离子膜法烧碱的蒸发与浓缩

第10期 2006年 10月 氯 碱 工 业 Chlor——Alkali Industry No．10 Oct．，2006 【蒸发与固碱】 离子膜法烧碱 的蒸发与浓缩 王炼栩 (南宁4ksx-股份有限公司，广西 南宁530031) [关键词]离子膜法烧碱；升膜蒸发器；降膜蒸发器 [摘 要]阐述了离子膜法烧碱蒸发的特性、方法、工艺流程，并对生产中常见的降膜浓缩和升膜浓缩两种工 艺及其主要设备进行了分析、对比。 [中图分类号]TQ114．268 [文献标识码]B [文章编号]1008—133X(2006)10—0020—04 离子膜法烧碱电解工序生产出的烧碱质量分数 一 般为32％，为了满足用户对高浓度离子膜法烧碱 的需求，须把 32％的烧碱输送到蒸发装置进一步浓 缩。离子膜法烧碱的蒸发与所有的蒸发过程相同， 借助蒸汽加热使烧碱溶液中的水分汽化，提高烧碱 的浓度，该过程可由传热方程式表示为：Q：／(SAt， 式中：Q为传热量，kJ／s；S为传热面积，m ；At为传 热温差，K；K为传热系数，kJ／(m ·s·K)。传热 量分别与传热面积、传热温差、传热系数有关，三者 是提高蒸发能力的基本要素。 1 离子膜法烧碱蒸发的特性 离子膜法烧碱采用了比隔膜法烧碱更先进的生 产工艺与设备，质量大大超过隔膜法烧碱，更有利于 蒸发。 1．1 离子膜法烧碱纯度高 离子膜法烧碱纯度高，杂质含量极少，一般烧碱 中 NaCI质量浓度≤30 mg／L、NaCIO 质量浓度 ≤15 mg／L，因此，在工业生产上可以把离子膜法烧碱看 作是纯净的烧碱溶液。离子膜法烧碱纯净的特性为 其蒸发创造了良好的条件。 1．2 沸点和黏度随温度的升高而增大 离子膜法烧碱溶液的沸点随浓度的增加而升 高，随压力的升高而升高。在离子膜法烧碱浓度增 大的同时，黏度也随着增大。 1．3 传热系数大 离子膜法烧碱的纯度高，在蒸发过程中没有像 隔膜法烧碱蒸发中那样有结晶盐析出，因此在相同 状态下，离子膜法烧碱蒸发的传热系数比隔膜法烧 碱蒸发的传热系数大。由传热方程式可知，在传热 温差和传热面积相同的情况下，提高传热系数就能 提高传热量，提高设备的生产强度。 1．4 离子膜法烧碱腐蚀性强 虽然离子膜法烧碱的杂质含量极少，但是离子 膜法烧碱本身具有强腐蚀性，对设备和管道将产生 强烈的腐蚀。因此，对蒸发设备和管道有特殊的要 求，选择离子膜法烧碱蒸发设备的材质是极其严格 的，镍材是首选材质，其次为316L不锈钢。 2 离子膜法烧碱蒸发的工艺流程选择 由于离子膜法烧碱纯度高，杂质含量极少，在整 个蒸发过程没有盐析出，蒸发浓缩过程中不必除盐， 极大地简化了工艺流程；没有盐析出，也就不会发生 管道堵塞等问题。蒸发的工艺流程和操作相对简 单。蒸发流程根据效数分为单效蒸发、双效蒸发、三 效蒸发、四效蒸发等，根据蒸汽与物料的流动方向分 为顺流和逆流，根据蒸发器种类分为自然循环、强制 循环、升膜、降膜等。 2．1 蒸发器效数的确定 在选择离子膜法烧碱蒸发工艺流程时，首先要 确定蒸发器的效数。蒸发器的效数与蒸汽耗量的理 论关系见表 1。 表 1 蒸发器的效数与蒸汽耗量的关系 效数 单效 双效 三效 四效 蒸汽耗量／[t／(t·100％ NaOH)] 1．1O 0．57 0．40 0．