50%堿液一級(jí)換熱器運(yùn)行總結(jié)

劉斌，高曉冬，薛春梅

(濱化集團(tuán)股份有限公司，山東 濱州 256600)

燒堿蒸發(fā)工藝從大鍋法、多效順流(逆流)自然循環(huán)法、單(雙)效旋轉(zhuǎn)薄膜法、升膜法、多效順流(逆流)板式蒸發(fā)法，最終發(fā)展到多效順流(逆流)降膜蒸發(fā)法。目前，國(guó)內(nèi)90%以上的蒸發(fā)工藝采用兩效或三效降膜蒸發(fā)法。蒸發(fā)工藝的傳動(dòng)力是0.8 MPa飽和蒸汽，為了充分吸收效體出料堿液溫度，效體之間增加了換熱設(shè)備，不僅可以預(yù)熱進(jìn)入下一效體堿液溫度，降低蒸汽消耗，而且可以降低設(shè)備及管線材質(zhì)要求。50%堿液一級(jí)換熱器在蒸發(fā)工藝換熱系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，其運(yùn)行質(zhì)量不僅影響蒸發(fā)裝置運(yùn)行周期，而且影響產(chǎn)品濃度。50%堿液一級(jí)換熱器采用的類(lèi)型很多，現(xiàn)對(duì)使用較多的幾種類(lèi)型進(jìn)行總結(jié)。

1 兩效降膜蒸發(fā)中50%堿液一級(jí)換熱器

兩效降膜蒸發(fā)工藝流程中，由于出料50%堿液對(duì)應(yīng)的效體為常壓蒸發(fā)器，50%堿液溫度為145 ℃，大部分企業(yè)的50%堿液一級(jí)換熱器采用的是密封墊片式板式換熱器，墊片多采用高溫型三元乙丙橡膠。該換熱器在150 ℃以下能夠穩(wěn)定運(yùn)行，但墊片存在高溫老化風(fēng)險(xiǎn)，須定期更換。

2 三效降膜蒸發(fā)中50%堿液一級(jí)換熱器

三效降膜蒸發(fā)工藝流程中，由于出料50%堿液對(duì)應(yīng)的效體為正壓蒸發(fā)器，出料堿液不僅溫度高，而且壓力高，溫度約為165 ℃，壓力約為0.8 MPa。針對(duì)50%堿液一級(jí)換熱器，各生產(chǎn)企業(yè)采用種類(lèi)較多，有單臺(tái)設(shè)備，也有組合設(shè)備。

2.1 板式換熱器

少數(shù)企業(yè)仍然采用了密封墊片式板式換熱器，但板片間滲漏，造成蒸發(fā)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，須嚴(yán)格控制出料堿液溫度，最終產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)法達(dá)到50%，僅僅為46%左右。少數(shù)企業(yè)采用了全焊式板式換熱器，雖然解決了板片間滲漏的問(wèn)題，但由于板片厚多為0.5 mm，高溫?zé)釕?yīng)力導(dǎo)致板片變形，腐蝕穿孔，焊縫開(kāi)裂，蒸發(fā)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行仍然得不到保證。

2.2 套管換熱器+板式換熱器的組合式

套管換熱器+板式換熱器組合式冷卻流程如圖1所示。該換熱器采用兩種尺寸不同的標(biāo)準(zhǔn)管連接而成，由同心圓套管螺旋制成，其耐溫性、耐壓性均滿足工藝需求。由于50%堿液具有強(qiáng)腐蝕性，內(nèi)、外管為鎳材，要獲得足夠的換熱效率，須增加換熱面積，不僅設(shè)備投資大，而且占地面積大，單位傳熱面積金屬耗量多，約為管殼式換熱器的5倍；另外，管件接頭多，易泄漏，流阻大。少數(shù)企業(yè)采用套管換熱器+板式換熱器組合式，套管換熱器換熱面積選取不能太大，投用后僅能將50%堿液溫度降低到150 ℃，再通過(guò)板式換熱器將堿液溫度降低至125 ℃左右，但進(jìn)入板式換熱器的溫度仍然偏高，會(huì)存在板片間滲漏隱患。

圖1 套管換熱器+板式換熱器的冷卻流程Fig.1 Cooling process composed of a double-pipe heat exchanger and a plate heat exchanger

