濃堿蒸發裝置性能狀況與經濟分析對比

韓解兵，曹紹良

（江西世龍實業股份有限公司，江西 樂平 333332）

近年來，隨著安全環保和節能減排政策不斷加強，新型化工、精細化工、醫藥化工等行業生產商對濃度較高的40%、50%燒堿的需求越來越大，尤其是制藥行業對高濃度、高品質的燒堿需求更為迫切。江西世龍實業股份有限公司分別在離子膜電解裝置下游相繼增加了2套50%濃堿蒸發裝置，32%離子膜燒堿通過蒸發提濃后生產出40%、50%的濃堿以滿足市場需求。蒸發裝置先后采用了刮板式薄膜蒸發和雙效逆流濃堿蒸發兩種不同生產工藝。

1 刮板式薄膜蒸發濃堿裝置

2018年2 月，世龍實業公司結合燒堿市場情況，借鑒同行業技術和生產經驗，建成了2.5萬t/a刮板式薄膜蒸發濃堿裝置，該裝置建成后馬上投產，裝置整體運行情況平穩，濃堿產品產量和質量同時達到設計要求，較好地滿足了客戶的需求。

1.1 刮板式薄膜蒸發器的組成、原理及特點

刮板式薄膜蒸發濃堿裝置關鍵設備為刮板式薄膜蒸發器，刮板式薄膜蒸發器主要由加熱夾套和刮板組成，蒸發器殼體外部裝有加熱蒸汽夾套，內部裝有可旋轉的刮板，刮板由圓筒中心的旋轉軸帶動。刮板和加熱夾套內壁保持很小間隙，通常為0.5～1.5 mm。原料液由蒸發器上部沿切向加入后，在重力和旋轉刮板的帶動下，沿殼體的內壁面形成下旋的薄膜，完成液由底部排出蒸發器，二次蒸汽經除沫器后由上部排出。在某些場合，這種蒸發器可將溶液蒸干，在底部直接得到固體產品。

由于刮板式薄膜蒸發器的獨特結構，刮板旋轉具有泵送作用，使得物料在蒸發器內的停留時間很短。刮板式薄膜濃堿蒸發裝置原理是利用刮板的機械運動，將32%的堿液刮成薄膜液層，大大增加了物料的受熱面積，在真空作用下，32%的堿液被快速地蒸發。

該裝置的顯著特點是濃堿產品的濃度及產量可通過調節32%堿的進料量及夾套蒸汽的通入量進行有效調節。

1.2 刮板式薄膜蒸發濃堿裝置工藝流程及操作

將離子膜車間的32%濃度的液堿不經過冷卻直接送入32%堿加料槽內（該加料槽需做保溫處理），然后將32%的燒堿用加料泵送入刮板薄膜蒸發器中，刮板薄膜蒸發器通過調節流量進行自控進料，在蒸發器內，32%的燒堿自上而下流動，同時被蒸發器中連續旋轉的刮板刮成薄膜液層，刮板薄膜蒸發器的外夾套中通入低壓蒸汽（蒸汽壓力表壓為0.3 MPa左右），攤薄的32%燒堿受熱后快速蒸發，產生的二次蒸汽自刮板薄膜蒸發器頂部出來進入真空系統，被蒸發提濃至50%左右的濃堿自流到蒸發器下部的濃堿槽中。

真空裝置由噴射冷凝器+真空下水槽+真空上水泵+冷卻器組成，將刮板薄膜蒸發器上部產生的水蒸氣連續抽出，并維持蒸發器內的真空為-0.08 MPa，以保持最佳的蒸發效果。刮板式薄膜蒸發裝置工藝流程示意圖見圖1。

圖1 刮板式薄膜蒸發裝置工藝流程示意圖

1.3 刮板式薄膜蒸發濃堿裝置優點

刮板式薄膜蒸發器的突出優點是對物料的適應性很強，對高黏度、易結晶、易結垢、含懸浮物或兼有熱敏性料液的蒸發均適用。該裝置在生產中最大優點為生產操作彈性較大，可隨時切換生產不同濃度的燒堿產品，可實現40%、42%、45%、50%燒堿等產品多樣化的要求，很好地滿足不同客戶的需求。

1.4 刮板式薄膜蒸發濃堿裝置存在不足

刮板式薄膜蒸發器采用的是蒸發器外壁的外夾套內通入生蒸汽加熱，相對于板式蒸發器的薄壁加熱面，刮板式薄膜蒸發器的傳熱效率較低，蒸汽的利用率不高。刮板式薄膜蒸發裝置生蒸汽只利用了一次，產生的二次蒸汽熱能沒有得到充分利用。二次蒸汽直接被抽到真空系統，不但降低了蒸汽的利用率，而且造成真空系統的循環水溫度升高，導致冷卻器的負荷顯著增加。

