三效逆流降膜蒸發(fā)在離子膜燒堿中的應(yīng)用

楊國穩(wěn)

（廣西柳化氯堿有限公司，廣西 柳州 545600）

三效逆流降膜蒸發(fā)在離子膜燒堿中的應(yīng)用

楊國穩(wěn)

（廣西柳化氯堿有限公司，廣西 柳州 545600）

闡述了離子膜燒堿采用三效逆流降膜蒸發(fā)的原理、工藝流程及主要影響因素。

離子膜燒堿；三效逆流；降膜蒸發(fā)

1　離子膜堿液蒸發(fā)的特點

（1）流程簡單。由于離子膜燒堿僅含極微量的鹽（一般含NaCl 30～50 mg/L；NaClO315～30 mg/L），在整個蒸發(fā)濃縮過程中無須除鹽，極大簡化了流程設(shè)備，降低了操作人員的勞動強度。

而隔膜法電解燒堿液若同樣濃縮至50%，則一般需要蒸發(fā)出約6.5 t的水量。

2　降膜蒸發(fā)的原理及特點

2.1降膜蒸發(fā)工藝原理

在降膜蒸發(fā)的過程中，當液體的加熱面上有足夠的熱流強度或壁面溫度超過液體溫度一定值時，在液體和加熱面之間會產(chǎn)生一層極薄的液層 （滯留熱邊界層）從而形成溫差。此極薄的液層（膜）受熱發(fā)生相變，吸收潛熱而蒸發(fā)，這樣，管內(nèi)液體不必全部達到飽和溫度，就在加熱面上產(chǎn)生氣泡而沸騰，這時氣泡的過熱度超過從膜內(nèi)傳熱的溫差，所以蒸發(fā)完全是在膜表面進行的，這種沸騰叫表面沸騰。對于表面沸騰的蒸發(fā)，必須具備以下2個條件：首先，在表面沸騰蒸發(fā)時，液體在壁面獲得熱量升高溫度，而達到氣泡形成的過熱度時，緊貼在加熱面上的薄膜層液體層內(nèi)存在著很大的溫度梯度，此時液體汽化，蒸發(fā)形成氣泡，所生成氣泡內(nèi)的液體，隨壁面的過熱度增加而增大，而使氣泡不斷從壁面上產(chǎn)生、長大和脫離，形成表面沸騰；其次，汽化核心的產(chǎn)生是由于有加熱面上細小凹坑所形成的空穴，及在空穴中所密封的氣體或蒸汽，汽化核心在加熱面上產(chǎn)生時總是很小的，開始成長時，受慣性效應(yīng)和表面張力效應(yīng)的支配，加劇了氣液交界面上的蒸發(fā)和傳熱程度。這是因為生成的氣泡壓力和溫度始終大于周圍液體的壓力和溫度，如果周圍液體達到了飽和溫度，這時的沸騰就轉(zhuǎn)為飽和沸騰。然后，在降膜蒸發(fā)濃縮過程中，由于形成的二次蒸汽的流速很高，將液體拉成一層薄膜，流動速度很快，故環(huán)狀流中有一個高速的蒸汽中心和一個流體環(huán)，氣液界面上受到高流速的蒸汽干擾，紊流程度劇烈，使壁面的傳熱機理由飽和沸騰給熱轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^液膜的強制對流給熱。此時，熱量的傳遞方式也變?yōu)橥ㄟ^薄膜液層在液膜表面產(chǎn)生強烈的蒸發(fā)，給熱系數(shù)很高。因此，又稱為薄膜蒸發(fā)。這時，通常在液膜內(nèi)不再有氣泡產(chǎn)生，熱量主要是通過液膜的導(dǎo)熱和液膜表面的蒸發(fā)進行傳熱。

在膜式蒸發(fā)過程中要控制好堿液流量。堿液流量過小，在降膜蒸發(fā)過程中，會出現(xiàn)壁面液膜的斷裂變干現(xiàn)象，如果出現(xiàn)這種現(xiàn)象，將使給熱系數(shù)大大下降；堿液流量太大，而加熱源的溫度低，造成液體過熱度不足，達不到沸騰，不能形成降膜蒸發(fā)的現(xiàn)象。因此，進入蒸發(fā)器堿液流量的大小和加熱源溫度的高低，直接影響成膜及膜的厚度，所以控制好進入蒸發(fā)器中堿液的流量和加熱源的溫度，對膜式蒸發(fā)是至關(guān)重要的。

