CN212141541U - 一种防结垢蒸发结晶系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种防结垢蒸发结晶系统，通过在溶液中添加颗粒实现了从根本上解决蒸发结晶装置结垢难题，以及在结晶罐底部设置晶浆淘洗腿及淘洗管，通过淘洗母液流量的控制实现对排除晶粒大小的控制，解决了蒸发结晶装置物料结晶颗粒粒径大小难以调控的难题，进而达到蒸发结晶装置运行过程中不结垢、不污堵、保持蒸发结晶设备高效节能运行，实现蒸发结晶物料晶体的粒径可调节。

Description

一种防结垢蒸发结晶系统

技术领域

本实用新型涉及化工设备领域，具体涉及一种防结垢蒸发结晶系统。

背景技术

在我国化工领域等，蒸发结晶设备作为一种常见的设备，应用非常广泛，蒸发结晶装置

通过热能(蒸汽、电能等)加热含水物料溶液，使水以汽态形式蒸发掉，实现水和物料的分离，最终物料以结晶体形式出现的物理过程。

蒸发结晶设备在含有无机盐、有机盐的水溶液领域应用普遍，其最终实现的目的是实现水和物料的分离、以及实现生产各类不同晶体粒径和晶体形状的物料结晶体，我国蒸发结晶设备在实际运行中，最大的问题在于结垢，由于含水溶液中含有钙离子、镁离子、硅离子等，在蒸发结晶设备运行中，极易在加热器表面、管路等部位形成硫酸钙、碳酸钙、不溶性硅化合物等，这些形成的污垢，进而降低蒸发结晶设备换热效率、堵塞加热器、管路等，造成设备运行效率低下、堵塞、设备停机检修频率高等系列问题，对工业生产等损失极大。

根据我国有关科研单位的不完全统计，蒸发结晶设备加热器在运行中，加热器表面的污垢是逐步增加、增厚的过程，结垢形式主要硫酸钙、碳酸钙、硅化合物以及部分参杂的有机污垢等，污垢物质在蒸发结晶设备加热设备壁面沉积，大大降低换热效率，理论上蒸发结晶加热器表面污垢每增加1毫米厚度，加热器换热系数大概下降8％左右，同时能耗将增加9％以上，我国因为蒸发结晶装置结垢问题导致的能耗经济损失很大，根据粗略估算，经济损失约占工业GDP的0.03％左右。

为了防止蒸发结晶系统的结垢，现有技术主要以采用化学法去除水中钙、镁、硅，常见的药剂是氢氧化钠、碳酸钠、镁盐等，这些药剂消耗量大、价格昂贵，软化后的溶液产生大量固体废弃物，加大了工业生产运行成本和环保成本。

我国工业生产中，蒸发结晶装置需要对结晶物料的晶体进行控制，以达到生产需求的不同粒径、不同晶体形状的晶体产品。

然而，我国现有结晶装置，比如常用的FC结晶器，对晶体粒径控制范围有限，尤其产生较大晶体颗粒难度很大，其结晶体形状单一，难以实现结晶过程中粒径大小的可调，由于晶体粒径过小，导致物料结晶产品含水率高、纯度低，最终导致结晶体的价值不高。

综上所述，蒸发结晶器的防结垢与结晶体的粒径可控、可调问题，是我国化工等领域面临的难题，迫切需要找到一种能够同时解决以上难题的装置以及技术解决方法。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型提供一种防结垢蒸发结晶系统。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种防结垢蒸发结晶系统，包括循环泵1、列管换热器2、导流筒3、固液分离器4、颗粒循环管5、颗粒调节阀门6、蒸发罐7、汽液分离器8、盐脚9、结晶罐10、母液循环管11、淘洗腿12、淘洗管13、淘洗液调节阀14、混合管15和回流筒16；

