鈦液MVR蒸發濃縮技術的壓縮與換熱問題探討

尹海蛟* 夏君君, 全曉宇 彭 濤 朱昌允

（1. 天津樂科節能科技有限公司 2. 江蘇樂科節能科技股份有限公司）

0 前言

鈦白粉是一種重要的白色無機顏料，被廣泛應用于涂料、油墨、造紙、塑料、橡膠、化纖、陶瓷及日化等領域。我國是鈦白粉生產、銷售大國，2018 年我國鈦白粉生產總產量達340 萬t。目前鈦白粉生產方法主要包括硫酸法和氯化法[1]。在鈦白粉的硫酸法生產過程中，為了保證水解所得偏鈦酸具有理想的粒度及均勻性，水解前需對質量濃度約為150 g/L 的稀鈦液進行濃縮，以提高TiO2質量濃度和總離子質量濃度。鈦液濃縮是鈦白生產中能耗較高的工序，常用的濃縮方法包括單效真空濃縮法、雙效真空濃縮法、多效真空濃縮法及蒸汽機械再壓縮（MVR）真空濃縮法等[2]。

與其他鈦液濃縮方法相比，MVR 技術采用逆卡諾循環原理運行，二次蒸汽的潛熱能夠全部被回收再利用，具有更顯著的節能效果及更好的經濟效益。國內外研究者對MVR 技術應用于鈦液濃縮進行了大量研究與探索[3-5]，但大多研究針對傳統蒸發技術與MVR 技術的經濟性對比，而對系統壓縮機及換熱器等核心設備的選型問題卻鮮有研究。鈦液的沸點較高且其中富含濃硫酸，在低溫高真空條件下蒸發時，二次蒸汽會夾帶大量酸液，若MVR 系統壓縮機、換熱器等設備選型不當，易造成壓縮換熱設備被腐蝕破壞，嚴重影響系統穩定和生產安全。本文主要探討鈦液MVR 濃縮技術的壓縮機及換熱器的應用特點及選型要點，可為MVR 技術在鈦液濃縮中的工業化應用和推廣提供參考。

1 鈦液MVR蒸發濃縮技術原理與特點

MVR 技術是一項綠色環保的節能技術，其通過壓縮機將蒸發產生的二次蒸汽進行壓縮，將壓縮升溫后的二次蒸汽再次用于物料的加熱蒸發過程，實現對二次蒸汽攜帶潛熱回收與再利用的目的，減少蒸發系統對外界能源的需求量。與多效蒸發系統相比，MVR 技術能夠將二次蒸汽潛熱全部回收利用，具有更高的能源利用率。MVR 系統的原理如圖1 所示。

圖1 MVR蒸發濃縮系統原理圖

采用MVR 技術進行鈦液濃縮時，為了避免鈦液內硫酸氧鈦、硫酸鈦、硫酸亞鐵等溶質在高溫下水解，鈦液蒸發溫度一般不高于75℃。鈦液濃縮過程到終點時（質量濃度為200 g/L 左右），鈦液的沸點升高約11 ℃。綜合考慮設備初步投資及系統運行經濟性，本文推薦的鈦液MVR 蒸發濃縮系統的核心運行參數如表1 所示，滿足系統單位蒸發量（t 水/h）時的壓縮機理論吸氣量為8 000 m3/h。

表1 鈦液MVR蒸發濃縮系統參數

2 鈦液MVR蒸發濃縮系統壓縮機選型分析

2.1 離心壓縮機在鈦液MVR蒸發濃縮系統中的適用性分析

蒸汽壓縮機是鈦液MVR 蒸發濃縮系統的核心設備，常用形式包括離心式與羅茨式兩種。離心式壓縮機通常適用于壓縮比低于2.5，系統運行穩定，蒸發量相對較高的工況；羅茨式壓縮機適用于壓縮比較高，系統工況易波動，蒸發量相對小的工況。離心式壓縮機應用于鈦液濃縮工況時，壓縮機的轉速一般不低于12 000 r/min，葉輪輪緣線速度為420 m/s 左右，該工況下壓縮機葉輪需承受較高的離心應力載荷及蒸汽氣動應力載荷，離心壓縮機葉輪在應力及腐蝕介質的雙重作用下極易產生應力腐蝕破裂（SCC）問題。應力腐蝕破裂是指受應力作用（拉應力或內應力）的金屬材料在某些腐蝕介質中，由于腐蝕介質與應力的共同作用導致的脆性斷裂現象[6-7]。離心葉輪在腐蝕介質環境中，若沒有受到應力的作用，就不會發生應力腐蝕破裂；若葉輪只受到應力作用，不受到腐蝕介質影響，則也不會發生應力腐蝕破裂。離心壓縮機應力腐蝕破裂的特征是產生應力腐蝕裂紋，裂紋在葉片上擴展方式可沿金屬晶界發展，也可穿過晶界，形成穿晶型開裂，如圖2 所示。應力腐蝕裂紋不斷擴展，導致壓縮機葉片結構的力學性能顯著降低，擴展到一定程度后，壓縮機葉片產生破裂，因此應力腐蝕開裂往往具有隱蔽性和突發性，一旦發生就會造成巨大損失。