2.2降膜蒸發(fā)的特點

降膜蒸發(fā)是一種高效單程非循環(huán)膜式蒸發(fā)，料液自蒸發(fā)器上部進入，經(jīng)液體分布及成膜裝置，均勻分配到各個換熱管內(nèi)，在重力和真空誘導(dǎo)和氣流共同作用下，液體成均勻膜狀自上而下流動，具有傳熱效率高、傳熱系數(shù)大、溫差損失小，物料加熱時間短、不易變質(zhì)、易于多效操作、能耗低、設(shè)備體積小、易操作控制等特點。

3　三效逆流降膜蒸發(fā)的主要設(shè)備

蒸發(fā)工序涉及高溫強堿強腐蝕的物料，所以在生產(chǎn)安裝過程中對設(shè)備、管道材質(zhì)的選擇非常嚴格，為了控制投資成本，根據(jù)工藝流程各節(jié)點的溫度差異，對應(yīng)選用合適的設(shè)備材質(zhì)。從Ⅰ效到Ⅱ效（與堿液接觸）的設(shè)備，管道均采用Ni材質(zhì)，包括輸送泵、換熱器、蒸發(fā)罐等，Ⅲ效（與堿液接觸）的設(shè)備，管道均采用316L不銹鋼，不與堿液接觸的設(shè)備，管道則采用304不銹鋼或者碳鋼。一些主要設(shè)備的具體情況見表1。

表1　主要設(shè)備表

4　三效逆流降膜蒸發(fā)的工藝流程

4.1堿液流程

從離子膜電解工序送來的原料32%燒堿進入堿液緩沖罐（T-8301）（見圖1），利用32%堿輸送泵（P-8305）輸送進入三效換熱器（E-8303），堿液進入三效蒸發(fā)罐（D-8303）在真空下蒸發(fā)濃縮至36%堿液；再用36%堿液泵（P-8303）輸送經(jīng)過預(yù)熱器E-8307、E-8308，分別用50%熱堿和中壓蒸汽冷凝液加熱后進入二效換熱器 （E-8302），36%堿液在二效蒸發(fā)罐（D-8302）蒸發(fā)濃縮至42%堿液；再用42%堿輸送泵 （P-8302）輸送經(jīng)過預(yù)熱器 （E-8305、E-8306），分別和一效產(chǎn)出的50%堿液和一效蒸汽冷凝液罐（D-8305）出來的蒸汽冷凝液換熱后進入一效換熱器 （E-8301），42%堿液在一效蒸發(fā)罐 （D-8301）蒸發(fā)濃縮至50%堿液。然后用50%堿輸送泵（P-8301）輸送經(jīng)過預(yù)熱器（E-8305、E-8307）降溫冷卻，最后通過成品堿液冷卻器（E-8309）用循環(huán)水冷卻至45℃以下，分析合格后，通過開關(guān)閥ZV-801輸送至貯槽罐區(qū)50%堿貯槽儲存出售，如分析不合格則通過開關(guān)閥ZV-802返回32%堿液緩沖槽（T-8301）。

4.2蒸汽及純冷凝液流程

外界送來的中壓蒸汽（0.9 MPa、300℃）進入界區(qū)先通過蒸汽增濕器 （J-8301）用減溫減壓泵 （P-8307）送來的純水消除過熱變?yōu)轱柡驼羝笤龠M入一效換熱器（E-8301）殼程，與輸送泵（P-8302）送來的42%堿液間接換熱，42%堿液得到加熱升溫，而中壓蒸汽在此降溫冷凝，蒸汽冷凝液進入蒸汽冷凝液貯槽（D-8305），再進入堿液預(yù)熱器（E-8306）和（E-8308）分別與進入一效的42%堿液和進入二效的36%堿液換熱后送往界區(qū)外。

圖1　三效逆流降膜蒸發(fā)工藝流程圖

4.3工藝蒸汽及冷凝液流程

由一效蒸發(fā)罐（D-8301）產(chǎn)生的二次蒸汽（從堿液中蒸發(fā)出來）先通過蒸汽增濕器（J-8302）用工藝冷凝泵（P-8304）送來的工藝冷凝水消除過熱過熱變?yōu)轱柡驼羝筮M入二效換熱器（E-8302）殼程，其將作為36%堿液蒸發(fā)濃縮至42%堿液的加熱蒸汽，換熱后冷凝下來的蒸汽冷凝液通過氣液分離器分離，氣體部分送至三效換熱器（E-8303）從換熱器中部進入殼程，液體部分經(jīng)三效換熱器（E-8303）底部送至工藝冷凝液罐（D-8304）。

