濃堿蒸發(fā)裝置性能狀況與經(jīng)濟(jì)分析對比

韓解兵，曹紹良

（江西世龍實業(yè)股份有限公司，江西 樂平 333332）

近年來，隨著安全環(huán)保和節(jié)能減排政策不斷加強，新型化工、精細(xì)化工、醫(yī)藥化工等行業(yè)生產(chǎn)商對濃度較高的40%、50%燒堿的需求越來越大，尤其是制藥行業(yè)對高濃度、高品質(zhì)的燒堿需求更為迫切。江西世龍實業(yè)股份有限公司分別在離子膜電解裝置下游相繼增加了2套50%濃堿蒸發(fā)裝置，32%離子膜燒堿通過蒸發(fā)提濃后生產(chǎn)出40%、50%的濃堿以滿足市場需求。蒸發(fā)裝置先后采用了刮板式薄膜蒸發(fā)和雙效逆流濃堿蒸發(fā)兩種不同生產(chǎn)工藝。

1 刮板式薄膜蒸發(fā)濃堿裝置

2018年2 月，世龍實業(yè)公司結(jié)合燒堿市場情況，借鑒同行業(yè)技術(shù)和生產(chǎn)經(jīng)驗，建成了2.5萬t/a刮板式薄膜蒸發(fā)濃堿裝置，該裝置建成后馬上投產(chǎn)，裝置整體運行情況平穩(wěn)，濃堿產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量同時達(dá)到設(shè)計要求，較好地滿足了客戶的需求。

1.1 刮板式薄膜蒸發(fā)器的組成、原理及特點

刮板式薄膜蒸發(fā)濃堿裝置關(guān)鍵設(shè)備為刮板式薄膜蒸發(fā)器，刮板式薄膜蒸發(fā)器主要由加熱夾套和刮板組成，蒸發(fā)器殼體外部裝有加熱蒸汽夾套，內(nèi)部裝有可旋轉(zhuǎn)的刮板，刮板由圓筒中心的旋轉(zhuǎn)軸帶動。刮板和加熱夾套內(nèi)壁保持很小間隙，通常為0.5～1.5 mm。原料液由蒸發(fā)器上部沿切向加入后，在重力和旋轉(zhuǎn)刮板的帶動下，沿殼體的內(nèi)壁面形成下旋的薄膜，完成液由底部排出蒸發(fā)器，二次蒸汽經(jīng)除沫器后由上部排出。在某些場合，這種蒸發(fā)器可將溶液蒸干，在底部直接得到固體產(chǎn)品。

由于刮板式薄膜蒸發(fā)器的獨特結(jié)構(gòu)，刮板旋轉(zhuǎn)具有泵送作用，使得物料在蒸發(fā)器內(nèi)的停留時間很短。刮板式薄膜濃堿蒸發(fā)裝置原理是利用刮板的機械運動，將32%的堿液刮成薄膜液層，大大增加了物料的受熱面積，在真空作用下，32%的堿液被快速地蒸發(fā)。

該裝置的顯著特點是濃堿產(chǎn)品的濃度及產(chǎn)量可通過調(diào)節(jié)32%堿的進(jìn)料量及夾套蒸汽的通入量進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。

1.2 刮板式薄膜蒸發(fā)濃堿裝置工藝流程及操作

將離子膜車間的32%濃度的液堿不經(jīng)過冷卻直接送入32%堿加料槽內(nèi)（該加料槽需做保溫處理），然后將32%的燒堿用加料泵送入刮板薄膜蒸發(fā)器中，刮板薄膜蒸發(fā)器通過調(diào)節(jié)流量進(jìn)行自控進(jìn)料，在蒸發(fā)器內(nèi)，32%的燒堿自上而下流動，同時被蒸發(fā)器中連續(xù)旋轉(zhuǎn)的刮板刮成薄膜液層，刮板薄膜蒸發(fā)器的外夾套中通入低壓蒸汽（蒸汽壓力表壓為0.3 MPa左右），攤薄的32%燒堿受熱后快速蒸發(fā)，產(chǎn)生的二次蒸汽自刮板薄膜蒸發(fā)器頂部出來進(jìn)入真空系統(tǒng)，被蒸發(fā)提濃至50%左右的濃堿自流到蒸發(fā)器下部的濃堿槽中。