30 [作者简介]王炼摺(1970一)，男，工程师，毕业于武汉化工学院化工系，现在南宁化工股份有限公司技术中心从事技 术改造项 目管理工作。 【收稿日期]2006一叭 一o9 20 ‘ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 10期 王炼翎 ：离子膜法烧碱的蒸发与浓缩 由表 1可以看出，单效蒸发的蒸汽耗量最大，为 1．10 t／(t·100％ NaOH)，四效蒸发的蒸汽耗量最 少，为0．30 t／(t·100％ NaOH)。从蒸汽耗量来考 虑，一般情况下很少选择单效蒸发。由于双效蒸发 流程能有效地利用二次蒸汽，节约能源，同时工艺流 程相对较短，因此，目前氯碱行业中离子膜法烧碱蒸 发流程广泛使用的是双效蒸发流程。三效、四效蒸 发流程虽然可以更好地利用热能，降低蒸汽消耗，但 是由于其工艺流程相对较长，投资相对较大及其他 原因，目前国内采用较少。 2．2 蒸发器的选择 蒸发器种类分为自然循环(包括内热式、外热 式)、强制循环(包括内热式、外热式)、升膜和降膜 (包括直流式、旋转刮板式)等。升膜和降膜蒸发器 是近几年离子膜法烧碱蒸发中广泛使用的蒸发器。 其主要优点是：①具有较大的传热系数，表现出良好 的传热效率；②设备的加工制造和维修比较容易。 2．3 顺流和逆流的选择 采用逆流蒸发流程可以更充分地利用蒸汽的热 量，增加各效的温差，从而提高蒸汽的热利用率；另 外，由于烧碱与蒸汽逆流流动，提高了传热系数，可 以减少设备传热面积，降低投资。实际生产中采用 逆流蒸发流程的企业较多。 2．4 离子膜法烧碱蒸发常用的工艺流程 目前，氯碱行业中常见的离子膜法烧碱蒸发工 艺流程是双效逆流蒸发工艺流程，双效逆流工艺流 程的特点是各效温差较大，能有效提高传热速率，设 备传热面积相对较小，但是末效对设备材质要求较 高。南宁化工股份有限公司于 1998年引进了日本 2万 t／a双效逆流降膜蒸发浓缩装置(以下简称“降 膜浓缩装置”)，运行至今；2003年由于离子膜法烧 碱扩建，该公司又从瑞典引进了3万 t／a双效逆流 升膜蒸发浓缩装置(以下简称“升膜浓缩装置”)，效 果也很好。 3 降膜浓缩装置与升膜浓缩装置的比较 南宁化工股份有限公司的降膜浓缩装置与升膜 浓缩装置都是将 32％ NaOH浓缩成为 50％ NaOH， 生产能力分别为2万t／a和 3万 t／a。 3．1 降膜浓缩工艺 降膜浓缩装置工艺见图 1。 l-- I效蒸发器；2一 I效气液分离器；3— 1I效冷凝水槽；4— 1I效蒸发器；5— 1I效气液分离器；6一冷凝器；7一水环真空泵； 8-- I效冷凝水槽；9一预热器2；lO一成品泵；11--冷凝水泵；l2一预热器 1；13--过料泵；l4一成品冷却器 图1 降膜蒸发装置工艺流程’ 烧碱首先送到Ⅱ效蒸发器，经过传热管内流下 却，最后送往成品贮槽。 进行蒸发。浓缩的烧碱由过料泵送往预热器 1、预 I效蒸发器采用生蒸汽加热，在I效蒸发器中 热器2，然后送往 I效蒸发器 ，烧碱在传热管内流下 蒸发产生的二次蒸汽经过 I效气液分离器后成为Ⅱ 进行蒸发。浓缩的烧碱由成品泵送往成品冷却器冷 效蒸发器的加热蒸汽；lI效蒸发器产生的二次蒸汽 2l 《 碱 ?5 固 箝与 蛉发 蛉蒸 _占 维普资讯 http://www.cqvip.com 、 ‘蒸发与固碱 ；_'、 J 氯 碱 工 业 经过 Ⅱ效气液分离器后送往冷凝器冷凝。 