CN112254552A - 一种用于氧化铝冶炼的换热系统及换热工艺 - Google Patents
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Abstract
一种用于氧化铝冶炼的换热系统，包括精液管线(1)、母液管线(2)及换热器(3)，精液管线分别为第一、第二、第三精液管线；换热器(3)为具有一个壳程和至少两个管程的缠绕管式换热器，其壳程入口接管(31)与母液管线相连，壳程出口接管(32)连接下游设备；第一管程入口接管(33)与第一精液管线(11)相连；第一管程出口接管(34)通过中间管线(5)连接至一段分解槽(6)，第三精液管线(13)与中间管线(5)相连；第二管程入口接管(35)与第二精液管线(12)相连，第二管程出口接管(36)连接至二段分解槽(8)。本发明还公开了换热工艺。与现有技术相比本发明仅需一台换热器即可实现精液与母液分级换热。
Description
技术领域
本发明属于氧化铝冶炼技术领域，具体涉及一种用于氧化铝冶炼的换热系统及换热工艺。
背景技术
现有氧化铝的生产的工艺主要有拜耳法、烧结法及拜耳-烧结联合法。拜耳法主要是采用NaOH水溶液溶出铝土矿，然后直接进行稀释脱硅种分得到氢氧化铝的工艺。拜耳法氧化铝晶种分解生产过程中100℃左右的精液通过精液泵输送到精液热交换器，与来自母液槽中的母液进行换热，使精液分级换热到75℃左右和65℃左右，换热过程中可同时加热母液，提高母液在进入蒸发车间时的温度。
现有的精液热交换器普遍采用可拆卸的板式换热器，如专利号为ZL201921430557.3的中国实用新型专利《精液降温板式换热系统》(授权公告号为CN210689365U)公开的换热系统包括有一号板式换热器、二号板式换热器和三号板式换热器，从叶滤机出来的精液作为热源依次经过一号板式换热器、二号板式换热器和三号板式换热器后进入精种槽构成精液管路，从立盘过滤机出来的母液依次经过二号板式换热器和一号板式换热器进入原液槽构成母液管路，三号板式换热器的冷介质入口和冷介质出口分别与冷却回路的出水管和回水管连接。
又如专利号为ZL200610046069.3的中国发明专利《两段分解生产砂状氧化铝的热交换工艺》(授权公告号为CN100381359C)公开的工艺为：立盘过滤机的溢流种分母液先经宽流道板式换热器与一段分解浆液换热，经过一次换热的种分母液去板式换热器与精液进行二次换热。
现有的换热系统及工艺在一定程度上能提高换热效率，但同时存在如下问题：1、采用的板式换热器的数量较多，为两台及两台以上。2、精液中的氧化硅等物质随温度变化其溶解度降低，进而容易在板片等设备上结疤，导致换热效率变差，压降变高直至设备无法运行；为克服结疤的缺陷，实际使用时，在运行一段时间后将冷热介质互换进行生产，以便减少阻垢影响的传热系数，进而增加使用周期，且每运行7～10天需用高浓度的氢氧化钠进行化学清洗；同时随着运行时间的增加，化学清洗后还要拆开板片，然后用钢刷刷洗板片，拆洗容易导致换热器出现泄漏的风险。3、精液和母液中含有大量的苛性碱且氯离子浓度高，有较强的腐蚀性。4、当换热器刚开始运行时，精液流量低，板式换热器更容易结垢。若能解决上述技术问题，则对氧化铝冶炼工艺的进展具有积极的意义。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术的现状，提供一种仅需一台换热器即可实现精液与母液分级换热的用于氧化铝冶炼的换热系统。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种能降低换热器泄漏风险的用于氧化铝冶炼的换热系统。
本发明所要解决的第三技术问题是针对现有技术的现状，提供一种应用上述换热系统进行精液与母液换热的换热工艺。
本发明所要解决的第四个技术问题是提供一种能降低设备结垢风险，进而提高设备运行周期的换热工艺。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种用于氧化铝冶炼的换热系统，包括用于输送精液的精液管线、用于输送母液的母液管线及用于对精液与母液进行换热的换热器，其特征在于：
所述精液管线分为至少三股，分别为用于输送第一股精液的第一精液管线，用于输送第二股精液的第二精液管线，用于输送第三股精液的第三精液管线；
所述换热器为具有一个壳程和至少两个管程的缠绕管式换热器，该缠绕管式换热器上设有连通壳程的壳程入口接管和壳程出口接管，连通第一管程的第一管程入口接管和第一管程出口接管，连通第二管程的第二管程入口接管和第二管程出口接管；
