高效旋转薄膜蒸发器在亚熔盐铬盐清洁生产中的应用.pdf

1 2 有色金属 冶炼部分2 0 1 1 年7 期 D O I 1 0 ．3 9 6 9 I ／j ．i s s n ．1 0 0 7 ‘7 5 4 5 2 0 11 ．0 7 ．0 0 3 高效旋转薄膜蒸发器在亚熔盐铬盐清洁生产中的应用 李莉1 ’2 ”，王京刚1 ，曲景奎2 ”，翟 超1 ’2 ”，齐 涛2 ’3 1 ．北京化工大学化学工程学院，北京1 0 0 0 2 9 ；2 ．湿法冶金清洁生产技术国家 工程实验室，北京1 0 0 1 9 0 ；3 ．中国科学院过程工程研究所绿色过程与工程院重点实验室，北京1 0 0 1 9 0 摘要研究采用lm 2 高效旋转薄膜蒸发器蒸发浓缩除杂净化后5 0 ％碱液的过程，考察加热温度、进料流 量和真空度等参数对完成液浓度、蒸发强度和总传热系数的影响，优化工艺条件。结果表明，5 0 ％碱液 以沸点进料，导热油温度在2 6 0 ℃以上，流量控制在0 ．0 8m 3 ／h ，真空度保持在0 ．0 8 士0 ．0 0 5M P a ，浓缩 后的碱液浓度可达7 5 ％以上，能够满足该清洁工艺中对于循环碱液浓度的要求，经济效益显著。 关键词冶金技术；高效旋转薄膜蒸发器；碱液增浓；蒸发强度；传热效率 中图分类号T Q l l 5文献标识码A文章编号1 0 0 7 - 7 5 4 5 2 0 1 1 0 7 0 0 1 2 - 0 5 A p p l i c a t i o no fE f f i c i e n tR o t a r yF i l mE v a p o r a t o ri nS u b - m o l t e nC l e a n e r P r o d u c t i o nP r o c e s so fC h r o m i u mS a l t s L IL i l ’2 ”，W A N GJ i n g - g a n 9 1 ，Q UJ i n g k u i 2 ”， Z H A IC h a 0 1 ’2 “，Q IT a o 2 ’3 1 ．C o l l e g eo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，B e i j i n gU n i v e r s i t yo fC h e m i c a lT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 2 9 C h i n a ； 2 ．N a t i o n a lE n g i n e e r i n gL a b o r a t o r yf o rH y d r o m e t a l l u r g i c a lC l e a n e r P r o d u c t i o nT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 1 9 0 ，C h i n a ； 3 ．K e yL a b o r a t o r yo fG r e e nP r o c e s sa n dE n g i n e e r i n g ，I n s t i t u t eo fP r o c e s sE n g i n e e r i n g ， C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s ，B e i j i n g1 0 0 1 9 0 。C h i n a A b s t r a c t T h ec o n c e n t r a t i o np r o c e s so ft h ep u r i f i e da l k a l is o l u t i o nw i t h5 0 ％c o n t e n ti si n v e s t i g a t e dw i t ht h e u s eo ft h ee f f i c i e n tr o t a r yf i l me v a p o r a t o rw i t h1m 2h e a t t r a n s f e r r i n gs u r f a c e ．T h ee f f e c t so fh e a t i n g t e m p e r a t u r e ，f e e df l o wr a t ea n dv a c u u mo nt h ec o m p l e t e ds o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n ，e v a p o r a t i o ni n t e n s i t ya n d t o t a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n taree x a m i n e d ，a n dt h ep r o c e s sc o n d i t i o n sa r eo p t i m i z e d ．