一种硫酸钠溶液循环流化床蒸发装置及其操作方法与流程

本发明属于蒸发器技术领域，具体的说，是一种新型的硫酸钠溶液蒸发装置及其操作方法。

背景技术：

硫酸钠是工业生产中一种重要的基础化工原料，由于其价格经济，广泛应用于玻璃、造纸、漂染、饲料、洗涤等工业。2017年我国硫酸钠产量约为1258万吨，占全球生产市场份额的79.2％。然而，在硫酸钠的生产过程中，其溶液的蒸发过程不仅传热性能较差，而且存在着严重的结垢问题。污垢的产生增加了传热热阻，降低了蒸发器的传热性能和蒸发强度，造成了巨大的经济损失和能源浪费，限制了硫酸钠的工业生产。目前针对硫酸钠生产蒸发过程中的结垢问题，主要是采用增加流速延缓结垢或停车物理清垢的方法。这些方法不能从根本上解决结垢的问题，还会降低产量和产品质量，增加运行成本。

技术实现要素：

本发明要解决的是硫酸钠溶液蒸发过程中传热性能较差和容易结垢的技术问题，提供了一种硫酸钠溶液循环流化床蒸发装置及其操作方法，将流化床换热防垢节能技术和硫酸钠溶液的蒸发过程相结合，操作简单，有效地提高了硫酸钠溶液蒸发过程中的传热和防垢性能。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种硫酸钠溶液循环流化床蒸发装置，包括加热管，所述加热管竖直设置且其下端为入口、上端为出口；所述加热管的出口经第一连接管路与蒸发室的入口相连，所述蒸发室的上部出口与冷凝器相连，所述蒸发室的下部出口与循环管的入口相连，所述循环管的出口与循环泵的入口相连，所述循环泵的出口经第二连接管路与加热管的入口相连；所述循环泵为半开式离心泵；

所述循环管上安装有电磁流量计，所述循环管连接有高位槽和在线颗粒投加装置，所述第一连接管路上连接有在线颗粒收集装置。

进一步地，所述在线颗粒投加装置包括第一阀门、斜管、第二阀门、竖直管、第三阀门和漏斗；所述循环管通过所述第一阀门与所述竖直管的下端连接，所述竖直管的上端通过所述第三阀门与所述漏斗连接，所述第一阀门与所述第三阀门之间的所述竖直管下部连接有所述斜管，所述斜管上设置有第二阀门。

进一步地，所述在线颗粒收集装置包括第四阀门、颗粒收集器、第五阀门、第六阀门、旋液分离器、第七阀门、第八阀门和第九阀门；所述第一连接管路通过所述第七阀门与所述悬液分离器上部的入口相连接，并通过所述第八阀门与所述悬液分离器上部的液体出口相连接；所述悬液分离器下部通过所述第六阀门与所述颗粒收集器上部相连接，所述颗粒收集器上部还设置有用于排空的所述第五阀门，所述颗粒收集器下部设置有用于排出颗粒的所述第四阀门。

进一步地，所述在线颗粒投加装置用于向蒸发装置中加入碳化硅颗粒，所述在线颗粒收集装置用于由蒸发装置中收集碳化硅颗粒。

更进一步地，所述碳化硅颗粒的当量直径为0.5～1mm。

更进一步地，所述碳化硅颗粒在混合工质中的体积分率为0.5％～2％。

更进一步地，所述加热管的热通量为6.47～11.22kw·m^-2。

更进一步地，所述硫酸钠溶液循环流化床蒸发装置内溶液的循环流速为0.38～2.07m·s^-1。

一种所述的硫酸钠溶液循环流化床蒸发装置的操作方法，利用所述在线投加颗粒装置添加惰性固体颗粒时，先确保所述第一阀门、所述第二阀门处于关闭状态，打开所述第三阀门，将惰性固体颗粒经漏斗加入到所述竖直管内，然后关闭所述第三阀门，打开所述第一阀门，使惰性固体颗粒进入所述循环管并随流动的料液进入到蒸发装置中；惰性固体颗粒投加完毕后，关闭第一阀门；所述第二阀门用于在每次投加惰性固体颗粒前，将所述竖直管内存留的料液由所述斜管放出。

一种所述的硫酸钠溶液循环流化床蒸发装置的操作方法，利用所述在线颗粒收集装置回收惰性固体颗粒时，先打开所述第七阀门、所述第八阀门，关闭所述第九阀门；此时，所述第六阀门应处于开启状态，所述第四阀门、所述第五阀门应处于关闭状态；混合工质流经所述旋液分离器，惰性固体颗粒经离心沉降后进入所述颗粒收集器，料液进入所述蒸发室进行分离和参与循环；待蒸发装置内惰性固体颗粒全部被收集后，打开所述第九阀门，关闭所述第七阀门、所述第八阀门，蒸发装置则继续正常操作；之后，关闭所述第六阀门，打开所述第五阀门排空，然后打开所述第四阀门，所述颗粒收集器内的料液和惰性固体颗粒由所述第四阀门取出。

