三效逆流降膜蒸发工艺装置运行总结

马云飞，朱志宏

（陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司，陕西 榆林 719319）

陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司烧碱装置于2011 年开车投产，配套建设的2 套50%碱蒸发装置，采用三效逆流降膜蒸发装置，总产能为2×40 万t/a。蒸汽单耗约为0.54 t/t 碱。新装置的运行稳定性和蒸汽单耗相对于传统的隔膜法电解槽制得的烧碱具有明显的优势。

传统的隔膜法电解槽制得的烧碱NaOH 含量只有10%～12%，难以满足工业上的需求。 随着离子膜电解槽技术的不断发展， 国内氯碱行业陆续引进该技术， 开始采用离子膜电解槽制碱工艺， 制得的NaOH 浓度已能达到30%～35%，含盐量极少，可以满足纺织等工业的需要， 可以直接作为成品碱液进行出售。 如果进一步将碱液浓缩至50%，每吨烧碱蒸汽消耗约为0.5～0.8 t， 陕西北元在原有离子膜电解法的基础上， 引进瑞士博特公司烧碱蒸发及浓缩工艺技术及配套设备。

1 离子膜液碱蒸发的特点

1.1 工艺流程简单

由于离子膜碱液仅含极微量的盐，32%碱液含盐量为一等品≤0.007%，优等品≤0.004%；50%的液碱优等品含盐量为优等品≤0.008%， 一等品≤0.01%。 在整个离子膜蒸发浓缩工艺中，减少除盐工序，避免了盐的产生导致管线结晶堵塞，所以采用离子膜蒸发工艺不但缩短了工艺流程， 减少了设备设施及人工费用的投入， 而且降低了生产成本和操作人员的劳动强度。

1.2 碱液浓度高，蒸汽消耗低

离子膜碱液的浓度高，电解槽的碱液浓度一般控制在30%～35%， 相比隔膜法碱液浓度10.0%～11.0%要高很多， 因此大幅减少了碱液蒸发浓缩过程使用的蒸汽量。 以32%碱液为例，如果碱液浓度为50%，则蒸发产生的碱性冷凝水水量为0.8 m3，而隔膜法电解碱液同样蒸发浓缩至50%，蒸发产生的水量大约为6.5 t。 离子膜与隔膜法相比蒸发过程产生的水量少，生产过程中蒸汽消耗低，有利于节能降耗。

1.3 单管式加热管，碱液温差充分利用

降膜蒸发器由若干个单管式加热管组成， 可根据不同规模配用不同规格的管子和管数。在运行时，料液由蒸发器的顶部经液体分配器均匀进入加热管内， 沿管壁成膜状向下流动并与管外载热体进行对流换热。碱液中的水分被蒸发，产生的二次蒸汽与被浓缩的物料一起向下流动，在底部流入气液分离器。浓缩后的碱由分离器底部排出， 二次蒸汽则从分离器顶部排空或回收利用。 进入降膜蒸发器的料液在分配器的帮助下，利用本身重力作用，使碱液沿垂直的管壁呈均匀的液膜向下流动。 因此能在较小的流量下， 具有较高的给热系数。 同时碱液在蒸发过程中，在管内停留时间短、液层薄，加热介质与碱液之间的温差得到有效利用， 能在较低温度下进行蒸发而制得较高浓度的液碱。

2 影响碱液蒸发的主要因素

2.1 蒸汽压力

蒸汽是碱液蒸发的主要热源， 其压力高低直接影响到碱液浓度和蒸发产能。 在其他工况条件不变的情况下，中压蒸汽压力会使系统获得较大的温差，单位时间内所传递的热量也相应增加， 装置才能达到较大的产能。

经过多年的运行发现，控制蒸汽压力为0.8～1.0 MPa，50%碱液蒸发效率最高， 蒸汽消耗也越小，所以确保蒸汽压力稳定供给就可以保证进50%碱液的浓度，保证产品质量。

