專利名稱：用于濃縮拜耳工藝液體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于濃縮拜耳工藝液體的方法。更具體地，本發(fā)明涉及一種利 用從廢拜耳工藝氣體回收的熱量濃縮拜耳工藝液體的方法。
背景技術(shù)：
拜耳工藝廣泛地用于從含鋁礦石比如鋁土礦制備氧化鋁。該方法包括在通常 稱為煮解的工序中，使含氧化鋁的礦石與再循環(huán)的苛性鋁酸鹽溶液在高溫接觸。在一些 情況下，巨大數(shù)量的有機(jī)材料伴隨有鋁土礦，其一部分是造成在所得溶液中存在一系列 有機(jī)化合物的原因。在冷卻溶液后，將氫氧化鋁作為晶種加入以引起另外的氫氧化鋁從中沉淀。將 沉淀的氫氧化鋁從苛性鋁酸鹽溶液中分離，其中將一部分氫氧化鋁再循環(huán)以用作晶種， 并且將其余以產(chǎn)物形式回收。將其余的苛性鋁酸鹽溶液再循環(huán)用于含氧化鋁的礦石的進(jìn)
一步煮解。然后在稱為煅燒的工序中將回收的氫氧化鋁加熱以制備氧化鋁。當(dāng)根據(jù)下列反 應(yīng)方程式，氫氧化鋁制備氧化鋁時(shí)，煅燒反應(yīng)的副產(chǎn)物為水2A1 (OH) 3 — A1203+3H20在商業(yè)上將不同類型的煅燒爐設(shè)計(jì)與不同的燃料類型(例如油、氣、煤)和 操作條件如過(guò)剩空氣一起使用。因此，可能產(chǎn)生一系列的煅燒爐煙道氣溫度和組成 (composition)；并且據(jù)估計(jì)，離開(kāi)煅燒的氣體(‘煅燒爐煙道氣’)中約35質(zhì)量％至45 質(zhì)量％為水，而其它組分包括二氧化碳和揮發(fā)性有機(jī)碳化合物。另外，煅燒爐煙道氣可 能含有夾帶的粒狀氧化鋁。在拜耳工藝中，大量的熱量通過(guò)煅燒爐煙道氣的方式損失。據(jù)估計(jì)，可用熱量 中的大部分是在煙道氣中的水蒸氣冷凝時(shí)釋放的低質(zhì)量(low-grade)的顯熱或潛熱。但 是，后者可以僅僅以在大氣條件下和在露點(diǎn)低于100°C，典型地80至83C時(shí)以低質(zhì)量的 熱量的形式回收。但是，盡管量是顯著的，但是低質(zhì)量的熱量常規(guī)地被理解為在拜耳工 藝中具有有限的利用。之前本發(fā)明的背景論述意圖在于促進(jìn)理解本發(fā)明。但是，應(yīng)理解，該論述不 是承認(rèn)或認(rèn)可所提及的任何材料均為在本申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)日的澳大利亞的普通常識(shí)的一部 分。

發(fā)明內(nèi)容
概述在整個(gè)說(shuō)明書中，除非上下文另外要求，措辭“包括(comprise)”或其變體如 “包含(comprises) ”或“含有(comprising) ”應(yīng)被理解為意味著包括所述的整數(shù)或整數(shù)
組，但是不包括任何其它整數(shù)或整數(shù)組。在本說(shuō)明書的上下文中，術(shù)語(yǔ)除濕應(yīng)當(dāng)被理解為包括其中水蒸氣的全部或一部分已經(jīng)被除去的氣流。在本文中使用的所選擇的術(shù)語(yǔ)的其它定義可以在本發(fā)明的說(shuō)明書中找到并且適 用全文。除另外定義之外，在本文中使用的所有其它的科技術(shù)語(yǔ)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域 技術(shù)人員通常理解的含義相同的含義。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，在本文中所述的發(fā)明可以被改變和修改為與具體所述 的那些不同。應(yīng)理解，本發(fā)明包括所有這些變化和修改。本發(fā)明還包括在說(shuō)明書中單獨(dú) 或共同提及或指出的全部步驟、特征、組合物和化合物，以及任何兩個(gè)以上的步驟或特 征的任意和全部組合。本發(fā)明的范圍不受在本文中所述的具體實(shí)施方案的限制，其意圖僅僅用于示例 的目的。在功能上相同的產(chǎn)品、組合物和方法明顯在所述的本發(fā)明的范圍內(nèi)。在本文中所述的本發(fā)明可以包括一個(gè)或多個(gè)值范圍。值的范圍應(yīng)被理解為包括 在該范圍內(nèi)的全部值，包括限定該范圍的值，以及該范圍附近的值，其導(dǎo)致與限定該范 圍的邊界的值緊緊相鄰的值相同或基本上相同的值。在本文中引用的全部出版物(包括專利、專利申請(qǐng)、期刊文章、實(shí)驗(yàn)室手冊(cè)、 書籍或其它文獻(xiàn))的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用結(jié)合在此。所述包括不構(gòu)成承認(rèn)任何參考文獻(xiàn)構(gòu) 成現(xiàn)有技術(shù)或是在本發(fā)明相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員的普通常識(shí)的一部分。具體方案根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于濃縮廢拜耳工藝液體的方法，所述方法 包括以下步驟使煅燒爐煙道氣的至少一部分通過(guò)分離器以提供脫水的氣流和富含水蒸氣的 流；使所述廢拜耳工藝液體與所述富含水蒸氣的流接觸；和將水從所述廢拜耳工藝液體蒸發(fā)，從而濃縮所述廢拜耳工藝液體。盡管大量熱經(jīng)由煅燒爐煙道氣從拜耳工藝中損失，但是該熱量?jī)H僅可以低質(zhì)量 熱量的形式回收，因此常規(guī)地認(rèn)為其在拜耳工藝中具有有限的利用。