管壳式降膜蒸发器在烧碱蒸发装置中的应用

宫超，宋启祥，谢培军，张微，宋瑞艳，刘宏超，张鹏，袁小勤，尚立蔚，王宗瑞，朱巧家



管壳式降膜蒸发器在烧碱蒸发装置中的应用

宫超1，2，宋启祥1，2，谢培军1，2，张微1，2，宋瑞艳1，2，刘宏超1，2，张鹏1，2，袁小勤1，2，尚立蔚1，2，王宗瑞1，2，朱巧家1，2

（1. 甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃 兰州 730070； 2. 上海蓝滨石化设备有限责任公司，上海 201518）

介绍了生产50%烧碱的三效逆流降膜蒸发工艺，并阐述了该工艺中的核心设备管壳式降膜蒸发器的工作原理。通过对碱液分布器、折流杆管束结构、捕雾器及蒸发器的合理选材等方面的技术研讨和结构改进，使该管壳式降膜蒸发器完全满足节能降耗的工艺要求。

管壳式降膜蒸发器；分布器；折流杆；选材

烧碱（氢氧化钠的俗称）广泛应用于造纸、肥皂、染料、人造丝、冶炼金属、石油精制、棉织品整理、煤焦油产物的提纯以及食品加工、木材加工、机械工业等方面。不仅我国对烧碱需求量很大，而且我国的烧碱还大量出口到美国、澳大利亚等国家。有分析表明，中国已经取代美国成为全球最大的烧碱供应国。因此，烧碱蒸发行业的市场前景非常广阔。本文就烧碱蒸发装置中的核心设备管壳式降膜蒸发器及其在烧碱蒸发装置中的应用效果进行简单介绍。

1 烧碱蒸发工艺[1]

本文中所述的蒸发器为某公司的120 kt/a 50%烧碱蒸发装置中的管壳式降膜蒸发器，本项目的蒸发工艺采用三效逆流降膜蒸发工艺（见图1）。

图1 烧碱蒸发工艺流程图

由离子膜电解工序[2]输送的浓度为32%、温度为60 ℃离子膜碱进入碱液中间储罐，由泵输送至各效降膜蒸发器进行逆流降膜蒸发，浓缩至浓度为50%的碱液，再冷却至45 ℃后，送入成品碱液罐区。一效蒸发器的蒸汽冷凝水经管壳式换热器及板式换热器预热二、三效蒸发器输出的42%碱、36.5%碱后，返回锅炉房进行余热利用。二、三效蒸发器及蒸汽冷凝器的蒸汽冷凝水流入冷凝水罐输送至离子膜电解工序进行回收利用。

2 蒸发器的工作原理[3]

碱液从蒸发器顶部进入后，经过碱液分布器均匀分配到蒸发器的上管板，再经过碱液成膜器均匀分布在每个换热管的内表面，沿换热管内壁呈均匀膜状向下流动，被换热管外的蒸汽加热至沸腾而蒸发。碱液分布在每根换热管内壁形成一层均匀的液膜，换热管中心充满了二次蒸汽，换热管中心的二次蒸汽带动管内壁的液膜高速地向下流动，一起进入蒸发器底部的分离室。二次蒸汽经分离室上部的高穿透率捕雾器后从二次蒸汽出口引出，进入下一效蒸发器的壳程作为加热源。蒸发浓缩后的碱液从分离室的底部由碱泵抽出，进入上一效的换热管内进一步的升温蒸发。

图2 一效蒸发器简图

3 管壳式降膜蒸发器的结构特点

本装置中的一、二、三效降膜蒸发器在主体结构上类似，只有一效蒸发器在壳程蒸汽入口处的结构与二、三效蒸发器稍有区别，因此，本文以一效蒸发器（见图2）为例介绍蒸发器的结构特点。

3.1 碱液分布器

在蒸发器上管板上设置了碱液分布器，其作用是对进入的碱液进行初分配，使其均布地分布于蒸发器管板上。碱液分布器（见图3）的主体结构包括了挡液帽、分布盘及分布管等部分。碱液从进料口进入，由于挡液帽的作用使碱液沿挡液帽流进碱液分布盘，最后经分布盘上的分布管分布在管板上表面，提高了碱液在管板上表面分布的均匀性，极大地提升了蒸发器的蒸发效率。

图3 一效蒸发器简图

3.2 碱液成膜器

碱液成膜器是保证碱液在换热管内部成膜效果的一个最为重要的元件，成膜器安装于换热管的上端部，管板上的碱液，经碱液成膜器沿换热管内壁流下，并在换热管内壁上均匀成膜。若成膜器水平度偏差较大，会造成碱液偏流，使得碱液在每根换热管内的成膜厚度不一致，影响蒸发器的效果。所以，在设计制造过程中应保证成膜器的水平度偏差不能过大。