2.2 真空度

真空度是蒸发过程中提高蒸发能力的重要途径， 也是降低蒸汽消耗的重要途径。 适当提高真空度降低二次蒸汽的饱和温度， 提高了有效的温差可充分利用热源，使蒸汽消耗降低。真空度的高低与大气冷凝器的循环水温度有关（该温度下的饱和蒸汽压），也与二次蒸汽中的不凝气含量有关，通常使用循环水作为真空泵的工作液体， 但是在实际运行过程中循环水温度高，真空度达不到要求，需要将循环水改为生产水作为工作液。

生产过程中， 提高真空度的途径为最大限度排除不凝性气体，常用方法有以下4 种。 （1）采用真空泵机械抽真空；（2）使用风机降低循环水温度；（3）增加表面冷却器循环冷却水的流量；（4）确保真空泵冷却水温度的供给。原设计中真空泵进口安装止回阀，但在实际运行期间， 真空泵的吸力不足以满足碱液系统运行要求真空度，碱液浓度达不到要求，将真空泵进口止回阀拆除，使用阀门替代，系统真空达到使用要求。 确保真空度满足蒸发要求。

2.3 一效、二效蒸发器出料分配的影响

一效、二效蒸发器底部物料分成二路，分别与蒸汽冷凝液和50%碱液换热， 再合并进入三效蒸发器。在理想的情况下，最终离开装置区的蒸汽冷凝液和50%碱液温度接近，热量得到最大程度的回收利用。如果两种物料的温度相差较大，需要对进入各效体的温度进行调整。经过多年运行经验得知，蒸发器出料碱液受到板式换热器流体通道通畅影响较大，特别是由于蒸发器内镍丝网腐蚀破损， 部分丝网将板式换热器通道堵塞，导致碱液换热效果降低，需要定期检查蒸发器镍丝网腐蚀破损情况， 检修后或换热器工况出现较大变化时， 需要及时检查调节各检测点温度，以降低蒸汽消耗。 正常情况下，与一效碱换热后的蒸汽冷凝液及50%烧碱的温度约为70 ℃。

2.4 机泵管理

蒸发装置内的碱输送泵均为双端面机械密封，使用纯水作为密封介质。正常情况下，机泵运转时泄漏的烧碱进入密封水中排入地沟。 如果密封不严或密封损坏，机封冷却水会串入碱液中，造成蒸汽消耗上升或产品碱浓度不合格。同等负荷下，如果吨碱蒸汽单耗出现较明显的上升， 应首先排查碱液泵水封是否损坏， 其次检查碱液泵出口纯水流量计流量是否正常，压力是否在规定范围内，要求岗位人员每班巡检期间对碱液泵机封水流量、压力以及出水口pH进行检测。

2.5 板式换热器管理

蒸发装置内采用的碱液换热器为板式换热武器和列管式换热器两种， 板式换热器是主要用于32%、36%碱液换热， 列管式换热器用于42%、50%碱液及蒸汽冷凝水换热， 板片压紧后板束形成一系列的平行通道，流体进入板片之间的适当通道，以逆流方式相对流动进行换热， 相邻板片由密封垫片进行密封，当板片压紧后，密封垫片保证流体介质与大气之间的有效密封，板片拆卸按照安装的逆序进行，零部件放置规范，做好标识，避免撞击、划伤。拆卸前应确认换热器冷热侧进出口阀门已关闭， 且确认换热器内部已排空。若换热器温度过高，则应等温度降至40 ℃以下再进行拆卸，密封垫片若粘在两板片间的沟槽内，需用螺丝刀小心地将其分开，螺丝刀应先从易剥开的部位插人，然后沿其周边进行分离，切不可损坏换热器板片和密封垫片。 换热板紧固时将换热板对中后，手动移向固定盖板，移动盖板后轻微预压，对称旋紧4 个对角螺杆，中间螺杆依次跟进，保持4 个螺杆旋进距离基本一致， 最终应使每张板片的垫片有20%～25%的压缩变形。必要时也可用液压千斤顶装配，手动均匀压紧。 在日常运行过程中板式换热器会发生腐蚀穿孔、板片结垢，板片通道堵塞现象，影响碱液换热效果，需要通过制定大修、小修1 年的周期，制定换热器检查内容，避免由于换热器问题导致的工艺指标不合格情况。