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)， 這種熱可用于促進(jìn)水從拜耳工藝液體的蒸發(fā)。拜耳工藝需要對(duì)大量組分的濃度和比率進(jìn) 行仔細(xì)的控制，并且通常適宜的是，從工藝中除去水以濃縮液體。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，廢拜耳工藝液體是已經(jīng)經(jīng)過(guò)拜耳工藝的沉淀階段 而未再循環(huán)返回到煮解階段的液體。廢液還可以包括某些苛性廢液。應(yīng)理解，本發(fā)明還 可以適用于其它拜耳液流，而不僅僅是廢液。還應(yīng)理解，本發(fā)明的方法可以在某些實(shí)施 方案中不用于從液流中蒸發(fā)水，而僅僅根據(jù)需要或要求加熱這些液流。優(yōu)選地，所述富含水蒸氣的流包含至少60%水蒸氣。更優(yōu)選地，所述富含水蒸 氣的流包含至少80%水蒸氣。還更優(yōu)選地，所述富含水蒸氣的流包含至少90%水蒸氣。 還更優(yōu)選地，所述富含水蒸氣的流包含至少95%水蒸氣。還更優(yōu)選地，所述富含水蒸氣 的流包含至少99%水蒸氣。還更優(yōu)選地，所述富含水蒸氣的流包含100%水蒸氣。在本發(fā)明的一種形式中，所述方法包括以下另外的步驟使用另外的熱源加熱所述廢拜耳工藝液體。應(yīng)理解，使廢拜耳工藝液體與富含水蒸氣的流接觸的步驟加熱廢拜耳工藝液 體，而蒸發(fā)隨后可以使用其它熱源比如工廠水蒸氣或其它外部熱源實(shí)現(xiàn)。備選地，廢拜耳工藝液體可以在與所述富含水蒸氣的流接觸之前與其它熱源接觸。又備選地，廢拜耳 工藝液體可以在與所述富含水蒸氣的流接觸的同時(shí)與其它熱源接觸。因此，在接觸工藝 液體與從中蒸發(fā)水之間的另外步驟可以包括使用加熱裝置加熱所述富含水蒸氣的流，以 實(shí)現(xiàn)或幫助所述富含水蒸氣的流蒸發(fā)。優(yōu)選地，所述使煅燒爐煙道氣的至少一部分通過(guò)分離器以提供脫水的氣流和富 含水蒸氣的流的步驟可以包括以下步驟使所述煅燒爐煙道氣的至少一部分通過(guò)膜以提供脫水的氣流滲余物(retentate)和 富含水蒸氣的滲透物。應(yīng)理解，所述膜可以是相對(duì)于煙道氣的其它組分對(duì)水蒸氣有選擇性的膜，所述 其它組分為例如氮，氧，二氧化碳，一氧化碳，氧化氮(NOx)，氧化硫(sOx)和揮發(fā)性 的有機(jī)化合物(VOC)。在給定煅燒爐煙道氣流的大小的情況下，經(jīng)濟(jì)因素要求膜也可以對(duì)水蒸氣滲 透，從而允許高的水蒸氣通量。另外，所述膜應(yīng)當(dāng)能夠在加入煙道氣的溫度起作用。應(yīng)理解，盡管可能在不同 的拜耳線路中遭遇不同的溫度，但是煅燒爐煙道氣通常在120°C至195°C的范圍內(nèi)。此 外，應(yīng)理解，可以壓縮煅燒爐煙道氣以提高壓力或加熱以升高溫度。影響膜的選擇的其它因素包括機(jī)械尺寸和化學(xué)穩(wěn)定性，耐污和耐中毒的性質(zhì)和 膜壽命。應(yīng)理解，膜應(yīng)當(dāng)在苛性材料的存在下基本上是化學(xué)和物理穩(wěn)定的。應(yīng)理解，水蒸氣在滲透物和滲余物之間分配的程度取決于許多因素，包括膜的 類型，膜器件尺寸、進(jìn)料的組成、溫度和壓力。技術(shù)人員應(yīng)理解，可以將許多膜用于本發(fā)明。這些包括微孔性膜，其中氣體組 分的分離基于氣體組分分子的物理尺寸，或它們的平均自由行程；和無(wú)孔膜，其中進(jìn)行 分離的原因在于分子與膜表面的親和勢(shì)差和通過(guò)膜的擴(kuò)散速率。在本發(fā)明的一種具體形式中，親水性無(wú)孔膜用于從煅燒爐煙道氣分離水蒸氣。無(wú)孔膜的非限制性實(shí)例是由Du Pont以Nafion名稱提供的那些。這類離聚物材 料包括惰性和強(qiáng)的四氟乙烯聚合物的骨架，從而提供良好的耐機(jī)械和化學(xué)品性，與具有 親水、極性和離子性的屬性的磺酸基鏈相互分散。Nafion膜對(duì)于水蒸氣的高選擇性和滲透性歸因于在膜表面的磺酸基結(jié)合水之后 將其經(jīng)由膜轉(zhuǎn)移到相鄰磺酸基的效率。沒(méi)有物理孔并且分離是通過(guò)吸附_擴(kuò)散_蒸發(fā)機(jī) 理進(jìn)行，而非通過(guò)由于其分子尺寸將化合物而分離進(jìn)行的。只有與磺酸基強(qiáng)烈締合的化 合物容易透過(guò)膜。因此，煅燒爐煙道氣的其它主要組分，即，氮，氧，二氧化碳，一氧 化碳，氧化氮，氧化硫不滲透。有利地，Nafion膜在高溫(高達(dá)190°C )穩(wěn)定，并且初始的水吸收速率隨著溫度 的升高而升高。在本發(fā)明的非常具體的形式中，膜是Nafion 112或Nafion 117膜聚乙烯醇(PVA)膜表示另一類無(wú)孔膜的非限制性實(shí)例，其表現(xiàn)出疏水性，對(duì)水 良好選擇性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。PVA膜的性能可以由交聯(lián)、共混、添加劑添加和其它 處理例如熱處理的控制。這樣的處理可以包括二醛比如戊二醛或其它交聯(lián)劑。親水性膜材料的其它非限制性實(shí)例包括聚丙烯腈、乙酸纖維素和聚乙烯基吡咯烷酮。脂族聚酰胺、芳族聚酰胺和聚酰亞胺膜也在本發(fā)明中找到了用途。可使用的 膜類型的其它實(shí)例包括硅橡膠，例如聚二甲基硅氧烷和離子交換聚合物，例如聚磺苯乙 火布。在本發(fā)明的一種備選形式中，所述使煅燒爐煙道氣的至少一部分通過(guò)分離器以 提供脫水的氣流和富含水蒸氣的流的步驟包括以下步驟使煅燒爐煙道氣的至少一部分通過(guò)多孔性膜以提供脫水的氣流滲余物和富含水 蒸氣的滲透物。