Инжиниринговая компания «Химтехнология» обладает большим опытом по разработке и применению выпарных установок для различных производств. В составе ООО «Химтехнология» работает группа специалистов, в частности Ронкин В.М. и др., которые на протяжении 23 лет предлагают Богословскому алюминиевому заводу различные технические решения по совершенствованию выпарных батарей и снижения затрат в глиноземном производстве. Одними из основных среди этих решений являются предложения по применению выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией (АПЦ) в качестве продукционных корпусов [1-3].
Конструкция АПЦ с целью совершенствования выпарных батарей и снижения затрат предлагалась на основании большого опыта наших специалистов по созданию и применению выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией в различных производствах, таких как производства сложных минеральных удобрений, поваренной соли, каустической соды и др. [4-9].
Систематические работы по разработке и внедрению выпарного оборудования для концентрирования алюминатных растворов указанными выше специалистами под руководством Ронкина В.М, вместе со своими коллегами, были начаты в 1995 году как на Богословском, так и на Уральском алюминиевых заводах. При выполнении этих работ, с целью получения необходимой информации для проектирования, с целью устранения недостатков в работе существующих выпарных аппаратов, демонстрации эффективности действия современного оборудования, определения, а также отработки оптимальных режимов его эксплуатации, был проведен комплекс опытно-промышленных работ. Для этого был разработан и испытан ряд опытных выпарных установок, расположенных на указанных заводах. Результаты этих работ, проведенных силами указанных выше специалистов ООО «Химтехнология», приведены ниже. Они были опубликованы в большинстве своем в материалах ведомственных конференций по производству глинозема и алюминия, список которых приведен ниже.
Для БАЗа была разработана и испытана пилотная выпарная установка. Принципиальная схема ее показана на рис. 1. Установка является трехкорпусной по пару и оснащена тремя типами выпарных аппаратов, которые, по-нашему мнению, представляются наиболее перспективными на различных стадиях концентрирования алюминатных растворов для достижения максимальной эффективности работы. Поэтому число корпусов установки было равно 3. Схема прохождения раствора по корпусам установки (3-1-2) соответствовала схемам промышленных батарей БАЗа, а в качестве продукционного корпуса – второго корпуса был применен выпарной аппарат с принудительной циркуляцией [10,11].
Установка работала следующим образом. Исходный раствор, являющийся маточным раствором, из бака подавался для предварительного упаривания в третий корпус – выпарной аппарат с падающей пленкой, в котором часть упаренного раствора специальным насосом подавалась в верхнюю растворную камеру для создания необходимого орошения трубок. Упаренный раствор из него откачивался насосом и через подогреватель подавался в аппарат для промежуточного упаривания – первый корпус, в качестве которого был применен выпарной аппарат с обращенной естественной циркуляцией. Упаренный в нем раствор перетекал во второй продукционный корпус – выпарной аппарат с принудительной циркуляцией.
Пилотная установка размещалась в цехе БАЗа среди существующего выпарного оборудования. Испытания проводились в 2000 - 2001 годах под руководством Ронкина В.М. на реальных промышленных растворах действующего глиноземного производства. Производительность установки по исходному раствору составляла 1,5 - 2 м3/ч (при концентрировании раствора с 135 - 150 г/л до минимальной концентрации 300 г/л по Na2OК). При этом, соотношение основных размеров выпарных аппаратов, входящих в состав установки, было подобрано таким образом, чтобы на них были смоделированы условия и гидравлические режимы работы промышленных аппаратов, действующих в подобных условиях. Причем особое внимание уделялось моделированию гидродинамических условий действия теплообменных камер и сепараторов.
Испытания пилотной установки проводились циклами непрерывной работы продолжительностью 3-5 суток с остановками в плановом порядке. При этом период работы установки назначался до начала каждого периода испытаний. Отличительная особенность испытаний состояла в полном отсутствии промывок аппаратов, в то время как существующие выпарные батареи БАЗа способны работать без промывки не более 20 часов. Внутренний осмотр аппаратов показал полное отсутствие инкрустаций содой внутренних поверхностей, а также забивки трубок. Испытания продемонстрировали высокую эффективность и высокие теплотехнические показатели работы примененных типов выпарных аппаратов в течение длительного периода времени. На рис. 2 показано как менялись по времени работы коэффициенты теплопередачи различных корпусов и подогревателя установки, а на рис. 3 – показаны их среднесуточные значения. Видны высокие абсолютные значения этих показателей и их практическое постоянство. Приведенные результаты показывают, что установка может работать и более продолжительное время, не меняя производительность. Остановлена же установка была вследствие окончания заявленного перед началом испытаний периода работы, а также протечек трубопроводной арматуры, в качестве которой была применена обычная водопроводная арматура, из-за отсутствия другой для малых расходов [10,11].
