燒堿三效逆流降膜蒸發(fā)裝置運行總結(jié)

袁建華，管東強

（上海氯堿化工股份有限公司華勝化工廠，上海 201507）

1 概述

上海氯堿華勝化工廠燒堿裝置于2006年開車投產(chǎn)，配套建設(shè)的2套50%堿蒸發(fā)裝置，采用熱虹吸式二效順流蒸發(fā)工藝，單套產(chǎn)能為12萬t/a，蒸汽單耗約為0.8 t/t堿。2009年，進行了二期燒堿裝置擴產(chǎn)，配套新建1套三效逆流降膜蒸發(fā)裝置，單套產(chǎn)能為22萬t/a。新裝置的運行穩(wěn)定性和蒸汽單耗具有明顯的優(yōu)勢，隨著蒸汽價格的不斷上升，新裝置的經(jīng)濟性進一步凸顯。

離子膜去燒堿蒸發(fā)濃縮工藝，有升膜和降膜2種，主要優(yōu)點是具有較高的傳熱系數(shù)，表現(xiàn)良好的傳熱效率，設(shè)備加工制做和維修比較容易。與二效順流蒸發(fā)技術(shù)相比，三效逆流降膜蒸發(fā)工藝具有結(jié)構(gòu)緊湊、便于操作管理、工藝設(shè)計時充分考慮了二次蒸汽及蒸汽冷凝液的余熱利用等優(yōu)點，節(jié)約了能源、降低了消耗。但是，也存在二次蒸汽分離空間不足，容易造成二次蒸汽堿液夾帶，板式換熱器承受高溫、高壓、高濃度堿液，導(dǎo)致密封墊片可靠性下降，影響運行穩(wěn)定性等問題。

目前，國外多半采用三效逆流降膜蒸發(fā)工藝及裝置生產(chǎn)50%液堿。國外蒸發(fā)濃縮裝置的設(shè)計制造廠家主要有瑞士Bertrams公司、美國BTC公司、法國GEA公司、意大利SET公司、丹麥APV公司、日本木村化機和芬蘭GEP公司。目前，國內(nèi)離子膜燒堿廠家主要引進瑞士Bertrams公司、意大利SET公司、日本木村化機的二效逆流或三效逆流降膜蒸發(fā)裝置較多。

隨著國產(chǎn)化離子膜燒堿技術(shù)的發(fā)展和進步，國內(nèi)也有一些廠家如北化機、南京德邦、成都東泰、張家港張化機等在消化國外工藝基礎(chǔ)上，自主研發(fā)，依靠國內(nèi)的設(shè)備加工實力，成功研制開發(fā)了具有當(dāng)代國際先進水平的大型管式降膜蒸發(fā)器，填補了國內(nèi)空白。華勝化工廠引進瑞士Bertrams公司的蒸發(fā)工藝裝置。

2 三效逆流降膜蒸發(fā)工藝流程簡介

三效逆流降膜蒸發(fā)工藝示意圖見圖1。

電解裝置送來的32%燒堿溶液與蒸汽（0.74MPa）逆流換熱，蒸發(fā)器操作壓力為一效3～7 kPa、二效25 kPa、三效0.145 MPa，各蒸發(fā)器出口堿濃度依次為36.7%、42%、50%，溫度為對應(yīng)壓力下的沸點溫度。三效出口的蒸汽冷凝液和50%堿溫度較高，利用各效間的溫度梯度，先后與二效出口、一效出口的堿液進行換熱，回收熱量，最后排出界外。

3 裝置運行情況及影響因素分析

3.1 裝置產(chǎn)能及單耗

該蒸發(fā)裝置自2009年投運至今，運行非常穩(wěn)定，蒸汽單耗為 0.45（冬季）～0.49（夏季）t/t（燒堿折百）。蒸發(fā)裝置產(chǎn)能及單耗見表1。

3.2 影響裝置運行的因素分析

3.2.1 一效真空度

從運行情況來看，一效蒸發(fā)器操作壓力的變化對蒸汽單耗有顯著的影響，蒸發(fā)器的真空泵能力受循環(huán)水溫度影響很大，夏季循環(huán)水溫度高時，一效蒸發(fā)器的操作壓力較高，約7 kPa，冬季循環(huán)水溫度低時，蒸發(fā)器的壓力可以低至3 kPa。從堿液溫度-壓力曲線（圖2）可見，壓力越低，蒸發(fā)器出口堿溫越低，使得出界區(qū)的蒸汽冷凝液和50%燒堿的熱量得到充分回收，從而降低整套裝置的蒸汽消耗。另外，一效的堿溫降低后，裝置的總溫差增大，換熱推動力增大，從而使得裝置產(chǎn)能提高。從實際運行數(shù)據(jù)看，蒸發(fā)裝置的實時產(chǎn)堿量介于27～32 m3/h，受一效真空度影響較大，使用軟件模擬得出的結(jié)論也與實際生產(chǎn)情況相符，見圖3。

圖2 36.7%燒堿溶液沸點壓力曲線

圖3 一效操作壓力蒸汽單耗曲張（ASPEN PLUS模擬值）

3.2.2 蒸發(fā)器循環(huán)量的影響

蒸發(fā)裝置的各效出料泵都設(shè)置有回流到蒸發(fā)器進口的循環(huán)管線。在蒸發(fā)過程中，燒堿溶液經(jīng)均勻分布，在蒸發(fā)器列管內(nèi)壁形成薄膜。蒸發(fā)出的水蒸氣在向下流動的過程中，對管壁液體施加向下和向外的推力，有利于薄膜的形成，加快管壁液體的流速。薄膜蒸發(fā)傳熱效率高，這是降膜蒸發(fā)器的優(yōu)勢所在。增加循環(huán)量，勢必使得蒸發(fā)器入口的總進料量增大，列管內(nèi)薄膜厚度增加，導(dǎo)致管側(cè)傳熱系數(shù)下降[1]。液膜厚度對傳熱系數(shù)的影響如下式所示。

