濃海水錯流蒸發經濟性分析

王建達，謝智勇，王松曉，丁 健，韓 瑀

(天津渤化永利化工股份有限公司，天津 300452)

我國是一個鉀資源嚴重匱乏的國家國內生產能力十分有限，鉀肥長期依賴國際進口[1]。主要以鹽湖鹵水鉀資源的形式存在于鹽湖地區，而海水中含有大量的鉀資源，總量為550×1012t是世界陸地總資源量的幾千至幾萬倍[2]，利用濃海水進行化學資源提取無需設置取海水和加氯殺菌等預處理設備，海水中的不凝性氣體大部分已被去除，可大大節約投資和工程造價；海水經過軟化處理之后可以除去其中90%左右的鈣鎂離子[3]，為方便后續研究濃海水的蒸發結晶，將其主要成分定為NaCl和KCl，氯化鈉是化學工業之母，也是人們日常生活的必需品。因此開發利用海水化學資源成為解決陸地資源短缺的有效途徑之一，海水淡化技術起步較早，膜法、熱法海水淡化技術已經非常成熟，與鹽湖鹵水提鉀采用的浮選、灘曬等方法不同，濃海水回收氯化鉀采用多效錯流蒸發結晶的方式，保證末效排出液溫度在100 ℃左右，蒸發結晶過程提取出濃海水中的氯化鈉，末效降溫結晶得到氯化鉀，大大提高了海水資源的利用效率，對于蒸發過程順流、逆流、平流、錯流工藝都已做了相當多的研究。對比幾種蒸發形式，錯流多效蒸發的特點是既融合了并流多效蒸發與逆流多效蒸發各自的優點又克服了他們各自的缺點[3]，但是錯流蒸發形式具有多樣性需要對其進行分析研究，早在上個世紀劉進榮就建立了帶有固相析出的多效錯流的蒸發模型[4]，但是并沒有進行深入的系統性分析研究。詹光、郭占成等人對有固相析出的多效順流蒸發過程進行了研究，考慮了冷凝水閃蒸、額外蒸汽引出預熱物料對系統生蒸汽用量的影響[5]，但對于成本并沒有將設備固定投資費用考慮進去，而阮奇等人在此基礎上加上了蒸汽式噴射熱泵，研究了噴射系數對生蒸汽以及總蒸發面積的影響[6]。本文著重研究了錯流形式對系統投資的影響，以及不同工藝流程的經濟性，提高了我們對多效錯流蒸發過程的了解、設計與操作水平，對大幅降低其能耗，具有一定的研究價值。

1 工藝流程及數學模型

1.1 錯流工藝分析

錯流蒸發不同于順流蒸發和逆流蒸發，具有較多的工藝形式，對于KCl-NaCl-H2O溶液的錯流蒸發，相關文獻中沒有指出那種錯流形式最合適，在保證末效排出液溫度在100 ℃時(滿足鉀鹽結晶工藝要求)，對于四效錯流蒸發確定其在第二效出料，在考慮設備投資、蒸汽費用、預熱費用(物料從25 ℃預熱到60 ℃，費用折合成電費0.6元/kW·h)、以及設備維修費用的前提下得到以下分析結果。

錯流工藝參數如表1所示。

表1 多效錯流蒸發系統參數表

四效錯流蒸發結果如表2所示。

在表2中可以發現在生產條件相同的情況下第六種方案的經濟效益最好，其工藝流程圖如圖1。

表2 錯流結果四效計算

圖1 有固相析出的多效錯流蒸發系統流程示意圖

1.2 系統物料衡算

假定系統溶質不揮發，對系統中任意一效的不結晶溶質z和結晶溶質j進行物料衡算，其表達式如下所示：

(1)

1.3 多效錯流蒸發系統的熱量衡算

各效加熱蒸汽冷凝液在飽和溫度下排出，析出固相在溶液沸點狀態下分離，假設理想狀態，排出鹽的含水量為0，按無冷凝水閃蒸和額外蒸汽引出進行熱量恒算，則有:

(2)

1.4 冷凝水閃蒸器的熱量衡算

在考慮冷凝水閃蒸和額外蒸汽引出的情況下，若冷凝液在相應飽和溫度下排出，對圖中所示流程的加熱蒸汽流率Di進行物料衡算[7]：

(3)

對冷凝水進行能量衡算有：

(4)

式中：ωi=(Ti-2-Ti-1)/(Hi-1-C*Ti-1)為第i-1效冷凝水閃蒸器的閃蒸系數，各效傳熱面積、溫差、氣液相平衡等熱力學參數可按文獻[5]中的計算方法獲得。

