+7 (343) 247-81-32

Инжиниринг Производство Строительство и монтаж

Публикации

1.09.2013

Применение выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией в гидрометаллургических производствах

Гидрометаллургические процессы, связанные с извлечением соединений металлов из полиметаллического сырья и последующим выделением их из растворов, широко распространены в цветной металлургии [1]. Одним из часто применяемых переделов в гидрометаллургических технологиях является выпаривание. Цель проведения указанной технологической операции состоит в удалении воды и концентрировании соединений целевого компонента в растворе и в выделении, в конечном итоге, их из него [2]. При этом выпаривание, кроме необходимости переработки кристаллизующегося компонента, часто осложнено наличием в растворе накипеобразующих соединений.
Осуществление процесса выпаривания кристаллизующихся и накипеобразующих растворов вызывает немало трудностей и сопряжено с целым рядом проблем. Наибольшие затруднения связаны с выделением солей на внутренних поверхностях аппаратов. Особенно опасны отложения солей внутри теплообменных трубок, вызывающие их зарастание и забивку. Вследствие этого производительность выпарных установок снижается, их приходится промывать водой, которую приходится упаривать, во избежание потерь продукта. Это ведет к увеличению затрат пара и, в конечном итоге, к увеличению себестоимости продукции [3]. Отложения накипеобразующих компонентов на трубках необходимо удалять путем химической чистки кислотами или щелочами, которые затем приходится нейтрализовывать и сбрасывать в виде стоков.

Значительно снизить или свести до минимума отмеченные негативные факторы можно путем применения выпарных аппаратов совершенных конструкций, а также рациональных режимов их работы, т.е. технологии выпаривания [2]. При этом важно правильно выбрать тип и конструктивное исполнение выпарного аппарата в различных условиях для обеспечения наибольшей эффективности работы. Так, например, рациональный выбор разнообразных типов и конструкций выпарных аппаратов в составе одной выпарной установки для различных условий концентрирования алюминатных растворов в производстве глинозема позволяет в несколько раз повысить эффективность действия установки и снизить затраты тепла [4].

Наиболее приспособлены для концентрирования кристаллизующихся и накипеобразующих растворов выпарные аппараты с принудительной циркуляцией. Они способны обеспечить стабильную и устойчивую циркуляцию упариваемого раствора, независимо от его концентрации, температуры, вязкости и содержания твердых частиц. Эти аппараты надежны в эксплуатации и имеют высокие технико-экономические показатели. При этом, для обеспечения высоких показателей эксплуатации, исключения забивки трубок солями и длительной продолжительности межпромывочного периода работы, данные аппараты должны иметь вынесенную из трубок зону кипения [5].

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией широко применяются в различных производствах. В производствах сложных азотно-фосфорных удобрений выпарные установки, оснащенные аппаратами с принудительной циркуляцией, эксплуатируются более 40 лет на многих заводах. На них упаривают накипе- и кристаллообразующие растворы до общего солесодержания 85-92 %, (т.е. в растворе остается всего 8-15 % воды), при межпромывочном периоде работы 15-20 суток [6]. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией успешно эксплуатируются с семидесятых годов для упарки содо-поташных растворов на Ачинском глиноземном заводе и для получения поваренной соли [7]. Такие же аппараты применяются на выпарных установках для получения каустической соды [8]. На этих установках концентрируют каустическую соду до концентрации 700-750 г/л в условиях выделения из раствора кристаллической поваренной соли и сульфата натрия. При этом концентрация твердой фазы в суспензии достигает 40-50 %, а межпромывочный период работы этих аппаратов составляет 15-30 суток.

При разработке и выборе конструкции конкретного аппарата с принудительной циркуляцией необходимо, чтобы высота уровня раствора в нем обеспечивала бы вынос зоны кипения из трубок [5]. Причем, как показали результаты пуско-наладочных и опытно-промышленных работ, для некоторых растворов реальная высота зоны кипения значительно превышает теоретически рассчитанную на основании известных физических свойств и режима работы аппарата [9]. В частности, применение выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией для получения продукционного алюминатного раствора в глиноземном производстве, вместо аппаратов с естественной циркуляцией, как показали опытно-промышленные испытания, позволило удлинить межпромывочный период работы всей выпарной установки минимум в 5-6 раз [10, 11]. При этом достигнутые коэффициенты теплопередачи у них были в 3-4 раза больше, чем у аппаратов с естественной циркуляцией. В аппаратах с принудительной циркуляцией поддерживалась высокая концентрация твердой фазы, что позволило укрупнить размеры кристаллов соды в 1,5-2 раза.
Наиболее целесообразным, по-нашему мнению, является применение выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией с циркулирующей суспензией. Основные принципы конструирования этих аппаратов для обеспечения интенсивной и надежной работы в течение длительного межпромывочного периода работы, получения крупных кристаллов солей и чистого вторичного пара при исключении пенообразования и кавитации циркуляционного насоса изложены в [12]. При этом рекомендуемые нами аппараты менее металлоемки и занимают меньше места, чем другие типы аппаратов, например аппараты с солесборниками.

