燒堿三效逆流降膜蒸發裝置運行總結

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，配套建設的2套50%堿蒸發裝置，采用熱虹吸式二效順流蒸發工藝，單套產能為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，配套新建1套三效逆流降膜蒸發裝置，單套產能為22萬t/a。新裝置的運行穩定性和蒸汽單耗具有明顯的優勢，隨著蒸汽價格的不斷上升，新裝置的經濟性進一步凸顯。

離子膜去燒堿蒸發濃縮工藝，有升膜和降膜2種，主要優點是具有較高的傳熱系數，表現良好的傳熱效率，設備加工制做和維修比較容易。與二效順流蒸發技術相比，三效逆流降膜蒸發工藝具有結構緊湊、便于操作管理、工藝設計時充分考慮了二次蒸汽及蒸汽冷凝液的余熱利用等優點，節約了能源、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，導致密封墊片可靠性下降，影響運行穩定性等問題。

目前，國外多半采用三效逆流降膜蒸發工藝及裝置生產50%液堿。國外蒸發濃縮裝置的設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裝置較多。

隨著國產化離子膜燒堿技術的發展和進步，國內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上，自主研發，依靠國內的設備加工實力，成功研制開發了具有當代國際先進水平的大型管式降膜蒸發器，填補了國內空白。華勝化工廠引進瑞士Bertrams公司的蒸發工藝裝置。

2 三效逆流降膜蒸發工藝流程簡介

三效逆流降膜蒸發工藝示意圖見圖1。

電解裝置送來的32%燒堿溶液與蒸汽（0.74MPa）逆流換熱，蒸發器操作壓力為一效3～7 kPa、二效25 kPa、三效0.145 MPa，各蒸發器出口堿濃度依次為36.7%、42%、50%，溫度為對應壓力下的沸點溫度。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 裝置產能及單耗

該蒸發裝置自2009年投運至今，運行非常穩定，蒸汽單耗為 0.45（冬季）～0.49（夏季）t/t（燒堿折百）。蒸發裝置產能及單耗見表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，一效蒸發器操作壓力的變化對蒸汽單耗有顯著的影響，蒸發器的真空泵能力受循環水溫度影響很大，夏季循環水溫度高時，一效蒸發器的操作壓力較高，約7 kPa，冬季循環水溫度低時，蒸發器的壓力可以低至3 kPa。從堿液溫度-壓力曲線（圖2）可見，壓力越低，蒸發器出口堿溫越低，使得出界區的蒸汽冷凝液和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，從而使得裝置產能提高。從實際運行數據看，蒸發裝置的實時產堿量介于27～32 m3/h，受一效真空度影響較大，使用軟件模擬得出的結論也與實際生產情況相符，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 蒸發器循環量的影響

蒸發裝置的各效出料泵都設置有回流到蒸發器進口的循環管線。在蒸發過程中，燒堿溶液經均勻分布，在蒸發器列管內壁形成薄膜。蒸發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。薄膜蒸發傳熱效率高，這是降膜蒸發器的優勢所在。增加循環量，勢必使得蒸發器入口的總進料量增大，列管內薄膜厚度增加，導致管側傳熱系數下降[1]。液膜厚度對傳熱系數的影響如下式所示。

式中：aw—壁面局部傳熱系數；k—液體熱傳導系數；δ—液膜厚度。

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

加大循環量對蒸發過程并無益處，但是在裝置低負荷運行時，蒸發器進料量相對較小，堿液不足以在列管內壁形成完整的薄膜，尤其在列管的下端，隨著堿液中的水分蒸發，液體量減少，薄膜有可能出現撕裂，形成干區，干濕區管壁溫度不均勻，造成列管的應力損壞。因此，只有在低負荷情況下才應適當開啟回流，保證蒸發器進料量在安全線之上。從能量平衡來看，循環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，則需要及時關閉循環管線，節約能耗。

蒸汽單耗與回流量的關系示意于圖4。

圖4 蒸汽單耗、K*ΔT-回流量關系

3.2.3 一效、二效蒸發器出料分配的影響

一效、二效蒸發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器。在理想的情況下，最終離開界區的蒸汽冷凝液和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，則有必要進行適當的調節，特別是在裝置檢修后或換熱器工況出現較大的變化時，需要及時檢查調節各檢測點溫度，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攝氏度。

3.2.4 機泵管理

蒸發裝置內的堿輸送泵均為雙端面機械密封，使用純水作為密封介質。正常情況下，機泵運轉時泄漏的燒堿進入密封水中，排入地溝。如果密封不嚴或密封損壞，水可能進入停止的備泵管道，造成蒸汽消耗上升或產品堿濃度不合格。同等負荷下，如果蒸汽流量出現較明顯的上升，應首先排除該因素。為避免這種情況，可以關閉備泵機封水閥門。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。

3.2.5 蒸發冷凝水回收利用

裝置最大負荷時，產生的一次蒸汽冷凝水約為11 t/h，二效冷凝水約為28 t/h。本裝置蒸發器的絲網捕沫器的堿霧分離效果較好，二次蒸汽冷凝水的品質也很好，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，在節約外購純水的同時，也降低了能源消耗。

3.2.6 其他

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

4 總結

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

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

（2）預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器的安全運行，過高的回流量會導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］葉學民，等.切應力作用下的層流飽和蒸發降膜流動和傳熱模型.華北電力大學學報，2007，34（3）：43.