真空蒸发物料及热量平衡计算

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在井矿盐工业中，为适应原料对工艺过程的要求，取得较高的热效率，蒸发－流程变化较多，如：进料有并流、逆流、顺流及错流等多种形式；排盐有分效排盐、顺流转排集中于末效排出等；冷凝水逐效闪发回收热量；抽额外蒸汽预热卤水；分效预热卤水近沸点进罐；以及用冷凝水预热卤水，用末效泛汽预热卤水、用浓缩器回收低品位热浓缩卤水；以及老卤(母液)的排放等等。这些变化，导致真空蒸发的物料及热量衡算变得烦琐和复杂。

物料及热量衡算在一般化学工程书籍都有介绍。为不重复，在此仅推荐一种比较简捷的计算方法——1kg加热蒸汽计算法。

(一)基础数据的计算和选择

1．年生产时间x(h／年)的确定

2．卤水成分(进蒸发系统卤水)

按分析报告提供数据，列出各化合物含量(kg／m³)

3．列出产品质量要求

4．确定生产工艺流程

5．每小时产盐量G

G=G₀／x kg／h (8－3－13)

因是多效蒸发制盐，所以：

G=G₁+G₂+…+G_n kg／h (8－3－14)

式中 G₀——生产规模(kg／年)

x——年生产时间(h／年)

G_1～n——各效产盐量(kg／h)

6．小时蒸发水量W

式中 m——总蒸发水量修正系数

B_w——卤水含水量(kg／m³)

B_g——卤水中NaC1含量(kg／m³)

B^′_g——成品盐NaCl含量(%)

B₁——系统渗入淡水量(%)

(B₁取值范围为2～5%)

B₂——湿盐含水量(3～4%)(%)

B_s－NaCl收率(%)

(岩盐卤水取94～95%；黄、黑卤水取90%左右)

W_1～n——各效蒸发水量(kg／h)

7．各效产盐量G_n

G_n=aW_n (8－3－16)

a=G_n／W_n (8－3－17)

式中 G_n——第n效产盐量(kg)

a——结晶系数

W_n——第n效蒸发水量(kg)

8．各效排出盐浆量J_n

J_n=b_nW_n kg (8－3－18)

式中 b_n——第n效排料系数

θ_n——第n效排出盐浆的固液比(kg盐／kg母液)

J_n——第n效排出盐浆量(kg)

9．进料量S

S=ΣS_n=Σ(b_n+1)W_n kg (8－3－20)

S_n=(b_n+1)W_n kg (8－3－21)

式中 S_n——第n效进料量(kg)

10．热工参数确定

(1)原料卤水比热C〔kJ／(kg·℃)〕

〔C一般取3．34kJ／(kg·℃)〕

(2)盐浆比热C₁

式中 C_o——母液比热〔kJ／(kg·℃)〕

〔C_o=2．926～3．347kJ／(kg·℃)〕

C_g——固体NaC1比热〔0．866kJ／(kg·℃)〕

(3)传热系数K_n〔kJ／(h·m²·℃)〕

K_n根据生产查定数据修正选用

(4)各效料液沸点升(℃)

①通过实验取得；

②根据经验修正选用。

(5)各效热利用率(%)

根据生产查定数据修正选用。

(6)总温度损失t_s(℃)

根据生产查定数据修正选用。(t_s为各效温度损失t_sn之和；t_sn又为n效各种温度损失之和)。

11．蒸发系统总传热温差⊿T

⊿T=T－t’末 ℃ (8－3－23)

式中 T——首效加热蒸汽温度(℃)

t′末——末效二次蒸汽温度(℃)

12．总有效传热温差⊿t

⊿t=⊿T－t_s ℃ (8－3－24)

(二)物料、热量衡算

制盐工业上的物料衡算和热量衡算是结合在一起的，最后统一在各效传热面积相等的基础上。在计算上多用试差法以确定各效有效传热温度差△t_R，根据热传递基本公式：

Q=K·⊿t·F kJ／h (8－3－25)

式中 Q——单位时间传递的热量(kJ／h)

K——传热系数〔kJ／(h·m²·℃)〕

⊿t——传热温差(℃)

F——传热面积(m²)

在原来的计算上，一般是以单位时间(h)内的量变为基础进行衡算，多以调整首效的M(蒸汽用量)以及⊿t进行多次核算，直到各效加热面积相差不超过5%方可。该种计算方法数据庞大，试差繁琐。

1公斤加热蒸汽计算法的简捷之处是将众多繁杂的数据简化单一，同时排除了对首效加热蒸汽量的确定麻烦。

1．传热温度差试算(初定)

按照各效传热面积(F)相等的原则进行试算：

即有：⊿t₁=⊿t／(1+A+B+…+C) ℃ (8－3－29)

⊿t₂=⊿t₁A ℃ (8－3－30)

⊿t₃=⊿t₁B ℃ (8－3－31)

⊿t_i=⊿t₁C ℃ (8－3－32)

式中 ⊿t_i——各效有效传热温差(℃)

K_i——各效传热系数

Q_i——各效传递热量(kJ)

i——各效效别

2．作用各效平衡计算参数表

表8－3－10 各效平衡计算参数表(以四效为例)

