CN107982941B - 氯化钠水溶液间歇真空蒸发质量的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氯化钠水溶液间歇真空蒸发质量的控制方法，主要用于氯化钠水溶液间歇真空蒸发浓缩及其结晶过程的设计、计算机模拟以及过程控制，属于化学化工蒸发与结晶领域。本发明提出的氯化钠水溶液真空蒸发质量控制方法主要依据新型的蒸发模型和温差模型，利用数值方法进行设计计算，达到精确控制氯化钠水溶液真空蒸发过程中水分蒸发质量的目的，具有广阔的实验室和工业化应用前景，有利于氯化钠水溶液蒸发浓缩和结晶过程的设计以及控制，可以用于废水脱盐、海水淡化以及氯化钠工业结晶过程,有利于我国环境保护和资源再生利用的技术水平提升。

Description

氯化钠水溶液间歇真空蒸发质量的控制方法
技术领域
本发明涉及氯化钠水溶液间歇真空蒸发过程中水分蒸发质量的控制方法，对氯化钠蒸发浓缩与结晶过程的设计、计算机模拟与控制具有重要意义。该发明可以用于废水脱盐、海水淡化以及食盐工业生产过程，属于化学化工中蒸发与结晶领域。
背景技术
氯化钠作为重要的化工原料和食品调味剂，由于其在水中的溶解度随温度变化较小，因此，其主要的生产方法为蒸发结晶。蒸发技术主要有传统的太阳晾晒法和真空蒸发技术。历史悠久的海盐、湖盐以及井盐，一般采用晾晒方法获得。但这种方法生产氯化钠受季节天气影响严重，生产效率往往较低。目前，氯化钠生产往往采用效率更高的工业化生产模式，即在结晶器中采用真空蒸发技术，快速蒸发，高效生产氯化钠晶体。所以，目前有关氯化钠制备的专利大多集中于结晶设备以及结晶制备方法方面【强制循环的氯化钠蒸发结晶装置(CN201520508913.4)，一种含氯化钠的废水的处理系统及其处理方法(CN201210422255.8)】。
随着计算机技术和控制理论的快速发展，工业生产中的过程控制对产品性质具有重要影响。高品质氯化钠晶体必须对生产过程中的蒸发快慢进行准确控制。否者可能会由于蒸发速率过快，发生大量的初级成核，产品粒度往往较小，而且颗粒容易聚集，不仅影响产品的粒度分布，同时可能会影响产品纯度。如果蒸发速率太慢，则会使结晶器生产效率大大下降，增加生产成本。因此，氯化钠蒸发结晶过程必须依据其成核和晶体生长动力学规律，并根据结晶过程溶液停留时间和产品粒度要求准确控制蒸发速率，以提供合适的氯化钠过饱和度，以良好促进氯化钠晶体的生长，最终达到目标粒度要求的产品。由此可见，无论是单效蒸发结晶、还是多效蒸发结晶，无论是间歇蒸发结晶还是连续蒸发结晶，其蒸发速率的控制对于氯化钠产品性质均具有不可忽视的作用。
目前氯化钠工业生产过程中水分质量蒸发速率的控制往往是依据大量小试或中试实验中积累的蒸发经验进行控制，控制精度往往比较粗糙，不利于氯化钠高品质产品的生产。本发明正是针对目前我国氯化钠工业生产中的蒸发控制问题，依据大量有关纯水以及各种浓度氯化钠盐水的文献蒸发实验数据，提出了一种新的氯化钠水溶液蒸发质量控制的设计方法，为高品质氯化钠产品生产过程中的蒸发准确控制提供技术支撑。
发明内容
本发明的目的是提供一种氯化钠水溶液间歇真空蒸发浓缩及其结晶时的蒸发质量模型和使用方法，为高品质氯化钠晶体生产过程设计与控制提供依据，有利于我国氯化钠工业生产技术水平的提升。
本发明主要内容如下：
1)水分质量蒸发模型
根据有关纯水以及氯化钠水溶液蒸发的文献实验数据[1-3]，本发明提出了氯化钠水溶液真空蒸发过程中水分质量随时间变化的新模型，其表达式为：
Figure GDA0002715049460000021
其中，mV表示以单位溶液体积为基准的蒸发质量(kg/m3)，H、T0、ΔT、t分别为溶液深度(m)、初始温度(℃)、温差(℃)和蒸发时间(s)。模型(1)的统计分析如表1所示，当p2大于0.9，F大于10倍FT时，模型及其参数是适定的。显然，由表1可见，模型(1)是适定的。模型(1)对283组的盐水溶液真空蒸发的文献数据回归的平均相对误差小于8.08％，完全满足氯化钠蒸发过程的工业设计误差要求。模型(1)对文献实验数据的处理效果如图1所示。
表1模型统计分析
Figure GDA0002715049460000022
*Mn为模型参数个数，M为实验数据组数，p2＝(1-残差平方和/实验值平方和)；F＝p2/Mp/((1-p2)/(M-Mp))，FT为可信度为95％时的F值。