這樣的材料以與無(wú)孔膜不同的分離原理工作，并且實(shí)例包括分子篩和聚四氟乙 烯多孔體形式(例如Gortex )。使用膜將氣態(tài)進(jìn)料流的具體組分分離為滲余物流和滲透物流的設(shè)備對(duì)于本領(lǐng)域 技術(shù)人員是已知的，并且包括螺旋式卷繞組件，板框式組件，中空纖維組件和管狀膜組 件。應(yīng)理解，可以將膜組件以不同的組合布置，并且具有不同的流動(dòng)模式，例如，逆流 和交叉流。優(yōu)選地，所述使廢拜耳工藝液體與所述富含水蒸氣的流接觸的步驟包括以下步 驟使廢拜耳工藝液體與所述富含水蒸氣的流間接地接觸。允許廢拜耳工藝液體通過(guò)間接接觸所述富含水蒸氣的流的設(shè)備對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù) 人員是已知的，并且包括立管降膜(vertical tube falling film)、平管降膜(horizontal tube falling film)、立式升膜(vertical rising film)、釜式鍋爐和強(qiáng)制循環(huán)設(shè)備。在本發(fā)明的一種形式中，所述使廢拜耳工藝液體與富含水蒸氣的流間接地接觸 的步驟利用具有殼程(shell-side)和管程(tube-side)的降膜蒸發(fā)器，并且所述方法包括以 下步驟將所述富含水蒸氣的流引入到降膜蒸發(fā)器的殼程內(nèi)；將所述廢拜耳工藝液體引入到降膜蒸發(fā)器的管程內(nèi)；從而將熱量施加給廢拜耳工藝液體，并且冷凝所述富含水蒸氣的流中的水蒸氣。適宜的是，在可能最高的溫度和壓力下釋放所述富含水蒸氣的流。在本發(fā)明的 一種形式中，將來(lái)自分離器的所述富含水蒸氣的流在引入到蒸發(fā)器中之前壓縮。壓縮可 以通過(guò)機(jī)械壓縮或熱壓縮例如水蒸氣噴射器進(jìn)行。在本發(fā)明的另一種形式中，將來(lái)自分 離器的所述富含水蒸氣的流直接或間接地加熱。在本發(fā)明的另外的形式中，將來(lái)自分離 器的所述富含水蒸氣的流加熱并且壓縮。所述富含水蒸氣的流可以通過(guò)利用在拜耳線路內(nèi)可得到的熱源或可從例如發(fā)電 站或其它工業(yè)設(shè)施獲得的外部源來(lái)加熱。應(yīng)理解，可以將熱直接或間接加入到所述富含 水蒸氣的流中。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解的是，可以使用在拜耳線路中的各種熱源。在本 發(fā)明的一種形式中，熱量可以源自拜耳煅燒線路中的氧化鋁冷卻器。在本發(fā)明的一種備 選的形式中，熱量可以源自低壓工廠蒸汽。工廠蒸汽可以與所述富含水蒸氣的流直接合并。在壓縮所述富含水蒸氣的流以 升高壓力之前或之后或在加熱以升高水蒸氣溫度之后，工廠蒸汽可以與所述富含水蒸氣的流合并。在本發(fā)明的一種形式中，可以將來(lái)自工廠或發(fā)電廠中的其它源的水蒸氣直接與 富含水蒸氣的流合并。水蒸氣可以得自諸如煮解、放空罐和閃蒸罐的來(lái)源?？梢栽趬嚎s 所述富含水蒸氣的流以提高壓力之前或之后、或在加熱以升高蒸汽溫度之前或之后加入 來(lái)自其它來(lái)源的水蒸氣。應(yīng)理解，可以安置多于1個(gè)的用于對(duì)廢拜耳工藝液體施加熱量的裝置。在安置 多于1個(gè)的用于對(duì)廢拜耳工藝液體施加熱量的裝置的情況下，可以將這些裝置串聯(lián)或并 聯(lián)布置。應(yīng)理解，在串聯(lián)布置用于對(duì)廢拜耳工藝液體施加熱量的情況下，來(lái)自每一個(gè)裝 置的富含水蒸氣的流可以進(jìn)行壓縮以升高壓力，或直接或間接加熱以升高溫度，或加熱 并且壓縮。在本發(fā)明的一種形式中，該方法在所述使煅燒爐煙道氣的至少一部分通過(guò)分離 器以提供脫水的氣流和富含水蒸氣的流的步驟之前，包括以下另外的步驟使所述煅燒爐煙道氣通過(guò)氣體清潔裝置。所述氣體清潔裝置可以包括除塵裝置。煅燒爐煙道氣可以含有被夾帶的粒狀氧化鋁，并且應(yīng)理解，可以有利的是，在 煅燒爐煙道氣通過(guò)分離器之前，從煅燒爐煙道氣中除去所述夾帶的粒狀氧化鋁，因?yàn)閵A 帶的粒狀氧化鋁可以不利地影響分離過(guò)程。煅燒爐煙道氣還可以含有揮發(fā)性有機(jī)碳化合物，其被釋放到大氣中對(duì)環(huán)境是非 常不適宜的。應(yīng)理解，可以有利的是，在煅燒爐煙道氣通過(guò)分離器之前，從煅燒爐煙道 氣除去所述揮發(fā)性有機(jī)碳化合物。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，氣體清潔裝置為兩相接觸塔，或任何其它的兩 相接觸裝置，其中煅燒爐煙道氣直接被水接觸。這具有以下另外的優(yōu)點(diǎn)增加到膜單元 的進(jìn)料的水蒸氣含量，從而增加用于分離的驅(qū)動(dòng)力。另外的優(yōu)點(diǎn)在于，實(shí)現(xiàn)了在壓縮機(jī) 之前的煅燒爐煙道氣的冷卻，這降低了壓縮機(jī)功率需求和消耗。應(yīng)理解，取決于分離器的性質(zhì)，一些化合物比如揮發(fā)性有機(jī)碳化合物可以通向 所述富含水蒸氣的流。例如，可以通過(guò)Nafion膜將在酸催化之后的氫氧化銨和一些醛和 酮轉(zhuǎn)移給醇。根據(jù)本發(fā)明的煅燒爐煙道氣的顯著除濕作用提供又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。水顯著地促成煅 燒爐煙道氣煙流的可見(jiàn)性。