3．分效列出平衡计算方程式：

Ⅰ效：

计算式： Q₁=i₁x₁ kJ (8－3－33)

Q₂=83．7aW₁ kJ (8－3－34)

Q₃=(b₁+1)W₁t_o1C kJ (8－3－35)

Q′₁=Ⅰ₁W₁ kJ (8－3－36)

Q′₂=b₁W₁C₁t₁ kJ (8－3－37)

∵Q_进=Q_出，代入计算式后整理得：

式中：83．7——NaC1结晶热(kJ／kg)

W′₁——1kg蒸汽蒸发水量(kg)

F′₁——1kg蒸汽所需加热面积(m²)

C——进料卤水比热〔kJ／(kg·℃)〕

Ⅱ效：

计算式：

∵ Q_进=Q_出代入计算式整理得：

式中 h′₁、h′₂——分别为Ⅰ、Ⅱ效冷凝水热焓(kJ)

x′_i——冷凝水闪发利用率(%)(取90%)Ⅲ效：

计算式： Q₁=W₂i₃x₃ kJ (8－3－49)

Q₂=83．7aW₃ kJ (8－3－50)

Q₄=(b₁W₁c₁+b₂W₂c₁)(t₂－t₃) kJ (8－3－52)

Q₅=(b₃+1)ct_o3W₃ kJ (8－3－53)

Q′₁=Ⅰ₃W₃ kJ (8－3－54)

Q₂=b₃W₃c₁t₃ kJ (8－3－55)

∵ Q_进=Q_出 代入计算式整理后得：

Ⅳ效：

计算式： Q₁=W₃i₃x₃ kJ (8－3－58)

Q₂=83．7aW₄ kJ (8－3－59)

∵ Q_进=Q_出 代入计算式整理后得：

如有五效或更多效数，其计算方法以此类推，计算时根据流程对进出热量的项目进行增或减。

4．计算结果整理

(1)首效加热蒸汽耗量M(kg／h)

(2)各效蒸发率q_n(%)

(3)每小时各效蒸发水量W．

(4)各效加热面积F(m²)

(5)各效转排量J．(kg／h)

(6)各效产盐量G．(kg／h)

(7)各效进卤量S_i(kg／h)

S₄=S′₄M kg／h (8－3－91)

(三)计算实例

1．已知条件

(1)生产规模：10万吨／年(100000000kg／年)

(2)原料卤水成分：

NaCl 270kg／m³ CaSO₄ 3．68kg／m³

MgC1₂ 0．314kg／m³ 相对密度：Cl=1．181

(3)产品质量要求：食用盐 GB5461－85优级精制盐

NaCl≥99．3% 水分≤0．3% 水不溶物≤0．05

Ba≤15mg／kg 氟≤5mg／kg 砷≤0．5mg／kg 铅≤1mg／kg

全部通过0．84mm筛，0．15mm筛余物≥80%。

(4)首效加热蒸汽品质：

饱和水蒸汽(电站背压汽)

P=3．922×10⁵Pa t=143℃

(5)末效控制参数：

P=0．098×10⁵Pa t=45．5℃

(6)确定工艺流程：

根据原料特性、产品质量及当地具体状况，经比选后确定下述工艺流程(图8－3－6)。

图8－3－6 蒸发系统流程图

1－贮卤桶 2－供卤泵 3－汽汽预热器 4－卤水浓缩器 5－齿泵 6－Ⅰ效罐 7－Ⅰ效罐 8－Ⅰ效罐 9－Ⅳ效罐 10－汽汽塔 11、26、31－冷凝水泵 24、25、27、28、29、30－冷凝水平衡闪发桶 12、14、16、19、23－盐浆泵 20－增稠器 13、15、17－旋流器 21－分离机 18－洗盐器 22－母液桶 33－混合冷凝器 34－蒸喷泵 35－真空泵

2．基础数据计算和选择

(1)每小时产盐量：

G=100000000kg／7200h=13888．9kg／h

(2)每小时蒸发水量：

根据工艺流程确定：

成品盐氯化钠含量：99．3%=

NaC1收率： 95%=B_s

湿盐含水量： 3．5%=B₂

系统渗入淡水量： 4%=B₁

即：

已知：卤水中水含量：B=907kg／m³

卤水中NaC1含量：B_g=270kg／m³

根据流程：确定浓缩器闪蒸发总蒸发水量的2．5%。则四个效实际应蒸发水量为：

W=(1－0．025)W₀=0．975×48989

=47764 kg／h

(3)结晶系数：

a=13888．9／47764=0．291

(4)排料系数：

根据生产方法及工艺流程确定排料固液比为1．4kg盐／kg母液，四效相同：

(5)确定热工计算基础数据：

原料卤水比热：c=3．35kJ／(kg·℃)

排料盐浆比热：c₁=1．90kJ／(kg·℃)

NaC1结晶放热：83．7kJ／kg

(6)各效料液沸点升：

Ⅰ效 12．5℃ Ⅱ效 11．5℃

Ⅲ效 10．5℃ Ⅳ效 9．5℃

(7)各效温度损失(总)