由二效蒸發(fā)罐（D-8302）產(chǎn)生的二次蒸汽（從堿液中蒸發(fā)出來）先通過蒸汽增濕器（J-8303）用工藝冷凝泵（P-8304）送來的工藝冷凝水消除過熱過熱變?yōu)轱柡驼羝筮M入三效換熱器（E-8303）殼程，其將作為32%堿液蒸發(fā)濃縮至36%堿液的加熱蒸汽，換熱后冷凝下來的蒸汽冷凝液被送至工藝冷凝液罐（D-8304），未冷凝下來的蒸汽，經(jīng)表面冷凝器（E-8304）冷凝，冷凝下來的冷凝液進入工藝冷凝液貯罐（D-8304）。

由三效蒸發(fā)罐（D-8303）產(chǎn)生的二次蒸汽（由些廠家也叫三次蒸發(fā)汽），經(jīng)過表面冷凝器（E-8304）冷凝，冷凝后的冷凝液進入工藝冷凝液貯罐 （D-8304），然后用工藝冷凝水泵（P-8304）輸送，一部分用于清洗一、二、三效蒸發(fā)罐和增濕器二次蒸汽增濕，另一部分送往界區(qū)外。

4.4真空系統(tǒng)簡述

4.4.1真空蒸發(fā)原理

液體表面的壓力越低沸點也越低，在無法增大設(shè)備生產(chǎn)能力的情況下，采用真空裝置（在效體后設(shè)置水環(huán)式真空泵和表面冷凝器）降低效體內(nèi)堿液表面的壓力，達到增大傳熱溫差，加快蒸發(fā)速度的目的。因此，在生產(chǎn)過程中，為了降低液體的沸點、提高溫差、加速二次蒸汽的逸出，三效降膜蒸發(fā)器常常在負壓下操作。

4.4.2真空蒸發(fā)流程

水環(huán)式真空泵（K-8301A/B，用循環(huán)水冷卻）將三效蒸發(fā)罐（D-8303）里的蒸汽及蒸發(fā)過程中產(chǎn)生的不冷凝氣抽出，以保證罐內(nèi)的堿液液面保持真空度，抽出的蒸汽及不凝性氣體經(jīng)表面冷凝器 （E-8304，用循環(huán)水冷卻）冷凝，冷凝液流入工藝冷凝液貯罐（D-8304），不凝氣體通過真空泵抽出放空。

5　影響蒸發(fā)的主要因素

5.1蒸汽壓力

外界送來蒸汽是堿液蒸發(fā)的主要熱源，其壓力高低直接影響到蒸發(fā)操作能力。在其他條件不變的情況下，往往較高的蒸汽壓力會使系統(tǒng)獲得較大的溫差，單位時間內(nèi)所傳遞的熱量也相應(yīng)增加，裝置有較大的生產(chǎn)能力。

正常生產(chǎn)中，需保持適宜的蒸汽壓力。壓力過高容易使加熱管內(nèi)堿液溫度上升過高，造成汽膜，降低傳熱系數(shù)。壓力過低，堿液不能達到所需溫度，蒸發(fā)強度降低。保證蒸汽壓力的穩(wěn)定供應(yīng)可以保證進出口物料的濃度溫度，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

5.2真空度

真空度是蒸發(fā)過程中提高蒸發(fā)能力的重要途徑，也是降低汽耗的重要方法。適當提高真空度，將使二次蒸汽的飽和溫度降低從而提高了有效的溫度差，因而更充分的利用了熱源，使蒸汽消耗降低。真空度的高低與大氣冷凝器的下水溫度有關(guān)（該溫度下的飽和蒸汽壓），也與二次蒸汽中的不凝氣含量有關(guān)。真空度與飽和蒸汽溫度及相對溫度差統(tǒng)計見表2。

6　工藝運行總結(jié)