T h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h ec o n c e n t r a t i o no ft h ec o n c e n t r a t e da l k a l is o l u t i o nr e a c h e st om o r et h a n7 5 ％u n d e rt h ec o n d i t i o no f b o i l i n gp o i n tf e e d i n ．a b o v e2 6 0 ℃o ft h eh e a tt r a n s f e r o i l ，0 ．0 8 0 土0 ．0 0 5M P av a c u u ma n d0 ．0 8m 3 ／h f l u x ．I tc a nm e e tt h ec o n c e n t r a t i o nd e m a n d so fr e c y c l i n ga l k a l is o l u t i o ni ns u b m o l t e nc l e a n e rp r o d u c t i o n p r o c e s so fc h r o m i u ms a l t s ，a n dw i t hg r e a te c o n o m i cb e n e f i t s ． K e yw o r d s m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g y ；e f f i c i e n tr o t a r yf i l me v a p o r a t o r ；i n s p i s s a t i o n0 fa l k a l is o l u t i o n ； e v a p o r a t i o ns t r e n g t h ；h e a tt r a n s f e re f f i c i e n c y 传统氯碱行业的碱液增浓通常采用熬碱锅系 统，其热效率低、能耗高、晶渣处理难、安全性差等 弊端成为制约企业发展的瓶颈。随着环保要求及技 术的发展，碱液蒸发势必会淘汰落后的设备，采用先 基金项目国家自然科学基金资助项目 2 0 6 7 6 1 3 6 国家重点基础研究发展计划 9 7 3 计划 项目 2 0 0 7 C B 6 1 3 5 0 1 ；。十一五”国家科技支 撑计划重点项目 2 0 0 6 B A C 0 2 A 0 5 作者简介李莉 1 9 8 5 一 ，女，河北张家口市人，硕士，主要从事环境科学与工程等方面的研究。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年7 期 进的技术、工艺和高效的蒸发设备。相对于降膜蒸 发器、强制循环蒸发器而言，高效旋转薄膜蒸发器更 适于处理高沸点、高黏性及热敏性物料L l ≈] 。由于其 结构紧凑、占地小、操作灵活，水、电、汽耗量较低且 可使过程连续化，缩短生产周期和提高生产效率【3 ] ， 作为一种新型的高效节能设备，高效旋转薄膜蒸发 器在化工、轻工、制药、环保及食品等行业中逐步得 到推广和应用1 4 书] 。 在低温亚熔盐液相氧化一反应／分离耦合强化 一介质再生循环一资源全组分深度利用的铬盐清洁 工艺中，基于其碱液高沸点、高黏性、易结垢起泡的 物料特点，研究选用高效旋转薄膜蒸发器进行碱液 增浓。重点考察了将5 0 ％K O H 溶液 铬酸钾含量 O ～5 ％和碳酸钾含量3o A ～5 ％ 浓缩到7 5 ％～8 5 ％ 亚熔盐铬盐清洁工艺反应要求浓度 的可行性和可 靠性，得到厂温度、真空度、碱液流量等工艺参数并 1 3 对工艺进行优化，从而为相关设计、操作和生产提供 基础数据。该技术可解决哑熔盐铬盐清洁生产工艺 中反应介质的蒸发浓缩和循环利用难题，取代现有 熬碱锅系统，大幅度提高能源利用率，降低生产成 本，使铬盐清洁生产真正沿着技术型、经济型、环保 型方向发展“ 。引。目前该设备已成功应用于某铬盐 清洁生产万吨示范工程，实践表明其蒸发效率高、运 行成本低、操作简单。该工艺的实施，为企业节约能 耗5 0 ％以上，经济效益显著。 1试验方法 1 ．1 试验原料及设备 蒸发原液试样取自某铬化学有限公司的生产系 统，K O H 溶液浓度为4 5 ％～5 0 ％，其中含少量碳酸 钾、铬酸钾、铝酸钾和硅酸钾，主要成分如表1 所示。 表1 蒸发原液成分 T a b l e1 C o m p o n e n t so fr a wa l k a l is o l u t i o n 试验用高效旋转薄膜蒸发器，传热面积1m 2 ， 加热方式为导热油加热。导热油炉，电加热，加热功 率4 8k W 。导热油，久星L - Q 3 2 0 ，温度上限3 2 0 ℃。 真空泵，真空度可达o ．1M P a 。稀碱贮槽，浓碱贮 槽，导热油贮槽等。 1 ．2 设备原理 高效旋转薄膜蒸发器的原理是物料在自重和高 速旋转叶片的旋转推力作用下，自上而下成螺旋形 轨迹移动，在受热表面形成一层很薄的、处于湍流状 态的液膜，且液膜在运动中受热而不断更新，加速了 蒸发过程，传热效率大大提高，传热系数一般在 20 0 0 ～80 0 0k J ／ m 2 h ℃ 。