2)模型中温差计算方法
依据模型(1)，氯化钠水溶液真空蒸发时主要的影响因素包括液位高度、溶液温度与真空下溶液平衡温度间的温差，以及初始温度和操作时间。除温差外，其余变量便于测定和监测，而氯化钠水溶液真空蒸发时的温差由压力和盐浓度决定，关系较为复杂。本发明依据杜林规则以及氯化钠水溶液沸点文献数据[4-6]，提出氯化钠水溶液真空蒸发的温差计算公式，表达为：
Figure GDA0002715049460000023
其中，P表示操作压力(Pa)，C为氯化钠的质量分数。至此，依据模型(1)和模型(2)，只要知道蒸发温度、操作压力、盐浓度以及蒸发器的结构参数，即可计算出氯化钠水溶液间歇真空蒸发过程中的水分蒸发质量随时间的变化曲线。
3)水分蒸发质量的控制方法
氯化钠水溶液间歇真空蒸发浓缩、结晶是氯化钠工业生产的一种重要化工单元操作方式。水分蒸发质量的设计与控制影响氯化钠产品质量。氯化钠水溶液间歇真空蒸发其蒸发温度和操作压力通常是恒定的，蒸发过程中液位不断下降，而盐浓度不断升高，直至饱和结晶出氯化钠晶体。
如果依据蒸发质量模型(1)和温差模型(2)直接采用蒸发时间去计算，则对间歇蒸发过程的描述显然是不合理的。为此，本发明采用时间步长为0.001s，此时蒸发过程控制更为准确、可靠，同时较为节省计算时间。其思想即把蒸发操作时间分割成多段时间步长区间，顺序计算每个时间区间的初始时刻的溶液状态，再据此依据模型(1)和模型(2)计算下一时间步长后的溶液状态。以此类推，直至完成蒸发浓缩和结晶操作。该设计计算过程主要使用数值计算方法。具体的计算设计方法如下。
当氯化钠水溶液蒸发饱和之前的设计方法为：
第一步：计算蒸发温差
根据结晶器中氯化钠溶液初始温度、盐浓度以及操作压力，依据模型(2)获得其蒸发温差(ΔT)。
第二部：计算蒸发质量
依据第一步得到的温差以及溶液温度、液位高度和时间步长，根据模型(1)以及蒸发器直径(D，单位m)和液位高度(H，单位m)计算经过一个时间步长后的单位溶液体积的水分蒸发质量(m1，单位kg/m3)。
Figure GDA0002715049460000031
第三步：依据质量恒算计算盐浓度和液位高度
经过一个时间步长的蒸发后，蒸发器中氯化钠水溶液中的水分质量减少，溶液液位下降，同时盐浓度升高。蒸发器中剩余溶液的液位深度(H1)由公式(4)获得：
Figure GDA0002715049460000032
其中
Figure GDA0002715049460000033
为水在蒸发温度下的密度(kg/m3)，H1表示经过一个时间步长后的液位高度，单位m，H0表示初始液位高度，单位m。一个时间步长蒸发后的盐浓度根据公式(5)计算。
Figure GDA0002715049460000034
其中C1为经过一个时间步长蒸发后的盐浓度，单位氯化钠的质量分数；C0表示初始的盐浓度，单位为氯化钠的质量分数。
第四步：重新计算下一个时间步长的蒸发温差
根据第三步获得的盐浓度、操作压力以及蒸发溶液温度，即可按照第一步的方法获得蒸发温差。再按照第一步至第四步的方法，不断重复、循环计算，即可计算出多个时间步长下的水分蒸发质量，通过累加即可得到水分蒸发质量随时间变化曲线，同时可获得一定时间下氯化钠水溶液液位高度和盐浓度随时间变化曲线。
当氯化钠水溶液蒸发至饱和后，水分的蒸发将导致氯化钠结晶现象，而水溶液中的氯化钠浓度维持不变。此时，氯化钠水溶液的蒸发温差则不再变化，即随后的计算用氯化钠水溶液饱条件下的温差即可，不用重复使用模型(2)进行计算。氯化钠水溶液饱和后，按照以下步骤进行设计计算：
第一步：计算第一个时间步长内的蒸发质量
同样利用模型(1)进行计算，液位高度用上一时刻的液位数据，温差采用饱和盐水、操作温度和压力条件下的温差。
第二步：计算结晶出的氯化钠质量
由于盐水饱和后水分再蒸发则必然导致氯化钠晶体的析出，析出量为蒸发水量的饱和氯化钠质量(ms，kg)。计算公式为
ms＝miS (6)
其中，mi为第i个时间步长下的水分蒸发质量(kg)，S为氯化钠在一定温度下水中饱和浓度(kg/kg水)。
第三步：矫正溶液的液位高度
此时溶液中含有氯化钠固体，占有一定空间体积，因此，液位高度的计算采用公式(7)计算。
Figure GDA0002715049460000041