2.6 气液分离器的液位控制

在蒸发过程中， 维持恒定的气液分离器液位保证蒸发操作的稳定运行。 液位高度的变化会造成静压头的变化，使蒸发过程变得不稳定。 液位过低，蒸发及闪蒸剧烈，碱液夹带严重，表面冷却器产生的冷凝水含碱；液位过高时会造成蒸发量降低，进加热室的碱液温度增高，降低了传热有效温差。

2.7 影响碱液均匀成膜的主要因素

（1）最小允许降液密度。 碱液进入降膜管后，必须使碱液分布成均匀的液膜向下流动， 如果控制不当，进料流量降低到极限值时，液膜在向下流动过程中，随着液体中水分不断蒸发，向下流动的液膜就越来越薄， 液膜很可能在加热管的下部破裂而出现干壁区， 所以生产中必须控制好出口段的最小允许降液密度。

（2）热流强度。 由于载热体和碱液是逆向流动的，在蒸发器内的壁温及碱温始终是下部高于上部。当降液密度减小时， 如果热负荷增大并超过极限热负荷时，在降膜管内会引起剧烈的鼓泡液膜沸腾，将表面的液膜吹散到管中心，被二次蒸汽带走，造成二次蒸汽带液现象。因此在操作时必须控制热流强度，不能太大。

3 三效逆流降膜蒸发装置

公司蒸发装置采用瑞士博特三效逆流降膜蒸发工艺，单条线为40 万t/a 50%液碱，装置设计能力为额定负荷的110%。 引进设备包括3 台降膜蒸发器、板式换热器及碱液泵等。 各效蒸发器的工作原理为当液体进入降膜蒸发器中垂直的加热管内， 液体被热源蒸汽加热而达到沸腾，在沸腾的流体中，液体和蒸汽是两相混合流动的， 即两相流动的沸腾给热过程。在降膜蒸发的过程中，当液体的加热面上有足够的热流强度或壁面温度超过液体温度一定值时，在液体和加热面之间会产生一层极薄的液层（滞流热边界层）从而形成温差。此极薄的液层（膜）受热发生相变，吸收潜热而蒸发，这样管内液体不必全部达到饱和温度，在加热面上产生气泡而沸腾。这时气泡的过热度超过从膜内传热的温差， 所以蒸发完全是在膜表面进行的，这种沸腾叫表面沸腾。

3.1 工艺描述

3.1.1 碱液流程

来自电解装置的32%碱液经过一效降膜蒸发器和二效降膜蒸发器在负压状态下通过二次汽加热浓缩为42%烧碱，再经过三效降膜蒸发器通过生蒸汽加热浓缩为50%碱。 主要设备有降膜蒸发器、表面冷却器等，其中在降膜蒸发器中管程走碱液、壳程走蒸汽，碱液在蒸发浓缩过程中，由于形成的二次蒸汽的流速很高，将液体拉成一层薄膜，薄膜液层在液膜表面产生强烈的蒸发从而形成薄膜蒸发，32%碱液通过三效逆流降膜蒸发浓缩为50%碱液。

3.1.2 真空系统

蒸发器在真空条件下运行可以降低碱液的操作温度，不凝气体在冷凝器中将水蒸气分离出来，利用水环真空泵将气体从冷凝器中抽出来排入大气，蒸发过程中真空系统设有碱性冷凝液罐、 表面冷却器和真空泵， 日常运行时确保碱性冷凝液罐液位高于60%，防止液位过低对系统真空造成影响，系统开车时开启真空泵工作液阀门，注水至溢流阀有水流出，关闭进口泄压阀和进口阀，启动真空泵后，缓慢打开真空泵进口阀门观察效体压力， 系统停车时通知真空泵，打开真空泵旁破真空阀，手动将一效降膜蒸发器进行对空。