由圖1三效逆流降膜蒸發(fā)工藝流程可知，全工藝流程均設(shè)有自動調(diào)節(jié)控制器，調(diào)節(jié)生產(chǎn)負荷由在Ⅲ效換熱器（E-8303）前堿液管道上裝的堿液流量計（FI-802）和流量調(diào)節(jié)閥（FIC-802）來控制進32%堿液量，而在Ⅰ效換熱器前蒸汽管道上裝的蒸汽流量計（FI-801）和流量調(diào)節(jié)閥（FIC-801）是根據(jù)Ⅰ效蒸發(fā)器出來的堿液濃度控制蒸汽用量，還有Ⅰ效、Ⅱ效、Ⅲ效蒸發(fā)罐、工藝冷凝液罐和蒸汽冷凝液罐也設(shè)有液位自動調(diào)節(jié)閥以自動調(diào)節(jié)控制罐內(nèi)安全的液位。工藝自動化程度高，采用DCS自動控制，無需生產(chǎn)人員現(xiàn)場值守，僅在開停車排液、手動閥開關(guān)和取樣檢測時操作人員到現(xiàn)場，降低了操作人員的勞動強度。

表2　真空度提高時的蒸汽飽和溫度及相對溫度差

在運行三效逆流降膜蒸發(fā)工藝裝置時，必須嚴格控制各生產(chǎn)工藝指標（見表3），確保生產(chǎn)出合格的50%濃堿成品。在生產(chǎn)過程中比較容易出現(xiàn)的工藝事故是因蒸發(fā)罐內(nèi)液位控制過高，導(dǎo)致二次蒸汽中夾帶有堿液出去，導(dǎo)致跑堿，工藝冷凝液pH值偏高，降低生產(chǎn)率，提高生產(chǎn)成本。

根據(jù)廠家在DCS組態(tài)時提供濃度與溫度和壓力的關(guān)系式：

式中：F（x）—Ⅰ效蒸發(fā)罐出堿液的質(zhì)量分數(shù)（%），CIC-801測定值；T1—Ⅰ效蒸發(fā)罐出堿液溫度，℃，TI-801測定值；P1—Ⅰ效蒸發(fā)罐出二次蒸汽壓力，105 Pa，表壓，PI-801測定值。

從上面關(guān)系式可知，從Ⅰ效蒸發(fā)罐出來堿液的濃度與溫度及二次蒸汽壓力有密切關(guān)系，溫度越高堿液濃度越高，而堿液溫度和二次蒸汽壓力是與外界送來的蒸汽和系統(tǒng)的真空度有關(guān)。當外界送來的蒸汽溫度和壓力不足或者系統(tǒng)真空度不足時堿液濃縮產(chǎn)生的二次蒸汽量少，即蒸掉堿液中的水量少，生產(chǎn)出來堿液濃度偏低，容易使蒸發(fā)罐內(nèi)液位升高；當蒸發(fā)罐內(nèi)堿液液位超過30%，容易導(dǎo)致二次蒸汽中夾帶有堿液逸出，液位越高則二次蒸汽夾帶堿液越多；堿液輸送泵P-8301、P-8302、P-8303抽力也是影響控制蒸發(fā)罐液位的重要因素，抽力不足也容易使蒸發(fā)罐內(nèi)液位升高，導(dǎo)致系統(tǒng)跑堿。因此，主控DCS操作人員必須認真操作，嚴格控制工藝指標。

表3　重要的工藝指標

7　結(jié)語

該公司采用三效逆流降膜蒸發(fā)工藝生產(chǎn)50%堿液項目于2011年投產(chǎn)以來，生產(chǎn)穩(wěn)定安全高效，工藝設(shè)計緊湊巧妙，投資成本低，換熱熱源利用率高，蒸汽消耗508 kg/tNaOH（100%），工藝操作控制方便。50%堿液項目的投產(chǎn)為降低產(chǎn)品運輸成本，提高貯罐折百堿儲存量，提高市場抗風(fēng)險能力和提高企業(yè)效益帶來了顯著效果。

Application of three effect countercurrent falling film evaporation in ionic membrane caustic soda

YANG Guo-wen
（Guangxi Liuhua Chlor-Alkali Co.，Ltd.，Liuzhou 545600，China）

The process principle，process flow and main influencing factors of three effect countercurrent falling film evaporation with ion exchange membrane caustic soda were expounded.

Ion-exchange membrane caustic soda；Three effect countercurrent；Falling film evaporation

TQ114.26+8

B

1009-1785（2016）07-0009-04

2016-06-27

［1］方度，蔣蘭蓀，吳正德，等.氯堿工藝學(xué).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1990.

［2］程殿彬主編.離子膜法制堿生產(chǎn)技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.