Рис. 2. - Изменение коэффициентов теплопередачи по корпусам пилотной выпарной установки при испытаниях в течение 5 суток
Рис. 3 – Среднесуточное изменение коэффициентов теплопередачи корпусов пилотной установки при испытаниях в течении 5 суток
На пилотной установке отрабатывались технологические режимы выпаривания, а также конструкции отдельных узлов выпарных аппаратов и подогревателей раствора. В ходе испытаний концентрация упаренного раствора по каустику составляла 300 – 330 г/л, достигая иногда 350-380 г/л. При этом, плотность упаренного раствора в продукционном аппарате с принудительной циркуляцией, составляла в среднем 1420 - 1430 кг/м3, тогда как на действующих выпарных батареях плотность упаренного раствора не превышает 1400 кг/м3, иначе эти аппараты могут забиться содой. Однако никаких проблем с работоспособностью испытанного аппарата при этом не возникало. При этом, одним из отработанных при испытаниях вопросов было определение условий работы продукционного корпуса – выпарного аппарата с принудительной циркуляцией с высокой концентрацией твердой фазы, в несколько раз превышающей концентрацию, возможную согласно материального баланса, с целью укрупнения кристаллов соды и облегчения процесса отделения ее от раствора, а также условия гарантированного выноса зоны кипения из теплообменных трубок при длительной работе установки.
Примененные в составе пилотной установки новые типы и конструкции выпарных аппаратов полностью подтвердили правильность их выбора, показав высокие показатели работы. В частности, примененный в качестве продукционного корпуса установки выпарной аппарат с принудительной циркуляцией. АПЦ работал в следующем режиме: давление греющего пара 0,6- 1,5 кгс/см2, а вторичного – 0,5-0,8 кгс/см2, температура раствора 100 -115 0С, концентрация раствора по Na2OК 300-340 г/л, плотность раствора в аппарате 1420 - 1460 кг/м3.
АПЦ, в условиях конечного концентрирования растворов, сопровождающегося выделением из них кристаллической соды, работал высокоэффективно на всем протяжении испытаний. При этом содержание твердой фазы в циркуляционном контуре аппарата составляло 100 - 400 г/л, тогда как по материальному балансу выпаривания этот показатель равен 40 - 50 г/л. Для укрупнения кристаллов соды, с целью улучшения отделения их от раствора, проведены испытания установки с подачей в данный аппарат сгущенной пульпы из содоотстойника. Благодаря этому удалось повысить средний размер кристаллов в 1,5 раза. Причем на всем протяжении работ при внутренних осмотрах аппарата не было зафиксировано инкрустаций внутренних поверхностей и забивки трубок, вследствие чего установка могла проработать без промывок с постоянной производительностью в течение нескольких суток.
Проведенные испытания подтвердили правильность выбора АПЦ в качестве продукционного корпуса и показали, что выпарной аппарат с принудительной циркуляцией имеет высокие показатели эксплуатации и отсутствие отложений и забивки во всех режимах. Он является наилучшим для применения в качестве продукционного корпуса выпарной батареи с целью обеспечения длительности работы при постоянстве производительности и для укрупнения соды. Испытания позволили отработать режимы его эксплуатации с высокой концентрацией твердой фазы для укрупнения кристаллов соды и удлинения периода работы, а также условия гарантированного выноса зоны кипения из теплообменных трубок [12]. Кроме того, испытания дали возможность исключить ряд негативных моментов, в частности, пенообразование, которые могут быть при работе подобных аппаратов и имели место ранее.
