三效逆流降膜蒸發(fā)工藝裝置運(yùn)行總結(jié)

馬云飛，朱志宏

（陜西北元化工集團(tuán)股份有限公司化工分公司，陜西 榆林 719319）

陜西北元化工集團(tuán)股份有限公司化工分公司燒堿裝置于2011 年開車投產(chǎn)，配套建設(shè)的2 套50%堿蒸發(fā)裝置，采用三效逆流降膜蒸發(fā)裝置，總產(chǎn)能為2×40 萬(wàn)t/a。蒸汽單耗約為0.54 t/t 堿。新裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性和蒸汽單耗相對(duì)于傳統(tǒng)的隔膜法電解槽制得的燒堿具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)的隔膜法電解槽制得的燒堿NaOH 含量只有10%～12%，難以滿足工業(yè)上的需求。 隨著離子膜電解槽技術(shù)的不斷發(fā)展， 國(guó)內(nèi)氯堿行業(yè)陸續(xù)引進(jìn)該技術(shù)， 開始采用離子膜電解槽制堿工藝， 制得的NaOH 濃度已能達(dá)到30%～35%，含鹽量極少，可以滿足紡織等工業(yè)的需要， 可以直接作為成品堿液進(jìn)行出售。 如果進(jìn)一步將堿液濃縮至50%，每噸燒堿蒸汽消耗約為0.5～0.8 t， 陜西北元在原有離子膜電解法的基礎(chǔ)上， 引進(jìn)瑞士博特公司燒堿蒸發(fā)及濃縮工藝技術(shù)及配套設(shè)備。

1 離子膜液堿蒸發(fā)的特點(diǎn)

1.1 工藝流程簡(jiǎn)單

由于離子膜堿液僅含極微量的鹽，32%堿液含鹽量為一等品≤0.007%，優(yōu)等品≤0.004%；50%的液堿優(yōu)等品含鹽量為優(yōu)等品≤0.008%， 一等品≤0.01%。 在整個(gè)離子膜蒸發(fā)濃縮工藝中，減少除鹽工序，避免了鹽的產(chǎn)生導(dǎo)致管線結(jié)晶堵塞，所以采用離子膜蒸發(fā)工藝不但縮短了工藝流程， 減少了設(shè)備設(shè)施及人工費(fèi)用的投入， 而且降低了生產(chǎn)成本和操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1.2 堿液濃度高，蒸汽消耗低

離子膜堿液的濃度高，電解槽的堿液濃度一般控制在30%～35%， 相比隔膜法堿液濃度10.0%～11.0%要高很多， 因此大幅減少了堿液蒸發(fā)濃縮過程使用的蒸汽量。 以32%堿液為例，如果堿液濃度為50%，則蒸發(fā)產(chǎn)生的堿性冷凝水水量為0.8 m3，而隔膜法電解堿液同樣蒸發(fā)濃縮至50%，蒸發(fā)產(chǎn)生的水量大約為6.5 t。 離子膜與隔膜法相比蒸發(fā)過程產(chǎn)生的水量少，生產(chǎn)過程中蒸汽消耗低，有利于節(jié)能降耗。

1.3 單管式加熱管，堿液溫差充分利用

降膜蒸發(fā)器由若干個(gè)單管式加熱管組成， 可根據(jù)不同規(guī)模配用不同規(guī)格的管子和管數(shù)。在運(yùn)行時(shí)，料液由蒸發(fā)器的頂部經(jīng)液體分配器均勻進(jìn)入加熱管內(nèi)， 沿管壁成膜狀向下流動(dòng)并與管外載熱體進(jìn)行對(duì)流換熱。堿液中的水分被蒸發(fā)，產(chǎn)生的二次蒸汽與被濃縮的物料一起向下流動(dòng)，在底部流入氣液分離器。濃縮后的堿由分離器底部排出， 二次蒸汽則從分離器頂部排空或回收利用。 進(jìn)入降膜蒸發(fā)器的料液在分配器的幫助下，利用本身重力作用，使堿液沿垂直的管壁呈均勻的液膜向下流動(dòng)。 因此能在較小的流量下， 具有較高的給熱系數(shù)。 同時(shí)堿液在蒸發(fā)過程中，在管內(nèi)停留時(shí)間短、液層薄，加熱介質(zhì)與堿液之間的溫差得到有效利用， 能在較低溫度下進(jìn)行蒸發(fā)而制得較高濃度的液堿。

