三效蒸發工藝自動化改造方案探討

陸琳 金洪兆 楊山

摘 要：深入討論三效蒸發工藝自動化改造方案、實施要點及注意事項，介紹了可能發生的各種故障及處理方法，同時指出一些目前未能實現的功能，簡述未來改進方向。

關鍵詞：三效蒸發;自動化改造;硫酸銨

1 ? ?工藝原理

三效蒸發工藝是利用濃縮結晶系統將物料中的水通過蒸發的方式去除，使產物得到提純濃縮的方法。三效蒸發系統由相互串聯的3個蒸發器、冷凝器、真空系統、分離系統等組成。低溫（90 ℃左右）加熱蒸汽被引入第一效以加熱其中的物料，物料受熱后在負壓分離室產生二次蒸汽，并被引入第二效作為加熱蒸汽，第二效更高的負壓使物料以比第一效更低的溫度進行蒸發，這個過程一直重復到最后一效。第一效蒸汽凝水返回熱源處循環使用，其他各效凝水匯集后作為淡化水輸出。同時，硫酸銨物料經過多效蒸發依次濃縮，在末效達到過飽和而析出結晶，由此實現固鹽與物料的固液分離。

2 ? ?主要控制方案

2.1 ?蒸發器分離室液位控制

目前，大部分的三效蒸發控制方案圍繞分離室液面控制展開。為控制本級分離室液面，調整上一級給料變頻泵控制流量，防止分離室液面超最高限，造成分離室翻液，料液進入冷凝水系統腐蝕設備及管道現象;同時液面也不能過低，低于最低限制液位時，料液在加熱室列管中迅速結晶，造成列管結垢甚至堵管，影響系統傳熱甚至導致非計劃停工。

2.2 ?加熱蒸汽壓力控制

加熱蒸汽是整個蒸發系統的主要動力來源，是結晶產品穩定性的重要保證。蒸汽從系統管網引入，測量壓力、流量、溫度等參數。管網蒸汽壓力過高，可通過增設減溫減壓器作調整。通常情況下，通過調節蒸汽進設備主線上的籠式閥開度可保證蒸汽系統壓力的穩定性。高溫導致蒸汽進入蒸發室，料液被快速蒸發并在管層結垢阻塞;過低的蒸汽溫度會導致結晶緩慢、顆粒細小、產品不達標。

2.3 ?不凝氣抽除效果控制

由于原料自身會夾雜部分殘留氣體、游離態的熱解物質等，在三效蒸發器加熱室形成少量的不凝氣體[1]。這些氣體越積越多，嚴重影響加熱室換熱效果。因此，在設備設計方面應予以重點考慮。在控制方案上，根據水環真空泵入口壓力，調節泵變頻輸出，在保證系統負壓滿足需求的同時，加強不凝氣抽氣效果和加熱室傳熱效果，降低能耗[2-3]。

2.4 ?循環管料液固液比控制

固液比能夠準確判斷各效實際蒸發效果，對控制產品質量、降低系統能耗有重要意義。

固液比是依據對料液密度的測量，輔以某些物理量關系計算得出結論。測量原理上，諧振式液體密度傳感器使用最為普遍，分為振動管式密度計、科氏質量流量計、音叉式密度計3類，例如音叉式密度計。它是利用小質量的音叉在液體中振動時固有頻率的變化來測量液體密度，將音叉直接安裝在管線上，用微處理器來控制音叉的振動頻率和檢驗諧振頻率，并將頻率量轉化成密度值。值得注意的是，密度計應放在能迅速表征物料密度的位置，建議放在出料管后流速穩定的直管段，減小測量誤差。安裝時，叉音探頭的開口部分應與水平面垂直，便于上排氣泡、下排沉積物，必要時加裝物料沖洗線，定時清洗探頭，避免雜質沉積以及氣體積聚對測量造成影響[4]。

操作人員在實際生產過程中，可以根據本效固液比數值，估算該效料液中組分的含量，及時調整該效進料流量和出料流量的配比，蒸發罐液面也同時配合參與調整。

當固液比偏高時，增加本效出料量、降低母液進料流量，前效來料補償液位，以補充低濃度料液、替換高濃度料液，起到降低固液比的作用;當固液比偏低時，加大母液流量，減小本效出料，前效進料流量調節本效液位，視工況條件，調整前效進料流量，穩定前效液位。經調整，系統達到新的平衡穩態，保證蒸發系統穩定高效運行。

3 ? ?自動化改造方案

三效蒸發系統的開停工過程較為復雜，各蒸發單元相互聯系、環環相扣。操作工手動操作的工作量較大，且有一定的安全風險。其流程性、連續性、相關性的特點十分符合自動化程序控制的應用場景，完全可以按照預先設置好的程序控制方案，全自動開車至穩態運行，全程無需人工干預，既安全可靠又減人增效。

