硫化堿列管蒸發系統帶液現象分析與改進措施

江澤銀，王增祥，楊菲

（重慶民豐化工有限責任公司，重慶 402660）

硫化堿列管蒸發系統帶液現象分析與改進措施

江澤銀，王增祥，楊菲

（重慶民豐化工有限責任公司，重慶 402660）

目前，中國硫化堿行業普遍采用列管蒸發系統，但是大多數硫化堿生產廠家反映，采用該蒸發系統存在蒸發帶液現象。針對當前硫化堿行業采用列管蒸發系統存在的蒸發帶液問題，對蒸發器蒸發室尺寸、除沫器形式、進料口位置、循環管出口位置等蒸發器結構進行了分析，以及對蒸發系統的真空度、進料速度、蒸發底液、蒸發濃度等控制條件進行了討論，找出了產生蒸發帶液現象的原因，從設備設計結構和工藝條件控制方面提出了改進的具體措施。

硫化堿；蒸發器；帶液

中國硫化堿蒸發器先后經歷了大鍋明火蒸發，旋轉薄膜蒸發器蒸發，列管式加熱器、板式加熱器、聚四氟乙烯加熱器真空連續蒸發階段［1］。在真空連續蒸發器中以列管式加熱器應用最為廣泛和成熟，行業自然形成產能為1萬t/a（蒸發室φ 1 700 mm× 7 000 mm，加熱面積F=90 m2）和2萬t/a（蒸發室φ 2 200 mm×7 000 mm，加熱面積F=160 m2）的標準化蒸發器。但大多數硫化堿生產廠家反映，該蒸發器在運行過程中蒸發帶液嚴重，這不僅會帶來產品損失、污染操作環境，還會導致下游設備腐蝕、結垢。為此，解決蒸發帶液問題就顯得尤為迫切。

1 硫化堿列管蒸發系統現狀及存在的問題

目前，硫化堿列管蒸發系統主要采用外加熱強制循環負壓蒸發器［1］，真空度控制在60 kPa，真空由直接冷凝器、水環真空泵系統提供，見圖1。主要存在的問題是蒸發帶液嚴重。根據硫化堿蒸發器設計和運行實踐發現，出現蒸發帶液現象的主要原因有2個：1）蒸發器結構設計不合理；2）系統的真空度、進料速度、蒸發底液、蒸發濃度等隨蒸發系統循環冷卻水的溫度、蒸發量、大氣壓等因素的變化而發生較大波動，導致操作不合理、不可控，進而導致蒸發帶液［2］。

圖1 硫化堿行業蒸發系統流程圖

2 硫化堿列管蒸發系統蒸發帶液問題討論

2.1 設計結構對蒸發帶液的影響

目前，硫化堿行業蒸發器普遍采用外加熱強制循環負壓蒸發器，其設計結構存在蒸發能力與蒸發室斷面尺寸不匹配、蒸發室斷面尺寸普遍偏小的缺陷。主要原因：1）蒸發器材質以鎳材和特種不銹鋼（0Cr25Ni20）為主，為節約成本，設計尺寸普遍取下限；2）以平均蒸發量（恒定蒸發速率）作為設計蒸發室斷面尺寸的依據；3）真空度固定不變，在蒸發初期蒸發速率快，蒸發后期蒸發速率慢；4）進料管位置和循環管出口位置設計不合理，導致蒸發室所需高度大、斷面偏小；5）蒸發室未設計有效除沫裝置。針對以上問題，重慶民豐化工有限責任公司（簡稱公司）對5萬t/a硫化堿裝置蒸發器及蒸發系統進行了如下設計：1萬t/a蒸發器（蒸發室φ 1 900 mm× 6 500 mm，加熱面積F=90 m2）1臺；2萬t/a蒸發器（蒸發室φ2 400 mm×6 890 mm，加熱面積F=160 m2）2臺。以2萬t/a蒸發器的設計和運行為例。

1）蒸發室設計計算。根據硫化堿蒸發工藝參數計算硫化堿蒸發器斷面尺寸（無除沫裝置）。蒸發室容積強度按0.8～1.05 m3/（m3·s）計［3］，最大蒸發速率為7 t/h（不能以平均蒸發速率進行設計），蒸汽中有5%霧沫夾帶［4］，蒸發室壓力為-0.07 MPa。蒸發器蒸發室計算過程如下［5］。