2 影響堿液蒸發(fā)的主要因素

2.1 蒸汽壓力

蒸汽是堿液蒸發(fā)的主要熱源， 其壓力高低直接影響到堿液濃度和蒸發(fā)產(chǎn)能。 在其他工況條件不變的情況下，中壓蒸汽壓力會(huì)使系統(tǒng)獲得較大的溫差，單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量也相應(yīng)增加， 裝置才能達(dá)到較大的產(chǎn)能。

經(jīng)過多年的運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，控制蒸汽壓力為0.8～1.0 MPa，50%堿液蒸發(fā)效率最高， 蒸汽消耗也越小，所以確保蒸汽壓力穩(wěn)定供給就可以保證進(jìn)50%堿液的濃度，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2 真空度

真空度是蒸發(fā)過程中提高蒸發(fā)能力的重要途徑， 也是降低蒸汽消耗的重要途徑。 適當(dāng)提高真空度降低二次蒸汽的飽和溫度， 提高了有效的溫差可充分利用熱源，使蒸汽消耗降低。真空度的高低與大氣冷凝器的循環(huán)水溫度有關(guān)（該溫度下的飽和蒸汽壓），也與二次蒸汽中的不凝氣含量有關(guān)，通常使用循環(huán)水作為真空泵的工作液體， 但是在實(shí)際運(yùn)行過程中循環(huán)水溫度高，真空度達(dá)不到要求，需要將循環(huán)水改為生產(chǎn)水作為工作液。

生產(chǎn)過程中， 提高真空度的途徑為最大限度排除不凝性氣體，常用方法有以下4 種。 （1）采用真空泵機(jī)械抽真空；（2）使用風(fēng)機(jī)降低循環(huán)水溫度；（3）增加表面冷卻器循環(huán)冷卻水的流量；（4）確保真空泵冷卻水溫度的供給。原設(shè)計(jì)中真空泵進(jìn)口安裝止回閥，但在實(shí)際運(yùn)行期間， 真空泵的吸力不足以滿足堿液系統(tǒng)運(yùn)行要求真空度，堿液濃度達(dá)不到要求，將真空泵進(jìn)口止回閥拆除，使用閥門替代，系統(tǒng)真空達(dá)到使用要求。 確保真空度滿足蒸發(fā)要求。

2.3 一效、二效蒸發(fā)器出料分配的影響

一效、二效蒸發(fā)器底部物料分成二路，分別與蒸汽冷凝液和50%堿液換熱， 再合并進(jìn)入三效蒸發(fā)器。在理想的情況下，最終離開裝置區(qū)的蒸汽冷凝液和50%堿液溫度接近，熱量得到最大程度的回收利用。如果兩種物料的溫度相差較大，需要對(duì)進(jìn)入各效體的溫度進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)得知，蒸發(fā)器出料堿液受到板式換熱器流體通道通暢影響較大，特別是由于蒸發(fā)器內(nèi)鎳絲網(wǎng)腐蝕破損， 部分絲網(wǎng)將板式換熱器通道堵塞，導(dǎo)致堿液換熱效果降低，需要定期檢查蒸發(fā)器鎳絲網(wǎng)腐蝕破損情況， 檢修后或換熱器工況出現(xiàn)較大變化時(shí)， 需要及時(shí)檢查調(diào)節(jié)各檢測(cè)點(diǎn)溫度，以降低蒸汽消耗。 正常情況下，與一效堿換熱后的蒸汽冷凝液及50%燒堿的溫度約為70 ℃。

2.4 機(jī)泵管理

蒸發(fā)裝置內(nèi)的堿輸送泵均為雙端面機(jī)械密封，使用純水作為密封介質(zhì)。正常情況下，機(jī)泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)泄漏的燒堿進(jìn)入密封水中排入地溝。 如果密封不嚴(yán)或密封損壞，機(jī)封冷卻水會(huì)串入堿液中，造成蒸汽消耗上升或產(chǎn)品堿濃度不合格。同等負(fù)荷下，如果噸堿蒸汽單耗出現(xiàn)較明顯的上升， 應(yīng)首先排查堿液泵水封是否損壞， 其次檢查堿液泵出口純水流量計(jì)流量是否正常，壓力是否在規(guī)定范圍內(nèi)，要求崗位人員每班巡檢期間對(duì)堿液泵機(jī)封水流量、壓力以及出水口pH進(jìn)行檢測(cè)。

