CN104135904A - 用于在水力旋流器上游分离大的堵塞颗粒的沉降室 - Google Patents

Abstract

蒸发技术通常用于处理包含低溶解度盐的工艺水。通常使用的技术为卤水浓缩器，其在降膜式蒸发器内部使用加晶种浆料技术，其允许这些结垢盐与种晶共沉淀，而非在传热表面上结垢。这样的系统通常采用水力旋流器以回收和循环种晶，所述晶种否则会随着卤水放空物流离开工艺。

Description

用于在水力旋流器上游分离大的堵塞颗粒的沉降室

相关申请交叉引用

本申请要求于2012年1月19日提交的美国临时专利申请号61/588,266的优先权，并且所述美国临时专利申请号61/588,266以引用方式并入本文。

本发明背景技术

垂直管降膜式蒸发器(“VTFF蒸发器”)用于多种应用，以蒸发具有高浓度结垢组分的卤水。例如，其可以用于与化石燃料提取相关的应用。其也可以用于水纯化，以进一步用于工业应用。

VTFF蒸发器通常维持种晶床以最小化传热表面结垢。这些种晶床通常包括硫酸钙晶体，其可以充当种晶，尽管也可以有其它种晶或成核位点。这样的蒸发器通常称为卤水浓缩器。操作具有晶种床的卤水浓缩器，所述晶种床形成基底，用于使结垢组分优先于传热表面而在所述基底上沉淀。将结垢组分沉淀在基底上而非传热表面上延长了清洗之间的时间、简化了清洗流程并且改进了蒸发工艺的能量效率。

遗憾的是，常规卤水浓缩器蒸发并非不复杂。在操作过程中，卤水浓缩器将要持续放空(blowdown)部分浓缩卤水以维持稳态操作。该卤水放空物流将要从工艺中随同卤水除去部分种晶。为了在稳态操作过程中维持希望的种晶浓度，操作者通常需要补偿该种晶损失。这通常以一种或多种方式实现。例如，操作者可以添加化学品以使额外的种晶原位沉淀和生长。操作者也可以在工艺外部制备种晶并且作为固体或粘稠浆料添加。最后，操作者可以使用水力旋流器(或其它固体/液体分离装置)以回收部分悬浮种晶并且将其循环至工艺。

在卤水浓缩工艺中，已经发现大的固体颗粒可能堆积并且导致水力旋流器(或其它分离装置)中的堵塞。这是以下的来源：拆解和疏通所要求的增加的维护、蒸发工艺中效率的损失和蒸发系统过早结垢增加的可能性。

发明概要

本发明实施方案减少或消除了固体分离装置的使用中固有的堵塞的重要原因。这特别有助于卤水浓缩器或要求正确操作固体分离装置的其它技术。该技术简单，不要求移动部件，并且除去可以除去已知堵塞固体分离装置的较大颗粒。

大颗粒可以通过以下操作从进料至水力旋流器的进料物流中除去：减少向上流动物流的速度以允许较大颗粒沉降回至系统并且循环，而并不使用可能堵塞或比蒸发器更频繁地要求清洗的设备。由重力分离允许重质固体沉降回至主要卤水物流并且不要求用于将大颗粒从进料至水力旋流器的进料物流中分离的泵。

本发明的一些实施方案包括降膜式蒸发器内部的挡板。其它实施方案包括内部或外部罐。另外其它的实施方案还包括外部管路上的罐；例如，在一个实施方案中至水力旋流器的管路包括沉降罐。

附图说明

图1显示了固体沉降区域，其为蒸发器内部的大管件。

图2显示了固体沉降区域，其为蒸发器内部的挡板。

图3显示了固体沉降区域，其为罐，所述罐为连接至蒸发器的再循环管路的部分。

图4显示了固体沉降区域，其为蒸发器外部的大罐。

图5为显示了具有固体沉降区域的相关流的流程图，所述固体沉降区域为蒸发器内部的大管件。

图6显示了与蒸发器相关联的固体沉降区域的流程图。

具体实施方式

可用于VTFF蒸发器(具体地，卤水浓缩器)的水力旋流器和其它固体分离装置通常包括低间隙(clearance)的区域。这些区域易堵塞。本发明实施方案阻止较大颗粒流动至水力旋流器(或其它固体分离装置)，由此减少或消除堵塞的可能。减少堵塞或可能的堵塞，进而，改进了卤水浓缩器的效率，减少维护要求并且提高工艺可用性。

本发明实施方案包括在水力旋流器上游的固体沉降区域。该沉降区域可以具有大管件或罐的形式，例如，图1、3和4中所示。在另一个实施方案中，沉降区域为集成挡板，其形成静止区域，其中较大颗粒可以沉降。该实施方案的实例显示于图2中。