所述壳程入口接管与上述母液管线的出口端相连以供母液流入壳程，所述壳程出口接管连接下游设备；
所述第一管程入口接管与上述第一精液管线的出口端相连以供第一股精液流入第一管程；所述第一管程出口接管通过中间管线连接至一段分解槽，所述第三精液管线的出口端与该中间管线相连，以将第三股精液与换热后的第一股精液混合进而提高中间管线内精液的温度；
所述第二管程入口接管与上述第二精液管线的出口端相连以供第二股精液流入第二管程，所述第二管程出口接管用于连接至二段分解槽。
优选地，所述换热器为具有一个壳程和两个管程的双股流缠绕管式换热器。双股流缠绕管式换热器能保证换热效率的同时还能进一步简化结构。
为进一步解决上述第二个技术问题，优选地，所述换热器包括有如下部件：
壳体；
第一管板，设置在壳体的一端上；
第二管板，设置在壳体的另一端上；
第一组换热管，位于壳体内，且第一组换热管的两端分别限位在第一、第二管板上；
第二组换热管，位于壳体内，且第二组换热管的两端分别限位在第一、第二管板上；
第一管箱，设置在第一管板上；
第二管箱，设置在第二管板上；
上述各部件之间通过焊接方式相连接；
所述壳程入口接管和壳程出口接管设置在壳体上，所述第一管程入口接管和第一管程出口接管设置在第一、第二管箱上并与第一组换热管相连通，所述第二管程入口接管和第二管程出口接管设置在第一、第二管箱上并与第二组换热管相连通。通过焊接方式能保证各部件之间的连接强度和连接稳定性，降低换热器出现泄漏的风险；且本申请中由于采用缠绕管式换热器，相较于板式换热器来说通过控制管程介质与壳程介质的流速能减小结疤的风险，无需对换热器进行清洗，故而可直接将部件进行焊接连接，无需像板式换热器那样设计为可拆洗结构。
为降低精液与母液对换热器的腐蚀，优选地，所述壳体内壁的材料和各换热管的材料均采用牌号为254SMO的奥氏体不锈钢。壳体外壁可选用不锈钢、碳钢等材料。
进一步地，所述母液管线上连接有用于对经过的母液进行过滤的沉淀分离装置。
进一步地，所述下游设备包括蒸发车间。与精液换热后温度上升的母液可直接输送至蒸发车间进行下一步工序。
本发明解决上述第三个技术问题所采用的技术方案为：一种用于氧化铝冶炼的换热工艺，其特征在于：采用如上所述的换热系统进行换热，具体方法为：
将母液输入所述换热器的壳程进行换热，母液进入换热器时的入口温度为50～57℃，换热后母液温度升至86～92℃；
将精液分成三股流，分别为第一股精液、第二股精液和第三股精液，其中第二股精液的质量流量:第一股精液的质量流量比＝1.3～1.6，第二股精液的质量流量:第一股精液和第三股精液的质量流量＝0.9～1.1；上述精液的质量流量:上述母液的质量流量比＝0.9～1.1，第一股精液和第二股精液分别进入换热器中各自对应的管程并与壳程中的母液进行换热，第一、第二股精液进入换热器时的入口温度为100～105℃，换热后第一、第二股精液的温度降低至62～68℃，换热后的第二股精液输送至二段分解槽进行分解；第三股精液的温度为100～105℃，第三股精液直接和换热后的第一股精液进行混合得到温度为72～78℃的混合精液，混合精液输送至一段分解槽进行分解。
为进一步解决上述第四个技术问题，优选地，所述管程内的介质流速为1.6～2.5m/s，所述壳程内的介质流速为0.8～1.5m/s。当介质流速过低时存在易结垢的风险；当介质流速过高时，流体易冲刷管程、壳程的内壁，且存在设备震动的问题。故而，选定合适范围内的介质流速具有重要的意义。
较优选地，所述第一股精液与第二股精液能同时进入各自的管程中进行换热；或，所述第一股精液与第二股精液一前一后进入各自的管程中进行换热；或，仅第一股精液进入其对应的第一管程中进行换热，第二管程中不通第二股精液；或，仅第二股精液进入其对应的第二管程中进行换热，第一管程不通第一股精液。进而当精液流量较低时，可仅采用一个管程进行换热，另一管程不走精液，降低因负荷低导致的管程结垢风险；当精液流量较高时，可同时采用两个管程进行换热。因此具有较高的灵活性和选择性，使用者可根据具体工况进行选择。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过将换热器设计为具有一个壳程和至少两个管程的缠绕管式换热器，将精液管线分为至少三股，其中第一股精液和第二股精液走各自对应的管程，并与壳程的母液进行换热，以提高母液温度的同时降低这两股精液的温度，同时将从管程出口出来的第一股精液与未经过换热的第三股精液进行混合进而提高第一股精液的温度，适用于一段分解槽，第二股精液的温度较低适用于二段分解槽，故而，本发明仅需设置一台换热器即可实现精液与母液的分级换热，结构简单且换热效率较高。且本发明的换热工艺简单，通过一台换热器就能达到现有技术中采用多台板式换热器进行换热的效果。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示为本发明的一种用于氧化铝冶炼的换热系统及换热工艺的一个优选实施例，该换热系统包括有：用于输送精液的精液管线1、用于输送母液的母液管线2和一台换热器3。
