Программа дисциплины (Syllabus) PGA 3302 - Производство глинозема и алюминия (стр. 12 )

Рисунок 22 – Схемы выпарки:

а – прямоточная; б – противоточная; в – смешанного тока

Растворимость алюмосиликата натрия понижается с повышением температуры и растет с увеличением концентрации раствора.  При противотоке рост концентрации раствора сопровождается повышением его температуры, что уменьшает вероятность его кристаллизации. В прямоточной установке условия для кристаллизации алюмосиликата более благоприятны, так как здесь слабый маточный раствор поступает в первый высокотемпературный корпус. Это ограничивает повышение температуры в первом корпусе.

Недостатком противоточной схемы является необходимость применения насосов для передачи раствора из корпуса в корпус, а также коррозионное разрушение греющих трубок в первом (продукционном) корпусе, в котором высокая температура раствора сочетается с высокой концентрацией щелочи в нем.

Схема смешанного тока обычно применяется в тех случаях, когда при упаривании растворов происходит выделение значительного количества соды, а также вспенивание растворов под влиянием содержащихся в них органических веществ. На рисунке 22,в показана четырехкорпусная схема смешанного тока, которую сокращенно обозначают 2–3–4–1. Цифры здесь означают номера корпусов по ходу пара, а порядок цифр отвечает ходу раствора. Применяются и другие схемы смешанного тока, например 4–1–2–3; 4–3–1––2.

Схему выпаривания, а также типы выпарных аппаратов выбирают в зависимости от конкретных условий работы выпарной станций. При этом учитывают концентрации исходного и конечного растворов, их температуру, содержание в упариваемом растворе соды, серы, органических и других примесей.

На рисунке 23 показана примерная схема четырхкорпусной противоточной выпарной батареи. Маточный раствор подогревается в подогревателе 4 до температуры кипения в корпусе IV батареи, после чего поступает в корпус IV. Здесь раствор частично упаривается. Из корпуса IV раствор насосом подается в подогреватель 3, где нагревается до температуры кипения в корпусе III, и далее поступает на вторичную упарку в корпус III. Аналогично происходит упаривание раствора в корпусах II и I. Из корпуса I раствор под действием разности давлений поступает в самоиспарптель 5, где окончательно концентрируется и охлаждается до нужной температуры.

Рисунок 23 – Схема четырехкорпусной противоточной батареи:

I-IV – выпарные аппараты; 1-4  – подогреватели; 5 – самоиспарbтель; 6 – конденсатор смешения: 7 – гидравлический затпор; 8 – конденсатоотводчики; 9 – сепараторы конденсата; 10 – бак конденсата

Свежий пар поступает с ТЭЦ в корпус I и подогреваКорпус II и подогреватель 2 обогреваются вторичным паром корпуса I. Корпуса III, IV и их подогреватели обогреваются соответственно вторичным паром корпусов II и III. Вторичный пар корпуса IV конденсируется в барометрическом конденсаторе смешения 6, благодаря чему в системе создается необходимый вакуум.

Неконденсирующиеся газы, попадающие в систему через неплотности из атмосферы, а также с охлаждающей водой, отсасываются вакуум-насосом. Конденсат, образующийся при конденсации греющего пара, из корпусов I, II и их подогревателей отводится с помощью конденсатоотводчиков 8, а из корпусов III, IV и соответствующих подогревателей откачивается насосами.

Температура конденсата равна температуре греющего пара. Тепло конденсата корпусов I и II (а также их подогревателей) используется путем самоиспарения конденсата в сепараторах 9. Самоиспарение конденсата корпуса I проходит в две ступени, а конденсата корпуса II—в одну ступень. Пар самоиспарения используют для нагревания раствора в корпусах III и IV. Конденсат из всех корпусов (из I и II—после самоиспарения) поступает в бак конденсата 10, из которого перекачивается на ТЭЦ.

Упаривание раствора может сопровождаться кристаллизацией соды, которая происходит в корпусе I и частично в корпусе II. При зарастании греющих трубок осадком соды быстро снижается производительность выпарных аппаратов. В этом случае в качестве первого, а иногда и второго корпуса батареи применяют выпарные
аппараты, приспособленные для упаривания кристаллизующихся растворов.

Оборудование для выпаривания растворов

Выпарные аппараты. В практике отечественного глиноземного производства применяются выпарные аппараты различных типов: пленочного испарения, с естественной и принудительной циркуляцией раствора, двухходовые. На рисунке 24 показан выпарной аппарат пленочного испарения с выносным кипятильником. Основные части его – кипятильник (греющая камера) 3 и сепаратор 9. Кипятильник состоит из стального цилиндрического корпуса 2, закрытого
сверху и снизу сферическими крышками. Внутри корпуса находится пучок греющих трубок 12, развальцованных в верхней и нижней трубных решетках 1. Подлежащий выпариванию раствор через штуцер 14 поступает в нижнюю растворную камеру 15 и заполняет нижнюю часть трубок. Греющий пар через штуцера 4 подается в межтрубное пространство, где конденсируется. Образующийся при кипении раствора пар устремляется вверх и увлекает за собой жидкость, которая пленкой вползает по внутренней поверхности трубок. В результате происходит выпаривание очень тонкого слоя раствора.