Ⅰ效 1．5℃ Ⅱ效 3．3℃

Ⅲ效 2．5℃ Ⅳ效 2．2℃

(8)传热温度差：

①传热总温差⊿T

⊿T=T－t₄=143－45．5=97．5℃

②有效传热温度差⊿t

⊿t=97．5－44－9．5=44℃

(9)有效温差分配：

根据经验设： Q₂／Q₁=0．87

Q₃／Q₁=0．78

Q₄／Q₁=0．80

∴ ⊿t₁=44／(1+0．98+1．00+1．2)=10．5℃

⊿t₂=10．53×0．98=10．3℃

⊿t₃=10．53×1．00=10．5=10．6℃

⊿t₄=10．53×1．20=12．6℃

(10)平衡计算参数表

表8－3－11 平衡计算参数表

注：各效加热管均选为A₃钢管u

3．各效物料、热量平衡计算

工艺流程为：卤水经浓缩、预热至47℃平顺进入各效；盐浆顺流转排至Ⅳ效，并由Ⅳ效排出系统；排料固液比四效相同。Ⅰ效冷凝水闪发供Ⅱ效加热室用后汇同经先洗汽净化后的Ⅱ效加热室冷凝水送锅炉房；Ⅲ效冷凝水闪发供Ⅳ效加热室用后汇同Ⅳ效冷凝水送去预热卤水。因此，根据工艺流程，并将平衡计算参数表的数据代入各效热量、物料平衡计算式即得

(1)Ⅰ效：

①1kg蒸汽蒸发水量：

②1gk加热蒸汽需传热面积：

③1kg加热蒸汽产盐量

G′₁=0．291×0．8062=0．2346(kg)

④1kg加热蒸汽排料量

J′₁=0．5×0．8062=0．4031(kg)

⑤1kg加热蒸汽进效进料量

S′₁=(1+0．5)×0．8062=1．2093(kg)

(2)Ⅱ效：

①蒸发水量：

W′₂=〔2210×0．8062×0．98+(602－488)2210×0．8／2702+0．5×0．8062×

1．9(131－105)〕／(2664+0．5×1．9×105－24－236)

=0．7351(kg)

②加热面积

③产盐量

G′₂=0．291×0．7351=0．2139(kg)

④排料量

J′₂=(0．8062+0．7351)×0．5=0．7707(kg)

⑤进料量

S′₂=(1+0．5)×0．7351=1．1027(kg)

(3)Ⅲ效(计算方法同Ⅰ、Ⅱ效)

①蒸发水量：=0．6929(kg)

②传热面积：=0．0269(m²)

③产盐量：=0．2016(kg)

④排料量：=1．1171(kg)

⑤进卤量：=1．0394(kg)

(4)Ⅳ效(计算方法同Ⅰ、Ⅱ效)

①蒸发水量：=0．7408(kg)

②传热面积：=0．0272(m²)

③产盐量：=0．2156(kg)

④排料量：=1．4875(kg)

⑤进卤量：=1．1112(kg)

(5)1kg加热蒸汽计算结果

①四效共蒸发水量：

W_总=(0．8062+0．7351+0．6929+0．7408)／0．975

=3．051(kg)

②四效共产盐

G_总′==0．8657(kg)

③四效共耗卤水

S_总′=Σ=4．4626(kg)

(注：浓缩器蒸发总蒸发水量的2．5%)

4．计算整理：

(1)每小时耗蒸汽量M

(2)各效传热面积

∵ 1kg加热蒸汽需要传热面积

∴F₁=16057×0．0270=433．54(m²)

F₂=16057×0．0269=431．93(m²)

F₃=16057×0．0269=431．93(m²)

F₄=16057×0．0272=436．75(m²)

考虑5%以内的富裕，因此各效加热面积可通取为450m²。

(3)各效蒸发水量(kg／h)

∵ 1kg蒸汽可蒸发水分

∴ W₁=16057×0．8062=12945(kg)

W₂=16057×0．7351=11804(kg)

W₃=16057×0．6929=11126(kg)

W₄=16057×0．7408=11895(kg)

(4)各效产盐量(kg／h)

∵ 1kg蒸汽可产盐(kg)

∴ G₁=16057×0．2346=3767．0(kg)

G₂=16057×0．2139=3434．6(kg)

G₃=16057×0．2016=3237．1(kg)

G₄=16057×0．2156=3461．9(kg)

(5)各效进卤水量(kg／h)

∵ 1kg加热蒸汽需进卤水(kg)

∴ S₁=16057×1．2093=19418(kg)

S₂=16057×1．1027=17707(kg)

S₃=16057×1．0394=16690(kg)

S₄=16057×1．1112=17843(kg)

(6)各效转排盐浆量(kg／h)

∵ 1kg加热蒸汽时需转排盐浆(kg)

∴ J₁=16057×0．4031=6473(kg／h)

J₂=16057×0．7707=12375(kg)

J₃=16057×1．1171=17937(kg)

J₄=16057×1．4875=23885(kg)

根据物料、热量平衡计算结果，即可进行设备、管道工艺设计。

(本章编着者 李迅传 夏高福)