2.5 板式換熱器管理

蒸發(fā)裝置內(nèi)采用的堿液換熱器為板式換熱武器和列管式換熱器兩種， 板式換熱器是主要用于32%、36%堿液換熱， 列管式換熱器用于42%、50%堿液及蒸汽冷凝水換熱， 板片壓緊后板束形成一系列的平行通道，流體進(jìn)入板片之間的適當(dāng)通道，以逆流方式相對(duì)流動(dòng)進(jìn)行換熱， 相鄰板片由密封墊片進(jìn)行密封，當(dāng)板片壓緊后，密封墊片保證流體介質(zhì)與大氣之間的有效密封，板片拆卸按照安裝的逆序進(jìn)行，零部件放置規(guī)范，做好標(biāo)識(shí)，避免撞擊、劃傷。拆卸前應(yīng)確認(rèn)換熱器冷熱側(cè)進(jìn)出口閥門已關(guān)閉， 且確認(rèn)換熱器內(nèi)部已排空。若換熱器溫度過高，則應(yīng)等溫度降至40 ℃以下再進(jìn)行拆卸，密封墊片若粘在兩板片間的溝槽內(nèi)，需用螺絲刀小心地將其分開，螺絲刀應(yīng)先從易剝開的部位插人，然后沿其周邊進(jìn)行分離，切不可損壞換熱器板片和密封墊片。 換熱板緊固時(shí)將換熱板對(duì)中后，手動(dòng)移向固定蓋板，移動(dòng)蓋板后輕微預(yù)壓，對(duì)稱旋緊4 個(gè)對(duì)角螺桿，中間螺桿依次跟進(jìn)，保持4 個(gè)螺桿旋進(jìn)距離基本一致， 最終應(yīng)使每張板片的墊片有20%～25%的壓縮變形。必要時(shí)也可用液壓千斤頂裝配，手動(dòng)均勻壓緊。 在日常運(yùn)行過程中板式換熱器會(huì)發(fā)生腐蝕穿孔、板片結(jié)垢，板片通道堵塞現(xiàn)象，影響堿液換熱效果，需要通過制定大修、小修1 年的周期，制定換熱器檢查內(nèi)容，避免由于換熱器問題導(dǎo)致的工藝指標(biāo)不合格情況。

2.6 氣液分離器的液位控制

在蒸發(fā)過程中， 維持恒定的氣液分離器液位保證蒸發(fā)操作的穩(wěn)定運(yùn)行。 液位高度的變化會(huì)造成靜壓頭的變化，使蒸發(fā)過程變得不穩(wěn)定。 液位過低，蒸發(fā)及閃蒸劇烈，堿液夾帶嚴(yán)重，表面冷卻器產(chǎn)生的冷凝水含堿；液位過高時(shí)會(huì)造成蒸發(fā)量降低，進(jìn)加熱室的堿液溫度增高，降低了傳熱有效溫差。

2.7 影響堿液均勻成膜的主要因素

（1）最小允許降液密度。 堿液進(jìn)入降膜管后，必須使堿液分布成均勻的液膜向下流動(dòng)， 如果控制不當(dāng)，進(jìn)料流量降低到極限值時(shí)，液膜在向下流動(dòng)過程中，隨著液體中水分不斷蒸發(fā)，向下流動(dòng)的液膜就越來(lái)越薄， 液膜很可能在加熱管的下部破裂而出現(xiàn)干壁區(qū)， 所以生產(chǎn)中必須控制好出口段的最小允許降液密度。

（2）熱流強(qiáng)度。 由于載熱體和堿液是逆向流動(dòng)的，在蒸發(fā)器內(nèi)的壁溫及堿溫始終是下部高于上部。當(dāng)降液密度減小時(shí)， 如果熱負(fù)荷增大并超過極限熱負(fù)荷時(shí)，在降膜管內(nèi)會(huì)引起劇烈的鼓泡液膜沸騰，將表面的液膜吹散到管中心，被二次蒸汽帶走，造成二次蒸汽帶液現(xiàn)象。因此在操作時(shí)必須控制熱流強(qiáng)度，不能太大。