整个加热过程可 在很短时间完成，一般停留时间 - 3 0 0 ℃、真空度为0 ．0 8 ～0 ．0 9M P a 范围内，考察 高效旋转薄膜蒸发器对增浓5 0 ％K O H 溶液的适用 性及相应的蒸发强度、传热系数等。 1 ．4 分析方法 K O H ，K C O 。混合碱的测定采用双指示剂法， 分别用酚酞、溴钾酚绿一甲基红混合指示剂两次标 定滴定终点，计算各组分碱含量。C r ，K ，A l ，S i 等元 素的含量采用I C P o E S O p t i m a5 3 0 0 D V 分析。 2 试验结果与讨论 2 ．1 加热温度对蒸发效果的影响 由于导热油输送和返回管路均严格保温，可以 忽略沿路热损失，导热油出口温度则近似等于蒸发 器夹套加热温度。固定刮板转速，原料液沸点进料， 黏度2m P a s ，讨论导热油出口温度、流量、真空度 对蒸发碱液浓度、蒸发强度、总传热系数的影响。完 成液浓度可以直接测得，蒸发强度和总传热系数可 由式 1 至式 4 计算。式中，W 为水的蒸发量，F 为原料液流量，z 。为原料液中氢氧化钾的浓度，z 。 为完成液中氢氧化钾的浓度，U 为蒸发强度，A 为蒸 发器传热面积，r ，为二次蒸汽在操作压力下的汽化 潜热，Q 为传热速率，K 为总传热系数，△f 为传热温 万方数据 1 4 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年7 期 差。 图1高效旋转薄膜蒸发器试验流程 F i g ．1E x p e r i m e n t a lf l o w s h e e to fe f f i c i e n tr o t a r yf i l me v a p o r a t o r W F 1 一z o ／x 1 1 U W ／A 2 Q w r ， 3 K Q ／ A △￡ 4 在进料流量0 ．0 8m 3 ／h ，真空度0 ．0 8 6M P a 时， 不同加热温度下的试验结果见图2 和图3 。从图2 和3 中可以看出，流量在0 ．0 8m 3 ／h ，真空度为 0 ．0 8 6M P a 时，随着加热温度从2 2 0 ℃升高到 3 0 0 ℃，蒸发强度和完成碱液浓度分别从1 7 ．4 6k g ／ m 2 h 和5 8 ．4 2 ％升高到4 5 ．6 4k g ／ m 2 h 和 8 0 ．2 3 ％，而总传热系数随着温度升高，先由2 9 1 ．0 3 k J ／ m 2 h ℃ 增加到5 0 6 ．8 2k J ／ m 2 h ℃ ， 然后开始下降。 导热油出口温度的高低直接影响到操作过程中 温度差的大小。通常，温差过小时，在传热过程中物 料所得的热量不够，蒸发不能有效进行。温差过大 时，往往也会使传热系数下降。传热温差过高，会导 致加热表面的料液局部沸腾，在加热表面形成结晶， 将极大降低总传热系数，甚至堵塞料液通道，影响传 热操作。此外，传热温差过高，必然引起导热油出口 温度的提高，增大了能耗，这就限制了整个工艺系统 能量利用最佳方案的设计。因此选用适当的温差以 保证较高的传热系数从而提高蒸发强度至关重 槽 邡鼬m 娃，℃ 图2 加热温度对蒸发强度和完成液浓度的影响 F i g ．2 E f f e c to fh e a t i n gt e m p e r a t u r eo n e v a p o r a t i o ni n t e n s i t ya n dc o m p l e t e d s o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n 要[ 1 2 - ”] 。 根据试验结果，温度宜控制在2 7 0 ～2 9 0 ℃，此 时传热系数最高，完成液浓度可达到7 5 ％以上。 2 ．2 进料流量对蒸发效果的影响 碱液流量应不低于满负荷生产的4 0 ％，碱液流量 过低，蒸发器内壁不能形成完整的液膜，局部会出现 “干壁”情况，使传热性能恶化，蒸发量减小，系统工作 不能正常进行[ 1 “。而且干壁部位由于过热会产生热应 力的变化，对蒸发器造成局部损坏，严重时甚至会导致 ％，越避蜓筐胀 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年7 期 1 5 图3加热温度对总传热系数的影响 F i g ．3 E f f e c to fh e a t i n gt e m p e r a t u r eo n t o t a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t 变形，碱液成膜效果较差，设备使用寿命降低。然而， 碱液流鼙超出满负荷的流量要求，则达不到成膜效果， 无法保证碱液蒸发完成液的浓度[ 15 ’。试验中采取流量 由大到小的方式进行，加热温度为2 8 5 ～2 9 0 ℃，真空度 为0 ．0 8 6M P a ，试验结果见图4 和5 。 ， 上 鲁 ● 岜 、 趟 晷 锚 糕 进料流量“r n 3 h - 1 图4 进料流量对蒸发强度和完成液浓度的影响 F i g ．