Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УПАРИВАНИЯ АЛЮМИНАТНЫХ РАСТВОРОВ

Изобретение относится к глиноземному производству, в частности к упариванию алюминатных растворов, полученных при переработке глинозем-содержащего сырья.

При упаривании алюминатных растворов, полученных при переработке глиноземсодержащего сырья, основной проблемой является снижение затрат, среди которых основными являются энергозатраты, в частности затраты пара. Увеличение их связано с малым периодом работы выпарных батарей вследствие выделения при выпаривании растворов кристаллической соды, которая осаждается на теплообменных трубках, снижая интенсивность работы выпарных аппаратов и производительность выпарных батарей. Поэтому необходимо найти такие пути организации процесса, чтобы снизить энергопотребление выпарных батарей.

Известен способ упарки алюминатных растворов на многокорпусной выпарной установке, работающей под разряжением по принципу противотока (Москвитин В.И, Николаев И.В., Фомин Б.А. // Металлургия легких металлов // М., Интермемет Инжиниринг, 2005, С. 71-75), состоящий в упарке алюминатного раствора до необходимой концентрации в выпарной установке, когда раствор из корпуса с меньшим давлением передается в корпус с большим давлением насосами и упарке алюминатного раствора до требуемой концентрации по Na₂O_Кауст, необходимой для ведения технологического процесса и направлении полученного раствора на содовыделение при температуре 100-105ºC.

В известном способе окончательное выпаривание раствора, сопряженное с выделением кристаллической соды, происходит в первом корпусе, являющемся продукционным. При этом кипение раствора происходит в греющих трубках продукционного корпуса, что вызывает интенсивное зарастание солью теплообменных трубок и падение производительности выпарной батареи. Это приводит к тому, что межпромывочный период работы выпарной батареи не превышает 20 часов, после чего необходимо ее промывать. В ходе промывки потребляется пар и электроэнергия, а продукция - оборотный раствор не выпускается.

Известен способ упаривания кристаллизующегося алюминатного раствора по патенту RU №2224572, B01D 1/26, B01D 1/12, опубл. 20.07.2003 г., согласно которому упаривание алюминатного раствора глиноземного производства с повышенным содержанием в растворе соды не менее 12% происходит в пятикорпусной выпарной установке с применением циркуляции раствора в продукционном корпусе и использованием для нагрева отборного пара с турбин ТЭЦ. Упарка алюминатного раствора осуществляется в одну стадию по схеме смешанного тока 5-4-3-1-2, где нумерация корпусов показывает движение пара, указанная последовательность корпусов показывает движение раствора. После упарки алюминатный раствор направляется на содовыделение.

К недостаткам известного способа следует отнести возможность упарки алюминатных растворов только в пятикорпусной выпарной установке, оборудованной вакуумным корпусом, использование схемы смешанного тока, требующей больший расход пара, чем схема противотока, поскольку максимальное использование тепла на выпарных установках с использованием вакуумного корпуса осуществляется только противотоком, в данном случае для пятикорпусной выпарной батареи 5-4-3-2-1, где нумерация корпусов показывает движение пара, указанная последовательность корпусов показывает движение раствора.

Известен способ двухстадийного упаривания алюминатного раствора (Болотов А.А., Величутина В.П., Картовский Ю.В. и др. Осаждение соды из оборотных растворов после двухстадийной схемы выпаривания // Труды ВАМИ. Вып. 94. - Л.: ВАМИ, 1976, - С. 28-31), включающий упаривание слабого алюминатного раствора до средних щелоков, содержащих 245,0-250,0 г/л по Na₂O_Кауст, нагрев полученного раствора до температуры 145-150ºC в подогревателе среднего щелока и упарка его путем подачи в систему из 5 самоиспарителей, где происходит окончательная упарка алюминатного раствора до необходимой для ведения технологического процесса концентрации Na₂O_Кауст. Полученный раствор с температурой 60-70ºC нагревается в подогревателе до температуры 100-105ºC и поступает на содовыделение.