母液循环管11的出口与循环泵1进口连接、循环泵1出口分别通过溶液管路与淘洗管13的下端管口和混合管15底部连接、混合管15顶部与列管换热器2的底部和颗粒循环管5的下端出料口连接，所述列管换热器2通过连接在顶部的导流筒3与固液分离器4的底部连接，所述颗粒循环管5的顶端管口与固液分离器4的底部连接，所述颗粒循环管5上设置颗粒调节阀门6，所述固液分离器4的顶部通过管路与蒸发罐7的底部侧壁连接，并延伸到所述蒸发罐7内部，所述回流筒16连接在延伸到所述蒸发罐7内部的管路的管口处，且所述回流筒16的开口向上，所述蒸发罐7的顶部与汽液分离器8连接，所述蒸发罐7通过连接在底部的盐脚9与结晶罐10连接，所述结晶罐10的上端侧壁连接母液循环管11入口，所述结晶罐10的底部与淘洗腿12连接，所述淘洗腿12的侧壁与淘洗管13的顶部管口连接，所述淘洗腿12的底部为晶浆出口，所述淘洗管13的底部与淘洗液调节阀14上端进口连接，所述淘洗液调节阀14下端口通过管路与循环泵1出口前管路连接。

本实用新型的有益效果是：

1、解决现有蒸发结晶装置不能防结垢的行业难题。

通过在蒸发结晶装置内添加颗粒，形成颗粒与物料溶液在蒸发结晶器加热器内的混合流动，形成固相、汽相、液相的多相流化状态，含颗粒的物料溶液在蒸发结晶装置内形成沸腾、冲击、扰动、摩擦接触壁面的综合效应，破坏加热管壁面结垢的临界状态，防止结垢物的附着，保持加热管壁的清洁，达到防止结垢和强化传热的目的。

2、解决了蒸发结晶物粒径大小可调的难题，实现物料结晶颗粒粒径大小可调、可控。在结晶罐底部设置晶浆淘洗腿及淘洗管，通过循环泵以及流量调节阀来控制淘洗母液流量的控制，从而实现对排除晶粒大小的控制。

3、将液体蒸发区和结晶区分开，单独设置蒸发罐和结晶罐，实现对结晶过程的控制。在蒸发罐内主要通过蒸发产生过饱和度，在结晶罐内主要进行晶体的生长。通过母液的循环，在结晶罐底部形成晶浆的流态化区域，有利于晶体的生长和控制。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种防结垢蒸发结晶系统的结构及工艺流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

图1为本实用新型实施例提供的一种防结垢蒸发结晶系统的结构及工艺流程示意图，如图1所示，该系统包括循环泵1、列管换热器2、导流筒3、固液分离器4、颗粒循环管5、颗粒调节阀门6、蒸发罐7、汽液分离器8、盐脚9、结晶罐10、母液循环管11、淘洗腿12、淘洗管13、淘洗液调节阀14、混合管15和回流筒16；

母液循环管11的出口与循环泵1进口连接、循环泵1出口分别通过溶液管路与淘洗管13的下端管口和混合管15底部连接、混合管15顶部与列管换热器2的底部和颗粒循环管5的下端出料口连接，所述列管换热器2通过连接在顶部的导流筒3与固液分离器4的底部连接，所述颗粒循环管5的顶端管口与固液分离器4的底部连接，所述颗粒循环管5上设置颗粒调节阀门6，所述固液分离器4的顶部通过管路与蒸发罐7的底部侧壁连接，并延伸到所述蒸发罐7内部，所述回流筒16连接在延伸到所述蒸发罐7内部的管路的管口处，且所述回流筒16的开口向上，所述蒸发罐7的顶部与汽液分离器8连接，所述蒸发罐7通过连接在底部的盐脚9与结晶罐10连接，所述结晶罐10的上端侧壁连接母液循环管11入口，所述结晶罐10的底部与淘洗腿12连接，所述淘洗腿12的侧壁与淘洗管13的顶部管口连接，所述淘洗腿12的底部为晶浆出口，所述淘洗管13的底部与淘洗液调节阀14上端进口连接，所述淘洗液调节阀14下端口通过管路与循环泵1出口前管路连接。