其中，精液管线1包括总精液管线10和三股分流精液管线，总精液管线10的出口端与三股分流精液管线的入口端相连通，连接处可根据需要设置阀门等部件，以将总精液分为三股精液。三股分流精液管线分别为用于输送第一股精液的第一精液管线11，用于输送第二股精液的第二精液管线12，用于输送第三股精液的第三精液管线13。
上述母液管线2的入口端连接二段分解槽8的末槽81(当然也可连接一段分解槽的末槽或者是收集母液的收集槽)，母液管线2上连接有用于对经过的母液进行过滤的沉淀分离装置4。
上述换热器3为具有一个壳程和两个管程的双股流缠绕管式换热器，该双股流缠绕管式换热器上设有连通壳程的壳程入口接管31和壳程出口接管32，连通第一管程的第一管程入口接管33和第一管程出口接管34，连通第二管程的第二管程入口接管35和第二管程出口接管36；
其中，壳程入口接管31与母液管线2的出口端相连以供母液流入壳程，壳程出口接管32连接蒸发车间200；
第一管程入口接管33与第一精液管线11的出口端相连以供第一股精液流入第一管程；第一管程出口接管34通过中间管线5连接至一段分解槽6，第三精液管线13的出口端与该中间管线5相连，以将第三股精液与换热后的第一股精液混合进而提高中间管线5内精液的温度；
第二管程入口接管35与上述第二精液管线12的出口端相连以供第二股精液流入第二管程，第二管程出口接管36通过第二管线7连接至二段分解槽8。
本实施例中，双股流缠绕管式换热器可参考现有技术设计，其包括有如下部件：壳体、第一管板、第二管板、第一组换热管、第二组换热管、第一管箱和第二管箱，其中，第一管板和第二管板设置在壳体的两端上，第一管箱设置在第一管板上，第二管箱设置在第二管板上，第一组、第二组换热管的两端分别限位在第一、第二管板上。上述壳程入口接管31和壳程出口接管32设置在壳体上，第一管程入口接管33和第一管程出口接管34设置在第一、第二管箱上并与第一组换热管相连通，第二管程入口接管35和第二管程出口接管36设置在第一、第二管箱上并与第二组换热管相连通。为降低换热器泄露的风险，上述各部件之间通过焊接方式相连接。且为提高壳程与管程的耐腐蚀性，各换热管的材料选用牌号为254SMO的奥氏体不锈钢；壳体的材料选用牌号为254SMO的奥氏体不锈钢与碳钢的复合材料，其中壳体外壁材料选用碳钢，内壁材料选用奥氏体不锈钢。
上述一段分解槽6包括有若干个相流体连通的一段分解成槽单元，二段分解槽8包括有若干个相流体连通的二段分解槽单元，上述二段分解槽8的末槽81即为其中一个二段分解槽单元，分解槽的结构及连接关系同现有技术，在此不做赘述。
采用上述换热系统进行换热的方法如下：
将母液输入上述换热器3的壳程进行换热，母液进入换热器3时的入口温度为50～57℃，换热后母液温度升至86～92℃；
将精液分成三股流，分别为第一股精液、第二股精液和第三股精液，其中第二股精液的质量流量:第一股精液的质量流量比＝1.3～1.6，第二股精液的质量流量:第一股精液和第三股精液的质量流量＝0.9～1.1；上述精液的质量流量:上述母液的质量流量比＝0.9～1.1，第一股精液和第二股精液分别进入换热器3中各自对应的管程并与壳程中的母液进行换热，第一、第二股精液进入换热器3时的入口温度为100～105℃，换热后第一、第二股精液的温度降低至62～68℃，换热后的第二股精液输送至二段分解槽8进行分解；第三股精液的温度为100～105℃，第三股精液直接和换热后的第一股精液进行混合得到温度为72～78℃的混合精液，混合精液输送至一段分解槽6进行分解。本实施例中，为降低换热器3结构的风险，管程内的介质流速为1.6～2.5m/s，壳程内的介质流速为0.8～1.5m/s以上。
实际应用时，可根据精液的流量选择第一股精液与第二股精液同时进入各自的管程中进行换热；也可以使第一股精液与第二股精液一前一后进入各自的管程中进行换热；或者是仅第一股精液进入其对应的第一管程中进行换热，第二管程中不通第二股精液；再或者是，仅第二股精液进入其对应的第二管程中进行换热，第一管程不通第一股精液。具体根据精液流量、负荷等工况进行设计，例如系统刚开始运行时，精液流量较低，此时可只运行一个管程，另一个管程关闭，降低因负荷低导致的管程结构风险；系统运行一段时间，精液的流量较高时，可同时运行两个管程。