由于刮板式薄膜蒸發器主要是依靠頂部減速機的傳動帶動刮板做圓周運動，刮板長期處于連續磨損狀態，設備維修成本較高。

2 雙效逆流濃堿蒸發裝置

世龍實業公司于2019年7月建成了5萬t/a雙效逆流濃堿蒸發裝置，該裝置建成投產后運行情況良好，濃堿產品產量和質量均達到設計要求，極大地滿足了客戶的需求。

2.1 雙效逆流工作原理

雙效蒸發器常應用于化工、輕工、食品、醫藥等工業生產中，如硝酸銨、燒堿、抗生素、制糖及淡水制備等生產制備，也常應用于化工、制藥、冶金、采礦、石化、稀土、鋰電、危廢等行業的工業廢水處理。

雙效蒸發器一二效均由各自的蒸發器和分離器組成，蒸發器采用的是傳熱效果較好的板式換熱器。

在蒸發生產中，二次蒸汽的產量較大，且含大量的潛熱，應將其回收利用。雙效蒸發器是將第一個蒸發器產生的二次蒸汽再次當作加熱源，引入另一個蒸發器，只要控制蒸發器內的壓力和溶液沸點，使其適當降低，則可利用第一個蒸發器產生的二次蒸汽進行加熱。第一個蒸發器的冷凝處就是第二個蒸發器的加熱處，這是雙效蒸發蒸汽充分利用原理。

雙效逆流蒸發裝置被蒸發的物料與蒸汽的流動方向相反，主要用于進料溫度較低，但出口溫度較高的工藝情況。進料無需預熱或少許預熱，節約了蒸汽用量，但整個過程需要用泵來輸送物料，用電量有所增加。

2.2 雙效逆流濃堿蒸發裝置工藝流程及操作

將離子膜車間的32%濃度的液堿不經過冷卻直接送入32%堿加料槽內（該加料槽需做熱保溫），由料液泵控制流量后送入Ⅱ效板式蒸發器，料液加熱后進人Ⅱ效分離器進行氣液分離，產生39%的堿液和Ⅱ效二次蒸汽。從Ⅱ效分離器分離出的39%堿液經濃堿中間泵送入濃堿預熱器，用Ⅰ效板式蒸發器出來的蒸汽冷凝水預熱39%的濃堿，預熱后39%堿液進人Ⅰ效板式蒸發器，在Ⅰ效板式蒸發器中經低壓蒸汽（蒸汽壓力表壓為0.3 MPa左右）加熱后進人Ⅰ效分離器進行氣液分離，產生50%的堿液和Ⅰ效二次蒸汽。從Ⅰ效分離器分離出的50%堿液由產品成品堿泵送至成品堿冷卻器，將50%堿冷卻到40℃以下，冷卻后50%堿直接送至成品配堿槽中外售。

Ⅰ效板式蒸發器用蒸汽加熱，產生的冷凝水經濃堿預熱器預熱39%堿后流入冷凝水貯槽，再用冷凝水泵送至化鹽工序回收利用。Ⅱ效板式蒸發器用Ⅰ效產生的二次蒸汽加熱，冷凝水自流進入二次汽熱水罐，從Ⅱ效板式蒸發器蒸發出來的二次蒸汽經過表面冷凝器大量冷凝后進入氣液分離器中，冷凝下來的冷凝水從氣液分離器底部自流至二次汽熱水罐。部分未冷凝的水蒸汽和不凝氣從氣液分離器頂部被水環真空泵抽走，由表面冷凝器和水環真空泵一起產生真空。并維持Ⅱ效分離器內的真空為-0.08 MPa。二次汽熱水罐中的熱水由于含有少量氫氧化鈉，通過堿性廢水泵送至化鹽工序，其中的氫氧化鈉可作為除去鹽水中鎂離子的精制劑使用。雙效逆流濃堿蒸發裝置工藝流程示意圖見圖2。

圖2 雙效逆流濃堿蒸發裝置工藝流程示意圖

2.3 雙效逆流濃堿蒸發裝置核心設備

雙效逆流濃堿蒸發裝置的核心設備是Ⅰ效板式蒸發器和Ⅱ效板式蒸發器，板式蒸發器是一種升膜蒸發器，物料向上通過蒸發器時，物料在換熱面上形成一層薄膜，并被加熱至沸騰。為了保證最佳蒸發及分離效果，板式蒸發器料液出口必須與氣液分離器進料口平行安裝，且盡量連接管道最短（一般采用方形接管），加熱至沸騰的料液以最小的阻力進入分離器，以保持最佳的蒸發效果。由于50%濃堿腐蝕性較強，普通的不銹鋼無法耐受，板式蒸發器板片材質必須采用鎳材才能滿足，世龍實業公司雙效逆流生產50%濃堿裝置目前使用的Ⅰ、Ⅱ效板式蒸發器板片材質是鎳200，由瑞典阿法拉伐公司提供，價格比較昂貴。

