+7 (343) 247-81-32

Инжиниринг Производство Строительство и монтаж

Публикации

22.06.2012

Конструирование выпарных аппаратов глинозёмного производства для исключения пенообразования и получения вторичного пара высокой чистоты

В.М. Ронкин, В.М.Ковзель (ЗАО «НПП «Машпром»)

Алюминатные растворы, перерабатываемые в глиноземном производстве, имеют сложный состав, в котором присутствуют кристаллизующиеся и накипеобразующие компоненты. Эти растворы являются пенообразующими вследствие наличия в их составе органических соединений [1]. Особенно ощутимо указанное свойство алюминатных растворов проявляется на переделе выпаривания. Поэтому пенообразование накладывает серьезные ограничения на конструкции применяемых выпарных аппаратов. При их разработке чрезвычайно важным вопросом является выбор таких конструкций узлов и внутренних устройств, предназначенных для сепарации пара и исключения образования пены, которые позволят обеспечить нормальную работу данного аппарата с получением конденсата вторичного пара требуемой чистоты.

С учетом сложного состава и различия в проявляемых свойствах в различных условиях, для выпаривания алюминатных растворов применяются различные типы выпарных аппаратов [2]. При предварительном упаривании наиболее целесообразно применение пленочных аппаратов, среди которых наилучшие показатели имеют аппараты с падающей пленкой [3]. Конструктивно данные аппараты как раз и предназначены для переработки пенящихся растворов. Они имеют малый растворный объем, и в них пенообразования удается избежать [4]. Конструкция выпарного аппарата с падающей пленкой показана на рис.1.

 



При выборе типов и конструкций продукционных выпарных аппаратов вопросы исключения образования пены в них могут играть решающую роль. Исходя из условий укрупнения соды, эти аппараты, должны иметь большое растворное пространство [4]. Однако, при упаривании пенящихся растворов, большой объем раствора способствует бурному пенообразованию и заполнению пеной парового пространства аппарата. Поэтому рекомендуется выпаривание пенящихся растворов вести в выпарных аппаратах, имеющих малый растворный объем [4], что и осуществляется в действующих продукционных корпусах выпарных батарей глиноземного производства, практически не имеющих растворного объема. При этом отсутствие растворного объема отрицательно сказывается на качестве получаемых кристаллов соды, приводя к образованию большого количества мелких кристаллов, наличие которых затрудняет их отделение от раствора [5].
Большинство применяемых в настоящее время продукционных корпусов выпарных батарей в глиноземном производстве являются выпарными аппаратами с естественной циркуляцией. Они не имеют большого растворного объема, а расход циркулирующего раствора в них, ввиду небольших скоростей в трубках – невелик. Поэтому в них отсутствует пенообразование.

Пенообразование при выпаривании алюминатных растворов в выпарных аппаратах с принудительной циркуляцией — серьезное препятствие к их применению. Конструкция данного выпарного аппарата показана на рис.2. Имеющийся ранее опыт использования таких аппаратов является негативным [6]. Причем интенсивная циркуляция раствора, характерная для этих аппаратов, еще более способствует образованию пены [7]. Основная причина образования пены – увлажнение вторичного пара пенообразующим раствором, имеющим высокую вязкость и низкое поверхностное натяжение, вследствие чего образуются тонкие и стойкие пленки вокруг пузырьков пара [5]. Предотвратить увлажнение пара раствором, происходящее при образовании пены достаточно трудно. При этом увеличение парового пространства и размеров аппарата не дает ожидаемого эффекта [5].


Для устранения пенообразования применяются различные методы. Среди них часто используется добавление к раствору органических веществ, препятствующих образованию пены, т.е. повышающих поверхностное натяжение [8]. Однако эти вещества будут препятствовать кристаллизации соды из алюминатных растворов. Другая группа химических способов заключается в снижении пенообразования путем удаления из раствора компонентов, обуславливающих высокую вязкость и низкое поверхностное натяжение [5], что является очень сложным и дорогим.

Предотвращения или ограничения вспенивания раствора можно добиться путем изменения гидравлического режима барботирования пара или разрушением пены [7, 8]. Однако рекомендуемые в литературе устройства для механического разрушения пены очень сложны и громоздки. В то же время, известна конструкция тангенциального узла ввода кипящего раствора в сепаратор, которая позволяет разбить пену. Эта конструкция проверена при выпаривании интенсивно пенящихся нитратно-фосфатных пульп в производстве сложных минеральных удобрений и широко внедрена в производство на многих предприятиях [9]. Подобными конструкциями были оснащены продукционные выпарные аппараты для опытной выпарной установки УАЗа и пилотной установки БАЗа. В ходе неоднократно проведенных многосуточных испытаний, как на одной, так и на другой установках пенообразование в сепараторе указанных аппаратов было полностью исключено [10]. При этом данные аппараты полностью моделировали условия работы и гидродинамическую обстановку в растворной зоне промышленных выпарных аппаратов и работали на реальных растворах глиноземного производства.