以3效-1效-2效順序開車流程為例。

3.1 ?系統投料

自控程序啟動，檢查各個閥門、機泵的狀態，初始化異常狀態的設備。不能初始化的閥門會彈出錯誤信息，并暫停運行程序，直至異常狀態解除并確認后，方可執行程序。

在滿足啟動條件后，按順序開啟原料、冷凝水預熱器進出口閥門和三效蒸發器循環管進料閥門，啟動進料泵，開啟進料泵出口閥門，打開三效循環泵。三效蒸發器達到工藝規定液位后，開啟三效循環管出料閥門、三效過料泵進口閥門、一效蒸發器循環管進料閥門，啟動三效過料泵，開啟三效過料泵出口閥門并打開一效循環泵。一效蒸發器液位達到工藝要求后，開啟一效蒸發器循環管出料閥門、一效過料泵進料閥門、二效蒸發器分離室進料閥門，啟動一效過料泵，開啟一效過料泵出口閥門并打開二效循環泵。二效蒸發器液位達到工藝要求后，打開二效出料閥，出料至旋流器進行下一道工序。整個過程中，逐步建立3個蒸發器液位動態平衡，注意各液面波動情況，避免出現抽空或翻液現象。

3.2 ?系統通汽

一效物料自循環建立完成后，自動程序依次開啟蒸汽進氣調節閥、回水閥、一效蒸發器加熱室（A/B）進汽閥門、二效蒸發器加熱室（A/B）進汽閥門、三效蒸發器加熱室（A/B）進汽閥門及乏汽預熱器相關閥門，打通一、二次蒸汽流路，達到蒸汽加熱條件。當一效溫度達到80%工藝設定點時，開啟間接冷凝器循環水系統，逐步達到工藝要求真空條件。當一效蒸發器料液液位下降后，調節三效轉料泵補液位，同時開啟進料泵對三效蒸發器進行補液，二效液位下降后，調節一效過料泵對二效進行補液，二效料液濃縮結晶達到工藝要求后（以實測固液比為判斷依據），開啟二效蒸發器循環管出料閥門、出料泵進口閥門、旋流器進出口閥門，啟動出料泵，開啟出料泵出口閥門出料。三效分離室產生的二次蒸汽進入乏汽預熱器，為原料提供預熱熱源，未冷凝的蒸汽去間接冷凝器繼續冷凝，冷凝水至冷凝水罐循環利用。

系統進入穩態調節，各效壓力、溫度等按照工藝要求進行自動化生產。一鍵啟動程序讓出控制權，各控制器根據干擾及偏差各自回路調節。

3.3 ?系統停車流程

控制系統各效低液位（例如低報15%），一效加熱室溫度降至30 ℃以下，經過約0.5 h后關閉蒸汽總管氣動閥、一效加熱室蒸汽進汽閥門，打開各效蒸發器放空閥，使系統正常轉料。當各效液位低于報警值時（例如低報10%），調大母液泵變頻來調節進二效分離室流量，保證各效液位在工藝要求范圍內（10%～15%），各效料液固液比降至15以下后，關停轉料泵、出料泵、母液泵，一次水總管向各效分別繼續加水化結晶，各效固液比降至10以下后，關停加水閥門，分別打開一、二、三效事故閥以及母液罐進料閥，排料液至母液罐（見圖1）。

4 ? ?效果評價及待優化的問題

在降本增效方面，應用自動控制一鍵啟停，可以實現在線實時監測物料比重，實時獲取物料固液比，間接獲取組分信息，做到心中有“數”，有利于系統一直保持在最優狀態下運行，同時降低了工人勞動強度，減少了外操人員數量，提高了生產工作效率[5]。

但是，在系統加減量和受到較強擾動的情況下，各效相互關聯，系統的穩定狀態將會受制于進料量、出料量、蒸發熱負荷、分離室液位等多個因素的影響，如何在最短時間內使系統重新恢復穩定狀態，不同的操作人員操作將會有不同的效果。如采用當前較為成熟的多變量預測控制系統，可大大提高操作質量，縮短恢復穩態的時間，效果值得期待。

三效蒸發工藝技術成熟，功效優良，經濟效果明顯，被廣泛應用于各行業分離提純工序。在我國推行環保節約型經濟發展模式的大背景下，三效蒸發器提純工藝的全自動化應用具有較大的推廣價值。

[參考文獻]

[1]張紹坤.三效蒸發器在高含鹽廢水處理中的應用[J].中國環保產業，2011（11）：37-40.

[2]羅大忠.真空制鹽蒸發結晶器的設計與實踐[J].中國井礦鹽，2003，34（5）：9-14.

[3]黃猛，鄭盛果，巫少斐.自動控制系統在蒸發工段中的應用[J].甘蔗糖業，2013（5）：34-37.

[4]朱向光，王良.音叉振動密度計在固液比在線測量上的應用探討[J].中國井礦鹽，2012（6）：18-21.

[5]于現軍，李傳芳.燒堿蒸發工藝的自動化控制技術應用總結[J].氯堿工業，2000（1）：24-26，34.