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三效蒸发工艺自动化改造方案探讨

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陆琳金洪兆杨山

摘要：深入讨论三效蒸发工艺自动化改造方案、实施要点及注意事项，介绍了可能发生的各种故障及处理方法，同时指出一些目前未能实现的功能，简述未来改进方向。

关键词：三效蒸发;自动化改造;硫酸铵

1 ? ?工艺原理

三效蒸发工艺是利用浓缩结晶系统将物料中的水通过蒸发的方式去除，使产物得到提纯浓缩的方法。三效蒸发系统由相互串联的3个蒸发器、冷凝器、真空系统、分离系统等组成。低温（90 ℃左右）加热蒸汽被引入第一效以加热其中的物料，物料受热后在负压分离室产生二次蒸汽，并被引入第二效作为加热蒸汽，第二效更高的负压使物料以比第一效更低的温度进行蒸发，这个过程一直重复到最后一效。第一效蒸汽凝水返回热源处循环使用，其他各效凝水汇集后作为淡化水输出。同时，硫酸铵物料经过多效蒸发依次浓缩，在末效达到过饱和而析出结晶，由此实现固盐与物料的固液分离。

2 ? ?主要控制方案

2.1 ?蒸发器分离室液位控制

目前，大部分的三效蒸发控制方案围绕分离室液面控制展开。为控制本级分离室液面，调整上一级给料变频泵控制流量，防止分离室液面超最高限，造成分离室翻液，料液进入冷凝水系统腐蚀设备及管道现象;同时液面也不能过低，低于最低限制液位时，料液在加热室列管中迅速结晶，造成列管结垢甚至堵管，影响系统传热甚至导致非计划停工。

2.2 ?加热蒸汽压力控制

加热蒸汽是整个蒸发系统的主要动力来源，是结晶产品稳定性的重要保证。蒸汽从系统管网引入，测量压力、流量、温度等参数。管网蒸汽压力过高，可通过增设减温减压器作调整。通常情况下，通过调节蒸汽进设备主线上的笼式阀开度可保证蒸汽系统压力的稳定性。高温导致蒸汽进入蒸发室，料液被快速蒸发并在管层结垢阻塞;过低的蒸汽温度会导致结晶缓慢、颗粒细小、产品不达标。

2.3 ?不凝气抽除效果控制

由于原料自身会夹杂部分残留气体、游离态的热解物质等，在三效蒸发器加热室形成少量的不凝气体[1]。这些气体越积越多，严重影响加热室换热效果。因此，在设备设计方面应予以重点考虑。在控制方案上，根据水环真空泵入口压力，调节泵变频输出，在保证系统负压满足需求的同时，加强不凝气抽气效果和加热室传热效果，降低能耗[2-3]。

2.4 ?循环管料液固液比控制

固液比能够准确判断各效实际蒸发效果，对控制产品质量、降低系统能耗有重要意义。

固液比是依据对料液密度的测量，辅以某些物理量关系计算得出结论。测量原理上，谐振式液体密度传感器使用最为普遍，分为振动管式密度计、科氏质量流量计、音叉式密度计3类，例如音叉式密度计。它是利用小质量的音叉在液体中振动时固有频率的变化来测量液体密度，将音叉直接安装在管线上，用微处理器来控制音叉的振动频率和检验谐振频率，并将频率量转化成密度值。值得注意的是，密度计应放在能迅速表征物料密度的位置，建议放在出料管后流速稳定的直管段，减小测量误差。安装时，叉音探头的开口部分应与水平面垂直，便于上排气泡、下排沉积物，必要时加装物料冲洗线，定时清洗探头，避免杂质沉积以及气体积聚对测量造成影响[4]。

操作人员在实际生产过程中，可以根据本效固液比数值，估算该效料液中组分的含量，及时调整该效进料流量和出料流量的配比，蒸发罐液面也同时配合参与调整。

当固液比偏高时，增加本效出料量、降低母液进料流量，前效来料补偿液位，以补充低浓度料液、替换高浓度料液，起到降低固液比的作用;当固液比偏低时，加大母液流量，减小本效出料，前效进料流量调节本效液位，视工况条件，调整前效进料流量，稳定前效液位。经调整，系统达到新的平衡稳态，保证蒸发系统稳定高效运行。

3 ? ?自动化改造方案

三效蒸发系统的开停工过程较为复杂，各蒸发单元相互联系、环环相扣。操作工手动操作的工作量较大，且有一定的安全风险。其流程性、连续性、相关性的特点十分符合自动化程序控制的应用场景，完全可以按照预先设置好的程序控制方案，全自动开车至稳态运行，全程无需人工干预，既安全可靠又减人增效。