固体沉降区域既可以位于蒸发器内部，如图1和2中所示。其也可以位于蒸发器外部，如图4中所示，或作为部分再循环管路，如图3中所示。该灵活性允许沉降室安装在任何可以从蒸发器中除去水力旋流器卤水进料的卤水浆料区域中。

本发明的一个实施方案显示于图5中。图5描述了相关联于图1的流，其中沉降室位于VTFF蒸发器之内。图5显示了充满固体的卤水作为物流1进入“沉降室”。在该静止区带中重质固体，物流2，沉降至该室的底部。物流3离开不含大颗粒并且仅包含不会堵塞水力旋流器的较小颗粒的沉降室的顶部。

沉降室降低流动至水力旋流器固体分离装置的卤水的速度。这促进较大颗粒沉降，其通常通过重力分离。这消除了流动至水力旋流器分离装置的大悬浮颗粒的存在并且产生澄清卤水，所述澄清卤水仅包含将从沉降室顶部流动至水力旋流器或其它固体分离装置的小种晶。通过将卤水向上速度限制至小于0.1ft/sec，可以预期尺寸大于200微米的颗粒沉降。

设备的尺寸、横截面积和长度两者，是通过应用斯托克斯定律的变体而确定的。斯托克斯定律适用于具有小于1的雷诺数的流体流动。中间定律(Intermediate Law)适用于2和500的雷诺数。已知可允许的最大粒度、颗粒形状、固体和液体密度和拖曳系数，对于给定向上流速，允许预计颗粒的自由沉降速度。因为在中间范围中操作，拖曳系数可以近似。由拖曳系数，可以确定可允许的液体向上流速并且使沉降罐的尺寸适当，以允许悬浮颗粒的有效重力分离。

使用的等式为：

$C_D=\frac{18.5}{{N_{\mathrm{Rep}}}^{0.6}}$

$F_d=\frac{2.31\mathrm{\π}{\left(u_t{D}_p\right)}^{1.4}{\mathrm{\μ}}^{0.6}{\mathrm{\ρ}}^{0.4}}{g_c}$

$u_t=\sqrt{\frac{2g_c({\mathrm{\ρ}}_p-\mathrm{\ρ})m}{A_p{\mathrm{\ρ}}_p{C}_{\mathrm{D\ρ}}}}$

$U_o=\frac{\left({2g}_c{F}_D\right)}{C_D{\mathrm{\ρA}}_p}$

$D=\sqrt{\frac{4V}{u_o\mathrm{\π}}}$

A_p         颗粒投影面积，ft²

C_D         拖曳系数，无量纲

D          设备直径，ft

D_P         颗粒投影直径，ft

F_D         总曳力，lb_f

g_c         重力常数，32.2ft/sec/sec

m          颗粒质量，lb

N_ReP       颗粒雷诺数，D_P u_Tρ_P/μ

u_t         颗粒终端速度，ft/sec

u_o         液体向上流速，ft/sec

V          液体体积流率，ft³/sec

μ         液体绝对粘度，lb/ft-sec

ρ         液体密度，lb/ft³

ρ_P        颗粒密度，lb/ft³

关于斯托克斯定律计算的进一步的信息可以见于，例如，McCable&Smith，Unit Operations of Chemical Engineering，Second Edition，McGraw-Hill，1967，pp 162-171。该文件以引用方式并入本文。

本发明的一些实施方案包括挡板，用于减少卤水的向上流速。挡板产生卤水的向上流速减少的区域，允许颗粒沉降在静止区带中。颗粒除去的有效性取决于卤水的向上速度。挡板形、方形、矩形、椭圆形或其它形状对设计来说是不重要的，只要降低速度并且产生静止区带。

实施例

图6显示了可以安装在蒸发器之内的设备的流程图。进料作为物流1进入蒸发器。蒸发器包括蒸发容器内部的圆柱形容器11。就是该圆柱形容器产生静止区带，用于减小流速。进料在蒸发器中与存在的卤水混合并且作为物流2流动至再循环泵。将水力旋流器底流、水力旋流器溢流与循环卤水物流3的混合物泵送至蒸发器，其中其分布在传热表面上。部分卤水为经蒸发物流4并且离开蒸发器。将另一部分浓缩卤水(物流5)泵送至水力旋流器，以分离成重质固体相(底流物流8)和轻质固体相(溢流物流6)。如本发明所要求，部分溢流作为物流7从系统中排出，循环剩余部分与物流8混合，以形成物流9并且回至蒸发器。物流10从蒸发器中排出以维持要求的悬浮固体水平并且阻止大固体在系统中积累。