下面分别针对各个组成部件进行说明：

1.蒸发罐：

蒸发罐材质可选择碳钢、304型号不锈钢、316L不锈钢或钛材，罐体为圆筒形结构，底部成圆锥体结构与盐脚连接，被加热后的物料溶液在蒸发罐内实现物料和水蒸发分离，蒸发罐上端与蒸汽出口之间是汽液分离器，蒸汽经过汽液分离器实现汽液分离，分离后的蒸汽通过顶部出口出。

蒸发罐适应不同温度的蒸发，可以在负压、常压或正压蒸发状态下运行，蒸发罐按照压力容器的标准设计，蒸发温度不低于45℃。

2.汽液分离器：

采用具有一定汽液分离空间的筒体结构，直径较大的液滴依靠重力沉降进行分离，粒径较小的液滴通过安装在汽液分离器顶部除沫器分离除去。除沫器可以是简易式、气流冲击时、离心式或丝网除沫器。以丝网除沫器为例，可实现去除蒸汽中直径径≥3-5um的液滴雾沫，液体捕集效率达到98％-99.8％，而蒸汽通过除沫器的压力降损失在250-500Pa之间。

3.固液分离器：

固液分离器为罐体结构，内部设置固定在列管换热器管板上的圆筒状导流装置，上端通过物料溶液管路与蒸发罐连接，下端与列管换热器上端、颗粒循环管上端连接。固液分离器靠近底部的部分为颗粒存储区，上部的部分为固液分离区，含有颗粒的料液从列管换热器的换热管上端口流出进入导流筒，流经导流筒后进入液固分离区依靠重力进行固体颗粒与液体的分离，分离出的固体颗粒下行进入到颗粒存储区，颗粒在自重力与流体力作用下，通过颗粒循环管下流到列管换热器底部连接的混合管内，在流体力作用下，均匀流化混合，通过母液的上升作用，将颗粒重新带回列管换热器换热管内，形成颗粒、水、汽、物料结晶晶体颗粒共存多相流体流动状态，实现颗粒物的自循环运行。而分离出的液体流向液固分离器的顶部，经固液分离器与蒸发罐的连接管流进蒸发罐，连接管的出口与回流筒的底部连接，回流筒的顶部为圆锥形、漏斗状，其将加热后的高温料液导流至蒸发液面处，从而促进液体在气液界面处的挥发。

4.列管换热器：

列管换热器技术成熟，工业应用广泛，主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢、钛材制作。在进行换热时，物料由封头的连结管处进入，在管内流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另一种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。

运行期间颗粒从管程进入，形成在管程内的多相流运行状态，实现列管换热器换热效率提高10％以上，实现换热管壁清洁、不结垢、不污堵、其管内物料溶液流速达到1.5米/s以上。

5.颗粒循环管：

颗粒循环管可以是单根或多根竖直圆管或异形管，顶端管口与颗粒储存区域连接，下端管口与列管式换热器的底部封头连接，在颗粒循环管的低端设置控制阀门用于控制和调节固体颗粒循环流量。循环管的管径是列管换热器单根管径的2-5倍，作为颗粒下降回流的通道。材质选用耐腐蚀材料。

6.母液循环管：

母液循环管与结晶罐上端、循环泵、列管换热器、颗粒循环管底部混合管、固液分离器、蒸发罐连接，形成封闭管路，母液在管路内循环，母液循环管11在循环泵前物料出口前分支出淘洗管，淘洗管与淘洗腿连接，分出的料液作为淘洗腿的淘洗液。母液循环管可采用碳钢、不锈钢、钛材等金属材料，母液循环管内过饱和物料的流体整体流速低于2米/s。