При разработке выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией для глиноземного производства необходимо также принять во внимание опыт промышленного применения подобного аппарата на УАЗе в восьмидесятых годах прошлого века, являющийся негативным, прежде всего с точки зрения пенообразования. Тогда один из существующих продукционных корпусов на выпарной батарее глиноземного производства был переоборудован в аппарат с принудительной циркуляцией. Для этого к нему был присоединен циркуляционный насос. Испытания данного аппарата показали, что в его сепараторе происходит интенсивное вспенивание раствора, приводящее к усиленному уносу раствора вместе с вторичным паром в греющую камеру следующего корпуса. При этом раствор, содержащий пену с паром, поступая в циркуляционный насос, приводил к кавитации и быстрому выходу из строя рабочего колеса.
Нами были тщательно проанализированы, как конструкция рассматриваемого выпарного аппарата с принудительной циркуляцией, так и условия и результаты проведенных испытаний. Причина неудачных результатов применения данного аппарата заключается, по-нашему мнению, в слишком буквальном следовании разработчиками аппарата требований эксплуатационной службы УАЗа. Испытанный выпарной аппарат имел такие же, как и для аппаратов с естественной циркуляцией площадь поверхности теплообмена, равную 700 м2 и диаметр сепаратора, равный 3 м. Для него был применен циркуляционный насос типа ОХГ с высокой производительностью, необходимой для создания необходимых скоростей раствора в трубках. В результате этого расход циркулирующего в аппарате раствора, относительно аппарата с естественной циркуляцией с такими же размерами, был увеличен почти в 2 раза. Вследствие этого были превышены все допустимые пределы значений опускной скорости раствора в сепараторе. Поэтому происходило, так называемое, набухание раствора паром, приводящее к образованию пены. Вторичный пар при этом не успевал отделиться от раствора и уносил его в следующий корпус. Раствор же, в свою очередь, вместе с паром поступал в циркуляционный насос, вызывая кавитацию в нем. В итоге, резюмируя изложенное, можно сделать вывод, что в рассматриваемом аппарате с принудительной циркуляцией было нарушено одно из главных требований при разработке таких аппаратов – создание в сепараторе такой скорости раствора, которая позволяет вторичному пару отделиться от раствора [11]. Данные скорости были определены на основании обобщения производственного опыта и многочисленных экспериментальных данных.

Таким образом, при выборе диаметра сепаратора для выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией следует исходить не только из необходимых критериев по сепарации пара, но и из допустимых пределов скоростей движения раствора. При этом диаметр сепаратора должен соответствовать производительности применяемого циркуляционного насоса. Благодаря этому можно будет избежать образования пены в аппарате. Кроме того, при определении размеров сепаратора выпарного аппарата следует учитывать также условия получения вторичного пара с заданной чистотой, а также обеспечения необходимого времени пребывания твердой фазы для увеличения размеров кристаллов соды.

Что касается условий отделения вторичного пара от раствора в аппарате, то при выборе его размеров необходимо принимать скорости пара и размеры сепарационного пространства на основании рекомендаций [12, 13]. Эти рекомендации многократно проверены на промышленном оборудовании. Следование им позволяет получать вторичный пар высокой чистоты, по наличию примесей пригодный для возврата на ТЭЦ в качестве обессоленной воды для питания котлов [14]. При этом, с целью повышения степени очистки вторичного пара в сепараторах выпарных аппаратов устанавливаются брызгоуловители жалюзийного или сетчатого типа. Такие брызгоуловители применяются в настоящее время на глиноземных заводах и показывают хорошую работу. Благодаря им коэффициент очистки пара в выпарных аппаратах составляет около 10000, а содержание гидроксида натрия в конденсате вторичного пара не превышало 27 мг/л, что соответствует требованиям ТЭЦ [5, 14].

Литература

1. Лайнер А.И., Еремин Н.И. и др. Производство глинозема. -М: Металлургия, 1978. –344 с.
2. 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.
3. Картовский Ю.В., Болотов А.А., Чернозубов В.Б. и др. Интенсификация теплообмена в вакуумных аппаратах выпарных батарей глиноземного производства // Цветные металлы, №3, 1977. -С. 34-37.
4. Колач Т.А., Радун Д.В. Выпарные станции. -М.: Машгиз, 1963. –400 с.
5. Ронкин В.М., Ковзель В.М., Левераш В.И. и др. Совершенствование конструкций выпарных аппаратов с целью повышения эффективности работы выпарных батарей глиноземного производства // Сборник докладов IV Конференции «Алюминий Урала–99». -Краснотурьинск, 1999. –С. 44-48.
6. 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.
7. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. -М.: Химия, 1983. –264 с.
8. Перри Дж. Справочник инженера-химика. Т. 2. -Л.: Химия, 1969. – 504 с.
9. Левераш В.И. Выбор конструкций выпарных аппаратов и оптимальных условий выпаривания нитратно-фосфатных пульп // Химическая промышленность, 1975, № 1. –С. 49-52.
10. Ронкин В.М., Ковзель В.М., Малышев А.Б., Фролов С.И. Результаты опытно-промышленных работ по совершенствованию выпарного оборудования глиноземных производств // Сборник докладов ХIV конференции «Алюминий Сибири-2008». -Красноярск, 2008. –С. 350-357.
11. 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.
12. Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем. -М.: Энергия, 1976. -296 с.
13. Голуб С.И., Чернозубов В.Б., и др. Качество дисцилята при термическом обессоливании природных вод на АЭС и ТЭС // Труды СвердНИИхиммаша. Вып. № 8 (72). -Екатеринбург, 2001. –С. 41-54.
14. Ронкин В.М., Ковзель В.М., Е.А.Липухин и др. Реконструкция и внедрение в промышленную эксплуатацию вакуумных корпусов выпарных батарей на Богословском алюминиевом заводе // Сборник докладов ХI Конференции «Алюминий Урала - 2006». -Краснотурьинск, 2006. –С. 36–38.

Вернуться к списку публикаций