К недостаткам данного способа следует отнести необходимость нагрева раствора в два этапа: вначале - нагрев раствора средних щелоков до температуры 145-150ºC, а затем - нагрев упаренного раствора до температуры 100-105ºC для ведения процесса содовыделения, что приводит к дополнительным затратам пара.

Применение известного способа вызывает необходимость дополнительного аппаратурного оформления процесса, в результате установки дополнительного оборудования (пяти самоиспарителей и двух теплообменников) для упарки раствора средних щелоков до необходимой для ведения технологического процесса концентрации Na₂O_Кауст. Вледствие этого усложняется аппаратурная схема установки.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран способ выпаривания алюминатного раствора, осуществленный в схеме выпарной станции Уральского алюминиевого завода (Величутина В.П., Старков Е.Н. // В сб. «Совершенствование технологии и аппаратуры в процессе выпарки растворов глиноземного производства». - М.: Цветметинформ., 1971. - С. 16-21), представляющей собой двухстадийную выпарную установку. Данный способ включает выпаривание алюминатно-щелочных растворов в две стадии, с подачей слабого алюминатного раствора на первую стадию упаривания в трехкорпусной прямоточной выпарной установке, где происходит упаривание до средних щелоков (245,0-250,0 г/л по Na₂O_Кауст), с направлением упаренного раствора после первой стадии на доупаривание до концентрации 330,0-340,0 г/л по Na₂O_Кауст на вторую стадию в двухкорпусную прямоточную выпарную установку и подачей упаренного раствора после второй стадии на выделение карбонатной соды.

Упарка исходного алюминатного раствора на первой стадии осуществляется в трехкорпусной выпарной установке («триплекс»), когда выпарная установка работает по схеме 1-2-3, где нумерация корпусов показывает движение пара, указанная последовательность корпусов показывает движение раствора. Упаренный алюминатный раствор после первой стадии направляется на доупарку на вторую стадию, где упаривается до концентрации 330,0-340,0 г/л по Na₂O_Кауст, которая необходима для выделения карбонатной соды. Упарка алюминатного раствора осуществляется в двухкорпусной выпарной установке («дуплекс») по схеме прямотока, когда выпарная установка работает по схеме 1-2, где нумерация корпусов показывает движение пара, указанная последовательность корпусов показывает движение раствора. Упаренный раствор после второй стадии направляется на выделение карбонатной соды.

К недостаткам известного способа следует отнести высокие затраты пара вследствие отсутствия вакуумного корпуса на выпарной установке, поскольку вакуумный корпус не работает при высоких концентрациях алюминатного раствора, имеющих высокую вязкость и нерационального использования пара при упарке алюминатных растворов по схеме прямотока. Известно, что наиболее полное использование пара осуществляется по схеме прямотока, однако установка вакуумного корпуса позволяет дополнительно упаривать воду и совместно со схемой противотока позволяет получить лучшие показатели по расходу пара.

Другой недостаток известного способа состоит в малом числе корпусов в выпарных установках, что приводит к увеличению удельного расхода пара. Кроме того, недостатком известного способа является малая продолжительность межпромывочного периода работы выпарных установок первой стадии, составляющая 10 суток, вследствие интенсивной инкрустации солями греющих поверхностей корпусов выпарных установок. После межпромывочного периода выпарная установка останавливается на промывку, в результате чего тратится пар, электроэнергия, а продукция - упаренный раствор не выпускается.

Задачей изобретения является повышение производительности выпарных установок при выпаривании алюминатных растворов и снижение затрат пара.

Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение зарастания солями греющих поверхностей выпарных установок первой стадии, снижение удельного расхода пара.

Технический результат достигается благодаря тому, что в способе упаривания алюминатных растворов, включающем упаривание слабых растворов в две стадии с использованием для нагрева пара и подачей упаренного раствора на выделение карбонатной соды, на упаривание одновременно направляют по схеме противотока два равных по объему потока слабых растворов, при этом упаривание алюминатного раствора на первой стадии осуществляют в 4-5-корпусных выпарных установках до концентрации средних щелоков 240-250 г/л по Na₂O_Кауст, на второй стадии упаривание проводят в 3-4-корпусных выпарных установках до концентрации 310-320 г/л по Na₂O_Кауст и направляют на выделение соды, после чего алюминатный раствор первой стадии смешивают с алюминатным раствором второй стадии, при этом на первой и второй стадиях упаривание алюминатного раствора осуществляют под вакуумом.