7.结晶罐：

结晶罐上部为圆筒体下部为圆锥体结构，上部圆筒体部分为晶浆液固分离澄清区，下部圆锥体部分为流化床晶体成长区，能实现连续结晶。经盐脚进入结晶罐内的晶浆溶液，在结晶罐内进行晶体孵化和生长，溶液中过饱和的物料不断沉积在悬浮晶体颗粒表面，使晶体逐步长大、生长成大颗粒晶体，大粒径晶体颗粒在重力沉降作用下，进入淘洗腿，较小粒径的晶体则在结晶罐内物料溶液的循环流动作用下而保持液固流化床形态，直至小晶粒在结晶罐内逐步长大成符合粒径要求的结晶体为止。其物料结晶的颗粒粒径可调，粒径可满足超过0.25mm以上的要求。

8.盐脚：

盐脚是过饱和晶浆进入结晶罐的输送管路，蒸发室内的含有晶体的物料析出后，在循环泵驱动母液循环流体力和重力作用下，沉降进入盐脚，流经盐脚后从盐脚排出口进入结晶罐底部并折流向上，大粒径结晶进入淘洗腿，小颗粒结晶随着折流向上的溶液进入结晶罐的流化床晶体生长区，在具有过饱和度母液的循环过程中，晶体颗粒逐步聚集、附着、长大，大颗粒沉降到淘洗腿内。其物料结晶的颗粒粒径可调，粒径可满足超过0.25mm以上要求。

9.淘洗腿：

淘洗腿具备对晶浆物料溶液流化、降温、浮选作用，其与来自母液循环管连接的淘洗管管路连接，通过淘洗去除物料晶浆中晶体表面附着杂质，起到提高物料结晶体纯度的作用；通过控制淘洗液用量和流速，实现对结晶粒度的控制。

10.淘洗管

淘洗管上端与淘洗腿连接，下端与母液循环管连接，母液循环管一部分通过淘洗管进入淘洗腿，其作用是实现对淘洗腿内含有水分的结晶体物料进行淘洗，淘洗液体通过溶解结晶体物料内不饱和的杂质等，去除晶体表面附着杂质，净化了结晶物料，提高了结晶物料的纯度。

10.循环泵：

采用轴流泵或混流泵，循环泵是一种普遍应用的设备。其过流件根据物料可选择不锈钢304、不锈钢316L、钛材等。循环泵起到驱动料液加速在料液循环管、列管换热器、蒸发罐、导流筒形成的闭路料液循环流速，从而起到列管换热器换热效率高、惰性颗粒与物料混合均匀无死角，颗粒在加速流体的驱动下，强化换热与提高防垢、除垢效果的作用，其料液设计流速超过1.5米/秒以上。

11、颗粒调节阀门

其过流件根据物料可选择不锈钢304、不锈钢316L、钛材等、起到调节下降颗粒流量的作用。

12、导流筒：

圆柱形管柱，与列管换热器上段物料溶液出口连接、导流筒与固液分离器形成颗粒存储区，同时起到向上引流的作用。

该蒸发结晶系统的工艺原理如下：

待结晶的物料溶液通循环泵1前管路进入列管换热器2的底部连接的混合管15内、混合管15内形成固体颗粒混合流化缓冲空间，使循环颗粒与流体能充分混合和流化，实现固体颗粒在换热管束中的分配较为均匀，从而保证了换热器的防垢和强化传热效果；

列管换热器2壳程通入加热蒸汽，物料溶液在列管换热器2管程内形成颗粒、物料、水、蒸汽多相流体，含颗粒的流体在列管加热器2的加热管内向上流动，物料溶液在列管换热器2管程内形成多相流体流化状体，形成沸腾、冲击、扰动的效应，破坏加热管壁面的热边界层和结垢的临界生成状态，防止结垢物的附着，保持加热管壁的清洁，从而达到强化传热和防止结垢的目的、含颗粒的流体物料溶液经加热管上端出口排出后在导流筒3作用下进入固液分离器4内，固液分离器4内底部空间区域为颗粒贮存区，上部分空间为颗粒固液分离区，颗粒与流体通过重力沉降的作用实现固液分离，颗粒贮存区在重力作用下经过上下竖直布置的颗粒循环管5向下流动，重新返回到列管加热器2底部混合管15内，颗粒与物料溶液混合、分离、混合，如此往复，实现颗粒在列管加热器2内的自循环流动模式；通过固液分离器4分离出的物料溶液通过管路进入蒸发罐7，在蒸发罐7顶部连接的汽液分离器8内实现汽液分离，分离出的蒸汽通过汽液分离器8、蒸发罐7顶部蒸汽出口排出；在蒸发罐7内被加热浓缩的过饱和溶液通过蒸发罐7底部连接的盐脚9进入结晶罐10底部，含有过饱和晶浆的溶液在结晶罐10内实现晶体的生长，含有结晶物固体料的晶浆溶液进入淘洗腿12，利用来自淘洗管13的循环溶液对淘洗腿12内结晶物料进行淘洗、提纯，经过淘洗后的含晶浆的结晶物料从晶浆出口排出。

