管殼式降膜蒸發(fā)器在燒堿蒸發(fā)裝置中的應(yīng)用

宮超，宋啟祥，謝培軍，張微，宋瑞艷，劉宏超，張鵬，袁小勤，尚立蔚，王宗瑞，朱巧家

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管殼式降膜蒸發(fā)器在燒堿蒸發(fā)裝置中的應(yīng)用

宮超1，2，宋啟祥1，2，謝培軍1，2，張微1，2，宋瑞艷1，2，劉宏超1，2，張鵬1，2，袁小勤1，2，尚立蔚1，2，王宗瑞1，2，朱巧家1，2

（1. 甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070； 2. 上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518）

介紹了生產(chǎn)50%燒堿的三效逆流降膜蒸發(fā)工藝，并闡述了該工藝中的核心設(shè)備管殼式降膜蒸發(fā)器的工作原理。通過對堿液分布器、折流桿管束結(jié)構(gòu)、捕霧器及蒸發(fā)器的合理選材等方面的技術(shù)研討和結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使該管殼式降膜蒸發(fā)器完全滿足節(jié)能降耗的工藝要求。

管殼式降膜蒸發(fā)器；分布器；折流桿；選材

燒堿（氫氧化鈉的俗稱）廣泛應(yīng)用于造紙、肥皂、染料、人造絲、冶煉金屬、石油精制、棉織品整理、煤焦油產(chǎn)物的提純以及食品加工、木材加工、機械工業(yè)等方面。不僅我國對燒堿需求量很大，而且我國的燒堿還大量出口到美國、澳大利亞等國家。有分析表明，中國已經(jīng)取代美國成為全球最大的燒堿供應(yīng)國。因此，燒堿蒸發(fā)行業(yè)的市場前景非常廣闊。本文就燒堿蒸發(fā)裝置中的核心設(shè)備管殼式降膜蒸發(fā)器及其在燒堿蒸發(fā)裝置中的應(yīng)用效果進(jìn)行簡單介紹。

1 燒堿蒸發(fā)工藝[1]

本文中所述的蒸發(fā)器為某公司的120 kt/a 50%燒堿蒸發(fā)裝置中的管殼式降膜蒸發(fā)器，本項目的蒸發(fā)工藝采用三效逆流降膜蒸發(fā)工藝（見圖1）。

圖1 燒堿蒸發(fā)工藝流程圖

由離子膜電解工序[2]輸送的濃度為32%、溫度為60 ℃離子膜堿進(jìn)入堿液中間儲罐，由泵輸送至各效降膜蒸發(fā)器進(jìn)行逆流降膜蒸發(fā)，濃縮至濃度為50%的堿液，再冷卻至45 ℃后，送入成品堿液罐區(qū)。一效蒸發(fā)器的蒸汽冷凝水經(jīng)管殼式換熱器及板式換熱器預(yù)熱二、三效蒸發(fā)器輸出的42%堿、36.5%堿后，返回鍋爐房進(jìn)行余熱利用。二、三效蒸發(fā)器及蒸汽冷凝器的蒸汽冷凝水流入冷凝水罐輸送至離子膜電解工序進(jìn)行回收利用。

2 蒸發(fā)器的工作原理[3]

堿液從蒸發(fā)器頂部進(jìn)入后，經(jīng)過堿液分布器均勻分配到蒸發(fā)器的上管板，再經(jīng)過堿液成膜器均勻分布在每個換熱管的內(nèi)表面，沿?fù)Q熱管內(nèi)壁呈均勻膜狀向下流動，被換熱管外的蒸汽加熱至沸騰而蒸發(fā)。堿液分布在每根換熱管內(nèi)壁形成一層均勻的液膜，換熱管中心充滿了二次蒸汽，換熱管中心的二次蒸汽帶動管內(nèi)壁的液膜高速地向下流動，一起進(jìn)入蒸發(fā)器底部的分離室。二次蒸汽經(jīng)分離室上部的高穿透率捕霧器后從二次蒸汽出口引出，進(jìn)入下一效蒸發(fā)器的殼程作為加熱源。蒸發(fā)濃縮后的堿液從分離室的底部由堿泵抽出，進(jìn)入上一效的換熱管內(nèi)進(jìn)一步的升溫蒸發(fā)。

圖2 一效蒸發(fā)器簡圖

3 管殼式降膜蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)特點

本裝置中的一、二、三效降膜蒸發(fā)器在主體結(jié)構(gòu)上類似，只有一效蒸發(fā)器在殼程蒸汽入口處的結(jié)構(gòu)與二、三效蒸發(fā)器稍有區(qū)別，因此，本文以一效蒸發(fā)器（見圖2）為例介紹蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)特點。