以3效-1效-2效顺序开车流程为例。

3.1 ?系统投料

自控程序启动，检查各个阀门、机泵的状态，初始化异常状态的设备。不能初始化的阀门会弹出错误信息，并暂停运行程序，直至异常狀态解除并确认后，方可执行程序。

在满足启动条件后，按顺序开启原料、冷凝水预热器进出口阀门和三效蒸发器循环管进料阀门，启动进料泵，开启进料泵出口阀门，打开三效循环泵。三效蒸发器达到工艺规定液位后，开启三效循环管出料阀门、三效过料泵进口阀门、一效蒸发器循环管进料阀门，启动三效过料泵，开启三效过料泵出口阀门并打开一效循环泵。一效蒸发器液位达到工艺要求后，开启一效蒸发器循环管出料阀门、一效过料泵进料阀门、二效蒸发器分离室进料阀门，启动一效过料泵，开启一效过料泵出口阀门并打开二效循环泵。二效蒸发器液位达到工艺要求后，打开二效出料阀，出料至旋流器进行下一道工序。整个过程中，逐步建立3个蒸发器液位动态平衡，注意各液面波动情况，避免出现抽空或翻液现象。

3.2 ?系统通汽

一效物料自循环建立完成后，自动程序依次开启蒸汽进气调节阀、回水阀、一效蒸发器加热室（A/B）进汽阀门、二效蒸发器加热室（A/B）进汽阀门、三效蒸发器加热室（A/B）进汽阀门及乏汽预热器相关阀门，打通一、二次蒸汽流路，达到蒸汽加热条件。当一效温度达到80%工艺设定点时，开启间接冷凝器循环水系统，逐步达到工艺要求真空条件。当一效蒸发器料液液位下降后，调节三效转料泵补液位，同时开启进料泵对三效蒸发器进行补液，二效液位下降后，调节一效过料泵对二效进行补液，二效料液浓缩结晶达到工艺要求后（以实测固液比为判断依据），开启二效蒸发器循环管出料阀门、出料泵进口阀门、旋流器进出口阀门，启动出料泵，开启出料泵出口阀门出料。三效分离室产生的二次蒸汽进入乏汽预热器，为原料提供预热热源，未冷凝的蒸汽去间接冷凝器继续冷凝，冷凝水至冷凝水罐循环利用。

系统进入稳态调节，各效压力、温度等按照工艺要求进行自动化生产。一键启动程序让出控制权，各控制器根据干扰及偏差各自回路调节。

3.3 ?系统停车流程

控制系统各效低液位（例如低报15%），一效加热室温度降至30 ℃以下，经过约0.5 h后关闭蒸汽总管气动阀、一效加热室蒸汽进汽阀门，打开各效蒸发器放空阀，使系统正常转料。当各效液位低于报警值时（例如低报10%），调大母液泵变频来调节进二效分离室流量，保证各效液位在工艺要求范围内（10%～15%），各效料液固液比降至15以下后，关停转料泵、出料泵、母液泵，一次水总管向各效分别继续加水化结晶，各效固液比降至10以下后，关停加水阀门，分别打开一、二、三效事故阀以及母液罐进料阀，排料液至母液罐（见图1）。

4 ? ?效果评价及待优化的问题

在降本增效方面，應用自动控制一键启停，可以实现在线实时监测物料比重，实时获取物料固液比，间接获取组分信息，做到心中有“数”，有利于系统一直保持在最优状态下运行，同时降低了工人劳动强度，减少了外操人员数量，提高了生产工作效率[5]。

但是，在系统加减量和受到较强扰动的情况下，各效相互关联，系统的稳定状态将会受制于进料量、出料量、蒸发热负荷、分离室液位等多个因素的影响，如何在最短时间内使系统重新恢复稳定状态，不同的操作人员操作将会有不同的效果。如采用当前较为成熟的多变量预测控制系统，可大大提高操作质量，缩短恢复稳态的时间，效果值得期待。

三效蒸发工艺技术成熟，功效优良，经济效果明显，被广泛应用于各行业分离提纯工序。在我国推行环保节约型经济发展模式的大背景下，三效蒸发器提纯工艺的全自动化应用具有较大的推广价值。

[参考文献]

[1]张绍坤.三效蒸发器在高含盐废水处理中的应用[J].中国环保产业，2011（11）：37-40.

[2]罗大忠.真空制盐蒸发结晶器的设计与实践[J].中国井矿盐，2003，34（5）：9-14.

[3]黄猛，郑盛果，巫少斐.自动控制系统在蒸发工段中的应用[J].甘蔗糖业，2013（5）：34-37.

[4]朱向光，王良.音叉振动密度计在固液比在线测量上的应用探讨[J].中国井矿盐，2012（6）：18-21.

[5]于现军，李传芳.烧碱蒸发工艺的自动化控制技术应用总结[J].氯碱工业，2000（1）：24-26，34.

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