Claims (9)
1.一种用于氧化铝冶炼的换热系统，包括用于输送精液的精液管线(1)、用于输送母液的母液管线(2)及用于对精液与母液进行换热的换热器(3)，其特征在于：
所述精液管线(1)分为至少三股，分别为用于输送第一股精液的第一精液管线(11)，用于输送第二股精液的第二精液管线(12)，用于输送第三股精液的第三精液管线(13)；
所述换热器(3)为具有一个壳程和至少两个管程的缠绕管式换热器，该缠绕管式换热器上设有连通壳程的壳程入口接管(31)和壳程出口接管(32)，连通第一管程的第一管程入口接管(33)和第一管程出口接管(34)，连通第二管程的第二管程入口接管(35)和第二管程出口接管(36)；
所述壳程入口接管(31)与上述母液管线(2)的出口端相连以供母液流入壳程，所述壳程出口接管(32)连接下游设备；
所述第一管程入口接管(33)与上述第一精液管线(11)的出口端相连以供第一股精液流入第一管程；所述第一管程出口接管(34)通过中间管线(5)连接至一段分解槽(6)，所述第三精液管线(13)的出口端与该中间管线(5)相连，以将第三股精液与换热后的第一股精液混合进而提高中间管线(5)内精液的温度；
所述第二管程入口接管(35)与上述第二精液管线(12)的出口端相连以供第二股精液流入第二管程，所述第二管程出口接管(36)用于连接至二段分解槽(8)。
2.根据权利要求1所述的换热系统，其特征在于：所述换热器(3)为具有一个壳程和两个管程的双股流缠绕管式换热器。
3.根据权利要求2所述的换热系统，其特征在于：所述换热器(3)包括有如下部件：
壳体；
第一管板，设置在壳体的一端上；
第二管板，设置在壳体的另一端上；
第一组换热管，位于壳体内，且第一组换热管的两端分别限位在第一、第二管板上；
第二组换热管，位于壳体内，且第二组换热管的两端分别限位在第一、第二管板上；
第一管箱，设置在第一管板上；
第二管箱，设置在第二管板上；
上述各部件之间通过焊接方式相连接；
所述壳程入口接管(31)和壳程出口接管(32)设置在壳体上，所述第一管程入口接管(33)和第一管程出口接管(34)设置在第一、第二管箱上并与第一组换热管相连通，所述第二管程入口接管(35)和第二管程出口接管(36)设置在第一、第二管箱上并与第二组换热管相连通。
4.根据权利要求3所述的换热系统，其特征在于：所述壳体内壁的材料和各换热管的材料均采用牌号为254SMO的奥氏体不锈钢。
5.根据权利要求1所述的换热系统，其特征在于：所述母液管线(2)上连接有用于对经过的母液进行过滤的沉淀分离装置(4)。
6.根据权利要求1所述的换热系统，其特征在于：所述下游设备包括蒸发车间(200)。
7.一种用于氧化铝冶炼的换热工艺，其特征在于：采用如权利要求1～6任意一条权项所述的换热系统进行换热，具体方法为：
将母液输入所述换热器(3)的壳程进行换热，母液进入换热器(3)时的入口温度为50～57℃，换热后母液温度升至86～92℃；
将精液分成三股流，分别为第一股精液、第二股精液和第三股精液，其中第二股精液的质量流量:第一股精液的质量流量比＝1.3～1.6，第二股精液的质量流量:第一股精液和第三股精液的质量流量＝0.9～1.1；上述精液的质量流量:上述母液的质量流量比＝0.9～1.1，第一股精液和第二股精液分别进入换热器(3)中各自对应的管程并与壳程中的母液进行换热，第一、第二股精液进入换热器(3)时的入口温度为100～105℃，换热后第一、第二股精液的温度降低至62～68℃，换热后的第二股精液输送至二段分解槽(8)进行分解；第三股精液的温度为100～105℃，第三股精液直接和换热后的第一股精液进行混合得到温度为72～78℃的混合精液，混合精液输送至一段分解槽(6)进行分解。
8.根据权利要求7所述的换热工艺，其特征在于：所述管程内的介质流速为1.6～2.5m/s，所述壳程内的介质流速为0.8～1.5m/s。
9.根据权利要求7所述的换热工艺，其特征在于：所述第一股精液与第二股精液能同时进入各自的管程中进行换热；或，所述第一股精液与第二股精液一前一后进入各自的管程中进行换热；或，仅第一股精液进入其对应的第一管程中进行换热，第二管程中不通第二股精液；或，仅第二股精液进入其对应的第二管程中进行换热，第一管程不通第一股精液。
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