從環(huán)境考慮，可見(jiàn)的煙流是不宜的。通過(guò)本發(fā)明的方法將煙 道氣進(jìn)行除濕意味著，在任何給定的溫度，降低或消除了煙道氣煙流的可見(jiàn)組分。此外，本發(fā)明的方法允許回收水，否則，水將損失到大氣中。有利地，脫水的氣流應(yīng)當(dāng)具有足夠的壓力和溫度，以將其輸送至沒(méi)有風(fēng)扇的煙 囪，并且在無(wú)需進(jìn)一步加熱的情況下有效地散布。有利地，為了通過(guò)本領(lǐng)域中已知的渦輪機(jī)比如渦輪或其它裝置回收能量，將脫 水的氣流充分地加壓，并且因此可以將流輸送至煙囪，而無(wú)需另外的增壓裝置或渦輪。 這允許將流在無(wú)需進(jìn)一步的加熱的情況下有效地散布。在本發(fā)明的一種形式中，所述方法在所述使煅燒爐煙道氣的至少一部分通過(guò)分 離器以提供脫水的氣流和富含水蒸氣的流的步驟之前，包括以下另外的步驟提高煅燒爐煙道氣的壓力。
提高煅燒爐煙道氣的壓力可以通過(guò)本領(lǐng)域中已知的包括渦輪機(jī)在內(nèi)的任何裝置 實(shí)現(xiàn)。在本發(fā)明的一種形式中，所述方法包括以下另外的步驟在使所得的滲透物產(chǎn)物通過(guò)第二膜分離裝置以進(jìn)行進(jìn)一步分離的步驟之前，使 在壓縮步驟之前的煅燒爐煙道氣的僅僅一部分通過(guò)膜組件的滲透物側(cè)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，重復(fù)所述方法的步驟以提供循環(huán)和/或連續(xù)的工 藝。附圖簡(jiǎn)述現(xiàn)在將參考其實(shí)施方案和附圖描述本發(fā)明，在附圖中

圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方案的方法的示意性流程圖；圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方案的方法的示意性流程圖；圖3是顯示根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方案的方法的示意性流程圖；圖4是顯示根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施方案的方法的示意性流程圖；和圖5是顯示根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施方案的方法的示意性流程圖；實(shí)施本發(fā)明的最佳方式本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，在此所述的本發(fā)明可以被改變和修改為與具體所述的 那些不同。應(yīng)理解，本發(fā)明包括所有這些變化和修改。本發(fā)明還包括在說(shuō)明書中單獨(dú)或 共同提及或指出的全部步驟、特征、組合物和化合物，以及任何兩個(gè)以上的步驟或特征 的任何和全部組合。在圖1中，提供一般的流程圖，其顯示了在一個(gè)實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明的方 法是如何通過(guò)以下步驟使用的使煅燒爐煙道氣的至少一部分通過(guò)分離器以提供脫水的氣流和富含水蒸氣的 流；使廢拜耳工藝液體與所述富含水蒸氣的流接觸；和將水從所述廢拜耳工藝液體中蒸發(fā)，從而濃縮所述廢拜耳工藝液體。在接觸工藝液體與從中蒸發(fā)水之間的另外步驟包括加熱所述富含水蒸氣的流以 增加蒸發(fā)。根據(jù)本發(fā)明，使來(lái)自煅燒爐36的經(jīng)除濕的煅燒爐煙道氣12通過(guò)氣體清潔器 13和膜部分14，以提供脫水的氣流16和富含水蒸氣的流18。膜部分14包括各個(gè)串聯(lián)或 并聯(lián)的膜組件的布置，其中后面的膜組件連接至前面的膜組件的滲透物流、滲余物流或 進(jìn)料流。通過(guò)本領(lǐng)域中已知的裝置將連接至各個(gè)膜組件的流加熱、冷卻或壓縮。各個(gè)膜 組件提供適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)形式比如本領(lǐng)域中已知的那些，例如逆流。脫水的氣流16進(jìn)入煙囪 38。在一個(gè)優(yōu)選形式中，從脫水的氣流16回收能量。富含水蒸氣的流18離開(kāi)膜14并且通過(guò)蒸發(fā)系統(tǒng)24。在某些實(shí)施方案中，蒸發(fā) 系統(tǒng)24為單一蒸發(fā)器、或蒸發(fā)器單元的任何組合。在本發(fā)明的優(yōu)選形式中，蒸發(fā)器24為 降膜蒸發(fā)器的多效布置。此外，在某些實(shí)施方案中有利的是，在將富含水蒸氣的流18引 入到蒸發(fā)系統(tǒng)24中之前，壓縮富含水蒸氣的流18。另外，可以有利的是，在將富含水蒸 氣的流18引入到蒸發(fā)系統(tǒng)24中之前，直接或間接地對(duì)富含水蒸氣的流18增加熱量。富 含水蒸氣的流18的直接熱量增加可以為工廠蒸汽的形式，并且可以以水蒸氣流18的熱壓 縮的一部分的形式增加。包括蒸發(fā)系統(tǒng)24的各個(gè)蒸發(fā)器的加熱部分由殼部(未顯示)和管部(未顯示)構(gòu)成。進(jìn)入降膜蒸發(fā)器24的殼部的水蒸氣18被用作熱源以間接施加熱 量，從而從經(jīng)由管部進(jìn)入作為液膜的拜耳廢液28中蒸發(fā)水，并且從而濃縮拜耳廢液28。 濃縮的拜耳廢液30離開(kāi)降膜蒸發(fā)器24。濃縮的富含水蒸氣的流33，在離開(kāi)降膜蒸發(fā)器 24后，可以被再循環(huán)作為冷卻水再循環(huán)流。