真空裝置由噴射冷凝器+真空下水槽+真空上水泵+冷卻器組成，將刮板薄膜蒸發(fā)器上部產(chǎn)生的水蒸氣連續(xù)抽出，并維持蒸發(fā)器內(nèi)的真空為-0.08 MPa，以保持最佳的蒸發(fā)效果。刮板式薄膜蒸發(fā)裝置工藝流程示意圖見圖1。

圖1 刮板式薄膜蒸發(fā)裝置工藝流程示意圖

1.3 刮板式薄膜蒸發(fā)濃堿裝置優(yōu)點

刮板式薄膜蒸發(fā)器的突出優(yōu)點是對物料的適應(yīng)性很強，對高黏度、易結(jié)晶、易結(jié)垢、含懸浮物或兼有熱敏性料液的蒸發(fā)均適用。該裝置在生產(chǎn)中最大優(yōu)點為生產(chǎn)操作彈性較大，可隨時切換生產(chǎn)不同濃度的燒堿產(chǎn)品，可實現(xiàn)40%、42%、45%、50%燒堿等產(chǎn)品多樣化的要求，很好地滿足不同客戶的需求。

1.4 刮板式薄膜蒸發(fā)濃堿裝置存在不足

刮板式薄膜蒸發(fā)器采用的是蒸發(fā)器外壁的外夾套內(nèi)通入生蒸汽加熱，相對于板式蒸發(fā)器的薄壁加熱面，刮板式薄膜蒸發(fā)器的傳熱效率較低，蒸汽的利用率不高。刮板式薄膜蒸發(fā)裝置生蒸汽只利用了一次，產(chǎn)生的二次蒸汽熱能沒有得到充分利用。二次蒸汽直接被抽到真空系統(tǒng)，不但降低了蒸汽的利用率，而且造成真空系統(tǒng)的循環(huán)水溫度升高，導(dǎo)致冷卻器的負(fù)荷顯著增加。

由于刮板式薄膜蒸發(fā)器主要是依靠頂部減速機的傳動帶動刮板做圓周運動，刮板長期處于連續(xù)磨損狀態(tài)，設(shè)備維修成本較高。

2 雙效逆流濃堿蒸發(fā)裝置

世龍實業(yè)公司于2019年7月建成了5萬t/a雙效逆流濃堿蒸發(fā)裝置，該裝置建成投產(chǎn)后運行情況良好，濃堿產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量均達(dá)到設(shè)計要求，極大地滿足了客戶的需求。

2.1 雙效逆流工作原理

雙效蒸發(fā)器常應(yīng)用于化工、輕工、食品、醫(yī)藥等工業(yè)生產(chǎn)中，如硝酸銨、燒堿、抗生素、制糖及淡水制備等生產(chǎn)制備，也常應(yīng)用于化工、制藥、冶金、采礦、石化、稀土、鋰電、危廢等行業(yè)的工業(yè)廢水處理。

雙效蒸發(fā)器一二效均由各自的蒸發(fā)器和分離器組成，蒸發(fā)器采用的是傳熱效果較好的板式換熱器。

在蒸發(fā)生產(chǎn)中，二次蒸汽的產(chǎn)量較大，且含大量的潛熱，應(yīng)將其回收利用。雙效蒸發(fā)器是將第一個蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽再次當(dāng)作加熱源，引入另一個蒸發(fā)器，只要控制蒸發(fā)器內(nèi)的壓力和溶液沸點，使其適當(dāng)降低，則可利用第一個蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)行加熱。第一個蒸發(fā)器的冷凝處就是第二個蒸發(fā)器的加熱處，這是雙效蒸發(fā)蒸汽充分利用原理。

雙效逆流蒸發(fā)裝置被蒸發(fā)的物料與蒸汽的流動方向相反，主要用于進(jìn)料溫度較低，但出口溫度較高的工藝情況。進(jìn)料無需預(yù)熱或少許預(yù)熱，節(jié)約了蒸汽用量，但整個過程需要用泵來輸送物料，用電量有所增加。