1.5 熱泵噴射系數的計算

噴射式熱泵的工作原理是將高溫高壓的生蒸汽從蒸汽噴射熱泵的噴嘴高速噴出，造成噴嘴處的壓力大大低于蒸發器的蒸發壓力，兩者形成一定壓差，在此壓差的作用下，蒸發產生的部分低壓二次蒸汽被吸入噴射泵的混合室中與高壓生蒸汽混合，混合蒸汽在噴射泵的擴散室中降速升壓升溫，然后進入第一效蒸發器作為加熱蒸汽，噴射系數不僅是蒸汽噴射熱泵的重要技術指標和設計依據，也是影響熱泵多效蒸發過程的重要參數，噴射系數的計算公式如下所示[8]:

uq=φ1φ2φ3ζ[1+(Hs-H0)/(H0-Hq)]1/2-1

(5)

式中Hs、H0、Hq分別為生蒸汽、混合蒸汽、和第q效蒸發器二次蒸汽的焓值，J·kg-1;φ1、φ2、φ3分別為工作噴嘴、混合室和擴散室的速度系數，可分別取值為0.95、0.975、和0.9；ζ為修正系數，計算時其值可取1.1，上述模型中許多參數涉及到飽和水蒸汽的焓Hi和汽化潛熱ri,為了計算方便，采用文獻[5]中的回歸式計算Hi和ri。

1.6 經濟性模型分析成本

預熱器的年折舊維修費用：

式中，x為冷凝器面積，m2；Fc為冷凝器年折舊維修率，取0.05；本文冷卻器類型為管殼式冷凝器，其各參數值如下所示：a=276，b=0.8f1=1，f2=9.5。

多效蒸發器的成本投資費用：

J2=a1+a2×Aa3

(6)

式中J2表示蒸發器成本費用，a1、a2、a3是與材料有關的系數，本文加熱器所選用的材料為不銹鋼與之對應的三參量的取值分別為8 500、409、0.85。

多效蒸發系統蒸發器年折舊及維修用J3可以表示為：

(7)

式中:Fc為蒸發器年折舊及維修率,取Fc=0. 05元/a;i表示任一效;n表示總效數;B為市場鋼材價格, 蒸發器用不銹鋼制作取B=40 000元/t;Ai為第i效傳熱面積, m2;hi為增資系數,當Ai≤100 m2時取hi=1,當100 m2

閃蒸器的維修費用可按下式計算[10]：

(8)

冷凝器折舊費用為：

J5=1.3×Fc×a×χb×f1×f2

式中x為蒸發器面積，m2；Fc為冷凝器年折舊維修率，取0.05；本文選用冷凝器類型為管殼式冷凝器，其各參數如下所示：a=487,b=0.72,f1=,f2=6.5。

2 算例與分析

設計四效錯流多效蒸發系統，前、后兩效分別為順流和逆流進料。將流量Fn=20 000 kg/h,進料液組成NaCl含量為21%，KCl含量為5%蒸發結晶后KCl含量變為21.0%，進料溫度為60 ℃。第一效生蒸汽壓強為230 kPa，溫度為125 ℃，末效冷凝器中二次蒸汽壓強20 kPa，溫度為60 ℃。各效傳熱系數K1～K4分別為1 110W/(m2·℃)、1 180 W/(m2·℃)、1 250 W/(m2·℃)、900 W/(m2·℃)，選用各效蒸發器傳熱面積相等的原則進行計算。

分析傳熱溫差及排出液濃度對系統費用的影響結果如圖2及圖3所示。

圖2 加熱蒸汽以及末效壓強分析圖

圖3 排出液濃度分析圖

由圖2可以看出末效壓強分別為10 kPa、20 kPa、30 kPa、時，隨著生蒸汽壓強的增加投資費用呈現逐漸增加的趨勢，而當末效壓強為40 kPa、50 kPa時隨著生蒸汽壓強的增加投資費用呈現先降低后增加的趨勢，造成這一現象的原因是由于當傳熱總溫差太小時，蒸發面積會大量增加，造成設備投資成本較高，隨著生蒸汽溫度的升高蒸發面積降低，這種影響減少，當加熱蒸汽壓強一定時隨著末效壓強的增加，費用逐漸升高，而當末效壓強一定時隨著生蒸汽壓強的提高費用差距越來越小，由圖可以看出當加熱蒸汽壓強為588 kPa時，改變末效壓強對成本影響較小。

由圖3可以看出隨著末效排出液中氯化鉀含量的增加投資費用、氯化鈉析出量、氯化鉀析出量逐漸增加，且投資費用以及氯化鈉增加趨勢相對于氯化鉀增加緩慢，而氯化鉀價格較高由圖可以看出若要達到最大的收益，排出液中氯化鉀含量要盡量高。