I效蒸发器产生的冷凝水进入 I效冷凝水槽， 再进入预热器2进行余热利用，然后送到Ⅱ效冷凝 水槽。在 Ⅱ效冷凝水槽中一部分闪蒸汽与在 I效蒸 发器蒸发产生的二次蒸汽一起作为Ⅱ效蒸发器的加 2006正 热蒸汽。Ⅱ效蒸发器产生的冷凝水和在冷凝器中产 生的冷凝水由冷凝水泵抽出。 3．2 升膜浓缩工艺 升膜浓缩装置生产流程图见图2。 1— 1效蒸发器；2一 I技气液分离器；3一 Ⅱ效蒸发器；4一冷凝水槽 ；5一 II效气液分离器；6一冷凝器；7一冷凝水槽；8一水环真空泵； 9～减温计盈泵；1O一预热器 2；11一预热器 1；l2一成品冷却器；13一成品泵：l4一过料泵；l5一冷凝水槽；l6一冷凝水泵 图2 升膜浓缩装置生产流程 装置外的给料泵把 32％液碱送入 Ⅱ效蒸发器， 温计量泵输送到生蒸汽管内．使生蒸汽成为饱和蒸 液碱从Ⅱ效蒸发器底部向顶部运行过程中蒸发，生 汽，从而有利于系统运行稳定。 成浓缩液和二次蒸汽，浓缩液和二次蒸汽以切线方 3．3 工艺流程的比较 向进入Ⅱ效气液分离器分离．二次蒸汽从分离器顶 降膜浓缩装置和升膜浓缩装置的工艺流程有相 部出去冷凝，浓缩液从分离器底部排出。过料泵把 同之处，由于核心设备蒸发器的不同工艺流程有所 Ⅱ效气液分离器的浓缩液输送入预热器1和预热器 区别。 2，分别被成品(50％液碱)和生蒸汽冷凝水预热，浓 相同点有：都是双效逆流蒸发工艺流程，都采用 缩液被预热后进入 I效蒸发器，从 I效蒸发器底部 非循环式蒸发器，I效蒸发器材质都采用 Ni200，实 向顶部运行过程中进行蒸发生成浓缩液和二次蒸 际生产中的浓缩起始浓度和终点浓度相同。不同点 汽，以切线方向进入 I效气液分离器被分离，二次蒸 有：蒸发器结构不同，降膜浓缩装置的蒸发器为列管 汽从分离器顶部出去作为Ⅱ效蒸发器的加热蒸汽， 式结构，而升膜浓缩装置为板式结构；设备布置不 浓缩液 50％液碱从分离器底部排出。成品泵把 I 同，降膜浓缩装置其蒸发器是列管式的，设备外形尺 效气液分离器的浓缩液50％液碱输送入预热器 1， 寸较大，厂房高(三层)，而升膜浓缩装簧设备小巧， 再经过成品冷却器，50％液碱被冷却至45℃送出界 厂房只需一层；i,St备备用数量不同，降膜浓缩装置昕 区。 用机泵均是开一备一，升膜浓缩装置所用机泵均没 锅炉生蒸汽作为 I效蒸发器的热源，来自 I效 蒸发器的二次蒸汽成为 Ⅱ效蒸发器的热源，来 自Ⅱ 效蒸发器的二次蒸汽在冷凝器被冷凝成为二次冷凝 水。 生蒸汽冷凝水一部分排出界区，另一部分被减 22 有备用；降膜浓缩装置操作弹性小，升膜浓缩装置蒸 发器是板式升膜蒸发器，操作弹性大，可以在负荷 50％一100％操作；降膜浓缩装置无增湿减温装置， 升膜浓缩装置有增湿减温装置；进 I效蒸发器的蒸 汽压力不同：降膜浓缩装置是 0．7 MPa左右的饱和 维普资讯 http://www.cqvip.com 第10期 王炼翎：离子膜法烧碱的蒸发与浓缩 蒸发与固碱 $ 蛉 = ；、 蒸汽，升膜浓缩装置是 0．7 MPa左右的蒸汽经减压 降温后变成0．3一O．4 MPa的饱和蒸汽。 3．4 主要设备的比较 降膜浓缩装置和升膜浓缩装置设备最大的不同 是蒸发器形式，降膜浓缩装置采用列管式降膜蒸发 器，升膜浓缩装置采用板式升膜蒸发器，但 I效蒸发 器的材质均采用 Ni200。 