钛液MVR蒸发浓缩技术的压缩与换热问题探讨

尹海蛟* 夏君君, 全晓宇 彭 涛 朱昌允

（1. 天津乐科节能科技有限公司 2. 江苏乐科节能科技股份有限公司）

0 前言

钛白粉是一种重要的白色无机颜料，被广泛应用于涂料、油墨、造纸、塑料、橡胶、化纤、陶瓷及日化等领域。我国是钛白粉生产、销售大国，2018 年我国钛白粉生产总产量达340 万t。目前钛白粉生产方法主要包括硫酸法和氯化法[1]。在钛白粉的硫酸法生产过程中，为了保证水解所得偏钛酸具有理想的粒度及均匀性，水解前需对质量浓度约为150 g/L 的稀钛液进行浓缩，以提高TiO2质量浓度和总离子质量浓度。钛液浓缩是钛白生产中能耗较高的工序，常用的浓缩方法包括单效真空浓缩法、双效真空浓缩法、多效真空浓缩法及蒸汽机械再压缩（MVR）真空浓缩法等[2]。

与其他钛液浓缩方法相比，MVR 技术采用逆卡诺循环原理运行，二次蒸汽的潜热能够全部被回收再利用，具有更显著的节能效果及更好的经济效益。国内外研究者对MVR 技术应用于钛液浓缩进行了大量研究与探索[3-5]，但大多研究针对传统蒸发技术与MVR 技术的经济性对比，而对系统压缩机及换热器等核心设备的选型问题却鲜有研究。钛液的沸点较高且其中富含浓硫酸，在低温高真空条件下蒸发时，二次蒸汽会夹带大量酸液，若MVR 系统压缩机、换热器等设备选型不当，易造成压缩换热设备被腐蚀破坏，严重影响系统稳定和生产安全。本文主要探讨钛液MVR 浓缩技术的压缩机及换热器的应用特点及选型要点，可为MVR 技术在钛液浓缩中的工业化应用和推广提供参考。

1 钛液MVR蒸发浓缩技术原理与特点

MVR 技术是一项绿色环保的节能技术，其通过压缩机将蒸发产生的二次蒸汽进行压缩，将压缩升温后的二次蒸汽再次用于物料的加热蒸发过程，实现对二次蒸汽携带潜热回收与再利用的目的，减少蒸发系统对外界能源的需求量。与多效蒸发系统相比，MVR 技术能够将二次蒸汽潜热全部回收利用，具有更高的能源利用率。MVR 系统的原理如图1 所示。

图1 MVR蒸发浓缩系统原理图

采用MVR 技术进行钛液浓缩时，为了避免钛液内硫酸氧钛、硫酸钛、硫酸亚铁等溶质在高温下水解，钛液蒸发温度一般不高于75℃。钛液浓缩过程到终点时（质量浓度为200 g/L 左右），钛液的沸点升高约11 ℃。综合考虑设备初步投资及系统运行经济性，本文推荐的钛液MVR 蒸发浓缩系统的核心运行参数如表1 所示，满足系统单位蒸发量（t 水/h）时的压缩机理论吸气量为8 000 m3/h。

表1 钛液MVR蒸发浓缩系统参数

2 钛液MVR蒸发浓缩系统压缩机选型分析

2.1 离心压缩机在钛液MVR蒸发浓缩系统中的适用性分析

蒸汽压缩机是钛液MVR 蒸发浓缩系统的核心设备，常用形式包括离心式与罗茨式两种。离心式压缩机通常适用于压缩比低于2.5，系统运行稳定，蒸发量相对较高的工况；罗茨式压缩机适用于压缩比较高，系统工况易波动，蒸发量相对小的工况。离心式压缩机应用于钛液浓缩工况时，压缩机的转速一般不低于12 000 r/min，叶轮轮缘线速度为420 m/s 左右，该工况下压缩机叶轮需承受较高的离心应力载荷及蒸汽气动应力载荷，离心压缩机叶轮在应力及腐蚀介质的双重作用下极易产生应力腐蚀破裂（SCC）问题。应力腐蚀破裂是指受应力作用（拉应力或内应力）的金属材料在某些腐蚀介质中，由于腐蚀介质与应力的共同作用导致的脆性断裂现象[6-7]。离心叶轮在腐蚀介质环境中，若没有受到应力的作用，就不会发生应力腐蚀破裂；若叶轮只受到应力作用，不受到腐蚀介质影响，则也不会发生应力腐蚀破裂。离心压缩机应力腐蚀破裂的特征是产生应力腐蚀裂纹，裂纹在叶片上扩展方式可沿金属晶界发展，也可穿过晶界，形成穿晶型开裂，如图2 所示。应力腐蚀裂纹不断扩展，导致压缩机叶片结构的力学性能显著降低，扩展到一定程度后，压缩机叶片产生破裂，因此应力腐蚀开裂往往具有隐蔽性和突发性，一旦发生就会造成巨大损失。