Выходящая из трубок парожидкостная смесь через верхнюю растворную камеру 5 попадает в сепаратор, где пар отделяется от раствора. На верхней крышке кипятильника укреплен отражатель 6, предохраняющий крышку от ударов, возникающих при выбрасывании парожидкостной смеси из трубок, и направляющий ее в горловину сепаратора. Пар выводится из сепаратора через штуцер 7, раствор – через штуцер 10. В верхней части сепаратора имеется ловушка 8 для улавливания капель раствора, увлеченных паром. Конденсат из кипятильника выводится через штуцер 13.

На рисунке 25 показана другая конструкция выпарного аппарата с восходящей пленкой – аппарата колонного типа. В этом аппарате кипятильник в верхней части переходит в сепаратор.

Рисунок 24 – Выпарной аппарат пленочного испарения с выносным кипятильником:

1 – трубные решетки; 2 – корпус кипятильника; 3 – кипятильник; 4, 7, 10, 1З,14 –  штуцера; 5  – верхняя растворная камера; 6 – отражатель; 8 – ловушка; 9 – сепаратор; 11– опорное кольцо; 12 – греющие трубки; 15 – нижняя растворная камера

Рисунок 25 – Схема выпарного аппарата пленочного испарения колонного типа:

1– кипятильник; 2 – сепаратор

Рассмотренные выпарные аппараты с пленочным испарением относятся к аппаратам с однократным прохождением раствора. Основной их недостаток – быстрое зарастание греющих трубок осадком соды
при выпаривании концентрированных растворов. Поэтому применение их целесообразно для выпаривания растворов до таких концентраций, при которых сода еще не кристаллизуется.

Для упаривания растворов с выделением твердой фазы (соды) применяют выпарные аппараты с циркуляцией раствора – естественной или принудительной, что обеспечивает многократное прохождение раствора по греющих трубкам. На рисунке 26 показан выпарной аппарат с естественной циркуляцией раствора. Отличительная особенность его – наличие циркуляционной трубы, которая обеспечивает циркуляцию раствора, предотвращающую быстрое зарастание греющих трубок осадком соды. Циркуляция раствора со скоростью до 1,5 м/с происходит за счет разности плотностей столба раствора, опускающегося по циркуляционной трубе, и парожидкостной смеси, поднимающейся внутри греющих трубок.

Рисунок 26 – Схема выпарного аппарата с естественной циркуляцией:

1 – циркуляционная труба; 2 – подъемная труба; 3 – отбойник

Кроме того, в этом аппарате благодаря подъемной конической трубе над греющими трубками имеется столб раствора и зона кипения переносится из трубок в сепаратор, отчего уменьшается инкрустация трубок и их коррозионный износ.

Широкое применение в глиноземном производстве получили выпарные аппараты пленочного испарения с падающей пленкой, которые характеризуются более высоким коэффициентом теплопередачи. Упариваемый раствор в таком аппарате подается в верхнюю растворную камеру и стекает по стенкам греющих трубок в виде тонкой
пленки. Интенсивность теплообмена и производительность аппарата зависят от того, насколько равномерно распределяется раствор по стенкам греющих трубок. Для создания устойчивой пленки в верхние концы трубок вставляют насадки или над верхней трубной решеткой устанавливают специальную распределительную решетку. Образующийся вторичный пар движется по трубкам вниз параллельно пленке раствора. Из трубок пар и раствор попадают в сепаратор, где происходит их разделение.

По мере повышения концентрации упариваемого раствора растворимость соды в нем уменьшается. Кристаллы соды оседают на внутренней поверхности греющих трубок, что снижает коэффициент теплопередачи. Наиболее быстро забивается содой тот корпус батареи, в котором происходит окончательное концентрирование
раствора. Для удаления осадка соды аппараты промывают конденсатом или маточным раствором. Продолжительность цикла между промывками зависит от концентрации упаренного раствора и содержания в нем соды, принятой схемы выпарки, конструкции выпарных аппаратов.

В высокотемпературных корпусах, кроме соды, на стенках трубок оседает алюмосиликат натрия. Промывкой конденсатом этот осадок удалить не удается, поэтому периодически высокотемпературные корпуса промывают слабым раствором (5—10%) серной кислоты (химчистка). Для уменьшения коррозии металла под действием серной кислоты в раствор добавляют специальные вещества — ингибиторы.

Кальцинация гидроксида Аℓ