2.2 雙效逆流濃堿蒸發(fā)裝置工藝流程及操作

將離子膜車間的32%濃度的液堿不經(jīng)過冷卻直接送入32%堿加料槽內(nèi)（該加料槽需做熱保溫），由料液泵控制流量后送入Ⅱ效板式蒸發(fā)器，料液加熱后進(jìn)人Ⅱ效分離器進(jìn)行氣液分離，產(chǎn)生39%的堿液和Ⅱ效二次蒸汽。從Ⅱ效分離器分離出的39%堿液經(jīng)濃堿中間泵送入濃堿預(yù)熱器，用Ⅰ效板式蒸發(fā)器出來的蒸汽冷凝水預(yù)熱39%的濃堿，預(yù)熱后39%堿液進(jìn)人Ⅰ效板式蒸發(fā)器，在Ⅰ效板式蒸發(fā)器中經(jīng)低壓蒸汽（蒸汽壓力表壓為0.3 MPa左右）加熱后進(jìn)人Ⅰ效分離器進(jìn)行氣液分離，產(chǎn)生50%的堿液和Ⅰ效二次蒸汽。從Ⅰ效分離器分離出的50%堿液由產(chǎn)品成品堿泵送至成品堿冷卻器，將50%堿冷卻到40℃以下，冷卻后50%堿直接送至成品配堿槽中外售。

Ⅰ效板式蒸發(fā)器用蒸汽加熱，產(chǎn)生的冷凝水經(jīng)濃堿預(yù)熱器預(yù)熱39%堿后流入冷凝水貯槽，再用冷凝水泵送至化鹽工序回收利用。Ⅱ效板式蒸發(fā)器用Ⅰ效產(chǎn)生的二次蒸汽加熱，冷凝水自流進(jìn)入二次汽熱水罐，從Ⅱ效板式蒸發(fā)器蒸發(fā)出來的二次蒸汽經(jīng)過表面冷凝器大量冷凝后進(jìn)入氣液分離器中，冷凝下來的冷凝水從氣液分離器底部自流至二次汽熱水罐。部分未冷凝的水蒸汽和不凝氣從氣液分離器頂部被水環(huán)真空泵抽走，由表面冷凝器和水環(huán)真空泵一起產(chǎn)生真空。并維持Ⅱ效分離器內(nèi)的真空為-0.08 MPa。二次汽熱水罐中的熱水由于含有少量氫氧化鈉，通過堿性廢水泵送至化鹽工序，其中的氫氧化鈉可作為除去鹽水中鎂離子的精制劑使用。雙效逆流濃堿蒸發(fā)裝置工藝流程示意圖見圖2。

圖2 雙效逆流濃堿蒸發(fā)裝置工藝流程示意圖

2.3 雙效逆流濃堿蒸發(fā)裝置核心設(shè)備

雙效逆流濃堿蒸發(fā)裝置的核心設(shè)備是Ⅰ效板式蒸發(fā)器和Ⅱ效板式蒸發(fā)器，板式蒸發(fā)器是一種升膜蒸發(fā)器，物料向上通過蒸發(fā)器時，物料在換熱面上形成一層薄膜，并被加熱至沸騰。為了保證最佳蒸發(fā)及分離效果，板式蒸發(fā)器料液出口必須與氣液分離器進(jìn)料口平行安裝，且盡量連接管道最短（一般采用方形接管），加熱至沸騰的料液以最小的阻力進(jìn)入分離器，以保持最佳的蒸發(fā)效果。由于50%濃堿腐蝕性較強，普通的不銹鋼無法耐受，板式蒸發(fā)器板片材質(zhì)必須采用鎳材才能滿足，世龍實業(yè)公司雙效逆流生產(chǎn)50%濃堿裝置目前使用的Ⅰ、Ⅱ效板式蒸發(fā)器板片材質(zhì)是鎳200，由瑞典阿法拉伐公司提供，價格比較昂貴。

2.4 雙效逆流濃堿蒸發(fā)裝置設(shè)計優(yōu)勢

5萬t/a雙效逆流濃堿蒸發(fā)裝置從工藝設(shè)計上充分考慮蒸汽熱能的循環(huán)利用，包括蒸汽冷凝水回收余熱利用。主要用能設(shè)備Ⅰ、Ⅱ效板式蒸發(fā)器采用耐腐蝕的高效傳熱薄壁金屬板和耐高溫的板墊。在管道設(shè)計流程上盡量縮短管道長度，減少熱損并降低輸送能耗。采用高效的保溫材料對系統(tǒng)設(shè)備和管道進(jìn)行保溫。