從廢液43蒸發(fā)的水蒸氣可以被冷凝并且可以 被再循環(huán)，或者它可以被引導(dǎo)在拜耳工藝內(nèi)提供其它加熱負(fù)荷。據(jù)認(rèn)為，被要求建造工廠以進(jìn)行本發(fā)明的各個(gè)裝置的安裝可以由技術(shù)人員實(shí) 現(xiàn)，除了向必需的供應(yīng)商提供各種參數(shù)如流量、流體類型和溫度以外，幾乎不要任何技 能(input)。為了構(gòu)造進(jìn)行本發(fā)明所需的部件，適合的設(shè)備制造商需要某些工藝數(shù)據(jù)。傳熱設(shè)備(降膜蒸發(fā)器和蒸氣冷凝器)可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員通過(guò)使用任何標(biāo)準(zhǔn) 熱交換器設(shè)計(jì)文本，或來(lái)自技術(shù)文獻(xiàn)的參考文獻(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，或由蒸發(fā)設(shè)備的供應(yīng)商(GEA Kestner,法國(guó)，Bertrams Salt Plants, Winterthur, 卷士)設(shè)計(jì)。氣體膜組件對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是已知的，并且可以從以下膜設(shè)備供應(yīng)商獲 得例如，瑞士的SulzerChemTech ；德國(guó)的BORSIG，美國(guó)的PALLCorporation ；美國(guó)的 Koch Membrane Systems ；美國(guó)的 Membrane Technology&Research。膜組件可以是螺旋式
卷繞型、板框型、中空纖維或管式膜組件，這取決于其應(yīng)用。膜是商業(yè)化生產(chǎn)的(例如 由 Du Pont (杜邦)，DowChemicals (陶氏化學(xué))，UBE 和 GE 生產(chǎn))。在圖2中，顯示了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的廢拜耳工藝液體濃縮方法。圖1 和2的方法基本上是類似，并且相同的標(biāo)記表示相同的步驟和特征。在該實(shí)施方案中， 提供多個(gè)串聯(lián)運(yùn)行的蒸發(fā)器24、40和42。將來(lái)自一個(gè)蒸發(fā)器43的蒸氣流輸送至熱交換 器的殼程，在所謂的多效蒸發(fā)布置中所述熱交換器包括下一個(gè)蒸發(fā)器40、42，以節(jié)省蒸 發(fā)能量的用量。流形式可以是后向進(jìn)料、前向進(jìn)料、混合進(jìn)料、平行進(jìn)料中的任何任何 一種或任何其它形式。此外，到每一個(gè)蒸發(fā)器的蒸氣流，作為來(lái)自前面的蒸發(fā)器的蒸氣 流43，或作為來(lái)自膜分離器的富含蒸氣的流18，可以被壓縮以升高壓力或加熱以升高溫 度。蒸氣流18和43的加熱可以是直接或間接的。對(duì)蒸氣流43的直接熱添加可以為來(lái) 自工廠或發(fā)電廠內(nèi)的其它來(lái)源的工廠蒸汽或水蒸氣的形式。水蒸氣可以來(lái)自諸如煮解、 放空罐和閃蒸罐的來(lái)源。所述布置中的一些蒸發(fā)器可以僅由工廠蒸汽加熱?？梢栽谔砑?到蒸發(fā)器中之前加熱或冷卻廢拜耳工藝液體流28和45。下面的實(shí)施例用來(lái)更充分地說(shuō)明使用上述本發(fā)明的方式。應(yīng)理解，這些實(shí)施例 絕不是用來(lái)限制本發(fā)明的真實(shí)范圍，而是為了示例性目的而提供的。本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施方案的下述實(shí)施例使用室內(nèi)模型和流程模型的組合制訂、評(píng) 價(jià)和改進(jìn)的，所述室內(nèi)模型是基于化學(xué)工程第一原理建立的，并且根據(jù)現(xiàn)有的拜耳單元 操作、拜耳性質(zhì)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)的大型數(shù)據(jù)庫(kù)、拜耳操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了調(diào)整，而所述流程模 型是在ASPEN Plus , ASPENTechnology Inc.軟件工藝模擬軟件中利用現(xiàn)有的物理性質(zhì) 數(shù)據(jù)包建立的，所述數(shù)據(jù)包包括增加的拜耳工藝性質(zhì)和室內(nèi)建立的單元操作。定量的膜 性能參數(shù)主要取自Alcoa of Australia資助和CSIRO執(zhí)行的實(shí)驗(yàn)測(cè)試程序的結(jié)果，其中商業(yè) 化的氣體滲透膜和CSIRO開(kāi)發(fā)的膜(例如SR10120)是使用人工煙道氣在不同的溫度和壓 力測(cè)量的，該人工煙道氣的組成與典型的Alcoa煅燒爐煙道氣相匹配。應(yīng)理解，在下面 提供的與流量和溫度相關(guān)的數(shù)值是所使用的模型和實(shí)施方案所特有的，并且受到輸入模 型中的參數(shù)的影響。例如，煙道氣組成和溫度將影響下游流的溫度和流量。應(yīng)理解，要使用本發(fā)明的方法的場(chǎng)所的位置，特別是，到適合的散熱器的通道(access)，比如提供用 于工藝?yán)鋮s的水，可能影響在方法中的步驟的數(shù)量。實(shí)施例1 單個(gè)膜部分和廢液的三效蒸發(fā)第二實(shí)施方案的實(shí)例顯示在圖2中，包括單膜階段和三效蒸發(fā)。