3 三效逆流降膜蒸發(fā)裝置

公司蒸發(fā)裝置采用瑞士博特三效逆流降膜蒸發(fā)工藝，單條線為40 萬(wàn)t/a 50%液堿，裝置設(shè)計(jì)能力為額定負(fù)荷的110%。 引進(jìn)設(shè)備包括3 臺(tái)降膜蒸發(fā)器、板式換熱器及堿液泵等。 各效蒸發(fā)器的工作原理為當(dāng)液體進(jìn)入降膜蒸發(fā)器中垂直的加熱管內(nèi)， 液體被熱源蒸汽加熱而達(dá)到沸騰，在沸騰的流體中，液體和蒸汽是兩相混合流動(dòng)的， 即兩相流動(dòng)的沸騰給熱過程。在降膜蒸發(fā)的過程中，當(dāng)液體的加熱面上有足夠的熱流強(qiáng)度或壁面溫度超過液體溫度一定值時(shí)，在液體和加熱面之間會(huì)產(chǎn)生一層極薄的液層（滯流熱邊界層）從而形成溫差。此極薄的液層（膜）受熱發(fā)生相變，吸收潛熱而蒸發(fā)，這樣管內(nèi)液體不必全部達(dá)到飽和溫度，在加熱面上產(chǎn)生氣泡而沸騰。這時(shí)氣泡的過熱度超過從膜內(nèi)傳熱的溫差， 所以蒸發(fā)完全是在膜表面進(jìn)行的，這種沸騰叫表面沸騰。

3.1 工藝描述

3.1.1 堿液流程

來(lái)自電解裝置的32%堿液經(jīng)過一效降膜蒸發(fā)器和二效降膜蒸發(fā)器在負(fù)壓狀態(tài)下通過二次汽加熱濃縮為42%燒堿，再經(jīng)過三效降膜蒸發(fā)器通過生蒸汽加熱濃縮為50%堿。 主要設(shè)備有降膜蒸發(fā)器、表面冷卻器等，其中在降膜蒸發(fā)器中管程走堿液、殼程走蒸汽，堿液在蒸發(fā)濃縮過程中，由于形成的二次蒸汽的流速很高，將液體拉成一層薄膜，薄膜液層在液膜表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的蒸發(fā)從而形成薄膜蒸發(fā)，32%堿液通過三效逆流降膜蒸發(fā)濃縮為50%堿液。

3.1.2 真空系統(tǒng)

蒸發(fā)器在真空條件下運(yùn)行可以降低堿液的操作溫度，不凝氣體在冷凝器中將水蒸氣分離出來(lái)，利用水環(huán)真空泵將氣體從冷凝器中抽出來(lái)排入大氣，蒸發(fā)過程中真空系統(tǒng)設(shè)有堿性冷凝液罐、 表面冷卻器和真空泵， 日常運(yùn)行時(shí)確保堿性冷凝液罐液位高于60%，防止液位過低對(duì)系統(tǒng)真空造成影響，系統(tǒng)開車時(shí)開啟真空泵工作液閥門，注水至溢流閥有水流出，關(guān)閉進(jìn)口泄壓閥和進(jìn)口閥，啟動(dòng)真空泵后，緩慢打開真空泵進(jìn)口閥門觀察效體壓力， 系統(tǒng)停車時(shí)通知真空泵，打開真空泵旁破真空閥，手動(dòng)將一效降膜蒸發(fā)器進(jìn)行對(duì)空。

3.1.3 循環(huán)冷卻水流程

經(jīng)過循環(huán)水涼水塔風(fēng)機(jī)降溫后的冷卻水通過循環(huán)水泵送至表面冷卻器、50%堿液板式換熱器進(jìn)行換熱、純水進(jìn)行換熱后最后送至循環(huán)水積水池內(nèi)，在經(jīng)過冷卻降溫后循環(huán)利用。

3.1.4 蒸汽冷凝水流程

來(lái)自熱電公司的生蒸汽在降膜蒸發(fā)器后經(jīng)過蒸汽冷凝水閃蒸罐被蒸發(fā)利用后， 通過兩個(gè)板式換熱器換熱后形成的蒸汽冷凝液進(jìn)入蒸汽冷凝液罐，通過蒸汽冷凝液罐液面上蒸汽壓力作用送至堿液預(yù)熱器，給36%堿和42%堿預(yù)熱，熱量充分利用后輸送至熱電分公司或氯氫處理裝置。

3.1.5 蒸發(fā)堿性冷凝液回用電解裝置流程

為了將資源更好地綜合利用， 蒸發(fā)過程中產(chǎn)生的堿性冷凝水為60～70 ℃，通過使用循環(huán)水降溫，在總管管線處安裝電導(dǎo)及pH 在線檢測(cè)儀器， 電導(dǎo)及pH 檢測(cè)合格后送至電解裝置再利用，系統(tǒng)開停車時(shí)堿性冷凝水中電導(dǎo)指標(biāo)不合格， 必須將堿性冷凝水切換至廢水池，待分析合格后進(jìn)行外送。