3.1 堿液分布器

在蒸發(fā)器上管板上設(shè)置了堿液分布器，其作用是對進(jìn)入的堿液進(jìn)行初分配，使其均布地分布于蒸發(fā)器管板上。堿液分布器（見圖3）的主體結(jié)構(gòu)包括了擋液帽、分布盤及分布管等部分。堿液從進(jìn)料口進(jìn)入，由于擋液帽的作用使堿液沿?fù)跻好绷鬟M(jìn)堿液分布盤，最后經(jīng)分布盤上的分布管分布在管板上表面，提高了堿液在管板上表面分布的均勻性，極大地提升了蒸發(fā)器的蒸發(fā)效率。

圖3 一效蒸發(fā)器簡圖

3.2 堿液成膜器

堿液成膜器是保證堿液在換熱管內(nèi)部成膜效果的一個最為重要的元件，成膜器安裝于換熱管的上端部，管板上的堿液，經(jīng)堿液成膜器沿?fù)Q熱管內(nèi)壁流下，并在換熱管內(nèi)壁上均勻成膜。若成膜器水平度偏差較大，會造成堿液偏流，使得堿液在每根換熱管內(nèi)的成膜厚度不一致，影響蒸發(fā)器的效果。所以，在設(shè)計制造過程中應(yīng)保證成膜器的水平度偏差不能過大。

3.3 管板與換熱管連接結(jié)構(gòu)

換熱管是堿液成膜的場所，因此換熱管在與管板組裝過程中出現(xiàn)的變形問題將對堿液成膜產(chǎn)生不利的影響。為了減少換熱管的變形，在換熱管與管板的連接結(jié)構(gòu)[4]上應(yīng)避免選用“貼脹”的結(jié)構(gòu)，以防止換熱管因機械脹接而產(chǎn)生形狀突變。另外，在換熱管與管板焊接時，應(yīng)采用小線能量焊接，盡量的控制換熱管上端部的焊接變形。

3.4 折流桿管束結(jié)構(gòu)[5]

傳統(tǒng)的管殼式換熱器殼程采用的是折流板結(jié)構(gòu)，因此加熱蒸汽將在換熱器的殼程橫向流動，蒸汽在殼程橫向流動容易形成流動死區(qū)，在流動死區(qū)蒸汽不能與換熱管充分接觸，因此，在換熱管長度方向受熱不均勻，造成蒸發(fā)器效率低下。該蒸發(fā)器的殼程采用折流桿結(jié)構(gòu)，使得加熱蒸汽能與換熱管充分接觸，不存在換熱死區(qū)，蒸發(fā)器效率顯著提高。

3.5 一效蒸發(fā)器飽和生蒸汽進(jìn)口處的大直徑筒體及內(nèi)襯筒結(jié)構(gòu)

一效蒸發(fā)器殼程通入的飽和生蒸汽雖然有壓力調(diào)節(jié)閥控制其壓力，但是蒸汽的壓力還是有較大的波動，從而造成燒堿濃度波動較大。因此在飽和生蒸汽的入口處增加了一段大直徑筒節(jié)，使得進(jìn)入設(shè)備內(nèi)的蒸汽得到一次緩沖，再次起到穩(wěn)定壓力的作用。另外，管束的材質(zhì)一般為進(jìn)口鎳管，管束是整個蒸發(fā)器投資最大的部分。因此在該結(jié)構(gòu)處設(shè)置了一節(jié)內(nèi)襯筒，防止飽和生蒸汽直接沖刷管束，影響管束的使用壽命。

3.6 高穿透率的捕霧器[6]

若分離室二次蒸汽出口處的捕霧器的穿透率較低，會造成蒸發(fā)器殼程產(chǎn)生一定程度憋壓，使得液體沸點升高，不利于液體的蒸發(fā)，降低了蒸發(fā)器的效率。所以，在滿足工藝操作的前提下，應(yīng)保證捕霧器具有較高的穿透率。因此，捕霧器的絲網(wǎng)應(yīng)采用高穿透型的絲網(wǎng)。另外，在網(wǎng)塊固定時應(yīng)采取一定的措施，使得層與層絲網(wǎng)之間應(yīng)盡量保持蓬松狀態(tài)，防止格柵擠壓絲網(wǎng)減小網(wǎng)塊的空隙率。

3.7 經(jīng)濟合理的選材方案

蒸發(fā)器的選材方面，在保證蒸發(fā)器的安全使用的前提下，充分考慮了經(jīng)濟性。例如，一效蒸發(fā)器管程操作介質(zhì)為50%燒堿，具有強腐蝕性；殼程操作介質(zhì)為飽和生蒸汽，沒有腐蝕性。因此蒸發(fā)器的管程殼體選用鎳材加碳鋼的復(fù)合板，換熱管采用鎳管，蒸發(fā)器殼程選用碳鋼材質(zhì)，管板采用碳鋼鍛件堆焊鎳材。而進(jìn)口蒸發(fā)器的材質(zhì)為純鎳材或純不銹鋼材質(zhì)，因此，通過合理的設(shè)備選材，極大地降低了設(shè)備的投資。