所描述的蒸发器用于浓缩低溶解度结垢盐。在这样做时，重要的是维持循环晶种床以提供用于沉积结垢组分的位点(而非传热表面)。做不到此则导致传热表面过早结垢和增加的因清洗的设备停工期。因为许多类型的卤水并不包含正确浓度的引晶(seeding)组分，需要将这些组分自系统的排出量限制至其自然水平，同时在系统中维持这些组分的较高浓度。为此目的，正确操作水力旋流器是基本的。水力旋流器的底流中的通道是小的，以实现从物流5中正确分离固体。在这些通道由于大颗粒而堵塞时，正确操作蒸发器所要求的固体通过溢流(物流6)从蒸发器排出。这减少了沉积结垢组分可得的位点，缩短了清洗蒸发器之间的时间，增加了蒸发器和水力旋流器的维护并且增加了操作成本。

设备有效性的展示

通过在完全尺寸操作蒸发器中安装设备来展示本发明的益处：没有堵塞的水力旋流器扩展操作。在该实施例中，蒸发器为以加晶种模式操作的卤水浓缩器。这些晶种主要由硫酸钙和氟化钙组成，这是对于该操作来说的标准。晶种浓度为5-10％v。系统安装了四个(4)KrebsPC-2水力旋流器。操作过程中，全部四个水力旋流器均在操作。来自蒸发器的卤水向上流动通过设备。使设备的尺寸使得液体向上流速小于0.1FPS。用于除去的目标粒度大于175微米。设备安装在卤水浓缩器之内。设备出口导引至水力旋流器泵，其将卤水泵送通过水力旋流器。水力旋流器的底流导引回至给再循环泵进料的管线。使水力旋流器的溢流分流，并且部分溢流从系统中排出，以维持蒸发器中的浓度，并且将剩余部分导引回至蒸发器。图6描述了该设备和其它相关联设备的排布。安装该设备之前，在蒸发器操作过程中，水力旋流器在堵塞之前不能够操作大于两(2)天。安装设备并且观察七(7)天的一段时间。对每次转换(shift)监测水力旋流器的操作以确定其是否已经堵塞。监测时期过程中，没有观察到堵塞。

Claims (12)

1.用于从蒸发器物流中除去大固体颗粒的设备，所述蒸发器物流进料至所述蒸发器下游的水力旋流器，所述设备包括：

包括卤水-浓缩晶种床的循环浆料，和

所述卤水-浓缩晶种床下游的沉降区域，其中所述沉降区域降低在蒸发器和所述蒸发器下游的水力旋流器之间的流体流速，由此通过重力分离除去从所述卤水-浓缩晶种床流动至所述水力旋流器的至少部分固体颗粒。

2.根据权利要求1的设备，其中所述沉降区域阻止所述颗粒进料至水力旋流器。

3.根据权利要求2的方法，其中所述水力旋流器具有底流，并且其中将水力旋流器的所述底流导引回至再循环水，以使循环浆料晶种床维持得足以迟延蒸发器中传热表面结垢。

4.根据权利要求2的方法，其中水力旋流器具有溢流，并且其中排出所述溢流或将其导引回至再循环水。

5.根据权利要求1的设备，其中沉降区域为圆柱形容器。

6.根据权利要求5的设备，其中圆柱形容器垂直安装。

7.根据权利要求1的设备，其中沉降区域为安装在蒸发容器之内的挡板。

8.根据权利要求5的设备，其中圆柱形容器安装在蒸发容器内部。

9.根据权利要求5的设备，其中圆柱形容器安装在蒸发容器外部。

10.根据权利要求5的设备，其中圆柱形容器安装在再循环泵吸的管线中。

11.根据权利要求1的设备，其中蒸发器为垂直管降膜式蒸发器。

12.用于减少包含用于垂直管降膜式蒸发器的卤水-浓缩晶种床的循环浆料下游的水力旋流器的堵塞的方法，所述方法包括：

在蒸发器中使进料物流与卤水混合；

允许进料物流/卤水混合物流动至再循环泵，其中其与水力旋流器溢流和水力旋流器底流混合；

将进料物流/卤水/溢流/底流混合物泵送至蒸发器，其中所述混合物通过沉降室，所述沉降室从所述混合物中除去至少部分颗粒；

将进料物流/卤水/溢流/底流混合物分布在蒸发器传热表面上；

蒸发部分混合物；

将部分混合物传送至水力旋流器，用于分离成重质固体相底流，和溢流；和

从所述混合物中除去至少部分所述重质固体相。