3.2 工藝控制

裝置的生產(chǎn)由中控操作室DCS 集中控制，關(guān)鍵儀表都為PLC 自控儀表， 實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)控，如有異?？呻S時(shí)進(jìn)行調(diào)整。 如進(jìn)入界區(qū)的生蒸汽0.85～1.0 MPa（一次蒸汽）管道裝有帶自動(dòng)控制的壓力調(diào)節(jié)閥，與遠(yuǎn)傳壓力表進(jìn)行聯(lián)鎖控制，以保證蒸汽壓力的穩(wěn)定；各效氣液分離器裝有液位控制器，與進(jìn)料自動(dòng)調(diào)節(jié)閥聯(lián)鎖。 蒸發(fā)升降流量時(shí)對(duì)堿液濃度變化影響較大。

系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，先提溫度再提流量，按照每次0.3 ℃的增量手動(dòng)提升三效溫度設(shè)定值（每升高3 m3/h提高溫度1 ℃），升溫速率不超過30 ℃/h；按照每次0.25 m3/h 的增量手動(dòng)提升出堿流量設(shè)定值， 待流量達(dá)到設(shè)定值后，再次調(diào)整；根據(jù)密度計(jì)顯示或現(xiàn)場(chǎng)打比重隨時(shí)調(diào)整出堿濃度，保證其在指標(biāo)范圍內(nèi)。

系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，先降流量再降溫度，打開蒸汽自控閥，按照每次0.25 m3/h 的降量手動(dòng)降低出堿流量設(shè)定值，待流量達(dá)到設(shè)定值后，再次調(diào)整；打開蒸汽自控閥， 按照每次0.3 ℃的降量手動(dòng)降低三效溫度設(shè)定值（每降3 m3/h 降低溫度1 ℃），降溫速率不得超過30 ℃/h；根據(jù)密度計(jì)顯示或現(xiàn)場(chǎng)比重檢測(cè)隨時(shí)調(diào)整出堿濃度，保證其在指標(biāo)范圍內(nèi)。

一效、二效、三效降膜蒸發(fā)器都設(shè)有回流管線，以防止進(jìn)料過少影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行， 為了進(jìn)一步保持50%堿液濃度穩(wěn)定，優(yōu)化50%堿液蒸發(fā)濃縮過程中三效蒸發(fā)器溫度的細(xì)化控制， 通過在蒸發(fā)儀表控制系統(tǒng)中增加APC 單控制回路控制系統(tǒng)，將三效蒸發(fā)器溫度、液位及循環(huán)冷卻水液位進(jìn)行智能識(shí)別，查找各變量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系， 通過變量之間的微調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)50%堿液濃度指標(biāo)的精準(zhǔn)控制。

4 小結(jié)

三效逆流降膜蒸發(fā)與傳統(tǒng)的隔膜式蒸發(fā)器相比， 三效逆流降膜蒸發(fā)器的換熱強(qiáng)度大， 蒸汽消耗低，工藝自動(dòng)化控制較高，副產(chǎn)的冷凝液品質(zhì)好，可回收利用至合成爐、電解槽替代純水使用，實(shí)現(xiàn)資源綜合回收利用，降低生產(chǎn)運(yùn)行成本。 就裝置的運(yùn)行影響因素，包括（1）蒸汽壓力的穩(wěn)定控制可以提高50%堿液產(chǎn)品的質(zhì)量及穩(wěn)定性。（2）一效蒸發(fā)器的真空度對(duì)蒸汽單耗和裝置產(chǎn)能都有顯著影響。 （3）板式換熱器的進(jìn)料分配對(duì)蒸發(fā)器本體溫度及蒸汽單耗影響較大，合理分配物料可最大程度回收熱能。（4） 蒸發(fā)器回流流量的變化對(duì)蒸汽單耗基本無(wú)影響，需要注意的是低負(fù)荷時(shí)控制穩(wěn)定的回流量可避免蒸發(fā)器出現(xiàn)壁面液膜的斷裂變干現(xiàn)象， 回流流量過大會(huì)增加堿液輸送過程的能耗， 同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致機(jī)泵電機(jī)負(fù)荷大，造成系統(tǒng)停車事故。 （5）控制原料32%堿液的進(jìn)料溫度為80 ℃以上， 確保堿液輸送管線和緩沖罐的保溫完整，可減少堿液溫度損失，有利于蒸汽單耗的降低。