在該實(shí)施例 中，使來(lái)自煅燒爐36的煅燒爐煙道氣12(165°C，41% w/w水蒸氣，202t/hr)在2.55巴 的進(jìn)料壓力下通過(guò)膜，并且分離為脫水的氣流16(171.5t/hr)和富含水蒸氣的流18 (30.5t/ hr)。脫水的流16進(jìn)入(contains goes to)膨脹機(jī)或渦輪(未顯示)以回收一些能量，然后 通過(guò)煙囪38 ；其露點(diǎn)為78V。將30.5t/hr富含水蒸氣的流18由各個(gè)可用的廢熱源(未 顯示)過(guò)熱至150°C的溫度，并且輸送至串聯(lián)的3個(gè)降膜蒸發(fā)器24、40、42中第一個(gè)降膜 蒸發(fā)器的熱交換器部的殼程。將蒸發(fā)的水蒸氣流43在輸送至蒸發(fā)器40、42的熱交換器 部之前壓縮，這需要1.6MW。所實(shí)現(xiàn)的總的蒸發(fā)量為115t/hr。廢液進(jìn)料28在61°C以 2303t/hr的速率進(jìn)入第一蒸發(fā)器24。濃縮的拜耳廢液30以2188t/hr離開(kāi)。總堿度(TA) 和總苛性堿(TC)濃度分別從進(jìn)料28中按Na2CO3計(jì)的238g/L和按Na2CO3計(jì)的195.2g/ L增加至濃縮的廢液蒸汽30中的254.2g/L和208.5g/L。如果膜進(jìn)料壓力增加至3.5巴，則總蒸發(fā)量提高至180t/h。在濃縮的廢液蒸汽 30中的TA和TC濃度分別增加至按Na2CO3計(jì)的264.4g/L和按Na2CO3計(jì)的216.8g/L。 用于這種額外的蒸發(fā)的成本為附加的壓縮功率。實(shí)施例2:單個(gè)膜部分，采用煅燒爐煙道氣的濕法洗滌，和廢液的三效蒸發(fā)第二實(shí)施方案的另一個(gè)實(shí)施例示出在圖3中。它與在實(shí)施例1中所述的情況基 本上類似，差別在于，在壓縮系統(tǒng)50之前通過(guò)使用水10的濕法洗滌13清潔煅燒爐煙道 氣12(165°C，41%w/w水蒸氣，202t/hr)，所述壓縮系統(tǒng)50連接至膨脹機(jī)52用于回收 能量。濕法洗滌實(shí)現(xiàn)了大量的優(yōu)點(diǎn)，包括除塵、進(jìn)一步將膜進(jìn)料增濕以及冷卻直至壓縮 機(jī)組的進(jìn)料。離開(kāi)濕法洗滌器13的流15具有85°C的溫度和43.8wt%的濕含量。使用壓 縮機(jī)或增壓器50將該流壓縮至2.55巴。在將膜進(jìn)料流17加入到膜單元14中之前，膜進(jìn) 料流17的溫度通過(guò)與包括富含水蒸氣的流18在內(nèi)的其它流交換熱量而降低，從而將其溫 度升高至160°C。膜部分14將40.3t/h的水蒸氣分別引導(dǎo)至包括蒸發(fā)器24、40和42的三效蒸發(fā)布 置中。蒸發(fā)148t/h的總蒸發(fā)量是從廢液進(jìn)料28得到的，所述廢液進(jìn)料28在6rC和以 2303t/hr的速率進(jìn)入第一蒸發(fā)器24。濃縮的拜耳廢液30在59°C離開(kāi)?？倝A度(TA)和 總苛性堿(TC)濃度分別從進(jìn)料28中按Na2CO3計(jì)的238g/L和按Na2CO3計(jì)的195.2g/L 增加至在濃縮廢液水蒸氣30中的259.3g/L和212.7g/L。脫水的流16通過(guò)膨脹機(jī)52用 于能量回收目的，然后通過(guò)煙囪38;其露點(diǎn)為78°C。如果膜進(jìn)料壓力增加至3.5巴，則總蒸發(fā)量升高至219t/h。在濃縮的廢液蒸汽 30中TA和TC濃度分別增加至按Na2CO3計(jì)的271.1g/L和按Na2CO3計(jì)的222.2g/L。圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方案的廢拜耳工藝液體濃縮方法。圖1至3 的方法是基本上類似的，并且相同的標(biāo)記表示相同的步驟和特征。根據(jù)本發(fā)明，來(lái)自煅 燒爐36的除濕的煅燒爐煙道氣12通過(guò)濕法洗滌器13和壓縮機(jī)或增壓器50，之后通過(guò)第 一膜部分14。在加入到膜單元14中之前，膜進(jìn)料流17的溫度降低。在本發(fā)明的一種具 體形式中，這是通過(guò)與富含水蒸氣的流18交換熱量以升高其溫度或與來(lái)自第二膜單元的脫水的氣流32交換熱量以升高其溫度而進(jìn)行的。使來(lái)自第一膜部分的脫水的氣流21通過(guò)第二濕法洗滌器56和第二壓縮機(jī)54。 膜進(jìn)料流58的溫度降低至第二膜部分34。在本發(fā)明的具體形式中，這是通過(guò)與富含水蒸 氣的流19交換熱量以升高其溫度而進(jìn)行的。來(lái)自第二膜單元34的脫水的氣流32通過(guò)膨 脹機(jī)52用于回收能量，然后通過(guò)煙囪38。將2種富含水蒸氣的蒸汽18和19合并20， 并且輸送至如上面已經(jīng)描述的蒸發(fā)部。在一個(gè)實(shí)施方案中，將流18、19和20直接或間 接壓縮并且加熱。實(shí)施例3:兩個(gè)膜部分，采用濕法洗滌和三效蒸發(fā)在圖4所示的實(shí)施方案的實(shí)例中，煅燒爐煙道氣12(165°C，41%w/w水蒸氣， 202t/hr)通過(guò)使用水10的濕法洗滌13清潔，并且通過(guò)壓縮機(jī)或增壓器50壓縮至2.55巴。 在將膜進(jìn)料流17加入到膜單元14中之前，通過(guò)與富含水蒸氣的流18交換熱量以將其溫 度升高至161°C，從而將膜進(jìn)料流17的溫度降低至180°C。膜進(jìn)料流17的流量為211.7t/h。