3 刮板式薄膜蒸發(fā)與雙效逆流蒸發(fā)濃堿裝置情況對比

3.1 蒸汽利用率比較

（1）刮板式薄膜蒸發(fā)裝置蒸汽利用率低。刮板式薄膜蒸發(fā)裝置完全是利用刮板的機械運動，將32%的堿液刮成薄膜液層，雖然短時間增加了物料的受熱面積，但因為刮板式薄膜蒸發(fā)器是采用生蒸汽從蒸發(fā)器外壁的外夾套內(nèi)通入加熱，生蒸汽只能在刮板式薄膜蒸發(fā)裝置上利用一次，產(chǎn)生的二次蒸汽熱能不能得到充分利用。

（2）雙效逆流濃堿蒸發(fā)裝置蒸汽利用率高、冷凝水的余熱充分利用。雙效逆流濃堿蒸發(fā)裝置采用了連續(xù)蒸發(fā)工藝，生蒸汽進(jìn)入到Ⅰ效板式蒸發(fā)器，產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入到Ⅱ效板式蒸發(fā)器作為熱源使用，二次蒸汽得到了充分利用。與刮板式薄膜蒸發(fā)器對比，板式蒸發(fā)器板壁要薄的多，對應(yīng)的傳熱系數(shù)大，物料的蒸發(fā)強度也明顯較高。雙效逆流板式蒸發(fā)器蒸汽冷凝水作為濃堿預(yù)熱器熱源對濃堿進(jìn)行預(yù)熱，提高了I效板式蒸發(fā)器的進(jìn)料溫度，冷凝水熱能得到充分利用。

雙效逆流板式蒸發(fā)裝置比刮板式薄膜蒸發(fā)裝置在蒸汽利用和消耗方面具有明顯的優(yōu)勢。運行經(jīng)濟(jì)分析對比表見表1。

3.2 設(shè)備運行和維護(hù)保養(yǎng)比較

刮板式薄膜蒸發(fā)裝置主要設(shè)備是刮板式薄膜蒸發(fā)器，該設(shè)備主要是依靠頂部減速機的傳動從而帶動刮板做圓周運動，刮板長期處于連續(xù)磨損狀態(tài)，因此刮板式薄膜蒸發(fā)裝置傳動部件容易損壞，維修成本較高。

雙效逆流濃堿蒸發(fā)裝置的核心設(shè)備是Ⅰ、Ⅱ效板式蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器由于采用低壓蒸汽（蒸汽壓力表壓為0.3 MPa左右）直接加熱，蒸汽溫度在144℃左右，一般的板式換熱器板與板之間的墊片采用的是普通型三元乙丙橡膠，該墊片無法長期承受這樣的高溫工況，必須采用耐高溫型三元乙丙橡膠墊片或其他能長期耐高溫型墊片，因此Ⅰ、Ⅱ效板式蒸發(fā)器設(shè)備價格要高得多，而且設(shè)備使用到后期經(jīng)常會出現(xiàn)墊片滲漏、板片腐蝕等狀況，故而雙效逆流濃堿蒸發(fā)裝置在這方面的維修成本也較高。

3.3 運行經(jīng)濟(jì)分析對比

江西世龍實業(yè)股份有限公司從2018年開始，相繼投產(chǎn)了1套2.5萬t/a刮板式薄膜濃堿蒸發(fā)裝置和1套5萬t/a雙效逆流濃堿蒸發(fā)裝置，兩套裝置目前都運行穩(wěn)定，滿足了市場對40%、50%等燒堿的需求，由于選擇的工藝方式不同，在具體運行指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)效益方面，雙效逆流濃堿蒸發(fā)裝置相比刮板式薄膜蒸發(fā)裝置具有一定的優(yōu)越性，特別是蒸汽消耗方面優(yōu)勢更加明顯，具體見表1。

表1 雙效逆流與刮板薄膜裝置運行經(jīng)濟(jì)分析對比表（按50%濃堿計）

4 結(jié)語

客戶對公司生產(chǎn)的40%、50%燒堿等系列產(chǎn)品高度認(rèn)可。由于工藝方式的不同，在具體運行經(jīng)濟(jì)效益方面產(chǎn)生了一定的差別，具體體現(xiàn)在雙效逆流濃堿蒸發(fā)裝置比刮板式薄膜濃堿蒸發(fā)裝置具有明顯的優(yōu)越性。