Edward Throp, Fluent Europe Ltd, Curtis Marsh, Aughinish Alumina
Вычислительная гидродинамика (CFD) обеспечивает возможность точного моделирования поведения жидкости в разнообразных аппаратах, установках и комплексах химической и перерабатывающей промышленности. В данной статье рассказывается об опыте использования CFD для оптимизации процессов сепарации на одном из крупнейших в Европе рафинировочном заводе, занимающемся производством первичного алюминия.
С марта 2007 года Aughinish Alumina (Ирландия) входит в состав глиноземного отделения объединенной компании «Русский алюминий». Ранее Aughinish являлась дочерней компанией Glencore International AG.
Компания использует метод Байера для производства глинозема (Al2O3), который является исходным сырьем для получения алюминия и некоторых видов керамики. В период строительства этого глиноземного завода (1978-1983 годы) он являлся крупнейшим частным инвестиционным проектом (порядка 1 млрд евро) в Европе. В первый же год своей работы завод произвел более 640 тыс. т глинозема. Успех компании и потребность в ее продукции привели к росту ее производства в последующие десятилетия, и в результате к 2005 году компания вышла на уровень в 1,6 млн т в год. К концу 2006-го планировалось увеличить объем производства глинозема еще на 200 тыс. т. Однако компания столкнулась с проблемой, связанной с тем, что последний (из 11) испаритель в батарее был рассчитан на работу с производительностью значительно меньшей, чем требуется для такого существенного увеличения объемов производства.
Рис. 1. Исходная конструкция испарителя
Наиболее простым и распространенным способом извлечения из бокситовой руды гидроокиси алюминия является способ, предложенный Байером. Он основан на способности гидроокиси алюминия хорошо растворяться при высокой температуре (более 250 °С) и высоком давлении (~5000 кПа) в растворе гидроокиси натрия (NaOH) высокой концентрации. Бесполезные для получения алюминия вещества, входящие в состав боксита, при этом не переходят в растворимую форму и выпадают в осадок. Полученный раствор алюмината натрия NaAlO2 затем попадает в испарительный блок (в большинстве случаев это 8-10 последовательно соединенных испарителей), снабженный сепаратором для отделения пара от жидкости.
Следующей задачей после выщелачивания является задача отделения раствора от твердых включений. Наиболее экономичным методом отделения твердых частиц от раствора является осаждение, то есть процесс накопления твердого осадка на дне сосуда за счет его постепенного падения в жидкости. Далее следует этап декомпозиции, который сводится к самопроизвольному разложению алюминатного раствора на гидроокись алюминия А1(ОН)3 и щелочь NaOH. Неравновесность этого процесса обеспечивается кристаллизацией гидроокиси алюминия с постепенным ростом кристаллов. Для сдвига равновесия в раствор вводится затравка — некоторая масса мелких кристаллов, на которых начинают нарастать новые слои гидроокиси.
Конечный продукт (глинозем) получают из гидрата окиси алюминия путем прокаливания (кальцинации) при очень высоких температурах (свыше 1000 °С) в специальных печах.
На рис. 1 показана исходная конструкция испарителя. Хорошо видно, как струя раствора, поступающего в сосуд через входной патрубок, ударяется в поверхность раствора на днище сосуда, «отражается» от нее и отбрасывается на стенку сосуда. Данная проблема, а также недостаточная сепарация приводят к образованию накипи на стенках сосуда. Ситуация усугубляется при увеличении объема раствора, поступающего в испарительный блок.
Испаритель представляет собой сосуд высокого давления, на входе в который установлен специальный регулятор для контроля давления внутри сосуда. Выходя из регулятора с большой скоростью в пространство с давлением ниже давления кипения, раствор пульпы (смесь жидкости и твердых включений) вскипает, происходит сильное пароотделение. Пар поднимается вверх сосуда к выходному патрубку и далее попадает в теплообменный блок. При этом жидкость (раствор) опускается на дно сосуда, где она накапливается и направляется в следующий испаритель.
Рис. 2. Исходный вариант конструкции испарителя
Последний испаритель на глиноземном заводе Aughinish имеет относительно малые размеры, если учитывать планируемое увеличение производительности. Однако вариант его замены на сосуд с большими размерами был отвергнут как экономически невыгодный.
