王炼翃3
(南宁化工股份有限公司，广西南宁530031)
[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]T Q114.268 [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=KSΔt，式中:Q为传热量,kJ/s;S为传热面积,m2;Δt为传热温差,K;K为传热系数,kJ/(m2・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NaCl质量浓度≤30mg/L、NaCl O
3
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
欠压保护电路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
效数蒸汽耗量/[t/(t・100%Na OH)]
单效 1.10
双效0.57
三效0.40
四效0.30
第10期2006年10月
氯碱工业
Chl or-A lkali I ndustry
No.10
Oct.,2006
纳米除臭装置
3[作者简介]王炼翃(1970-)，男，工程师，毕业于武工学院化工系，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]2006-01-09
由表1可以看出，单效蒸发的蒸汽耗量最大，为1.10t/(t ・100%Na OH )，四效蒸发的蒸汽耗量最少，为0.30t/(t ・100%Na OH )。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%Na OH 浓缩成为50%Na OH，生产能力分别为2万t/a 和3万t/a 。3.1 降膜浓缩工艺
降膜浓缩装置工艺流程图见图1。
1—Ⅰ效蒸发器;2—Ⅰ效气液分离器;3—Ⅱ效冷凝水槽;4—Ⅱ效蒸发器;5—Ⅱ效气液分离器;6—冷凝器;7—水环真空泵;
8—Ⅰ效冷凝水槽;9—预热器2;10—成品泵;11—冷凝水泵;12—预热器1;13—过料泵;14—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
进行蒸发。浓缩的烧碱由过料泵送往预热器1、预热器2，然后送往I 效蒸发器，烧碱在传热管内流下进行蒸发。浓缩的烧碱由成品泵送往成品冷却器冷
却，最后送往成品贮槽。
Ⅰ效蒸发器采用生蒸汽加热，在I 效蒸发器中蒸发产生的二次蒸汽经过I 效气液分离器后成为Ⅱ效蒸发器的加热蒸汽;Ⅱ效蒸发器产生的二次蒸汽
第10期 王炼翃：离子膜法烧碱的蒸发与浓缩 蒸发与固碱
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
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—Ⅰ效蒸发器;2—Ⅰ效气液分离器;3—Ⅱ效蒸发器;4—冷凝水槽;5—Ⅱ效气液分离器;6—冷凝器;7—冷凝水槽;8—水环真空泵;
9—减温计量泵;10—预热器2;11—预热器1;12—成品冷却器;13—成品泵;14—过料泵;15—冷凝水槽;16—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，液碱从Ⅱ效蒸发器底部向顶部运行过程中蒸发，生成浓缩液和二次蒸汽，浓缩液和二次蒸汽以切线方向进入Ⅱ效气液分离器分离，二次蒸汽从分离器顶部出去冷凝，浓缩液从分离器底部排出。过料泵把Ⅱ效气液分离器的浓缩液输送入预热器1和预热器
2，分别被成品(50%液碱)和生蒸汽冷凝水预热，浓缩液被预热后进入Ⅰ效蒸发器，从Ⅰ效蒸发器底部向顶部运行过程中进行蒸发生成浓缩液和二次蒸汽，以切线方向进入Ⅰ效气液分离器被分离，二次蒸汽从分离器顶部出去作为Ⅱ效蒸发器的加热蒸汽，浓缩液50%液碱从分离器底部排出。成品泵把Ⅰ效气液分离器的浓缩液50%液碱输送入预热器1，再经过成品冷却器,50%液碱被冷却至45℃送出界区。
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，另一部分被减温计量泵输送到生蒸汽管内，使生蒸汽成为饱和蒸汽，从而有利于系统运行稳定。3.3 工艺流程的比较
降膜浓缩装置和升膜浓缩装置的工艺流程有相同之处，由于核心设备蒸发器的不同工艺流程有所区别。
相同点有：都是双效逆流蒸发工艺流程，都采用非循环式蒸发器,Ⅰ效蒸发器材质都采用N i200，实际生产中的浓缩起始浓度和终点浓度相同。不同点有：蒸发器结构不同，降膜浓缩装置的蒸发器为列管式结构，而升膜浓缩装置为板式结构；设备布置不同，降膜浓缩装置其蒸发器是列管式的，设备外形尺
寸较大，厂房高(三层)，而升膜浓缩装置设备小巧，厂房只需一层；设备备用数量不同，降膜浓缩装置所用机泵均是开一备一，升膜浓缩装置所用机泵均没有备用；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%～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0.7MPa 左右的饱和
蒸发与固碱 氯碱工业 2006年
蒸汽，升膜浓缩装置是0.7MPa左右的蒸汽经减压降温后变成0.3～0.4MPa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N i200。
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
序号项目降膜装置升膜装置
抗石击涂料
1效数双效双效
7-aca2逆/顺流逆流逆流
3蒸发器形式列管式板式
4循环方式不循环不循环
5生产能力/(万t/a)23
6Ⅰ效加热面积/m219.326.4
7Ⅰ效加热器材质N i200N i200
8Ⅱ效加热面积/m241.863.4
9Ⅱ效加热器材质S US304L A I SI316
10冷凝器面积/m215163
11冷凝器材质S US304L SS316
12加料泵材质SCS18SCS18
13Ⅰ效蒸发器材质CS,N i200N i200
14成品泵材质N i N i200
15Ⅰ效气液分离器材质N i200N i200
16Ⅱ效蒸发器材质S US304L A I SI316
17过料泵材质SCS18N i200
18Ⅱ效气液分离器材质S US310S S MO254
电镀马赛克
19预热器1材质N i200N i200
20预热器2材质N i200N i200
21成品冷却器材质N i200N i200
22冷凝器材质S US304L,CS SS316
从表2可以看出，两种装置中介质为高浓度、高温度碱时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650kg/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A I SI316，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710kg/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1000万元，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：化学工业
出版社,1998.
[2]方 度.氯碱工艺学[M].北京：化学工业出版社,1989.
[3]谭天恩，等.化工原理[M].北京：化学工业出版社,
1990.
[编辑：董红果]
第10期 王炼翃：离子膜法烧碱的蒸发与浓缩 蒸发与固碱