Полученные при испытаниях коэффициенты теплопередачи разных корпусов пилотной установки были сопоставлены с показателями существующих выпарных аппаратов БАЗа, работающих в аналогичных условиях – см. рис. 4. Видно, что предлагаемые аппараты способны действовать в 2 - 4 раза лучше, чем эксплуатируемые на БАЗе. Вследствие этого, удельный съём выпаренной воды с 1 м2 поверхности теплообмена пилотной установки был 60 – 70 кг/м2, тогда как на действующих батареях этот показатель составляет 20 – 30 кг/м2, т.е в 2-3 раза меньше.
Наряду с испытаниями технологического оборудования, на пилотной установке проводилась проверка работоспособности и достоверности показаний многих новых средств контроля параметров режима, а также системы обработки и отображения информации. Полученные результаты позволили получить корреляционные зависимости физико-химических свойств алюминатных растворов (имеющих сложный многокомпонентный состав и измеряемых с помощью контрольно-измерительных приборов) от их состава с целью автоматического его определения.
Полученные при испытаниях пилотной выпарной установки результаты были положены в основу полномасштабного проекта реконструкции 6 выпарной батареи БАЗа, а также реконструкции 5, 7 и 4 выпарных батарей. Указанные результаты были использованы также при разработке и внедрении подогревателя раствора и охладителя пара для 1 выпарной батареи БАЗа, монтаж которых происходит в настоящее время.
Одной из главных проблем, препятствующих повышению эффективности и увеличению производительности выпарных батарей в глинозѐмном производстве УАЗа, также как и БАЗа, является несовершенство конструкций продукционных корпусов. В них происходит конечное выпаривание раствора и выделение кристаллической соды. Для этого применяются выпарные аппараты с естественной циркуляцией с кипением раствора в трубках. В процессе работы проис- ходит интенсивное зарастание солью греющих трубок, вследствие чего производительность всей батареи после 18 - 20 часов работы падает и ее необходимо промывать. При этом, в ходе промывки потребляется пар и электроэнергия, а продукция – оборотный раствор не выпускается [1-3].
Для решения отмеченных проблем, демонстрации эффективности действия современного оборудования, а также отработки технологии выпаривания алюминатных растворов с выделением кристаллической соды была предназначена опытная выпарная установка. Эта установка была разработана и испытана в глиноземном цехе УАЗа силами указанных выше специалистов под руководством Ронкина В.М. Она работала на реальных алюминатных растворах, полученных в действующем производстве [13]. Принципиальная схема установки показана на рис. 5.
Рис. 5 – Принципиальная схема опытной выпарной установки УАЗа для упаривания алюминатных растворов
АВ – выпарной аппарат; П – подогреватель; БИ – бак исходного раствора; БК – конденсатный бак; Г – гидроциклон; БО – бак-осветлитель; БС – сливной бачок; Н - насос
Основой опытной установки является выпарной аппарат с принудительной циркуляцией, оснащенный системой для накопления твердой фазы в циркуляционном контуре с целью укрупнения кристаллов соды, а также исключения инкрустаций и забивки трубок. В нее входит гидроциклон, бак-осветлитель и сливной бачок. В состав установки также входят подогреватель раствора, бак исходного раствора и перекачивающий насос.
Исходным раствором при работе служил упаренный раствор из второго корпуса одной из действующих выпарных батарей УАЗа с концентрацией по Na2OК 210 - 215 г/л, который собирался в бак. Из бака раствор насосом через подогреватель подавался в выпарной аппарат, где упаривался до концентрации Na2OК 300 - 340 г/л.
Испытания установки проводились в период 2002 – 2013 годов под руководством Ронкина В.М. Ее производительность по исходному раствору составляла 1 - 1,5 м3/ч. Соотношение основных размеров выпарного аппарата с принудительной циркуляцией было выбрано таким, чтобы смоделировать условия и гидравлические режимы работы продукционных промышленных аппаратов, действующих в подобных условиях. Испытания проводились циклами непрерывной работы продолжительностью по 3 - 4 суток с остановками в плановом порядке, при полном отсутствии промывок оборудования, в то время как существующие выпарные батареи УАЗа в условиях выделения из раствора соды способны работать без промывки не более 20 часов. После остановки проводился осмотр внутренних поверхностей аппарата и теплообменных трубок.