氣-液分離因子X計算：

式中：WL、WV分別為液體或蒸汽流率，kg/s；ρL、ρV分別為液體或蒸汽密度，kg/cm3。

查蒸汽速度因子圖可得Kv=0.015m/s，計算氣液分離最大速度UV：

則蒸發室最小斷面直徑為3.38 m（取3.4 m），則可知蒸發室高度至少為1.4 m（取2.0 m）。如蒸發室帶除沫器，取蒸汽速度因子Kv=0.06 m/s、UV=4.24 m/s，蒸發室最小斷面直徑為1.98 m（取2.2 m），蒸發室高度至少為3.18 m（取3.2 m）。

由此可知，設計可靠的除沫裝置是必須的。為保證蒸發器正常運行和減少設備投資，硫化堿蒸發室設計采用不銹鋼絲網除沫器除沫裝置，蒸發室斷面尺寸為φ2.4 m（考慮蒸發富裕量），蒸發室高度為6.89 m（包括存液高度），蒸發室采用復合材料（筒體為3 mm厚0Cr25Ni20板+10 mm厚Q235B板），可節約投資30萬元/臺。

2）真空系統設計。在硫化堿行業標準蒸發器真空系統中，采用大氣冷凝器、水環真空泵固定真空能力系統條件下，真空度為不可控、不可調狀態。為實現真空度可控、可調、適時控制，硫化堿蒸發器真空系統采用蒸汽噴射器自動控制真空系統。

3）進料管、循環管接管位置改進。在硫化堿行業標準蒸發器中，將蒸發器進料口設置在蒸發室并且采用間歇進料，循環管出口與蒸發室筒體采用正交接管，這種接管設計容易產生蒸發帶液現象。為此，對硫化堿蒸發器進料管、循環管接管作了改進：將進料口設在循環泵進口循環管上并且采用連續自動進料，既可防止進料引起蒸發帶液，又可加大加熱器溫差；循環管出口從切向引入蒸發室，料液從切向引入被迫沿蒸發室壁作旋轉運動，可降低蒸發室高度。

4）蒸發器除沫對帶液的影響。2009年8月，公司5萬t/a硫化堿裝置因蒸發器不銹鋼絲網除沫器損壞，導致蒸發帶液嚴重，其二次冷凝液硫化鈉質量濃度一度高達50g/L，而停產檢修后二次冷凝液硫化鈉質量濃度恢復至正常水平0.06 g/L。

公司蒸發器運行實踐表明：根據最大蒸發速率設計蒸發室斷面尺寸，設計高效的絲網除沫器，配置可控可調、適時控制蒸汽噴射器自動真空系統，改進進料管、循環管接管位置，不僅可以有效控制蒸發帶液，還可以節約設備投資。公司5萬t/a硫化堿裝置2萬t/a蒸發器結構及蒸發系統流程圖見圖2。

2.2 蒸發系統控制與操作對蒸發帶液的影響

2.2.1 系統真空度控制與蒸發帶液

在蒸發過程中，蒸發液濃度、沸點由低到高，蒸發速率由快到慢，單位時間蒸發水量由大到小［5］。鑒于此，在傳統蒸發工藝中，采用大氣冷凝器、水環真空泵固定真空系統條件下，蒸發前期發生蒸發帶液現象在所難免。根據杜林規則［6］，在相同真空度下，蒸發初期蒸發液濃度低，溶液沸點低，蒸發溫差大，傳熱推動力大，蒸發速率快；反之，蒸發后期蒸發液濃度高，溶液沸點高，蒸發溫差小，傳熱推動力小，蒸發速率慢。且在硫化堿蒸發后期，蒸發液中水分含量少，蒸發伴隨著硫化鈉晶體的轉化，需克服蒸發過程中硫化鈉晶體轉化所需熱能，如Na2S·6H2O失去結晶水轉化為Na2S·H2O或Na2S。以公司5萬t/a硫化堿裝置蒸發器為例，蒸發液由Na2S質量分數為24%提升至60%，蒸發成品量約25 t。蒸發初、中期需3.5～4 h，蒸發速率為5～7 t/h；蒸發后期需2～2.5 h，蒸發速率為3.5～5 t/h，總時間約為6.5 h。蒸發速率、真空度與物料溫度變化關系見表1。

表1 蒸發速率、真空度與物料溫度的關系

綜上所述，在硫化堿傳統蒸發工藝中，采用大氣冷凝器、水環真空泵固定真空能力系統下，真空度為不可控、不可調狀態，真空度會隨蒸發系統循環冷卻水溫度、蒸發量、大氣壓等因素變化而發生波動導致蒸發帶液。要解決這一問題，必須根據硫化堿物料蒸發初中期蒸發速率快、蒸發后期蒸發速率慢的特點，采用可控、可調真空系統，實現真空度的適時控制。