С целью интенсификации работы, уменьшения капитальных и эксплуатационных затрат, предлагаемые нами аппараты с принудительной циркуляцией оснащены теплообменными трубками диаметром 38 мм. Такие трубки, по сравнению с применяемыми обычно трубками диаметром 57 мм, позволяют снизить потребление электроэнергии в 1,5 раза. Выпарные аппараты с такими трубками успешно работают в различных производствах с высококонцентрированными пульпами, не забиваясь и не требуя промывок, почти в течение месяца [6-8], были испытаны при выпаривании алюминатных растворов на Богословском и Уральском алюминиевых заводах, где работали надежно и эффективно при полном отсутствии забивки содой и с высокой интенсивностью [10, 11].

С целью обеспечения эффективной работы выпарного аппарата, исключения отложений солей на внутренних поверхностях и в трубках, а также для укрупнения кристаллов, в нем необходимо поддерживать высокую концентрацию твердой фазы. Для этого аппарат необходимо оснастить специальными устройствами. Указанные устройства дают возможность иметь в циркулирующей пульпе до 40-60 % твердой фазы. При этом находящаяся в этой пульпе твердая фаза играет роль затравки для вновь кристаллизующихся солей, способствуя увеличению размеров кристаллов и исключению инкрустаций. Применение отмеченных устройств в выпарных аппаратах для концентрирования алюминатных растворов позволило укрупнить размеры выделяемых из раствора кристаллов в 2-2,5 раза [13].

Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией ЗАО НПП Машпром

Специалистами ЗАО НПП «Машпром» выполнен ряд проектов выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией для различных производств. Данные аппараты разработаны, исходя из условий обеспечения длительной, надежной и эффективной работы с получением крупных кристаллов. На рис. 1 показана конструкция одного из выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией для концентрировании алюминатных растворов в условиях выделения кристаллической карбонатной соды.

Результаты эксплуатации выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией показали их высокую эффективность. Так, использование такого аппарата вместо аппарата с естественной циркуляцией при выпаривании алюминатных растворов дает значительный эффект: производительность выпарной установки увеличивается в 1,3-1,5 раза [14].
Для оценки эффективность действия аппаратов с принудительной циркуляцией проведено сравнение их показателей с показателями аппаратов других типов при концентрировании алюминатных растворов в условиях выделения кристаллической соды. При этом в качестве основного показателя выбран коэффициент теплопередачи аппарата в течение межпромывочного периода работы установки. Такое сравнение позволяет оценить интенсивность и эффективность их работы, т.к. изменение коэффициента теплопередачи наиболее ярко представляет эффективность действия рассматриваемых аппаратов.

Для сравнения, наряду с аппаратом с принудительной циркуляцией, рассмотрены аппараты с естественной циркуляцией: а) с кипением в трубках; б) с вынесенной зоной кипения; в)двухходовой колонного типа. Такие аппараты используются в качестве продукционных корпусов при концентрировании алюминатных растворов на действующих выпарных установках Уральского алюминиевого завода (УАЗ). При этом для сопоставления отобраны результаты непрерывной работы аппарата с принудительной циркуляцией в течение 4 суток, которые такой аппарат проработал непрерывно при испытаниях. В то же время, следует отметить, что промышленный аппарат, по-нашему мнению, способен работать гораздо больше, о чем свидетельствует опыт работы подобных аппаратов в других отраслях промышленности [6-8]. Для существующих же на УАЗе аппаратов показатели работы взяты за тот период непрерывной работы, на который они способны. Так, двухходовой выпарной аппарат и аппарата с кипением раствора в трубках могут работать без промывки лишь 20 часов. Выпарной аппарат с вынесенной зоной кипения раствора работал без промывок 50 часов, а иногда и 60 [15].

На рис. 2 приведены графики изменения коэффициентов теплопередачи рассмотренных выпарных аппаратов по времени работы в течение межпромывочного периода работы. Данные для их построения определены при обследовании работы. Видно, что выпарной аппарат с принудительной циркуляцией имеет самый высокий коэффициент теплопередачи, изменяющийся при работе незначительно, вследствие отсутствия отложений внутри трубок. Также видно, что средний коэффициент теплопередачи аппарата с принудительной циркуляцией почти в 2 раза больше, чем у аппарата с естественной циркуляцией и с вынесенной зоной кипения и в 3-4 раза больше, чем у других рассматриваемых аппаратов. Благодаря этому, а также увеличению периода межпромывочной работы и потерь времени на промывки, вследствие применения выпарного аппарата с принудительной циркуляцией производительность выпарной установки возрастет не менее чем на 30-50% [14]. Кроме того, удлинение межпромывочного период работы установки и сокращение времени на ее промывку позволит снизить затраты пара.

