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【摘要】本文从工艺设计的角度出发，对七效管式降膜蒸发器在氧化铝厂的应用进行模拟计算，结合生产需求和经验确定各效蒸发器的换热面积、设备组成、布置方式。并考察此工程在山东某氧化铝厂的实际应用情况、运行指标和经济指标。

【关键词】七效管式降膜蒸发器；氧化铝；模拟；应用

1、引言

近年来，我国氧化铝行业经历了突飞猛进的发展，而发展的尽头必定是饱和与过剩。现在铝行业的生产能力过剩，铝产品价格下跌。2015年底，中央经济工作会议已经把“去产能、去库存、降成本”等作为经济工作的中心任务。在这种严峻的经济形势下，淘汰规模小、成本高、技术落后的企业已经成为一种趋势。我国现有的大型氧化铝企业节能降耗、降低成本的需求也越加迫切。

我国的氧化铝厂，根据处理矿石和生产方式的不同大概分为三类，第一类采用拜耳法处理国内一水硬铝石，此类工厂矿石成本低，但因循环流量大所以运行成本高，产品质量符合国家标准但普遍不够好；第二类采用烧结或其他方法处理国内一水硬铝石，此类工厂的矿石成本比第一类稍低，但采用的工艺流程能耗过高，已经逐渐被市场淘汰；第三类采用拜耳法处理国外三水铝石，此类工厂矿石成本高，但运行成本很低，产品质量相对前两类较好。

本文介绍的七效管式降膜蒸发器组主要应用在拜耳法处理三水铝石的氧化铝厂中，因为此类氧化铝厂对蒸发产品的苛碱浓度要求相对较低，这样蒸发器各效的沸点升较低，也就是说同样操作条件下，各效分配到的温差较大，也就是换热面积会相对较少，这样有利于减少七效蒸发器的初期投资。

2、设计流程选择与计算过程

2.1流程选择

蒸发工序是我国氧化铝生产厂的主要工序之一，因为大量蒸水而能耗较高。氧化铝行业的蒸发工序因处理物料固含高、黏度大，一般采用管式降膜蒸发器组。降膜方式采用循环泵把料浆输送至蒸发器顶部，在重力作用下，经分配器与布膜器在加热管束内成膜与蒸汽换热。蒸发器组一般采用逆流换热，经过多年的理论与实践检验，一般采用两段蒸发的方式。两段蒸发的主要优点是前段物料输送量少，节省电能；后段进料物料温度高，利用蒸发器内的真空环境可以大量闪蒸出水分，节约蒸汽。

蒸发器的节能效果主要体现在蒸汽的多次利用上，采用的效数越多，蒸汽被利用的次数也就越多，也就越节能。前述第一类与第二类氧化铝厂因为进出物料的浓度高、浓差大，而大多采用了六效蒸发器组。如果第一、二类氧化铝厂采用七效蒸发器，必须提高蒸汽温度或大量加大设备面积，这会造成设备初期投资的大量增加，不够经济。在处理三水铝石的氧化铝厂中，因为处理物料的浓度偏低，可以考虑采用更加节能的七效蒸发器组。

图2.1为七效管式降膜蒸发器组的流程简图。蒸发原液分别从Ⅴ、Ⅶ效蒸发器进入，进入Ⅴ效的物料经Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ效换热增浓后进入Ⅰ～Ⅳ级自蒸发器闪蒸；进入Ⅶ效的物料经Ⅵ效换热增浓后与Ⅳ级自蒸发器的出料混合，经出料泵输送至调配工序。新蒸汽由Ⅰ效进入，换热冷凝成新蒸汽冷凝水后，由泵送回电厂。高温物料在分离室内沸腾蒸发产生的二次蒸汽进入下一效蒸发器作为热源，最后末效也就是Ⅶ效的二次蒸汽进入直接接触冷凝器内冷凝，被循环水带走。Ⅰ～Ⅵ效产生的二次蒸汽冷凝水经过逐级闪蒸后在Ⅶ效冷凝水罐内集中，由泵送至氧化铝厂其他工序作为洗水。

图2.1 七效管式降膜蒸发器组流程简图

2.2计算过程

本文以山东某三水铝石氧化铝厂为例，根据甲方的生产条件、产品要求和上述流程，作者对整个蒸发器组的物料平衡和热平衡进行模拟计算。外部条件包括蒸发原液成分、新蒸汽品质、循环上下水温度、蒸发母液浓度要求等等。作者采用Syscad物料及热量平衡模拟软件，根据输入条件和产品要求，计算得出系统各主要物料的性质和各效蒸发器的换热面积。

2.2.1原液成分

2.2.2其他外部条件

新蒸汽：0.4MPa（abs）饱和蒸汽；

循环上水温度：35℃；

循环下水温度：48℃；

蒸发母液Nk：190g/L。

2.2.2计算结果

计算出的平衡蒸水量为200.8t/h，考虑到生产的波动、暴雨、其他工序污水流入等因素，蒸发器组的蒸水能力选择为280t/h。

3、现场生产运行情况

作者于2015年12月份到七效管式降膜蒸发器的施工与运行现场进行考察。甲方一共订购了2组280t/h蒸水能力蒸发器，两组蒸发器按轴对称方式布置，分两期施工。如图3.1所示，Ⅰ～Ⅶ效蒸发器组布置在一排，Ⅰ～Ⅳ级自蒸发器与直接接触冷凝器布置在另一排，物料由图3.1左端进入后逐级向右，从最右端出料后再反方向进入Ⅰ～Ⅳ级自蒸发器逐级闪蒸，末效的二次蒸汽出口与直接接触冷凝器的空间距离较近。这种设备布置方式的特点是占地少，方便物料、蒸汽在各设备间的布管。蒸发器的总图位置也配合了外管网，方便物料、蒸汽、冷凝水、循环水进出。

现场一组蒸发器在建，另一组蒸发器已经平稳运行3个月并已达产达标。从投资建设成本和现在运行的指标来看，七效管式降膜蒸发器组比传统的六效多一效，相应的也多出了一台水罐、一台循环泵、一台过料泵和配套的仪表、阀门若干。同样也增加了土建投资，并在运行期间增加了电耗、管理和维护的成本。总的来说，一组蒸发器由六效变七效，初期投资约增加400万，后期电耗增加300kW/h。但七效蒸发器的汽耗约0.15～0.16t/t水，对比六效蒸发器汽耗0.18～0.19t/t水，节约0.03t蒸汽/t水。循环水量也因为末效乏汽量的减少而少量降低。如果电和蒸汽的价格按氧化铝自备电厂成本价，电价0.3元/kW·h，蒸汽60元/t，平衡蒸水量按200t/h，运转率按95%计算，每年可节约224万元，不到两年就可以回收成本。

4、结论

模拟计算的预测和生产实践都得出同一个结论，在处理三水铝石的氧化铝厂应用七效管式降膜蒸发器组，会少量增加初期投资，大量节省运行成本，节能降耗，为企业带来实际的经济利益。在氧化铝行业竞争尤其激烈的今天，不失为氧化铝厂节能降耗、升级优势产能的一种好方法。

参考文献

[1]毕诗文等.拜耳法生产氧化铝[M].北京：冶金工业出版社，2007：235.

[2]杨重愚.氧化铝生产工艺学（修订版）[M].北京：冶金工业出版社，1993.

作者简介

于水波，东北大学设计研究院（有限公司），工程师，主要工作：氧化铝厂蒸发工艺设计，全厂物料及能量平衡计算.

黎娜，东北大学设计研究院（有限公司），高级工程师，主要工作：氧化铝厂总设计师.