來(lái)自第一膜部分14的富含水蒸氣的流18將40.3t/h的蒸汽(vapoursteam)輸送至 集流管布置(header arrangement)(未顯示)中，所述集流管布置還接收38.8t/h的來(lái)自第 二膜部分34的富含水蒸氣的流19中的蒸汽。使171.4t/h來(lái)自第一膜部分的脫水的流21通過(guò)水驟冷55，這導(dǎo)致在103.7°C的溫 度增加至178.7t/h的流量，其進(jìn)入壓力升高至5巴的壓縮機(jī)54。然后使其通過(guò)第二膜部 分。使139.9t/h來(lái)自第二膜部分的脫水的流32通過(guò)膨脹機(jī)52以回收一些能量，然后通 過(guò)煙囪38 ；其露點(diǎn)為62.5°C。合并的富含水蒸氣的流20在132°C具有79.1t/h的蒸汽流量，進(jìn)入運(yùn)行的三效蒸 發(fā)布置，該布置分別包括蒸發(fā)器24、40和42。蒸發(fā)263t/h的總蒸發(fā)量是從廢液進(jìn)料28 得到的，該廢液進(jìn)料28在61°C并且以2303t/hr的速率進(jìn)入第一蒸發(fā)器24。約2039t/h 的濃縮拜耳廢液30在59.6°C離開(kāi)。廢液的總堿度(TA)和總苛性堿(TC)濃度分別從進(jìn) 料28中按Na2CO3計(jì)的238g/L和按Na2CO3計(jì)的195.2g/L增加至濃縮的廢液蒸汽30中的 279g/L 和 229g/L。圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施方案的廢拜耳工藝液體濃縮方法。根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施方案，使來(lái)自煅燒爐36的經(jīng)除濕的煅燒爐煙道氣12通過(guò) 濕法洗滌器13。增濕的氣流12被旁通部15分開(kāi)，并且輸送至第一膜部分14的滲透物側(cè) 以用作吹掃氣(sweep gas)，而其余部分被輸送或轉(zhuǎn)移到壓縮機(jī)或增壓器50。然后將壓縮 氣體17輸送至第一膜部分14的進(jìn)料側(cè)。將膜進(jìn)料流17的溫度在其加入到第一膜單元14 中之前降低。在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方案中，這是通過(guò)與來(lái)自第二膜部分34的旁通流 15或富含水蒸氣的流19交換熱量或與脫水的氣流16交換熱量而實(shí)現(xiàn)的。將來(lái)自第一膜 部分的脫水的氣流21輸送至煙囪38。在本發(fā)明的一種形式中，將脫水的氣流21經(jīng)由膨 脹機(jī)52輸送至煙囪，以回收一些能量。將富含水蒸氣的流18經(jīng)由壓縮機(jī)或增壓器54輸送至第二膜部分34。將來(lái)自第 二膜34的滲透物側(cè)的富含水蒸氣的流19輸送至如上所述的蒸發(fā)部。在某些實(shí)施方案中， 將富含水蒸氣的流19直接或間接地壓縮并且加熱。將脫水的氣流32輸送至煙@ 38 ；在 本發(fā)明的一種形式中，將經(jīng)由膨脹機(jī)輸送以回收一些能量。
實(shí)施例4:兩個(gè)膜部分，一個(gè)采用吹掃氣體，濕法洗滌和三效蒸發(fā)在圖5所示的實(shí)施方案的實(shí)例中，煅燒爐煙道氣12(165°C，41%w/w水蒸氣， 202t/hr)通過(guò)使用水10的濕法洗滌13清潔。將經(jīng)清潔和增濕的氣體分開(kāi)，其中其約80% 使用增壓器50壓縮至2.55巴，并且輸送至第一膜部分14的進(jìn)料側(cè)。將其余20%直接輸 送至第一膜部分的滲透物側(cè)，在此將其用作吹掃氣體。約84.7t/h的富含水蒸氣的流18 離開(kāi)第一膜部分，其中水蒸氣含量為80.9vol%。將其壓縮54至262kPa的壓力，并且將 壓縮氣體58通過(guò)與離開(kāi)第二膜部分34的富含水蒸氣的流19熱交換(未顯示)而冷卻。 將冷卻的壓縮氣體58輸送至第二膜部分34。將流量為50.6t/h和在149°C的富含水蒸氣 的流19輸送至如上所述的三效蒸發(fā)部。從廢液進(jìn)料28實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)179.5t/h的總蒸發(fā)量。實(shí)施例5: —個(gè)膜部分，在滲透物側(cè)的亞大氣壓操作，濕法洗滌和三效蒸發(fā)在基于圖2所示的系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施方案中，通過(guò)濕法洗滌(未顯示)清潔煅燒 爐煙道氣12(165°C，41%w/w水蒸氣，202t/hr)，從而將其流量提高至211.7t/h，并且將 水蒸氣含量提高至43.8wt%，隨后將其輸送至膜部分14。在滲透物側(cè)，將59.3t/h的富含 水蒸氣的流18通過(guò)壓縮機(jī)(未顯示)在0.3巴抽吸并且升高至1巴；然后，將其輸送至 如上所述的三效蒸發(fā)系統(tǒng)。從廢液進(jìn)料28獲得蒸發(fā)207t/h的總蒸發(fā)量，該廢液進(jìn)料28 在61°C并且以2303t/hr的速率進(jìn)入第一蒸發(fā)器24。廢液的總堿度(TA)和總苛性堿(TC) 濃度分別從進(jìn)料28中按Na2CO3計(jì)的238g/L和按Na2CO3計(jì)的195.2g/L增加至濃縮的廢 液蒸汽30中的269g/L和220.6g/L。
權(quán)利要求