4 應(yīng)用效果

以下是本文所述的蒸發(fā)器在該燒堿蒸發(fā)裝置中的實際應(yīng)用效果及其與國內(nèi)的同類裝置在蒸發(fā)效果上的比較（見表1、表2和表3）：

表1 實際性能指標(biāo)與設(shè)計性能指標(biāo)的比較

注： 1、NaOH折百計。2、性能考核期間32%堿原料供應(yīng)量不足，且堿液平均濃度為31.62%。3、堿液出料流量為20.72 m3/h,50%堿的密度為1 510 kg/m3，裝置年生產(chǎn)時間按8 000小時計，經(jīng)計算得出該裝置的實際生產(chǎn)能力為12.5萬噸/年。4、蒸汽消耗量為生產(chǎn)1噸NaOH的蒸汽消耗量，設(shè)計指標(biāo)基于溫度為60 ℃的32%的原料堿，實際指標(biāo)基于溫度為60 ℃的31.62%的原料堿。

通過上述比較可知，本裝置的實際產(chǎn)能及蒸汽消耗量均超過設(shè)計指標(biāo)。并且，本裝置運行一年比預(yù)期多產(chǎn)生收益1 054萬元。在與國內(nèi)同類裝置的比較方面，該裝置在一個生產(chǎn)周期內(nèi)的蒸汽消耗量較國內(nèi)同類裝置可節(jié)約11萬噸，可節(jié)約生產(chǎn)成本約1 100萬元。因此，本裝置不論在產(chǎn)能方面，還是在蒸汽的消耗方面都具有很高的經(jīng)濟效益。

表2 該裝置運行1年后比預(yù)期多產(chǎn)生收益

注 ：1、50%堿售價按2 000元/t計。2、蒸汽價格按100元/t計。

表3 與國內(nèi)同類蒸發(fā)裝置的比較

注： 1、NaOH折百計。2、國內(nèi)同類裝置生產(chǎn)1 t燒堿的蒸汽消耗數(shù)據(jù)來自部分生產(chǎn)廠家。3、裝置年生產(chǎn)時間按8 000 h計。4、蒸汽價格按100元/t計。5、一個周期按設(shè)備設(shè)計壽命10年計。

5 結(jié)束語

在該項目的管殼式降膜蒸發(fā)器設(shè)計、制造和安裝過程中，通過對蒸發(fā)器的諸多細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，使得其在實際的工業(yè)應(yīng)用中取得了良好的效果，滿足當(dāng)前國家倡導(dǎo)的節(jié)能減排環(huán)保政策的要求。當(dāng)然，該蒸發(fā)器的設(shè)計還存在有待完善的地方，我們將在今后的設(shè)計中繼續(xù)完善蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其更好地服務(wù)燒堿蒸發(fā)行業(yè)、服務(wù)社會。

［1］張守特. 三效逆流降膜蒸發(fā)工藝生產(chǎn)50%燒堿的探討[J]. 天津化工，2010（6）：45-47.

［2］張英民，郎需霞，邵冰然，等. 國內(nèi)外離子膜法燒堿生產(chǎn)技術(shù)綜述[J].氯堿工業(yè)， 2008（2）：1-4.

［3］譚天恩，竇梅，周明華. 化工原理（第三版）[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［4］GB/T151-2014，熱交換器[S].

［5］郭展玲. 用折流桿換熱器代替折流板換熱器的應(yīng)用分析[J].化工裝備技術(shù)，2010（4）：16-19.

［6］HG/T21618-1998，絲網(wǎng)除沫器[S].

Application of Shell and Tube Falling Film Evaporator in Caustic Soda Evaporation Device

1,2,1,2,1,2,1,2,1,2,1,2，1,2,1,2,1,2,1,2,1,2，

（1. Lanpec Technologies Limited, Gansu Lanzhou 730070, China；2. Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co., Ltd., Shanghai 201518, China）

The three-effect countercurrent falling film evaporation process of 50% caustic soda was introduced, and the working principle of shell and tube falling film evaporator as a key equipment in the process was discussed. Through the technical research and structural improvement of the liquid distributor, the baffle bundle structure, the mist collector and the evaporator, the shell and tube falling film evaporator was improved to satisfy the requirements of saving energy and reducing consumption.

shell and tube falling film evaporator, distributor, rod-baffle, material selection

2017-04-19

宮超（1988-），男，助理工程師，甘肅慶陽人，2012年畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)，研究方向：從事壓力容器設(shè)計工作。

TQ 052

A

1004-0935（2017）07-0699-03