圖2 離心式壓縮機的葉輪腐蝕及應力腐蝕破裂

2.2 羅茨壓縮機在鈦液MVR蒸發濃縮系統中的適用性分析

羅茨式壓縮機的轉速通常不高于2 000 r/min，與離心壓縮機相比，羅茨壓縮機共軛轉子的離心應力相對較小。當其應用于鈦液MVR 蒸發濃縮時，可采用二次蒸汽冷凝液或一定濃度的堿液對羅茨壓縮機轉子進行噴淋，不僅能有效降低羅茨壓縮機轉子運行溫度，同時能沖刷及清洗其表面附著的腐蝕性介質。為了充分保證壓縮機運行安全，在采用蒸汽凝液噴淋沖洗壓縮機轉子的基礎上，可在羅茨壓縮機吸氣側設置高效氣液分離器或洗氣塔。

高效氣液分離器的結構如圖3 所示，分離器由波紋板及絲網兩級分離結構組成，其中第一級波紋板用于預分離二次蒸汽中夾帶的酸液，其材質可選用聚丙烯；第二級絲網用于分離二次蒸汽中夾帶的霧沫，其材質可選用316L 或鈦材。該分離器能夠有效去除二次蒸汽中超過99%的酸液，充分保障MVR 系統壓縮機及換熱器運行安全。

圖3 兩級式高效氣液分離器

3 鈦液MVR蒸發濃縮系統換熱器選型問題分析

3.1 常規薄膜蒸發器運行特點及存在的問題

目前，鈦液單/多效蒸發濃縮系統所采用的薄膜蒸發器均屬于升膜式蒸發器。鈦液從底部進入換熱管內并保持一定的液位高度，換熱管管外為加熱蒸汽，鈦液由管外蒸汽加熱至沸點后汽化沸騰，氣泡在向上穿越鈦液的過程中，汽化率逐漸增大，氣泡上升速率越來越快，高速運動的氣泡不斷向上拖曳鈦液并在換熱管內壁形成薄膜。由圖4 可見，在升膜式蒸發器工作過程中，鈦液蒸發時分別經過預熱段、氣液兩相流段、柱塞流段及霧化流段，其中柱塞流段的傳熱反應最為劇烈。升膜式蒸發器運行時，濃縮液不斷回落至換熱管底部，導致換熱管底部的鈦液濃度越來越高，形成局部高濃度區，甚至可能會析出晶體。此外，當蒸發器進料量突然變小或加熱蒸汽發生波動（即鈦液液膜上升速率小于鈦液水分蒸發速率）時，換熱管出口會形成霧狀流段，該階段鈦液內的大部分水分已經汽化，該區域的換熱管處于干燒狀態，鈦液溶質將在換熱管內壁析出，導致蒸發器內結垢甚至堵塞。張中華[8]對鈦液薄膜蒸發器的結垢成分進行了檢測，指出結垢中的主要化學成分為硫酸鈣及硫酸鈣水合物。蒸發器內結垢不僅降低了系統換熱性能，導致蒸汽耗量增加，同時還需要定期對垢層進行機械清理，嚴重影響了鈦白粉正常生產。

圖4 鈦液升膜蒸發器的管內流態

此外，與強制循環、豎管降膜及橫管降膜蒸發器相比，升膜蒸發器對換熱器的傳熱溫差要求較高，通常需要溫差為20～30 ℃時才能形成理想的膜。而在MVR 系統中，由于壓縮機的運行壓比限制，其為換熱器提供的傳熱溫差一般為5～8 ℃，無法滿足升膜蒸發器的運行條件。因此，常規升膜蒸發器在鈦液MVR 蒸發濃縮系統中并不適用。

3.2 橫管降膜蒸發器結構及運行特點

橫管降膜蒸發器又稱水平管降膜蒸發器，其結構如圖5 所示，通過液體分布裝置將待蒸發料液均勻地噴淋到水平管束上，在重力擾流及撞擊流的作用下，液膜沿著換熱管外壁向下流動并在下一層管束外表面迅速鋪展成膜。橫管降膜蒸發器具有傳熱系數大，有效傳熱溫差衰減小，溶液溫度分布均勻，安裝高度低等優點，其在鈦液MVR 蒸發濃縮領域具有較好的應用前景。橫管降膜蒸發器對傳熱溫差要求較小，只要該系統存在傳熱溫差，蒸發器便可正常運行，因此可適當降低壓縮機的排氣壓力及排氣溫度，壓縮機的能耗及設備腐蝕速率均將隨之降低。

圖5 橫管降膜蒸發器結構示意圖

4 結論

隨著能源價格上漲，鈦白粉的生產成本逐年增大，GB 32051—2015《鈦白粉單位產品能源消耗限額》[9]標準中對鈦白粉生產的標煤能耗提出了明確要求，節能降耗已成為鈦白粉生產企業的首要任務，淘汰落后生產工藝，應用節能新技術是當前鈦白粉生產企業提升市場競爭力，降低生產成本的主要途徑。MVR 技術具有節能效果顯著，操作條件溫和等特點，其在鈦液、硫酸鎳、硫酸銅、硫酸鉻等強酸性溶液蒸發濃縮過程中應用越來越廣泛。本文分析認為，在鈦液低溫高腐蝕的蒸發工況下，羅茨式壓縮機耦合橫管降膜蒸發器較適用于鈦液MVR 蒸發濃縮系統，可有效解決系統設備腐蝕及換熱器結垢堵塞等問題。