其中，ρNaCl为氯化钠固体密度(kg/m3)，Hi第i次时间步长后的液位高度，单位m；Hi+1表示第i+1次时间步长下液位高度，单位m；mi+1表示i+1次时间步长后蒸发的水份质量。方程右边第一项表示上一时刻溶液体积，第二项表示析出氯化钠的颗粒体积，第三项为蒸发出水的体积，分母表示蒸发器横截面积。当氯化钠水溶液饱和后采用以上方法重复计算即可获得水分蒸发质量、氯化钠结晶质量以及液位高度变化。由于计算过程非常多，该过程的计算量非常多，因此，现代社会中采用计算机手段进行计算控制。
依据溶液所处状态是否饱和，对氯化钠水溶液间歇真空蒸发浓缩与结晶过程分别采用以上方法，即可完成氯化钠水溶液间歇真空蒸发浓缩与结晶过程设计。本发明公式和方法可应用于氯化钠水溶液间歇蒸发浓缩与结晶过程设计与控制，有利于我国氯化钠晶体的工业化生产。
附图说明
图1本发明的蒸发模型效果；
图2实施例1温差随时间变化趋势；
图3实施例1液位和盐浓度随时间变化趋势；
图4实施例1水分蒸发质量及结晶盐质量随时间变化趋势。
具体实施方式
实施例1.
氯化钠蒸发结晶器为圆柱形，直径200mm，氯化钠溶液初始高度150mm，蒸发温度恒定为40℃(该温度下氯化钠饱和质量分数为0.267936)，操作压力恒定为5000Pa，初始盐水中盐的质量分数为0.10，该蒸发过程采用间歇操作。
由于初始盐浓度为0.10，小于40℃下饱和浓度0.267936，因此，前期的真空蒸发过程氯化钠水溶液属于盐的浓缩过程。此时，水分真空蒸发质量控制方法如下：
第一步：计算蒸发温差
依据蒸发温度、操作压力和盐浓度，温差采用下面的公式计算
Figure GDA0002715049460000051
即该溶液条件和温差、压力条件下，蒸发的初始温差为6.82565℃。
第二步：计算0.001s后蒸发质量
根据初始液位、温度和温差，蒸发0.001s后蒸发出去的水质量用模型(1)计算。计算公式为
Figure GDA0002715049460000052
Figure GDA0002715049460000061
Figure GDA0002715049460000062
即在该操作条件下真空蒸发0.001s后，水分蒸发出去的质量为9.78734×10-5kg。
第三步：依据质量恒算计算盐浓度和液位高度
溶液液位高度(单位m)：
Figure GDA0002715049460000063
盐浓度计算：
Figure GDA0002715049460000064
明显，液位下降了，而盐的质量分数升高了。
第四步：重新计算下一个时间步长的蒸发温差
方法如第一步相似，仅是盐浓度由0.10替换为0.100002093，压力5000Pa不变，此时计算出的温差为6.82563℃。显然，盐浓度升高导致蒸发温差下降。
以上述第一步至第四步循环计算。由于该过程计算量较大，因此，计算过程要借助计算机手段。当计算44714步后，即蒸发时间为44.714s后溶液中盐浓度达到饱和，其质量分数恒定为0.267937。再蒸发时溶液将发生氯化钠结晶现象。此后溶液蒸发温差恒定为4.97934℃。溶液饱和后的水分蒸发质量控制方法如下：
第一步：计算第一个时间步长内的蒸发质量
Figure GDA0002715049460000065
Figure GDA0002715049460000071
第二步：计算结晶出的氯化钠质量
ms＝miS
＝4.08409×10-5×0.366001
＝1.49478×10-5
饱和后的第一个蒸发时间步长内结晶出1.49478×10-5kg氯化钠。
第三步：矫正溶液的液位高度
刚饱和时溶液的液位高度根据前面的循环计算可得0.05598326m，氯化钠密度为2165kg/m3，饱和后第一个时间步长蒸发结晶后的液位高度为：
Figure GDA0002715049460000072
明显，蒸发结晶时溶液的液位继续下降。后面依据液位、温度、温差以及时间步长不断循环计算，直接达到设定的蒸发时间为止。本实施例计算的蒸发操作时间为60s，可以获得该实施例真空蒸发过程中蒸发温差、液位高度、盐浓度、水分蒸发质量以及氯化钠结晶质量随时间变化曲线，分别如图2、图3和图4所示。显然，依据以上方法可以设计氯化钠水溶液蒸发操作参数如温度、压力以及蒸发温度，以达到控制氯化钠水溶液真空蒸发浓缩与结晶过程中水分蒸发质量速率的目的，获得高品质的氯化钠晶体。