降膜蒸发器加热室在上部，蒸发室在下部，离子 膜法烧碱从上部进入，在管内膜状下降过程中与管 壁外的蒸汽进行热交换。降膜层很薄，再加上气体 的湍流作用，传热效果很好，到达加热室下部的液体 已呈沸腾状态，然后进入气液分离器进行气液分离， 浓碱从气液分离器底部排出，二次蒸汽经过捕集器 分离后从气液分离器上部排出。降膜蒸发器具有传 热系数大、蒸发强度高、容易操作控制等特点。但安 装时对降膜蒸发器的垂直(水平)度有严格要求。 升膜蒸发器蒸发室在上部，加热室在下部，离子 膜法烧碱从下部进入，在加热室膜状上升过程中加 热至沸腾，然后进入气液分离器进行气液分离，浓碱 从气液分离器底部排出，二次蒸汽经过捕集器分离 后从气液分离器上部排出。升膜蒸发器同样具有传 热系数大、蒸发强度高、容易操作控制等特点；并且 设备布置非常紧凑。表2为降膜浓缩装置和升膜浓 缩装置生产流程的比较。 表2 降膜浓缩装置和升膜浓缩装置生产流程的比较 从表2可以看出，两种装置中介质为高浓度、高 温度碱IJl『的设备材质基本相同，都采用镍材。 3．5 生产运行上的比较 降膜浓缩装置已运行 6年多，情况良好，平均蒸 汽单耗在650 kg／t左右。曾有一段时间由于循环水 质量差，成品冷却器结垢堵塞，冷却效果变差，最终 导致成品冷却器腐蚀严重。另外，由于运行时间长， 部分 自动调节阀存在问题等，蒸汽压力低于 0．55 MPa，离子膜法烧碱质量分数达不到 50％。冷凝器 每年要清洗 1次。 升膜浓缩装置是2003年7月投入运行的，该装 置在刚投入运行的 1年里因冷凝水计量泵不能正常 运行而停用，装置一直在过热蒸汽下运行，I效和Ⅱ 效蒸发器垫片因温度过高出现老化变形的情况；而 且蒸发器压板的镍衬板被真空抽吸，出现轻微变形， I效和Ⅱ效蒸发器轻微漏气。另外，板式冷凝器间 隙小，在循环水质量降低的情况下容易结垢堵塞，影 响冷却效果；II效蒸发器选取的材质是 AISI316，运 行后设备出现了一些腐蚀。升膜浓缩装置试车验收 时蒸汽单耗约710 kg／t，运行2年后蒸汽单耗约810 kg／t。 从运行效果看，升膜浓缩装置的蒸汽消耗比降 膜浓缩装置的蒸汽消耗要高25％左右。 从投资上看，单独从 日本引进设备建设 3万 t／a 离子膜法烧碱降膜浓缩装置的投资(含进口关税、 土建工程、管道安装等费用)约 1 000万元，而相同 生产能力的升膜浓缩装置的投资(核心设备引进， 辅助设备国内配套)约为 600万元，降膜浓缩装置 一 次性投资比升膜浓缩装置高。 4 结 语 离子膜法烧碱蒸发工艺与隔膜法烧碱蒸发工艺 相比，具有工艺流程简单、设备生产强度大、容易操 作等优点。在实际生产中常见的降膜浓缩装置和升 膜浓缩装置各有特点，其中升膜浓缩装置一次性投 资费用较低，但蒸汽消耗稍高；而降膜浓缩装置一次 性投资费用较高，但蒸汽消耗相对较低，运行费用上 具有较大的优势。总之，这两种工艺流程都能较好 地满足离子膜法烧碱蒸发的需要。 参考文献 [1]程殿彬、离子膜法制碱生产技术 M]．北京：化 工业 出版社，1998． [2]方 度、氯碱工艺学[M]．北京：化学工业出版社 ，1989 I_3]谭天恩，等．化工原理[M]．北京：化学工业出版社， l99()、 [编辑：董红果] 23 维普资讯 http://www.cqvip.com