本发明的有益效果是：

本发明的硫酸钠溶液循环流化床蒸发装置及其操作方法，将流化床技术应用到硫酸钠溶液的蒸发过程中，将碳化硅固体颗粒加入到蒸发器中，形成三相循环流化床蒸发系统，可以有效地解决硫酸钠溶液蒸发过程的结垢问题，同时具有良好的强化传热效果。其原因主要在于蒸发器中碳化硅颗粒的流化破坏了流动和传热边界层，强化了对流传热；同时，增加了汽化核心，强化了沸腾传热。此外，颗粒的流化还促进了传质，降低了壁面附近溶液的过饱和度，延长了结垢的诱导期。因此，本发明适用的硫酸钠溶液浓度范围较宽，其质量百分浓度一般在5％～33.3％范围内。

本发明的硫酸钠溶液循环流化床蒸发装置及其操作方法，不仅设备结构简单，操作稳定，能耗小，利于实现工业化，而且可以有效地提高生产效率和能源利用率、减小环境污染。本发明解决了硫酸钠溶液蒸发装置长期未解决的结垢难题，具有广阔的应用前景，将产生巨大的经济效益和环境效益。

附图说明

图1是本发明所提供的硫酸钠溶液循环流化床蒸发装置的结构示意图；

图1中：1、循环泵；2、第二连接管路；3、加热管；4、第一连接管路；5、在线颗粒投加装置；6、在线颗粒收集装置；7、电磁流量计；8、循环管；9、蒸发室；10、高位槽；11、冷凝器。

图2为图1中在线颗粒投加装置的结构示意图；

图2中：a、第一阀门；b、斜管；c、第二阀门；d、竖直管；e、第三阀门；f、漏斗；

图3为图1中在线颗粒收集装置的结构示意图。

图3中：g、第四阀门；h、颗粒收集器；i、第五阀门；j、第六阀门；k、旋液分离器；l、第七阀门；m、第八阀门；n、第九阀门。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1所示，本实施例公开了一种硫酸钠溶液循环流化床蒸发装置，该装置采用316l不锈钢制成，包括循环泵1、第二连接管路2、加热管3、第一连接管路4、在线颗粒投加装置5、在线颗粒收集装置6、电磁流量计7、循环管8、蒸发室9、高位槽10和冷凝器11。

加热管3为竖直设置，并且加热管3的下端为入口、上端为出口，流体沿加热管3向上流动。加热管3的出口经第一连接管路4与蒸发室9的入口相连，蒸发室9的上部出口与冷凝器11相连，蒸发室9的下部出口与循环管8的入口相连，循环管8的出口与循环泵1的入口相连，循环泵1的出口经第二连接管路2与加热管3的入口相连。其中，循环泵1选用半开式离心泵进行强制循环，半开式离心泵允许少量杂质通过，流体可以实现无需收集颗粒即可进行强制循环，简化了该蒸发装置的工艺流程。其中，循环管8包括相互连接的竖直段和水平段，竖直段连接于蒸发室9的下部出口，水平段连接于循环泵1的入口。

高位槽10、在线颗粒投加装置5、电磁流量计7均安装在循环管8上。高位槽10连接于循环管8的竖直段上，靠近蒸发室9的位置；高位槽10用于补充料液，可不停车在线补料。在线颗粒投加装置5连接于循环管8的水平段上，靠近循环泵1的位置；在线颗粒投加装置5可以向硫酸钠溶液循环流化床蒸发装置内在线添加固体颗粒，方便快捷。

在线颗粒收集装置6安装在第一连接管路4上，连接于靠近蒸发室9的位置。在线颗粒收集装置6主要由旋液分离器k和颗粒收集器h组成，可以用于在线收集硫酸钠溶液循环流化床蒸发装置内的固体颗粒。

如图2所示，在线颗粒投加装置5包括第一阀门a、斜管b、第二阀门c、竖直管d、第三阀门e和漏斗f。循环管8的水平段通过第一阀门a与竖直管d的下端连接，竖直管d的上端通过第三阀门e与漏斗f连接，第一阀门a与第三阀门e之间的竖直管d下部连接有斜管b，该斜管b上设置有第二阀门c，用于排出直管d内的料液。

如图3所示，在线颗粒收集装置6主要由旋液分离器k和颗粒收集器h组成，包括第四阀门g、颗粒收集器h、第五阀门i、第六阀门j、旋液分离器k、第七阀门l、第八阀门m和第九阀门n。第一连接管路4通过第七阀门l与悬液分离器k上部左侧的入口相连接，第一连接管路4通过第八阀门m与悬液分离器k上部右侧的液体出口相连接，悬液分离器k下部通过第六阀门j与颗粒收集器h相连接，颗粒收集器h上部设置有用于排空的第五阀门i，颗粒收集器h下部设置有用于排出颗粒的第四阀门g。