Проведенные испытания позволили отработать конструкцию выпарного аппарата с принудительной циркуляцией в режимах продукционного и предпродукционного корпусов выпарных батарей. Особое внимание было обращено на получение данных для стадии конечного концентрирования алюминатных растворов с выделением кристаллической соды и отработку устройств для накопления твердой фазы в контуре аппарата. Коэффициент теплопередачи опытного выпарного аппарата в ходе всего цикла испытаний был в пределах 3300 - 4200 Вт/м2•К, что в 3 - 4 раза выше чем у существующих выпарных аппаратов с естественной циркуляцией, работающих в аналогичных условиях. Концентрация упаренного раствора по каустику находилась в пределах 300 - 340 г/л, а его плотность – 1410 - 1440 г/л, тогда как в действующих аппаратах она не превышает 1400 г/л.
Испытания показали работоспособность примененной системы накопления твердой фазы в выпарном аппарате, благодаря чему ее концентрация достигала 200 г/л, в то время как по материальному балансу выпарки содержание твердого равно 40-50 г/л. Благодаря этому, средний размер полученных кристаллов соды составил 420 мкм, что в 2 - 2,5 раза больше, чем в действующих продукционных аппаратах [14].
Результаты испытаний доказали эффективность применения выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией, как в качестве продукционных, так и предпродукционных корпусов выпарных батарей. Внутренний осмотр аппарата показал полное отсутствие инкрустаций содой его внутренних поверхностей, а также забивки трубок. Благодаря их применению можно значительно повысить производительность батареи [15].
Эффективность и высокие теплотехнические показатели аппарата с принудительной циркуляцией в течение испытаний видны на рис. 6, где показано изменение по времени работы его коэффициента теплопередачи при испытаниях в режимах продукционного и предпродукционного корпусов. При этом, предпродукционный корпус выпарных батарей, в котором концентрация щелочи составляет 240 - 270 г/л, а сода только начинает выделяться из раствора, является наиболее проблемным аппаратом. Зачастую, как показывает опыт эксплуатации пятикорпусных выпарных батарей УАЗа, именно он препятствует длительной работе. Поэтому важно было показать возможность эффективной работы и этого корпуса. Видно, что значения коэффициентов теплопередачи аппарата как в первом, так и во втором случаях, в ходе испытаний менялись незначительно, оставаясь постоянными.
Рис. 6. - Изменение коэффициентов теплопередачи выпарного аппарата по времени работы опытной выпарной установки в периоды испытаний в режиме продукционного и предпродукционного корпусов
При испытаниях в режиме продукционного корпуса аппарат работал в следующем режиме: давление (абс.) пара греющего 2,8 - 4,0 кгс/см2, вторичного 0,8 - 1,0 кгс/см2, температура раствора 115 - 125 ОС, концентрация раствора по Na2OК 300 - 340 г/л, плотность упаренной пульпы 1420 - 1440 г/л. Предпродукционный корпус работал в следующем режиме: давление (абс.) пара греющего 1,5 - 2,2 кгс/см2, вторичного 0,6 - 0,8 кгс/см2, температура раствора 105 - 110 ОС, концентрация раствора по Na2OК 240 - 270 г/л, плотность упаренной пульпы 1340 - 1370 г/л.
В ходе испытаний опытной установки выпарной аппарат был оснащен системой накопления твердой фазы, за счет которой содержание твердой фазы в контуре аппарата достигало 200 г/л. Использование ее позволило повысить крупность кристаллов соды, выделяющихся из раствора, а также исключить образование инкрустаций и забивку трубок, что в целом, приводит к увеличению межпромывочного периода работы. Было определено влияние накопления твердой фазы на крупность кристаллов. На рис. 7 показана диаграмма размеров кристаллов, как с накоплением, так и без накопления, определенная по гранулометрическим анализам [14]. Видно, что благодаря поддержанию в аппарате высокой концентрации твердой фазы, размеры кристаллов удалось увеличить почти вдвое.
Рис. 7 - Средний размер кристаллов соды в опытном выпарном аппарате
По данным анализов грануляционного состава соды, полученного на опытной установке, построен график влияния концентрации твердой фазы на размеры кристаллов, приведенный на рис. 8. Видно, что зависимость размеров кристаллов от содержания твердой фазы является ощутимой. При повышении содержания твердых частиц в растворе, можно в значительной степени увеличить размеры кристаллов.