本发明公开和提出了简洁、高效的氯化钠水溶液蒸发浓缩与结晶过程中水蒸发质量的数学模型及其蒸发质量控制方法，可以用于计算氯化钠水溶液间歇蒸发浓缩过程中的盐浓度、液位、蒸发温差、结晶质量等真空蒸发过程参数。本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变模型形式即可实现。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
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Claims (2)

1.氯化钠水溶液间歇真空蒸发质量的控制方法；其特征是把蒸发操作时间分割成多段时间步长区间，顺序计算每个时间区间下氯化钠水溶液的状态，再据此依据模型计算下一时间步长后的溶液状态；以此类推，直至完成蒸发浓缩和结晶操作；具体控制方法如下：
当氯化钠水溶液蒸发饱和之前：
第一步：计算蒸发温差
根据结晶器中氯化钠溶液初始温度T0(℃)、盐浓度C，C为氯化钠的质量分数，以及操作压力P(Pa)，依据公式(1)获得其蒸发温差ΔT(℃)；
Figure FDA0002874826550000011
第二步：计算蒸发质量
依据第一步得到的温差以及溶液温度、液位高度和时间步长，根据公式(2)以及蒸发器直径D，单位m,液位高度H，单位m，计算经过一个时间步长后的水分蒸发质量m1，单位kg：
Figure FDA0002874826550000012
第三步：依据质量恒算计算盐浓度和液位高度
经过一个时间步长的蒸发后，蒸发器中氯化钠水溶液中的水分质量减少，液位高度下降，同时盐浓度升高；蒸发器中剩余溶液的液位高度H1由公式(3)获得：
Figure FDA0002874826550000013
其中
Figure FDA0002874826550000014
为水在蒸发温度下密度，单位kg/m3；H1表示经过一个时间步长后的液位高度，单位m；H0表示初始液位高度，单位m；一个时间步长蒸发后的盐浓度根据公式(4)计算；
Figure FDA0002874826550000015
其中C1为经过一个时间步长后的盐浓度，单位氯化钠的质量分数；C0表示初始的盐浓度，单位为氯化钠的质量分数；
第四步：重新计算下一个时间步长的蒸发温差
根据第一步至第四步的方法，不断重复、循环计算设计，计算出多个时间步长下的水分蒸发质量，通过累加得到水分蒸发质量随时间变化曲线，同时获得一定时间下氯化钠水溶液液位高度和盐浓度随时间变化曲线；完成对氯化钠水溶液蒸发浓缩过程中水分蒸发质量的准确控制；本计算过程的时间步长Δt为0.001s。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是具体控制方法如下：
当氯化钠水溶液蒸发至饱和后：
第一步：计算第一个时间步长内水分的蒸发质量
氯化钠水溶液蒸发饱和后的蒸发温差不变；温差根据公式(1)进行计算；由于氯化钠溶液达到饱和，因此，氯化钠浓度不再变化，所有在恒定操作压力P和初始温度T0下对应的蒸发温差不再发生变化；随后，按照公式(2)计算出水分蒸发质量mi；mi表示第i个时间步长下的水分蒸发质量，单位为kg；
第二步：计算一个时间步长内氯化钠的结晶质量
由于盐水饱和后水分再蒸发则必然导致氯化钠晶体的析出，析出量为水分蒸发质量中对应的饱和氯化钠质量ms，单位kg；计算公式为
ms＝miS (5)
其中，mi为第i个时间步长下的水分蒸发质量，单位kg，S为氯化钠在一定温度下水中饱和浓度，单位kg/kg水；
第三步：矫正溶液的液位高度
此时溶液中含有氯化钠固体，占有一定空间体积，因此，液位高度的计算采用公式(6)计算；
Figure FDA0002874826550000021
其中，ρNaCl为氯化钠固体密度，单位为kg/m3，Hi第i次时间步长后的液位高度，单位m；Hi+1表示第i+1次时间步长下液位高度，单位m；当氯化钠水溶液饱和后采用以上第一步至第三步的方法重复计算，获得水分蒸发质量、氯化钠结晶质量以及液位高度随蒸发时间的变化趋势，以精确控制蒸发质量；本计算过程的时间步长Δt为0.001s。
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