Главный вопрос (при сохранении исходного размера испарителя) заключался в том, насколько усугубятся уже существующие проблемы при дальнейшем росте производительности. К этим проблемам можно отнести следующие:
- пар недостаточно эффективно отделялся от жидкого раствора, наблюдалось его загрязнение (твердыми включениями);
- значительная доля твердых частиц осаждалась на стенке сосуда (в виде накипи). Это еще больше уменьшало объем сосуда, что влияло на эффективность процесса
сепарации внутри сосуда и ограничивало доступ в сосуд для ремонта патрубков. Дополнительное осаждение накипи происходит вокруг выходного патрубка в верхней части сосуда. Соответственно уменьшается сечение патрубка и происходит увеличение давления внутри сосуда, что не лучшим образом сказывается на качестве отводимого пара. Более того, загрязненный пар снижает эффективность работы теплообменного оборудования (ухудшаются условия теплообмена во внутреннем тракте теплообменника). Толщина накипи на стенках выходного трубопровода требует ежегодной замены клапанов на этой линии, что приводит к дополнительным издержкам.
Отдельная, но существенная проблема состояла в эрозии входного патрубка под действием твердых частиц, содержащихся в растворе.
Глиноземный завод Aughinish постоянно использует более 250 тыс. м3 технологического раствора, непрерывно циркулирующего по резервуарам, сосудам высокого давления и трубопроводам в течение 364 дней в году — всего на один день технологические процессы останавливаются для проведения технического обслуживания и замены изношенных деталей. Это означает, что возможности внедрить или испытать альтернативные конструктивные решения чрезвычайно ограничены, особенно если учесть размеры сосуда и количество накипи, которое необходимо удалять. Кроме того, это означает, что в следующий раз исправить внесенные конструктивные изменения можно будет только через год.
Рис. 3. Доработанная с помощью CFD конструкция испарителя
К сожалению, традиционные полуэмпирические методы расчета в данной ситуации оказались неэффективными, поэтому было решено использовать методы CFD. В качестве прикладного пакета использовался Fluent.
На первом этапе было смоделировано течение многофазного потока (жидкость и пар) в исходной геометрии сосуда. Расчет был выполнен на неструктурированной тетраэдрической сетке (~700 тыс. элементов) в нестационарной постановке с малым шагом по времени. Инженеры впервые смогли детально изучить структуру течения внутри испарителя. Были получены новые представления о взаимодействии между входным патрубком и поверхностью жидкости в нижней части сосуда, а также исследована эффективность работы сепарационной секции при различных уровнях жидкости в сосуде. Кроме того, с помощью модели DPM (Discrete Particle Model, или модель лагранжевых частиц) Fluent была изучена динамика эрозии стенок входного патрубка.
Из анализа результатов расчета стало очевидно, что поток пульпы попадает в сосуд с высокой скоростью и под углом, что увеличивает глубину проникновения струи в раствор пульпы. Это также увеличивает количество капель жидкости, которые попадают на стенки резервуара, увлекаются паром, а следовательно, загрязняют его.
Методы CFD оказались особенно полезными при исследовании, разработке и оптимизации уже существующих конструкций испарителей с целью увеличения их производительности.
На основе полученных данных о структуре течения потока внутри сосуда была выбрана новая геометрия входного патрубка, которая позволила снизить скорость на выходе из патрубка со 100 до 60 м/с. Кроме того, средняя скорость восходящих потоков пара уменьшилась в пять раз и было получено более равномерное распределение объемной концентрации пара внутри сосуда.
Практическая реализация конструктивных изменений была осуществлена во второй половине 2004 года. Преимущества использования методов вычислительной гидродинамики оказались очевидными. Удалось избежать значительных денежных затрат и остановки производства с целью монтажа большего по размеру испарителя. Использование модели эрозии также позволило выбрать наиболее стойкие к эрозии материалы.
Описанные здесь результаты являются лишь частью обширной программы исследований, направленных на оптимизацию работы сепарационного и фильтрующего оборудования.