Изменение коэффициентов теплопередачи выпарных аппаратов различных конструкций по времени работы

Таким образом, видна высокая эффективность применения выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией. Благодаря этому можно увеличить производительность выпарных установок, значительно снизить затраты эксплуатационные затраты. При этом, вследствие создания во внутреннем циркуляционном контуре аппарата необходимых гидродинамических условий для исключения отложений и забивки трубок, ведущих к удлинению межпромывочного периода работы, снижается количество промывных вод, вводимых в процесс. В результате снижается затраты тепла, потребные на упаривание этих вод, т.е. применение аппаратов с принудительной циркуляцией позволяет уменьшить расход пара на концентрирование кристаллизующихся растворов. Причем, дополнительные затраты электроэнергии для создания циркуляции, как показали неоднократные расчеты экономической эффективности, требуют значительно меньших затрат, чем выигрыш от снижения потребления пара при увеличении межпромывочного пробега установки. Поэтому использование предлагаемых аппаратов при переработке кристаллизующихся растворов в большинстве случаев эффективно.

Литература

1. Процессы и аппараты цветной металлургии / Под ред. С.С. Набойченко. -Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1997. –648 с.
2. Колач Т.А., Радун Д.В. Выпарные станции. -М.: Машгиз, 1963. –400 с.
3. Таубман Е.И. Выпаривание. -М.: Химия, 1982. –328 с.
4. Ронкин В.М., Ковзель В.М., Шабуров В.Ю. Применение выпарных аппаратов для концентрирования кристаллизующихся и накипеобразующих растворов в глиноземном производстве // Сборник докладов ХIV конференции «Алюминий Сибири-2008». -Красноярск, 2008. –С. 358-365.
5. Ушатинский Н.А., Голуб С.И., Чернозубов В.Б. Выпарные аппараты с вынесенной зоной парообразования конструкции НИИхиммаша. // Труды НИИхиммаша. Вып. 35. -М.: НИИхиммаш, 1960. –С. 3-18.
6. Leverash V.I., Ronkin V.M. The experience of industrial employment evaporate equipment for concentrate ammonisate pulps in compound mineral fertilizers production // Ind. Crist.-85: Proc. 9th Symp., Bechyne, –Praga, 1985. –P. 232-237.
7. Leverash V.I., Gonionsky V.Ts., Ronkin V.M., Makarov V.V., Tabachnik E.B. The evaporate plant for receipt common salt // Ind. Crist.-85: Proc. 9th Symp., Bechyne, –Praga, 1985. –P. 228-231.
8. Leverash V.I., Gonionsky V.Ts., Ronkin V.M., Makarov V.V. The cristallisation equpment comples for solt extraction in caustic coda production // Ind. Crist. – 87: Proc. 10th. Sump., Bechune, Sept. 21–25. -Praga, 1989. –P. 447–451.
9. Ронкин В.М., Вайсблат М.Б., Минухин Л.А., Ковзель В.М. Высота зоны кипения продукционного выпарного аппарата для концентрирования алюминатных растворов // Материалы IХ Конференции «Алюминий Урала-2004». -Краснотурьинск, 2005. –С. 156–161.
10. Ронкин В.М., Ковзель В.М., Макаров В.В., Липухин Е.А. и др. Результаты испытаний пилотной установки для упаривания алюминатных растворов БАЗа // Труды СвердНИИхиммаша. Вып.8 (72). -Екатеринбург, 2001. -С. 111-117.
11. Ронкин В.М., Ковзель В.М., Черноскутов В.С. и др. Результаты испытаний опытной выпарной установки для упаривания алюминатных растворов с кристаллизацией соды // Материалы VIII Конференции «Алюминий Урала-2003». -Краснотурьинск, 2004. -С. 207-210.
12. Leverash V.I. Principal aspelts for the design of evaporations crystallizers // Ind. Crist.-87: Proc. 10th Symp., Bechyne, Sept. 21-25. –Praga, 1989. –P. 365-371.
13. Ронкин В.М., Ковзель В.М., Черноскутов В.С. и др. Анализ гранулометрического состава кристаллической соды, выделяющейся из алюминатных растворов УАЗа // Материалы VIII Конференции «Алюминий Урала – 2003». -Краснотурьинск, 2004. -С. 202-206.
14. Ронкин В.М., Ковзель В.М., Черноскутов В.С., Бехтев Б.Г. и др. Сравнение показателей работы выпарных батарей УАЗа с продукционными корпусами различных конструкций //Материалы VIII Конференции «Алюминий Урала-2003». -Краснотурьинск, 2004. -С. 211-216.
15. Ронкин В.М., Ковзель В.М., Черноскутов В.С., Бехтев Б.Г. и др. Результаты эксплуатации 19 выпарной батареи УАЗа с продукционным корпусом с вынесенной зоной кипения // Материалы VIII Конференции «Алюминий Урала-2003». –Краснотурьинск, 2004. -С. 194-196.

Вернуться к списку публикаций