式中：aw—壁面局部傳熱系數(shù)；k—液體熱傳導(dǎo)系數(shù)；δ—液膜厚度。

同時，循環(huán)量增加會使蒸發(fā)器進料的溫度升高，使得加熱蒸汽和堿液間的溫差減小，傳熱推動力降低，導(dǎo)致蒸發(fā)器產(chǎn)能減小。這在實際的生產(chǎn)過程中也得到了驗證。

加大循環(huán)量對蒸發(fā)過程并無益處，但是在裝置低負荷運行時，蒸發(fā)器進料量相對較小，堿液不足以在列管內(nèi)壁形成完整的薄膜，尤其在列管的下端，隨著堿液中的水分蒸發(fā)，液體量減少，薄膜有可能出現(xiàn)撕裂，形成干區(qū)，干濕區(qū)管壁溫度不均勻，造成列管的應(yīng)力損壞。因此，只有在低負荷情況下才應(yīng)適當(dāng)開啟回流，保證蒸發(fā)器進料量在安全線之上。從能量平衡來看，循環(huán)量不會影響蒸汽單耗，但是會增加機泵的能耗，如果裝置負荷已滿足最低進料量，則需要及時關(guān)閉循環(huán)管線，節(jié)約能耗。

蒸汽單耗與回流量的關(guān)系示意于圖4。

圖4 蒸汽單耗、K*ΔT-回流量關(guān)系

3.2.3 一效、二效蒸發(fā)器出料分配的影響

一效、二效蒸發(fā)器底部出料分成二路，分別與蒸汽冷凝液和50%堿液換熱，然后，再合并進入后效的蒸發(fā)器。在理想的情況下，最終離開界區(qū)的蒸汽冷凝液和50%堿液溫度接近，此時，熱量得到最大程度的回收利用。如果二股物料的溫度相差較大，則有必要進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，特別是在裝置檢修后或換熱器工況出現(xiàn)較大的變化時，需要及時檢查調(diào)節(jié)各檢測點溫度，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%燒堿的溫度約為七十?dāng)z氏度。

3.2.4 機泵管理

蒸發(fā)裝置內(nèi)的堿輸送泵均為雙端面機械密封，使用純水作為密封介質(zhì)。正常情況下，機泵運轉(zhuǎn)時泄漏的燒堿進入密封水中，排入地溝。如果密封不嚴(yán)或密封損壞，水可能進入停止的備泵管道，造成蒸汽消耗上升或產(chǎn)品堿濃度不合格。同等負荷下，如果蒸汽流量出現(xiàn)較明顯的上升，應(yīng)首先排除該因素。為避免這種情況，可以關(guān)閉備泵機封水閥門。另外，42%和50%堿液易凍，在冬季氣溫低時，宜將備泵進出口管道排空，防止凍結(jié)。

3.2.5 蒸發(fā)冷凝水回收利用

裝置最大負荷時，產(chǎn)生的一次蒸汽冷凝水約為11 t/h，二效冷凝水約為28 t/h。本裝置蒸發(fā)器的絲網(wǎng)捕沫器的堿霧分離效果較好，二次蒸汽冷凝水的品質(zhì)也很好，能夠滿足鍋爐給水要求，因此，全部冷凝水都可以用于氫氣鍋爐給水。冷凝水溫度比純水高，在節(jié)約外購純水的同時，也降低了能源消耗。

3.2.6 其他

蒸發(fā)裝置穩(wěn)定運行的基本條件是蒸汽的供應(yīng)穩(wěn)定，蒸汽管線上需合理設(shè)置疏水器，并確保疏水器工作正常。如果管道內(nèi)的冷凝水不能及時排出，間隙性地被蒸汽夾帶進入蒸發(fā)器，會造成短時間的蒸發(fā)器蒸汽側(cè)的排水不暢，由此導(dǎo)致蒸汽流量的突然下降，對蒸發(fā)器列管造成沖擊。

4 總結(jié)

和傳統(tǒng)的二效升膜式蒸發(fā)器相比，三效逆流降膜蒸發(fā)器的換熱強度大，蒸汽消耗低，副產(chǎn)的冷凝水品質(zhì)好，在一些應(yīng)用中可替代純水，運行成本相對較低，在國內(nèi)的應(yīng)用也越來越多。就裝置的運行影響因素，總結(jié)如下：

（1）一效蒸發(fā)器的真空度對蒸汽單耗和裝置產(chǎn)能都有顯著影響，是裝置運行需關(guān)注的第一重要因素。

（2）預(yù)熱換熱器的進料分配對蒸汽單耗有一定影響，合理的分配物料才能最大程度的回收熱能。

（3）蒸發(fā)器回流量的變化對蒸汽單耗基本無影響，需要注意的是低負荷時需要一定的回流量以保證蒸發(fā)器的安全運行，過高的回流量會導(dǎo)致物料輸送過程的能耗增加。

（4）提高原料32%堿液的進料溫度，做好堿液輸送管線和原料中間槽的保溫,減少原料堿液的溫度損失，有助于降低蒸汽單耗。

［1］葉學(xué)民，等.切應(yīng)力作用下的層流飽和蒸發(fā)降膜流動和傳熱模型.華北電力大學(xué)學(xué)報，2007，34（3）：43.