Рис. 8 – Зависимость среднего размера кристаллов соды от концентрации твердой фазы
В технологическом процессе получения глинозема, на стадии выпаривания алюминатного раствора, вместе с кристаллическим осадком соды происходит выделение органических соединений. В ходе испытаний опытной установки были проведены работы по определению зависимости степени выделения их в осадок от различных технологических параметров выпаривания [16]. При этом одним из главных факторов, от которого зависит выделение органических соединений, является температура упаренного раствора в аппарате. На основании проведенных работ была получена зависимость изменения концентрации органических соединений во влажном осадке соды от температуры упаренного раствора, график которой приведен на рис. 9.
Рис. 9 - Зависимость концентрации органики во влажном осадке соды от температуры упаренного раствора
Видно, что концентрация оксалатов во влажном осадке имеет четкую зависимость от температуры упаренного раствора, в то время как концентрация гуминов практически не зависит от нее. Полученные результаты и данные работы опытной установки позволили выдать рекомендации по рациональным технологическим режимам, обеспечивающим приемлемый вывод органических соединений из алюминатных растворов в ходе их концентрирования. Они заключаются в подержании оптимальной температуры раствора в аппарате, из которого выводится сконцентрированная на выпарной батарее пульпа с осадком соды и органики, которая дает возможность, как вывести органику, так и удовлетворительно отделить раствор от осадка.
По данным испытаний опытной выпарной установки УАЗа построен график изменения коэффициентов теплопередачи продукционных корпусов выпарных батарей, приведенный на рис. 10 [15]. На графике показано, как изменяется интенсивность работы аппаратов с естественной циркуляцией, которыми являются и двухходовой аппарат и аппарат с кипением в трубках и аппарат с вынесенной зоной кипения. Видно также практически постоянную величину коэффициента теплопередачи продукционного корпуса с принудительной циркуляцией. При этом значение коэффициента теплопередачи данного аппарата в 1,5 - 2 раза выше, чем у других аппаратов.
Полученные при испытаниях опытной установки результаты были использованы указанными выше специалистами под руководством Ронкина В.М. при реконструкции 20 и 21 выпарных батарей УАЗа, а также реконструкции выпарных аппаратов 1/1, 1/19, 1/23, 4/26 и 4/27, работающих в составе 1, 19, 23, 26 и 27 батарей. Эти результаты были использованы в проекте реконструкции выпарного аппарата 1/20, при которой предполагалось применить АПЦ в качестве продукционного корпуса.
Рис. 10 - Изменение по времени работы коэффициентов теплопередачи продукционных корпусов выпарных батарей различной конструкции
На основании проведенных испытаний и имеющегося у нас опыта работы, можно сделать вывод, что выпарной аппарат с принудительной циркуляцией обладает следующими преимуществами:
- способен эффективно и надежно работать в условиях концентрирования кристаллизующихся, в том числе алюминатных, растворов;
- обеспечивает стабильную и устойчивую циркуляцию упариваемого раствора, независимо от концентрации, температуры, вязкости и содержания твердых частиц;
- позволяет упаривать накипе- и кристаллообразующие растворы до общего солесодержания 85 - 92 %, (т.е. в растворе остается всего 8 - 15 % воды);
- дает возможность поддерживать концентрацию твердой фазы в суспензии до 40 - 50 % при межпромывочном периоде работы 10 - 30 суток;
- имеет коэффициенты теплопередачи в 2 - 4 раза больше, чем у аппаратов с естественной циркуляцией, а кристаллы твердой фазы (соды) крупнее в 1,5 - 3 раза;
- менее металлоемкий, чем аппараты с естественной циркуляцией.
Однако для этого необходимо, чтобы АПЦ, применяемый в глиноземном производстве, должен быть разработан с учетом особенностей работы данного аппарата в условиях выпаривания алюминатных растворов с выделением соды, которые были определены при проведении описанных выше опытно-промышленных испытаний.
Наряду с изложенными выше опытно-промышленными работами по определению и отработке оптимальных режимов эксплуатации АПЦ, проводились также пуско-наладочные и экспериментальные работы на другом выпарном оборудовании глиноземного производства, позволившие улучшить конструкцию предлагаемого аппарата, уточнить отдельные факторы, влияющие на его работу. Среди них были проведены работы, касающиеся выноса зоны кипения из теплообменных трубок, паросепарации вторичного пара, накопления в контуре аппарата твердой фазы с целью увеличения межпромывочного периода работы и др. [17-26].