1.一種用于濃縮廢拜耳工藝液體的方法，所述方法包括以下步驟使煅燒爐煙道氣的至少一部分通過(guò)分離器，以提供脫水的氣流和富含水蒸氣的流；使所述廢拜耳工藝液體與所述富含水蒸氣的流接觸；和從所述廢拜耳工藝液體中蒸發(fā)水，從而濃縮所述廢拜耳工藝液體。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法包括以下另外的步驟 使用另外的熱源加熱所述廢拜耳工藝液體。
3.權(quán)利要求2所述的方法，其中使用第二熱源加熱所述廢拜耳工藝液體的步驟是在所 述使廢拜耳工藝液體與所述富含水蒸氣的流接觸的步驟之前、在所述使廢拜耳工藝液體 與所述富含水蒸氣的流接觸的步驟之后或在所述使所述廢拜耳工藝液體與所述富含水蒸 氣的流接觸的步驟過(guò)程中進(jìn)行的。
4 權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述使煅燒爐煙道氣的至少一部分通過(guò) 分離器以提供脫水的氣流和富含水蒸氣的流的步驟包括以下步驟使所述煅燒爐煙道氣的至少一部分通過(guò)膜以提供脫水的氣流滲余物和富含水蒸氣的 滲透物。
5.權(quán)利要求4所述的方法，其中所述膜選自微孔性膜和無(wú)孔膜。
6.權(quán)利要求5所述的方法，其中所述膜是由選自以下各項(xiàng)的材料制成的無(wú)孔膜四 氟乙烯、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯腈、乙酸纖維素、聚乙烯基吡咯烷酮、脂族聚酰胺、 芳族聚酰胺、聚酰亞胺、硅橡膠、聚二甲基硅氧烷、聚磺苯乙烯和離子交換聚合物。
7.權(quán)利要求6所述的方法，其中所述無(wú)孔膜是用聚乙烯醇制備的膜。
8.權(quán)利要求6所述的方法，其中所述無(wú)孔膜是由杜邦以Nafion名稱比如Nafion112或 Nafion 117膜提供的膜。
9.權(quán)利要求5所述的方法，其中多孔性膜是選自分子篩和聚四氟乙烯多孔體形式的膜。
10.權(quán)利要求5所述的方法，其中多孔性膜是由以商品名Gortex 獲得的材料制成的膜。
11.權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述使廢拜耳工藝液體與所述富含水 蒸氣的流接觸的步驟包括以下步驟使所述廢拜耳工藝液體與所述富含水蒸氣的流間接地接觸。
12.權(quán)利要求11所述的方法，其中所述使廢拜耳工藝液體與所述富含水蒸氣的流接觸 的步驟是使用選自以下各項(xiàng)中的設(shè)備實(shí)現(xiàn)的立管降膜；平管降膜；立式升膜；釜式鍋 爐；和強(qiáng)制循環(huán)設(shè)備。
13.權(quán)利要求12所述的方法，其中所述使廢拜耳工藝液體與富含水蒸氣的流間接接觸 的步驟使用具有殼程和管程的降膜蒸發(fā)器。
14.權(quán)利要求13所述的方法，所述方法包括以下步驟將所述富含水蒸氣的流引入到所述降膜蒸發(fā)器的所述殼程內(nèi)；和將所述廢拜耳工藝液體引入到所述降膜蒸發(fā)器的所述管程內(nèi)；從而將熱量施加給所述廢拜耳工藝液體，并且冷凝所述富含水蒸氣的流中的水蒸氣。
15.權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的方法，所述方法包括壓縮、加熱、或壓縮并加熱來(lái)自所述分離器的所述富含水蒸氣的流的步驟。
16.權(quán)利要求10至15中任一項(xiàng)所述的方法，其中利用多于1個(gè)的用于將熱量施加給 所述廢拜耳工藝液體的設(shè)備，這些設(shè)備是串聯(lián)或并聯(lián)布置的。
17.權(quán)利要求16所述的方法，其中，當(dāng)將所述用于將熱量施加給所述廢拜耳工藝液體 的設(shè)備串聯(lián)布置時(shí)，將來(lái)自每一個(gè)單元的所述富含水蒸氣的流壓縮以提高壓力，或直接 或間接加熱以提高溫度，或加熱并壓縮。
18.權(quán)利要求1至17中任一項(xiàng)所述的方法，所述方法在所述使煅燒爐煙道氣的至少一 部分通過(guò)分離器以提供脫水的氣流和富含水蒸氣的流的步驟之前包括以下另外的步驟使所述煅燒爐煙道氣通過(guò)氣體清潔裝置。
19.權(quán)利要求18所述的方法，其中所述氣體清潔裝置包括使所述煅燒爐煙道氣與水直 接接觸的兩相接觸器。
20.權(quán)利要求1至19中任一項(xiàng)所述的方法，所述方法在所述使煅燒爐煙道氣的至少一 部分通過(guò)分離器以提供脫水的氣流和富含水蒸氣的流的步驟之前包括以下另外的步驟提高所述煅燒爐煙道氣的壓力。
21.權(quán)利要求1至20中任一項(xiàng)所述的方法，其中重復(fù)所述方法的所述步驟以提供循環(huán)工藝。
22.權(quán)利要求1至20中任一項(xiàng)所述的方法，其中重復(fù)所述方法的所述步驟以提供連續(xù)工藝。
23.—種基本上如在本文中參考附圖描述的用于濃縮廢拜耳工藝液體的方法。
24.一種基本上如在本文中參考實(shí)施例描述的用于濃縮廢拜耳工藝液體的方法。
全文摘要
一種用于濃縮廢拜耳工藝液體的方法，所述方法包括以下步驟使煅燒爐煙道氣的至少一部分通過(guò)分離器以提供脫水的氣流和富含水蒸氣的流；使所述廢拜耳工藝液體與所述富含水蒸氣的流接觸；和從所述廢拜耳工藝液體中蒸發(fā)水，從而濃縮所述廢拜耳工藝液體。
文檔編號(hào)B01D1/00GK102015048SQ200980116766
公開(kāi)日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2009年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月18日
發(fā)明者彼得·斯圖爾特·哈伊, 迪安·伊利耶夫斯基 申請(qǐng)人:美鋁澳大利亞有限公司