2.3 管殼式換熱器+板式換熱器的組合式

管殼式換熱器+板式換熱器組合式冷卻流程如圖2所示。管殼式換熱器是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器，能在高溫、高壓下使用。部分企業(yè)將套管換熱器更換為管殼式換熱器，采用管殼式換熱器+板式換熱器組合式，為了提高換熱效率，管殼換熱器管程采用的是雙流程。由于只有一級(jí)管殼換熱器，換熱面積不夠，投用后僅能將50%堿液溫度降低到155 ℃，再增加1臺(tái)板式換熱器進(jìn)一步降低堿液溫度。

圖2 雙管程換熱器+板式換熱器的冷卻流程Fig.2 Cooling process composed of a double-tube-side heat exchanger and a plate heat exchanger

2.4 單流程管殼換熱器

單流程管殼換熱器冷卻流程如圖3所示。為了提高管殼換熱器的換熱面積，部分企業(yè)采用5根管殼換熱器串聯(lián)使用即五級(jí)換熱，為了減少管程、殼程流體阻力，管程、殼程全部采用單流程；投用后，將50%堿液溫度直接降低到125 ℃左右，后端無(wú)需增加換熱設(shè)備。為了提高傳熱效率，換熱管壁厚僅為1.2 mm，管板處采用的是脹接加強(qiáng)度焊，由于進(jìn)口溫度高，前兩級(jí)溫度梯度大，特別是管板處熱應(yīng)力最大，運(yùn)行兩年后，脹管處出現(xiàn)斷裂，導(dǎo)致串液；后三級(jí)由于溫度梯度小，未出現(xiàn)任何串液，管板處焊縫未發(fā)生腐蝕。

圖3 單流程管殼換熱器的冷卻流程

2.5 雙流程管殼式換熱器+板式換熱器組合式

雙流程管殼式換熱器+板式換熱器組合式冷卻流程如圖4所示。為了解決高溫側(cè)換熱管應(yīng)力腐蝕問(wèn)題，將換熱管壁厚提高至2.0 mm，但為了保證換熱效率，將殼程和管程全部采用雙流程，減少流體阻力，采用兩級(jí)換熱。投用后，50%堿液溫度降低到145 ℃左右，仍然需要1臺(tái)板式換熱器進(jìn)一步降低堿液溫度。該組合式換熱器運(yùn)行了5年多，除板式換熱器墊片老化，板片局部變形導(dǎo)致泄漏外，未出現(xiàn)其他問(wèn)題。

圖4 雙管程雙殼程換熱器+板式換熱器的冷卻流程Fig.4 Cooling process composed of a double-tube-side and double-shell-side heat exchanger and a plate heat exchanger

2.6 混合流程管殼換熱器

混合流程管殼換熱器冷卻流程如圖5所示。為了實(shí)現(xiàn)1臺(tái)換熱器滿足換熱需求，采用四級(jí)換熱，第一級(jí)用于吸收溫度梯度大的區(qū)域的熱量，采用雙管程雙殼程換熱器，換熱管壁厚為2.0 mm，取消先脹后焊的制作工藝，管板處采用強(qiáng)度焊；第二至四級(jí)用于吸收溫度梯度小的區(qū)域的熱量，采用單流程換熱器，換熱管壁厚為1.2 mm，仍然采用先脹后焊的制作工藝。

圖5 混合流程管殼換熱器的冷卻流程Fig.5 Cooling process composed of a shell-and-tube heat exchanger with mixed-mode pass

混合流程管殼換熱器已經(jīng)運(yùn)行3年多，期間未出現(xiàn)串液；由于蒸發(fā)單元出料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48.5%，出料溫度158 ℃，經(jīng)此換熱器后溫度降為115 ℃左右，換熱效果良好，滿足工藝需求。

3 結(jié)語(yǔ)

50%堿液一級(jí)換熱器屬于高溫段換熱器，不僅要求耐高溫、高壓，而且需要在較大溫度梯度范圍內(nèi)抗應(yīng)力腐蝕。對(duì)比各種類(lèi)型換熱器的使用效果可以看出：板式換熱器不適合高溫堿液換熱使用；混合流程管殼換熱器完全滿足高溫段換熱器使用要求，可以保證蒸發(fā)單元安全、穩(wěn)定運(yùn)行。