2.4 雙效逆流濃堿蒸發裝置設計優勢

5萬t/a雙效逆流濃堿蒸發裝置從工藝設計上充分考慮蒸汽熱能的循環利用，包括蒸汽冷凝水回收余熱利用。主要用能設備Ⅰ、Ⅱ效板式蒸發器采用耐腐蝕的高效傳熱薄壁金屬板和耐高溫的板墊。在管道設計流程上盡量縮短管道長度，減少熱損并降低輸送能耗。采用高效的保溫材料對系統設備和管道進行保溫。

3 刮板式薄膜蒸發與雙效逆流蒸發濃堿裝置情況對比

3.1 蒸汽利用率比較

（1）刮板式薄膜蒸發裝置蒸汽利用率低。刮板式薄膜蒸發裝置完全是利用刮板的機械運動，將32%的堿液刮成薄膜液層，雖然短時間增加了物料的受熱面積，但因為刮板式薄膜蒸發器是采用生蒸汽從蒸發器外壁的外夾套內通入加熱，生蒸汽只能在刮板式薄膜蒸發裝置上利用一次，產生的二次蒸汽熱能不能得到充分利用。

（2）雙效逆流濃堿蒸發裝置蒸汽利用率高、冷凝水的余熱充分利用。雙效逆流濃堿蒸發裝置采用了連續蒸發工藝，生蒸汽進入到Ⅰ效板式蒸發器，產生的二次蒸汽進入到Ⅱ效板式蒸發器作為熱源使用，二次蒸汽得到了充分利用。與刮板式薄膜蒸發器對比，板式蒸發器板壁要薄的多，對應的傳熱系數大，物料的蒸發強度也明顯較高。雙效逆流板式蒸發器蒸汽冷凝水作為濃堿預熱器熱源對濃堿進行預熱，提高了I效板式蒸發器的進料溫度，冷凝水熱能得到充分利用。

雙效逆流板式蒸發裝置比刮板式薄膜蒸發裝置在蒸汽利用和消耗方面具有明顯的優勢。運行經濟分析對比表見表1。

3.2 設備運行和維護保養比較

刮板式薄膜蒸發裝置主要設備是刮板式薄膜蒸發器，該設備主要是依靠頂部減速機的傳動從而帶動刮板做圓周運動，刮板長期處于連續磨損狀態，因此刮板式薄膜蒸發裝置傳動部件容易損壞，維修成本較高。

雙效逆流濃堿蒸發裝置的核心設備是Ⅰ、Ⅱ效板式蒸發器，該蒸發器由于采用低壓蒸汽（蒸汽壓力表壓為0.3 MPa左右）直接加熱，蒸汽溫度在144℃左右，一般的板式換熱器板與板之間的墊片采用的是普通型三元乙丙橡膠，該墊片無法長期承受這樣的高溫工況，必須采用耐高溫型三元乙丙橡膠墊片或其他能長期耐高溫型墊片，因此Ⅰ、Ⅱ效板式蒸發器設備價格要高得多，而且設備使用到后期經常會出現墊片滲漏、板片腐蝕等狀況，故而雙效逆流濃堿蒸發裝置在這方面的維修成本也較高。

3.3 運行經濟分析對比

江西世龍實業股份有限公司從2018年開始，相繼投產了1套2.5萬t/a刮板式薄膜濃堿蒸發裝置和1套5萬t/a雙效逆流濃堿蒸發裝置，兩套裝置目前都運行穩定，滿足了市場對40%、50%等燒堿的需求，由于選擇的工藝方式不同，在具體運行指標及經濟效益方面，雙效逆流濃堿蒸發裝置相比刮板式薄膜蒸發裝置具有一定的優越性，特別是蒸汽消耗方面優勢更加明顯，具體見表1。

表1 雙效逆流與刮板薄膜裝置運行經濟分析對比表（按50%濃堿計）

4 結語

客戶對公司生產的40%、50%燒堿等系列產品高度認可。由于工藝方式的不同，在具體運行經濟效益方面產生了一定的差別，具體體現在雙效逆流濃堿蒸發裝置比刮板式薄膜濃堿蒸發裝置具有明顯的優越性。