本发明通过在线投加颗粒装置5加入一定量的碳化硅颗粒，使碳化硅颗粒与硫酸钠溶液形成混合工质，并通过循环泵1使料液和颗粒循环，进而起到强化传热和防、除垢的作用。操作过程中，流体沿加热管3向上流动，由于碳化硅颗粒密度高于流体，其向上运动速度低于流体，更趋向于靠近加热壁面运动。碳化硅颗粒密度较大，可以在加热管3内很好的流化。碳化硅具有化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好、硬度大和密度大等特性；其导热系数为83.6w·m^-2·℃^-1，约是纯硫酸钠溶液的142倍左右，因此，碳化硅颗粒和硫酸钠溶液的混合工质有比纯硫酸钠溶液具有更高的导热系数。此外，碳化硅密度大，约为3180kg·m^-3，碳化硅颗粒在运动过程中对传热壁面具有较大的碰撞和剪切应力，能更有效地破坏和减薄层流底层，防止垢核在壁面上的附着，延长结垢的诱导期，进而提高蒸发装置的强化传热和防垢性能。本发明适用的硫酸钠溶液浓度范围较宽，其质量百分浓度一般在5％～33.3％范围内。碳化硅颗粒的形状为不规则形状，当量直径以选择0.5～1.0mm为佳，从而与料液有较大的接触面积，传热更好；其在混合工质中的体积分率为0.5％～2.0％，这样可以满足强化传热和防、除垢所需的颗粒浓度。本发明中加热管3的热通量为6.47～11.22kw·m^-2，装置内料液的循环流速为0.38～2.07m·s^-1时，颗粒在管内流化及分布情况较好。

本发明在操作时，将适量的料液和碳化硅颗粒加入到系统中，通过采用半开式离心泵作为循环泵1进行强制循环，当流体经过加热管3时，温度升高；达到沸点后，溶液汽化，系统中形成汽-液-固三相流。当三相流流经蒸发室9时，汽、液、固三相被分离，蒸汽由蒸发室上方进入冷凝器11被冷凝成水，冷凝水通过人工收集再经高位槽10重新加入到系统中以维持液位恒定；液、固两相则进入循环管8参与循环。循环管8内部的电磁流量计7用于测量流经循环管料液的流量。

系统内需要添加惰性固体颗粒时，利用在线投加颗粒装置5加入惰性固体颗粒，先确保在线投加颗粒装置5上的第一阀门a、第二阀门c处于关闭状态，然后打开第三阀门e，将一定量的惰性固体颗粒经漏斗f加入到竖直管d内，然后关闭第三阀门e，缓慢打开第一阀门a，固体颗粒则进入循环管8的水平段内，随流动的料液进入到蒸发装置中。固体颗粒投加完毕后，关闭第一阀门。每次投加颗粒前，保持第一阀门a关闭，打开第二阀门c和第三阀门e，将竖直管d内存留的料液先由斜管b放出，由高位槽10加回系统；然后再关闭第二阀门c，按照前述步骤投加颗粒。

系统内需要更换惰性固体颗粒时，利用在线颗粒收集装置6将惰性固体颗粒回收，先打开在线颗粒收集装置6上的第七阀门l、第八阀门m，关闭第九阀门n。此时，第六阀门j应处于开启状态，第四阀门g、第五阀门i应处于关闭状态。混合工质流经在线颗粒收集装置6的旋液分离器k时，碳化硅颗粒经离心沉降后进入颗粒收集器h，料液则进入蒸发室9进行分离与参与循环。待蒸发装置内颗粒全部被收集后，打开第九阀门n，关闭第七阀门l、第八阀门m，蒸发装置则继续正常操作。此时，关闭第六阀门j，打开第五阀门i排空，然后打开第四阀门g，颗粒收集器h内的料液和碳化硅颗粒则可靠重力作用从第四阀门g取出。

在常压下，应用本发明的硫酸钠溶液循环流化床蒸发装置蒸发硫酸钠溶液，在碳化硅颗粒当量直径为0.5mm～1.0mm，体积分率为0.5％～2.0％；加热管3的热通量为6.47～11.22kw·m^-2，料液的循环流速为0.38～2.07m·s^-1时，该装置可以起到显著的防垢和强化传热效果，传热系数最大可提高14.6％。可见，本发明的硫酸钠溶液循环流化床蒸发装置具有明显的防垢和强化传热效果，碳化硅颗粒的加入对于其防、除垢和强化传热性能有着重要的影响。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。