制钙工序产量波动分析与改造措施

侯梦迪

(连云港碱业有限公司，江苏 连云港 222042)

连云港碱业有限公司利用压滤废液提取氯化钙，是实现经济循环发展，减轻环境压力的重要环保项目，其产量与压滤液排放及使用密切相关。2020年11月应压力容器检查要求，系统停车大修。开车后制钙产量仅为原来的60%左右，蒸汽用量16～19 t/h，消耗上升剧烈，针对此种情况，不断查找影响因素，经过多次技改，取得了较好的成效。

1 生产方法及工艺流程

来自压滤岗位经过加酸的废液进入制钙滩晒后，经过清液预热器预热后，进入Ⅰ效蒸发器蒸发，澄清液经过一次浓缩后自压入Ⅱ效蒸发器，在加热和真空条件下，进行二次蒸发，制得合格的钙液入水泥池和澄清桶进行澄清，氯化钙浓度36%～41%。用泵送至钙液预热器，经升膜蒸发器来的冷凝水预热后，进入升膜蒸发器底部，在加热室内钙液以膜状上升，经蒸汽间接加热，蒸发出的气体与液体同时入汽液分离器，分离出的气体直接放空，分离下的液体流入贮槽，在贮槽内继续加蒸汽间接加热蒸发，当二水氯化钙含量达到68%～72%时，制成片状氯化钙。加热蒸汽由升膜上部加入，冷凝水和部分蒸汽由下部排至疏水槽，经钙液预热器换热后，冷凝水外排到消音器放空。氯化钙制片工艺流程如1图。

图1 氯化钙制片工艺流程

2 影响产量与蒸汽消耗高的原因

2020年11月制钙工序系统停车大修后CaCl2生产各项指标如表1。

表1 12月8日～16日制钙工序工艺指标

根据操作规程，要求出升膜蒸发器钙液温度在138～155 ℃，对钙液预热器出料温度未有控制要求，所以出升膜蒸发器钙液温度符合工艺要求，但钙液流量小，产量仅完成60%。另外，升膜蒸发器进汽压力在0.8～1.2 MPa之间波动，间隔15～20 s，出消音器蒸汽直排，是能耗高的直接原因。

3 升膜蒸发器进汽压力波动分析

针对升膜蒸发器及钙液预热器的部分改造，考虑到钙液用量偏小，结合近期更换了钙液预热器进口J41H-16DN50蒸汽阀门，检查了4#疏水槽至钙液预热器管线，查出管线中有阀门缠绕垫。更换了管线及升膜蒸发器，但效果不明显。

1)升膜是一端带分配头的列管换热器，φ426×7420圆柱体,加热管φ38×3.5共 57根，长度6 292 mm,换热面积30 m2，钙液含氯化钙36%～41%，NaCl浓度2%左右，常压下沸点118 ℃，在0.1～0.13 MPa压力下，沸点122 ℃。升膜蒸发器蒸汽波动周期中位数18 s，压力最大1.3 MPa，低限0.8 MPa。查阅《化工基础》一书，要求升膜蒸发器液面只占管长的1/4到1/5，但对其进料温度未做要求，但在自然循环管蒸发器的管内沸腾时有所研究，认为单程型升膜蒸发器管程传热情况与与自然循环管蒸发器类似，建议缩短预热区以提高传热膜系数。为维持操作的稳定性，需要将料液预热至沸点后送入升膜蒸发器。但对其为何低于沸点就不稳定未做详细介绍。继续查阅相关资料，提出升膜对进口料液温度的要求，当进料温度低于操作压力下的沸点时，则在升膜下部形成一预热段，预热段与蒸发段加在一起，蒸发管的长度或受厂房限制，则可采用另设预热器将料液加热接近沸点，后送入蒸发器。若在沸点或高于沸点进料，可能造成料液蒸发分配不均。

2)进汽波动的内在原因：在升膜式蒸发器中，料液在二次蒸汽流的拖动下以液膜的状态沿着管向上流动，边流动边与管外加热介质进行热交换并蒸发。在高速的二次蒸汽流及真空的作用下在管壁成膜并向上运动，蒸发后料液与二次蒸汽从蒸发器顶部进人分离器，实现蒸发后料液与二次蒸汽的分离。进人升膜蒸发器中料液的温度必须大于或等于蒸发温度，否则料液在蒸发器底部必有一部分受热用来加热料液使其达到沸点后才能汽化蒸发，不仅如此，低温的物料进人蒸发器不能马上形成液膜，而且在泵及真空的作用下会以液柱的形式上升，从而降低了蒸发效果。因此，低于沸点温度的料液要经过预加热到沸点或接近沸点方可进入蒸发器，这样蒸发参数才会很快达到要求并稳定。升膜式蒸发器中液膜的形成完全依靠二次蒸汽及真空的推动，二次蒸汽在加热管内的速度不低于10 m/s,—般为20～50 m/s。加热蒸汽压力不稳定或不足就会影响二次蒸汽对料液的向上拖动，也会影响液膜的形成。反观制钙工序升膜蒸发器进汽压力波动，由于钙液温度仅仅108～110 ℃，低于沸点10 ℃左右，需要在升膜式蒸发器下段形成预热段。当钙液加热到沸点后迅速以液膜的状态沿着管壁向上流动，与加热管外壁蒸汽产生热交换，故蒸汽流量剧烈增加，浓缩的钙液进入气液分离器，在升膜上端视镜处可直观看到出口处钙液溢流。新鲜钙液迅速充满预热段，开始加热。此时热交换变小，蒸汽流量逐渐变小，压力呈上升趋势，显示其周期性变化。升膜式蒸发器的特点更适合高温加热蒸发，这样可获得较高的二次蒸汽的流速，推动钙液以膜状在升膜加热管内上升。

