、( 31) : 70 3 王智 炼油装置低温余热的回收利用J 齐鲁石油化工，2013， 41( 3) : 205 210 4 王智 柴油加氢装置低温余热的综合利用J 石油石化节能与减排， 2013， 3( 6) : 14 16 5 陈松林， 尤丙夫， 姜南 冲天炉高温烟尘冷却装置及余热回用技术 J 现代铸铁， 2009( 1) : 69 71 6 李义君， 高岩 炼厂低温余热的合理利用J 辽宁化工，2007， 36( 9) : 611 613 7 王守忠 冲天炉烟尘净化及余热回用系统的设计与应用J 铸造， 1994( 1) : 38 40Design of three effect count

23、er current evaporation and energy saving process based on recycle of low temperature waste heatGAO Yan， SHEN Yan shun， ZHANG Fan， GUO Zhong shan( Tianhua Institute of Chemical Machinery and Automation Co Ltd， Lanzhou 730060， China)Abstract: The aluminum sulfate solution was con-centrated from the ma

24、ss fraction of 27% to 57% bythree effect counter current evaporation and en-ergy saving process in an industrial solid waste treat-ment plant Moreover， the certain amount of low tem-perature waste heat produced by reaction flashstage in the unit could be reused to the 2nd effectheater The results sh

25、owed that the effective heattransfer temperature difference，secondary flash va-por pressure，and temperature of three effectevaporation of aluminum sulfate were determined bycalculation The consumed and non consumedsteam amount was 1 625， 2 100 kg/h respectively，and the annual operating costs could be reduced by￥ 581 400Key words:aluminum sulfate;three effectcounter current evaporation process; waste heat re-cycling;energy conservation014石化技术与应用第 36 卷