[发明专利]多单元加热系统

说明书

本发明涉及一种多单元加热系统。该系统特别用于以尽可能减小鳞垢沉积的有害效果的方式通过在一临界温度区域把矿浆温度提高，该临界温区是指鳞垢沉积的可能性达到最大的区域。

在铝土提纯工业中一直在开发用于闪蒸设备的这种加热器系统，但是，本发明的应用并不限于上述行业，还可扩展到遇到下述相似或相同工艺问题的各行各业。

为了理解本发明展现的优点的来龙去脉，具体涉及到铝土提纯工业，解释一些该行业所面临的问题是有帮助的。为此，现就有关过程进行描述。

铝土或氧化铝，其化学式为Al₂O₃。这是一种重要矿物质，在工业上用于制造从磨料到金属铝的广泛领域的产品。其大量的存在形式是铝土矿，其中铝土表现为水合物和硅酸盐的形式；其中水合物表现为氧化铝单水合物和氧化铝三水合物，这些才是要提纯的化合物，必须将其从其余矿物中分离出来。典型的有商业开采价值的铝土矿包含从大约30％到大约60％的可提纯铝土。

在工业上，铝土的提纯由Bayer法来完成，这是根据在1888年发明该方法的奥地利化学家K.J.Bayer的名字来命名的。在该过程中，精细磨碎的铝土与水溶性苛性苏打溶液相混合并受到加热，这使氧化铝水合物发生溶解，从而使其与残留固体物质相分离。在商业上，通过沉淀再加上过滤来完成后一步。

冷却过滤后的液体与加热过程产生相反的效果，原来溶解的氧化铝水合物淀析出来，而剩余的液体回复到起始状态并可重新使用而重复这一过程。该过程的温度范围取决于铝土矿的品质，在此，煮解三水合物矿所需温度低于150℃，而煮解单水合物矿所需温度则高达300℃。

在生产厂，铝土提纯通常连续进行且规模宏大，根据Bayer法的要求，苛性母液连续循环并且交互加热和冷却。然而，由于作业规模大，母液流的含能量很高，特别是对于高温提纯，有效的能量利用对于生产厂的节约和竞争力是至关重要的。因此炼铝厂所安装设备中有很大部分是用于热能回收。

热能回收的主要区域在于提纯的煮解区，此处热量从流出的热Bayer母液传到流入的冷铝土矿浆。这在管式加热器中完成，其中，冷矿浆流过管子内部而热闪蒸蒸汽流过管子的外部，蒸汽在较冷的管子上凝结而使其释放蒸发热，而该热量又被冷浆流吸收。

加热过程通常分若干分段进行。热力学理论表明，这种热能回收过程的效率随所用的加热分段数量而提高。实际上，分段的数目受经济方面限制；具体说，每增加一分段需要更多的设备，而且超过一定程度，效率的小幅度提高并不足以抵付附加的投资。

正是在Bayer法工厂、特别是高温Bayer工厂的煮解区的管状加热器中出现一些问题，这显著地增加了设备的资本投资及运行和维护该系统的费用。

特别是为了用Bayer法处理同时含有氧化铝单水合物和氧化铝三水合物的铝土矿，必须把铝土矿浆和苛性苏打溶液加热到高达300℃以成功地溶解氧化铝单水合物。然而，正如下面将要详述的那样，这要求矿浆通过来自于矿浆的鳞垢沉积达到一峰值的温度。

在这方面，随着温度升高，三水合物易于溶进溶液，但部分三水合物转化为单水合物，在达到一更高温度之前，单水合物不易溶解，从而单水合物鳞垢易于析出而沉积在加热器壁面上。同样，其他类型的鳞垢，如硅酸盐和钛酸盐也沉积下来。

在任一加热器单元上与鳞垢堆积相关联的主要问题是其严重影响热交换系数，鳞垢沉积也增加对流体流动的阻力，从而显著地增加为保持通过本装置所要求的流量所需的水压梯度。为了使加热器因除垢而停机的时间间隔(清洗循环)尽可能少而可以接受，通常在初始设计中采用宽裕的安全系数。结果，与鳞垢沉积不显著的行业的相应的加热器相比，这种加热器所具有的表面积要多几倍，这显著地增加了加热器管路的总长度；泵压水头因而提高，这又要求设备及其联接管道承受比其他情况下更高的压力。

很清楚，这些设计裕度其总的效果是对生产厂的设备的资本投资和运行费用产生重大影响。

进一步说，尽管在设计和设备花费中加入了大的安全系数，但其服役寿命仍然有限，仍需要相当长的停机时间对管道除垢和进行相关的维修，如更换堵塞的管子等。因而，在本行业通常的做法是设置充足的备用设备，因而，可轮流进行清洗而不影响工厂生产或作业的连续性。实际上，在大型提纯工厂通常在热能回收区段拥有30-50％的备用设备。

最后，加热器的热性能与蒸发容器中的闪蒸蒸汽的产生速率直接相关，而这与从加热器串中收集的凝水的品质和利用率有重要关系。