Сущность предложенного способа заключается в следующем.

Исходный алюминатный раствор с концентрацией 141-146 г/л по Na₂O_Кауст поступает в баки слабого раствора, откуда центробежными насосами направляется на параллельную упарку в выпарные установки первой и второй стадии. Соотношение выпарных установок по упариваемому алюминатному раствору составляет примерно 50% - первая стадия упаривания и 50% - вторая стадия упаривания. Выбор параллельной схемы упаривания обусловлен отсутствием необходимости установки дополнительного оборудования для сепарации упаренного раствора и его охлаждения, с целью снижения температуры алюминатного раствора после первой стадии упаривания до 100-105ºC, для работоспособности последнего корпуса выпарной батареи второй стадии упаривания при последовательной схеме, вследствие отсутствия полезной разности температур, когда поступающий на упаривание алюминатный раствор имеет температуру выше, чем подаваемый в корпус выпарной батареи пар, и процесс упаривания отсутствует.

Упаривание алюминатного раствора на выпарных установках первой стадии целесообразно проводить на выпарных установках с большим количеством корпусов (четыре или пять) для достижения максимальной экономии пара, которая достигается за счет упаривания алюминатного раствора в режиме без выделения соды. При этом концентрация упаренного алюминатного раствора составляет 245-250 г/л по Na₂O_Кауст. Выдерживание концентрации упаренного алюминатного раствора ниже 245 г/л по Nа₂О_Кауст снижает долю потока, который упаривается на выпарных установках с межпромывочным периодом 20 суток. По истечении 20 суток производительность выпарной установки падает, вследствие зарастания греющих поверхностей выпарных аппаратов осадками солей, и она останавливается на промывку. При этом в ходе промывки потребляется пар и электроэнергия, а продукция - упаренный алюминатный раствор не выпускается. Выдерживание концентрации упаренного алюминатного раствора выше указанной концентрации 250 г/л по Nа₂О_Кауст может привести к периодической работе на концентрациях сверх кристаллизационного порога выделения карбонатной соды и снижению межпромывочного периода до 20 часов из-за зарастания греющих поверхностей карбонатной содой. Упаривание раствора осуществляется в многокорпусной выпарной установке, с количеством корпусов четыре или пять по схеме противотока.

Алюминатный раствор подается в последний вакуумный корпус выпарной установки, а из него последовательно насосами перекачивается через все корпуса в первый, куда поступает пар ТЭЦ. Движение пара ТЭЦ противоположно раствору. Раствор после выпарной установки направляется в бак смешения, где смешивается с упаренным раствором выпарных установок второй стадии упаривания после удаления соды. Как показывает практика эксплуатации, выпарные установки первой стадии имеют большую производительность по упаренной воде на 14-17%, при одинаковом количестве корпусов, вследствие работы в «щадящем» режиме без содовыделения. Упаривание алюминатного раствора на выпарных установках второй стадии целесообразно проводить на выпарных установках с меньшим количеством корпусов (три или четыре) для максимального использования экономии пара первой стадии упаривания. Известно, что с увеличением корпусности выпарной установки снижается расход пара. Исходный раствор с концентрацией 141-146 г/л по Na₂O_Кауст поступает в выпарные установки второй стадии упаривания с меньшим количеством корпусов (три или четыре) и подается в последний вакуумный корпус выпарной установки, а из него последовательно насосами перекачивается через все корпуса в первый, куда поступает пар ТЭЦ. Движение пара ТЭЦ противоположно раствору. Раствор после выпарной установки второй стадии направляется в бак смешения, где смешивается с упаренным раствором выпарных установок первой стадии. Упаривание алюминатного раствора осуществляется по схеме противотока до концентрации 310-320 г/л по Na₂O_Кауст, с целью создания условий кристаллизации карбоната натрия (карбонатной соды) и выводу его из технологического процесса. Существующие конструкции выпарных аппаратов не позволяют выдерживать более высокие параметры концентрационного режима, работа на концентрациях ниже чем 310 г/л по Na₂O_Кауст приведет к уменьшению доли упаривания алюминатных растворов выпарными установками первой стадии и увеличению расхода пара и снижению производительности выпарных установок. Упаренный алюминатный раствор второй стадии направляется на содотстойники для выделения карбонатной соды. Слив содоотстойников направляется в бак смешения с упаренным алюминатным раствором первой стадии. Концентрация смешанного раствора составляет 265-295 г/л по Na₂O_Кауст, и обусловлена регламентными показателями выщелачивания боксита и может колебаться в зависимости от минералогии сырья и параметров автоклавного выщелачивания.