实施案例：

以高硬度饱和盐水为传热工质进行了千吨级中级试验，考察该技术防结垢和强化传热效果，以及对产品盐结晶粒度的控制效果。中试装置的加热面积为10m²(加热管为铜管，尺寸为：直径φ45×3.5mm、长2m，管数为37根)。

中试结果表明：在没有加入惰性固体颗粒时，运行15小时传热系数即有明显的下降；而加入固体颗粒后，连续运行240小时，传热系数没有降低，蒸发量没有明显下降。加入固体颗粒前总传热系数为1500～1800W/(m²·℃)，而加入固体颗粒后总传热系数可达2500W/(m²·℃)以上，总传热系数平均提高50％以上。连续运行240小时后停车，打开换热器观察，发现加热管壁光亮无结垢，证明技术具有很好的防除垢和强化传热效果。采用泰勒标准筛对产品盐进行粒度分析，结晶粒度可在0.1～1.5mm范围内进行调控，调控目标值能达到80％以上，这表明通过控制淘洗腿母液循环流量，能实现对结晶产品粒度的有效控制。

以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种防结垢蒸发结晶系统，其特征在于，包括循环泵(1)、列管换热器(2)、导流筒(3)、固液分离器(4)、颗粒循环管(5)、颗粒调节阀门(6)、蒸发罐(7)、汽液分离器(8)、盐脚(9)、结晶罐(10)、母液循环管(11)、淘洗腿(12)、淘洗管(13)、淘洗液调节阀(14)、混合管(15)和回流筒(16)；

母液循环管(11)的出口与循环泵(1)进口连接、循环泵(1)出口分别通过溶液管路与淘洗管(13)的下端管口和混合管(15)底部连接、混合管(15)顶部与列管换热器(2)的底部和颗粒循环管(5)的下端出料口连接，所述列管换热器(2)通过连接在顶部的导流筒(3)与固液分离器(4)的底部连接，所述颗粒循环管(5)的顶端管口与固液分离器(4)的底部连接，所述颗粒循环管(5)上设置颗粒调节阀门(6)，所述固液分离器(4)的顶部通过管路与蒸发罐(7)的底部侧壁连接，并延伸到所述蒸发罐(7)内部，所述回流筒(16)连接在延伸到所述蒸发罐(7)内部的管路的管口处，且所述回流筒(16)的开口向上，所述蒸发罐(7)的顶部与汽液分离器(8)连接，所述蒸发罐(7)通过连接在底部的盐脚(9)与结晶罐(10)连接，所述结晶罐(10)的上端侧壁连接母液循环管(11)入口，所述结晶罐(10)的底部与淘洗腿(12)连接，所述淘洗腿(12)的侧壁与淘洗管(13)的顶部管口连接，所述淘洗腿(12)的底部为晶浆出口，所述淘洗管(13)的底部与淘洗液调节阀(14)上端进口连接，所述淘洗液调节阀(14)下端口通过管路与循环泵(1)出口前管路连接。

2.根据权利要求1所述的一种防结垢蒸发结晶系统，其特征在于，所述汽液分离器(8)的顶部设置除沫器。

3.根据权利要求1所述的一种防结垢蒸发结晶系统，其特征在于，所述颗粒循环管(5)采用单根或多根竖直的圆管或异形管。

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