4 E f f e c to ff e e df l o wO Re v a p o r a t i o n i n t e n s i t ya n dc o m p l e t e ds o l u t i o n c o n c e n t r a t i o n 从图4 和5 可以看到，在加热温度2 8 5 ～2 8 7 ℃，真空度0 ．0 8 6 ～0 ．0 8 8M P a 的条件下，当进料流 量从0 ．1 6m 3 ／h 逐渐下降到0 ．0 8m 3 ／h 时，完成液 浓度逐渐提高，而蒸发强度和总传热系数先是升高， 在流量为0 ．1 2m 3 ／h 时达到最大，然后又开始下降。 根据铬盐清洁生产工艺需要，循环碱液浓度需 在8 0 ％左右，进料流量为0 ．0 8m 3 ／h 。 2 ．3 真空度对蒸发效果的影响 图6 和7 为加热温度2 8 5o C ，流量为0 ．0 8m 3 ／ h 时，不同真空度对应的蒸发完成液浓度、蒸发强度 和总传热系数。由图6 和7 可知，在加热温度和蒸 发原液进料量一定的前提下，随着真空度的提高，蒸 图5 进料流量对总传热系数的影响 F i g ．5 E f f e c to ff e e df l o wo nt o t a lh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n t 发强度和碱液浓度均有提高，而总传热系数在真空 度0 ．0 8M P a 时达到最大，然后开始下降。 耋 毫 ● 耋 鏊 蕤 图6 真空度对蒸发强度和完成液浓度的影响 F i g ．6 E f f e c to fv a c u u mo ne v a p o r a t i o n i n t e n s i t ya n dc o m p l e t e ds o l u t i o n c o n c e n t r a t i o n 图7 真空度对总传热系数的影响 F i g ．7 E f f e c to fv a c u u mo nt o t a lh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n t 真空度越高，碱液在操作条件下的沸点越低，进 ，p．1-；JⅡ．星、瓤磲蓉J_蹲 卜p．1-q．_-I≈．f．，1、裁垛m嚣_}蹿 母、藁f爱蓬镁獬 ％，毯甏蓬帐 一l-p；々毫．星、耨垛窜蹈 万方数据 1 6 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年7 期 料稀碱液越容易沸点进料，蒸发强度提高，碱液完成 液浓度增大。然而，真空度过高，完成液由于增浓幅 度大，温度低，黏度也变大，导致总传热系数降低，传 热效果变差。 2 ．4 最佳工况参数 根据试验结果，选择试验条件为加热温度2 8 5 ～2 9 0 ℃，真空度0 ．0 8 0 ～0 ．0 8 5M P a ，流量0 ．0 8 0 m 3 ／h ，连续运行6 0h 的试验结果如图8 和9 所示。 从图8 和9 可以看出，在选定的工艺参数下，蒸发器 连续运行的完成液浓度均可达7 8 ％以上，可以满足 铬铁矿亚熔盐液相氧化反应的工业需求。因此，可 确定1m 2 刮板蒸发器的最佳工况点参数范围为加 热温度2 8 5 ～2 9 0 ℃，真空度0 ．0 8 5 ～0 ．0 8 8M P a ，进 料流量0 ．0 8m 3 ／h 。 ， 上 ● 毫 ● 兽 、 魁 骥 划 糕 图8 连续运行期间蒸发强度和完成液浓度 F i g ．8E v a p o r a t i o ni n t e n s i t ya n d c o m p l e t e ds o l u t i o nc o n c e n t r a t i o ni n c o n t i n u o u so p e r a t i o n f 掣 主 ● 鼍 ● 邑 鑫 1 j 4 ； 季 爱 图9 连续运行期间总传热系数和加热温度 F i g ．9 T o t a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t a n dh e a t i n gt e m p e r a t u r ei n c o n t i n u o u so p e r a t i o n 3结论 在试验条件下，其他参数一定时，蒸发强度与完 成碱液浓度均随加热温度升高相应提高，而总传热 系数先增加后降低。随着蒸发原液进料量的增加， 蒸发完成液浓度提高，蒸发强度与总传热系数先增 加，后减小，在进料量0 ．1 2m 3 ／h 时为最高。提高真 空度，蒸发强度与碱液浓度均得到提高，而总传热系 数在真空度0 ．0 8 0M P a 时达到最大，然后开始下 降。 高效旋转薄膜蒸发器的最佳工况点参数范围为 加热温度2 8 5 ～2 9 0 ℃，真空度0 ．0 8 0 ～0 ．0 8 5M P a ， 进料流量0 ．0 8m 3 ／h 。 参考文献 [ 1 3 皮丕辉，杨卓如，马四朋．刮板薄膜蒸发器的特点和应 用E J ] ．现代化工，2 0 0 1 ，2 1 3 4 1 - 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