3)升膜蒸发器进汽压力与4#疏水槽的相对波动，造成升膜排水不畅，引起预热段波动，从而使用汽量大幅度波动，从其工艺流程分析：疏水槽由于与用汽量较小的成品贮槽相连，压力降小，压力波动也较小，与总管压力比较，基本没有变化。而升膜压力随着用汽量剧烈变化而降低，生产中压力从1.3 MPa迅速降低至0.8 MPa，同时，蒸汽流量从19 t/h降到13 t/h。因为突然出现的大流量形成了相对负压而将冷凝水滞留在升膜壳程内，阻止新鲜钙液继续加热。当升膜管程已经预热的钙液蒸发结束时，因以上原因，新鲜钙液没有达到沸点不能沸腾，无法以膜状爆沸上升，蒸汽流量迅速减少。所以在升膜顶部视镜处观察不到钙液溢出，而此时钙液泵未停。因蒸汽流量减小，相对负压也迅速减小，此时滞留冷凝水得以迅速排出进入4#疏水槽，钙液得到迅速及整体的加热，到沸点时就几乎同时迅速沸腾形成新的大流量，新的一轮波动又开始。由于从升膜蒸发器到4#疏水槽的冷凝水虽然有位差但无液封，无法平衡压力变化，也就必然出现上述现象。由于爆沸无特定的判断公式支持，且钙液温度低于沸点4～10 ℃发生爆沸，相关文献未见记载，因此只从分析无法判断，但升膜蒸发器进汽压力差及汽液分离器出汽的周期性波动，直观验证了钙液未能以膜状连续上升。

4 生产验证与技术措施

4.1 生产验证方案

在保持不调节进升膜蒸汽压力和流量及其钙液进量的前提下，通过关闭成品贮槽蒸汽阀，保持升膜排水通畅。然后调节钙液预热器排水阀门，观察不同钙液温度对升膜流量的影响。通过观察，全关贮槽蒸汽阀门，此时升膜蒸发器蒸汽压力大于4#疏水槽压力，排水通畅，但蒸汽流量仍然大幅度波动，因此升膜排水不通畅引起的流量波动不应当占主要作用。当钙液温度123 ℃时，升膜存在爆沸现象，此时不论升膜是否存在相对真空，蒸汽流量波动范围变窄，汽液分离器排汽流畅。

4.2 工艺流程改进

1)根据验证及分析，目前出钙液预热器温度108～111 ℃，未到沸点，是波动的主要影响因素。成品氯化钙流化床用热空气除湿，空气加热器使用后的蒸汽去5#疏水槽，将其去5#疏水槽之前引入部分蒸汽至4#疏水槽，提高钙液预热器蒸汽压力、流量，达到提高出钙液预热器钙液温度的目的。

2)稳定升膜蒸发器与4#疏水槽蒸汽压力，根据《化工基础》介绍，升膜蒸发器需要液封，在钙液预热器蒸汽外排管线上，接近消音器之前，加J41H-16DN150阀门控制排水速度，以期形成液封，并充分利用蒸汽冷凝热，降低蒸汽消耗。

5 效果评价

今年4月份以后，制钙工序不断实施技术改造，经过多次开停车验证，钙液预热器出口温度118～121 ℃，所以升膜蒸发器预热段缩短，加热蒸发段延长，升膜出口温度150～165 ℃，日产氯化钙120 t以上,蒸汽消耗大幅降低，仅11～13 t/h，达到预期目标。但还有一些新的认识，制钙产能与其生产的连续性相关联，因为钙液温度稳定，系统热损失少；夏季环境温度高，有利于压滤废液的蒸发，钙液温度实现自然上升，促进了制钙产能提高，能耗降低；加热管中必须保持适度的料位髙度，否则难以成膜；由于料液在加热管中的布膜完全靠高速的二次蒸汽流及真空带动下形成，所以其膜不稳定，进人分离器时在二次蒸汽与料液分离过程中更容易产生二次蒸汽中雾沫的夹带，即分离不彻底而造成跑料。仍然有许多不足，待逐步改进。