2.2.2 系統操作與蒸發帶液

目前，在外加熱強制循環負壓蒸發器系統操作中，習慣性地將蒸發成品液全部轉出后，再填充濃鹵進行蒸發，蒸發過程中根據液位降低間斷向蒸發室補充蒸發液。這種傳統的操作方式容易導致蒸發帶液：在前述固定真空度條件下，蒸發初期蒸發液濃度低，蒸發速率快，導致蒸發帶液；由于蒸發過程中根據液位降低間斷向蒸發室補充蒸發液，一次性向蒸發室補入蒸發液量大、濃度低，新補充蒸發液與原蒸發液來不及混合即開始蒸發，導致蒸發帶液。

公司5萬t/a硫化堿裝置蒸發器在合理設計的基礎上，采取了以下防止蒸發帶液的有效操作手段：1）采用底液蒸發技術，每次轉料時留約7 m3成品液（循環液），維持蒸發初期蒸發液硫化鈉質量濃度在400 g/L以上；2）循環管連續化自動控制進料，保證循環液濃度的穩定性和均勻性；3）根據蒸發過程控制真空度。在蒸發初期控制相對較低真空度（40～60 kPa），且真空度變化不宜過快；在蒸發中后期控制較高真空度（70～80 kPa），在保證物料黏度和流動性的條件下盡量降低蒸發液溫度，既保證了較快蒸發速率，又可降低設備腐蝕速率。

硫化堿物料具有強腐蝕性，且溫度越高物料的腐蝕性越強。在常壓蒸發情況下，硫化堿成品液沸點約為185℃，真空度控制在70 kPa時溶液沸點降至130℃。以質量分數為60%的硫化堿為例，真空度與物料溫度關系見表2。

表260 %硫化堿真空度與溫度的關系

公司硫化堿蒸發器運行實踐表明：蒸發器在合理設計基礎上，采取底液蒸發技術、循環管連續自動控制進料、蒸發初期控制較低真空度、中后期控制較高真空度等操作手段，既可解決蒸發帶液問題，又可降低設備腐蝕速率。

3 結論

通過對硫化堿列管蒸發系統存在問題的分析和重慶民豐化工有限責任公司5萬t/a硫化堿蒸發器的設計和生產實踐，對目前硫化堿行業蒸發器普遍存在的蒸發帶液問題，可采取如下措施解決：1）根據最大蒸發速率設計蒸發室斷面尺寸，采用絲網除沫器除沫，配置蒸汽噴射器自動控制真空系統，將進料口設在循環泵進口循環管上，循環管出口從切向引入蒸發室；2）采取底液蒸發技術，保證蒸發初期蒸發液硫化鈉質量濃度在400 g/L以上，維持其沸點相對穩定；3）根據蒸發速率控制真空度，在蒸發初期控制較低真空度，在蒸發中后期控制較高真空度；4）在蒸發過程中，維持進料的連續性和穩定性，采用自動連續的進料方式。

［1］秦根紅.外循環蒸發器在硫化堿生產中應用［J］.新疆化工，2008（3）：32-33.

［2］M E波任.無機鹽工藝學（上冊）［M］.北京：化學工業出版社，1981.

［3］王松漢.石油化工設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2002.

［4］QB 6008—1995真空制鹽廠設計規范［S］.

［5］卡爾·布蘭南.石油和化學工程師實用手冊［M］.王江義譯.北京：化學工業出版社，2001.

［6］譚天恩，麥本熙，丁惠華.化工原理［M］.北京：化學工業出版社，1990.

聯系方式：jiangzyin@163.com

Analysis and corrective measures for liquid leakage phenomenon of tube evaporation system of akali sulphide

Jiang Zeyin，Wang Zengxiang，Yang Fei
（Chongqing Minfeng Chemical Co.，Ltd.，Chongqing 402660，China）

At present，tube evaporation system was universally adopted in China′s akali sulphide industry，but most akali sulphide manufacturers complained there was liquid leakage phenomenon while using it.Based on the existing problem，the evaporator′s structures，such as dimensions of evaporator chamber，form of demister，location of incoming port and outlet position of circulation tube，were analyzed.In addition，the evaporation system′s control conditions，such as vacuum degree，feed rate，evaporation bottom liquid，and evaporation concentration，were discussed and the reasons of liquid leakage were found. Finally，concrete measures from the aspects of equipment structure design and process conditions were put forward.

sodium sulfide；evaporator；liquid leakage

TQ131.12

A

1006-4990（2013）06-0039-03

2013-01-12

江澤銀（1972—），男，工學學士（在讀工程碩士），高級工程師，主要從事化工工程設計和生產技術開發工作。