3.1.3 循环冷却水流程

经过循环水凉水塔风机降温后的冷却水通过循环水泵送至表面冷却器、50%碱液板式换热器进行换热、纯水进行换热后最后送至循环水积水池内，在经过冷却降温后循环利用。

3.1.4 蒸汽冷凝水流程

来自热电公司的生蒸汽在降膜蒸发器后经过蒸汽冷凝水闪蒸罐被蒸发利用后， 通过两个板式换热器换热后形成的蒸汽冷凝液进入蒸汽冷凝液罐，通过蒸汽冷凝液罐液面上蒸汽压力作用送至碱液预热器，给36%碱和42%碱预热，热量充分利用后输送至热电分公司或氯氢处理装置。

3.1.5 蒸发碱性冷凝液回用电解装置流程

为了将资源更好地综合利用， 蒸发过程中产生的碱性冷凝水为60～70 ℃，通过使用循环水降温，在总管管线处安装电导及pH 在线检测仪器， 电导及pH 检测合格后送至电解装置再利用，系统开停车时碱性冷凝水中电导指标不合格， 必须将碱性冷凝水切换至废水池，待分析合格后进行外送。

3.2 工艺控制

装置的生产由中控操作室DCS 集中控制，关键仪表都为PLC 自控仪表， 实现对关键参数的监控，如有异常可随时进行调整。 如进入界区的生蒸汽0.85～1.0 MPa（一次蒸汽）管道装有带自动控制的压力调节阀，与远传压力表进行联锁控制，以保证蒸汽压力的稳定；各效气液分离器装有液位控制器，与进料自动调节阀联锁。 蒸发升降流量时对碱液浓度变化影响较大。

系统稳定运行时，先提温度再提流量，按照每次0.3 ℃的增量手动提升三效温度设定值（每升高3 m3/h提高温度1 ℃），升温速率不超过30 ℃/h；按照每次0.25 m3/h 的增量手动提升出碱流量设定值， 待流量达到设定值后，再次调整；根据密度计显示或现场打比重随时调整出碱浓度，保证其在指标范围内。

系统稳定运行时，先降流量再降温度，打开蒸汽自控阀，按照每次0.25 m3/h 的降量手动降低出碱流量设定值，待流量达到设定值后，再次调整；打开蒸汽自控阀， 按照每次0.3 ℃的降量手动降低三效温度设定值（每降3 m3/h 降低温度1 ℃），降温速率不得超过30 ℃/h；根据密度计显示或现场比重检测随时调整出碱浓度，保证其在指标范围内。

一效、二效、三效降膜蒸发器都设有回流管线，以防止进料过少影响系统的稳定运行， 为了进一步保持50%碱液浓度稳定，优化50%碱液蒸发浓缩过程中三效蒸发器温度的细化控制， 通过在蒸发仪表控制系统中增加APC 单控制回路控制系统，将三效蒸发器温度、液位及循环冷却水液位进行智能识别，查找各变量之间的动态关系， 通过变量之间的微调来实现50%碱液浓度指标的精准控制。

4 小结

三效逆流降膜蒸发与传统的隔膜式蒸发器相比， 三效逆流降膜蒸发器的换热强度大， 蒸汽消耗低，工艺自动化控制较高，副产的冷凝液品质好，可回收利用至合成炉、电解槽替代纯水使用，实现资源综合回收利用，降低生产运行成本。 就装置的运行影响因素，包括（1）蒸汽压力的稳定控制可以提高50%碱液产品的质量及稳定性。（2）一效蒸发器的真空度对蒸汽单耗和装置产能都有显著影响。 （3）板式换热器的进料分配对蒸发器本体温度及蒸汽单耗影响较大，合理分配物料可最大程度回收热能。（4） 蒸发器回流流量的变化对蒸汽单耗基本无影响，需要注意的是低负荷时控制稳定的回流量可避免蒸发器出现壁面液膜的断裂变干现象， 回流流量过大会增加碱液输送过程的能耗， 同时也会导致机泵电机负荷大，造成系统停车事故。 （5）控制原料32%碱液的进料温度为80 ℃以上， 确保碱液输送管线和缓冲罐的保温完整，可减少碱液温度损失，有利于蒸汽单耗的降低。