分析不同錯流蒸發工藝對投資費用的影響，按以下四種情況進行分析結果如表3所示。

表3 多效錯流蒸發不同工藝結果表

①沒有冷凝水和噴射熱泵的多效錯流蒸發。

②只有冷凝水閃蒸的多效錯流蒸發。

③只有噴射熱泵的多效錯流蒸發。

④有冷凝水閃蒸和噴射熱泵的多效錯流蒸發。

由表3可以得到采用冷凝水閃蒸的設計②與無節能措施的設計①相比，投資費用可以減少7.96%，而加入熱泵之后的設計③投資費用可以減少21.67%，當即有熱泵又有閃蒸時投資費用可以減少27.28%，經濟效益顯著，針對帶有熱泵的錯流蒸發工藝分析噴射系數對生蒸汽消耗量、蒸發面積、投資費用的影響，結果如圖4～6所示。

圖4 生蒸汽消耗量隨噴射系數變化圖

由圖4可以看出隨著噴射系數的增加生蒸汽的用量逐漸減少，當噴射系數相同時抽氣位置越往后效生蒸汽用量越少。由圖5可以看出隨著噴射系數的增加蒸發室面積逐漸增加，當噴射系數相同時抽氣位置越往后效蒸發面積越大，根據圖6可以看出隨著噴射系數的增加，投資費用呈現先減少后增加的趨勢，這是因為抽氣系數越大，蒸發面積增加的趨勢越大，導致設備投資成本大大增加，而當噴射系數在0.3之前，加熱蒸汽的成本要高于設備投資以及維修費用，且抽氣位置越往后效投資成本越低，當噴射系數大于0.3之后，由于蒸發室面積增大的影響，導致抽氣位置越往后效投資成本越高。由上述分析可得，噴射熱泵存在最佳的的抽氣位置以及噴射系數，且噴射系數不宜過大和抽氣為位置不宜太后，因為太大會導致增發室面積過大，使投資費用增加，且有效傳熱溫差過小而不滿足生產要求，由表3可以看出最佳的抽氣位置為第二效，且噴射系數為0.2。

圖5 總面積隨噴射系數變化圖

圖6 投資費用隨噴射系數變化圖

3 結 論

1)用MATLAB對四校錯流蒸發工藝進行模擬分析，結果表明四校錯流蒸發工藝采用四效、三效、一效、二效的蒸發形式最佳，且多種節能措施相結合，可以大大節省對系統的投資成本。

2)對于四效錯流蒸發工藝在滿足傳熱溫差條件下，生蒸汽壓強低有利于節省成本，且在考慮制備鉀鹽的蒸發過程時，最佳排出液濃度要盡量接近飽和濃度。

3)熱泵具有較好的節能效果，對于四效錯流蒸發過程抽氣位置在第二效，且噴射系數為0.2時的經濟性最好，閃蒸與熱泵相結合可以節省投資27.28%。

符號說明

Ai第i效蒸發器的傳熱面積,m2;

Ci第i效完成液的比熱容,kJ/kg;

C多效蒸發系統總的有效傳熱溫差,℃;

D0生蒸汽流率,kg/s;

F0順流第一效的進料流率,kg/s;

F,Fi初始進料量,第i效完成液量,kg/s;

Gi第i效冷凝水閃蒸器的閃蒸量,kg/s;

Hi＇ 第i效二次蒸汽的焓值,kJ/kg;

Hi-1第i效加熱蒸汽的焓值,kJ/kg;

hi第i效排出液的焓值, kJ/kg;

hij第i效析出組份j的焓值,kJ/kg;

h＇ii第i效冷凝水的焓值,kj/kg;

J1生蒸汽費用,元/年;

J2蒸發器年折舊維修費用,元/年;

J3閃蒸器的維修費用,元/年;

J4閃蒸器的設備維修費用，元/年;

Ki第i效蒸發器的總傳熱系數,w/(m2·℃);

Nkj第k效j組分固相析出物質量,kg/kg;

P0生蒸汽壓強, kPa;

Pk末效壓強， kPa；

ri第i效加熱蒸汽的氣化潛熱kJ/kg;

Ti第i效二次蒸汽的溫度,℃;

T0加熱蒸汽的飽和溫度,℃;

Tk最末效二次蒸汽的飽和溫度,℃;

ti第i效完成液的溫度,℃;

Wk第k效蒸發水量,kg/s;

Xj0,Xji初始進料液、第i效完成液j組分濃度(質量分率)。