Изобретение позволяет уменьшить расход пара на упаривание алюминатных растворов за счет изменения схемы упаривания алюминатных растворов с прямотока на противоток с целью более рационального использования тепла, увеличения корпусности выпарных установок с 3 до 4-5 на первой стадии и с 2 до 3-4 на второй стадии упаривания. Увеличение производительности выпарных установок первой стадии упаривания происходит вследствие увеличения межпромывочного периода работы выпарных батарей первой стадии и снижения количества промывок, на которые тратится пар и электроэнергия, за счет работы выпарных установок по схеме противотока и увеличения корпусности.

Пример осуществления заявленного способа поясняется схемой, представленной на фиг. 1.

Исходный алюминатный раствор с концентрацией 141-146 г/л по Na₂O_Кауст, 65-70 г/л по Al₂O₃; 20-25 г/л по Na₂O_Карб, каустический модуль 3,5-3,7 и температурой 60-62ºC, подают в баки слабого раствора 1, откуда с помощью центробежных насосов 2 и 10 направляют на одновременное упаривание. Указанные здесь и в дальнейшем, при описании примеров осуществления заявленного технического решения, интервалы значений технологических параметров работы были определены опытным путем. 50% потока алюминатного раствора направляют на упаривание в пятикорпусную выпарную установку, которая работает по схеме противотока 5-4-3-2-1, где нумерация корпусов показывает движение пара, указанная последовательность корпусов показывает движение раствора. Расход раствора составляет 300-330 м³/ч. Этот раствор подают в пятый вакуумный корпус выпарной установки 3. Частично упаренный раствор из пятого корпуса поступает в четвертый корпус выпарной установки 4. Из четвертого выпарного аппарата частично упаренный раствор поступает в третий корпус выпарной установки 5, затем последовательно частично упаренный раствор проходит второй 6 и первый 7 корпуса выпарной установки. Упаренный раствор из первого корпуса выпарной установки поступает на узел смешения 8, где смешивается с упаренным раствором со второй стадии и направляется в бак оборотного раствора 9. Движение пара противоположно движению раствора.

Одновременно 50% потока алюминатного раствора направляют на упаривание на вторую стадию в две трехкорпусные выпарные установки, которые работают по схеме противотока 3-2-1, где нумерация корпусов показывает движение пара, указанная последовательность корпусов показывает движение раствора. Расход раствора составляет 160-180 м³/ч. Его подают в третий (вакуумный) корпус выпарной установки 11. Далее раствор последовательно проходит через второй 12 и первый 13 корпус выпарной установки. Упаренный раствор из первого корпуса выпарной поступает на узел осаждения карбонатной соды в содоотстойник 14. Упаренный раствор с обеих стадий смешивают до получения раствора с концентрацией.

Выпарная установка проработала в непрерывном режиме без промывок 20 суток, тогда как в прототипе межпромывочный период работы составляет 10 суток, за счет чего происходит увеличение производительности выпарной установки, исключается необходимость упаривания промывных вод, что позволяет сократить количество пара на выпаривание и снизить энергозатраты.