图2 离心式压缩机的叶轮腐蚀及应力腐蚀破裂

2.2 罗茨压缩机在钛液MVR蒸发浓缩系统中的适用性分析

罗茨式压缩机的转速通常不高于2 000 r/min，与离心压缩机相比，罗茨压缩机共轭转子的离心应力相对较小。当其应用于钛液MVR 蒸发浓缩时，可采用二次蒸汽冷凝液或一定浓度的碱液对罗茨压缩机转子进行喷淋，不仅能有效降低罗茨压缩机转子运行温度，同时能冲刷及清洗其表面附着的腐蚀性介质。为了充分保证压缩机运行安全，在采用蒸汽凝液喷淋冲洗压缩机转子的基础上，可在罗茨压缩机吸气侧设置高效气液分离器或洗气塔。

高效气液分离器的结构如图3 所示，分离器由波纹板及丝网两级分离结构组成，其中第一级波纹板用于预分离二次蒸汽中夹带的酸液，其材质可选用聚丙烯；第二级丝网用于分离二次蒸汽中夹带的雾沫，其材质可选用316L 或钛材。该分离器能够有效去除二次蒸汽中超过99%的酸液，充分保障MVR 系统压缩机及换热器运行安全。

图3 两级式高效气液分离器

3 钛液MVR蒸发浓缩系统换热器选型问题分析

3.1 常规薄膜蒸发器运行特点及存在的问题

目前，钛液单/多效蒸发浓缩系统所采用的薄膜蒸发器均属于升膜式蒸发器。钛液从底部进入换热管内并保持一定的液位高度，换热管管外为加热蒸汽，钛液由管外蒸汽加热至沸点后汽化沸腾，气泡在向上穿越钛液的过程中，汽化率逐渐增大，气泡上升速率越来越快，高速运动的气泡不断向上拖曳钛液并在换热管内壁形成薄膜。由图4 可见，在升膜式蒸发器工作过程中，钛液蒸发时分别经过预热段、气液两相流段、柱塞流段及雾化流段，其中柱塞流段的传热反应最为剧烈。升膜式蒸发器运行时，浓缩液不断回落至换热管底部，导致换热管底部的钛液浓度越来越高，形成局部高浓度区，甚至可能会析出晶体。此外，当蒸发器进料量突然变小或加热蒸汽发生波动（即钛液液膜上升速率小于钛液水分蒸发速率）时，换热管出口会形成雾状流段，该阶段钛液内的大部分水分已经汽化，该区域的换热管处于干烧状态，钛液溶质将在换热管内壁析出，导致蒸发器内结垢甚至堵塞。张中华[8]对钛液薄膜蒸发器的结垢成分进行了检测，指出结垢中的主要化学成分为硫酸钙及硫酸钙水合物。蒸发器内结垢不仅降低了系统换热性能，导致蒸汽耗量增加，同时还需要定期对垢层进行机械清理，严重影响了钛白粉正常生产。

图4 钛液升膜蒸发器的管内流态

此外，与强制循环、竖管降膜及横管降膜蒸发器相比，升膜蒸发器对换热器的传热温差要求较高，通常需要温差为20～30 ℃时才能形成理想的膜。而在MVR 系统中，由于压缩机的运行压比限制，其为换热器提供的传热温差一般为5～8 ℃，无法满足升膜蒸发器的运行条件。因此，常规升膜蒸发器在钛液MVR 蒸发浓缩系统中并不适用。

3.2 横管降膜蒸发器结构及运行特点

横管降膜蒸发器又称水平管降膜蒸发器，其结构如图5 所示，通过液体分布装置将待蒸发料液均匀地喷淋到水平管束上，在重力扰流及撞击流的作用下，液膜沿着换热管外壁向下流动并在下一层管束外表面迅速铺展成膜。横管降膜蒸发器具有传热系数大，有效传热温差衰减小，溶液温度分布均匀，安装高度低等优点，其在钛液MVR 蒸发浓缩领域具有较好的应用前景。横管降膜蒸发器对传热温差要求较小，只要该系统存在传热温差，蒸发器便可正常运行，因此可适当降低压缩机的排气压力及排气温度，压缩机的能耗及设备腐蚀速率均将随之降低。

图5 横管降膜蒸发器结构示意图

4 结论

随着能源价格上涨，钛白粉的生产成本逐年增大，GB 32051—2015《钛白粉单位产品能源消耗限额》[9]标准中对钛白粉生产的标煤能耗提出了明确要求，节能降耗已成为钛白粉生产企业的首要任务，淘汰落后生产工艺，应用节能新技术是当前钛白粉生产企业提升市场竞争力，降低生产成本的主要途径。MVR 技术具有节能效果显著，操作条件温和等特点，其在钛液、硫酸镍、硫酸铜、硫酸铬等强酸性溶液蒸发浓缩过程中应用越来越广泛。本文分析认为，在钛液低温高腐蚀的蒸发工况下，罗茨式压缩机耦合横管降膜蒸发器较适用于钛液MVR 蒸发浓缩系统，可有效解决系统设备腐蚀及换热器结垢堵塞等问题。