3.3 管板与换热管连接结构

换热管是碱液成膜的场所，因此换热管在与管板组装过程中出现的变形问题将对碱液成膜产生不利的影响。为了减少换热管的变形，在换热管与管板的连接结构[4]上应避免选用“贴胀”的结构，以防止换热管因机械胀接而产生形状突变。另外，在换热管与管板焊接时，应采用小线能量焊接，尽量的控制换热管上端部的焊接变形。

3.4 折流杆管束结构[5]

传统的管壳式换热器壳程采用的是折流板结构，因此加热蒸汽将在换热器的壳程横向流动，蒸汽在壳程横向流动容易形成流动死区，在流动死区蒸汽不能与换热管充分接触，因此，在换热管长度方向受热不均匀，造成蒸发器效率低下。该蒸发器的壳程采用折流杆结构，使得加热蒸汽能与换热管充分接触，不存在换热死区，蒸发器效率显著提高。

3.5 一效蒸发器饱和生蒸汽进口处的大直径筒体及内衬筒结构

一效蒸发器壳程通入的饱和生蒸汽虽然有压力调节阀控制其压力，但是蒸汽的压力还是有较大的波动，从而造成烧碱浓度波动较大。因此在饱和生蒸汽的入口处增加了一段大直径筒节，使得进入设备内的蒸汽得到一次缓冲，再次起到稳定压力的作用。另外，管束的材质一般为进口镍管，管束是整个蒸发器投资最大的部分。因此在该结构处设置了一节内衬筒，防止饱和生蒸汽直接冲刷管束，影响管束的使用寿命。

3.6 高穿透率的捕雾器[6]

若分离室二次蒸汽出口处的捕雾器的穿透率较低，会造成蒸发器壳程产生一定程度憋压，使得液体沸点升高，不利于液体的蒸发，降低了蒸发器的效率。所以，在满足工艺操作的前提下，应保证捕雾器具有较高的穿透率。因此，捕雾器的丝网应采用高穿透型的丝网。另外，在网块固定时应采取一定的措施，使得层与层丝网之间应尽量保持蓬松状态，防止格栅挤压丝网减小网块的空隙率。

3.7 经济合理的选材方案

蒸发器的选材方面，在保证蒸发器的安全使用的前提下，充分考虑了经济性。例如，一效蒸发器管程操作介质为50%烧碱，具有强腐蚀性；壳程操作介质为饱和生蒸汽，没有腐蚀性。因此蒸发器的管程壳体选用镍材加碳钢的复合板，换热管采用镍管，蒸发器壳程选用碳钢材质，管板采用碳钢锻件堆焊镍材。而进口蒸发器的材质为纯镍材或纯不锈钢材质，因此，通过合理的设备选材，极大地降低了设备的投资。

4 应用效果

以下是本文所述的蒸发器在该烧碱蒸发装置中的实际应用效果及其与国内的同类装置在蒸发效果上的比较（见表1、表2和表3）：

表1 实际性能指标与设计性能指标的比较

注： 1、NaOH折百计。2、性能考核期间32%碱原料供应量不足，且碱液平均浓度为31.62%。3、碱液出料流量为20.72 m3/h,50%碱的密度为1 510 kg/m3，装置年生产时间按8 000小时计，经计算得出该装置的实际生产能力为12.5万吨/年。4、蒸汽消耗量为生产1吨NaOH的蒸汽消耗量，设计指标基于温度为60 ℃的32%的原料碱，实际指标基于温度为60 ℃的31.62%的原料碱。

通过上述比较可知，本装置的实际产能及蒸汽消耗量均超过设计指标。并且，本装置运行一年比预期多产生收益1 054万元。在与国内同类装置的比较方面，该装置在一个生产周期内的蒸汽消耗量较国内同类装置可节约11万吨，可节约生产成本约1 100万元。因此，本装置不论在产能方面，还是在蒸汽的消耗方面都具有很高的经济效益。

表2 该装置运行1年后比预期多产生收益

注 ：1、50%碱售价按2 000元/t计。2、蒸汽价格按100元/t计。

表3 与国内同类蒸发装置的比较

注： 1、NaOH折百计。2、国内同类装置生产1 t烧碱的蒸汽消耗数据来自部分生产厂家。3、装置年生产时间按8 000 h计。4、蒸汽价格按100元/t计。5、一个周期按设备设计寿命10年计。

5 结束语

在该项目的管壳式降膜蒸发器设计、制造和安装过程中，通过对蒸发器的诸多细节结构进行优化创新，使得其在实际的工业应用中取得了良好的效果，满足当前国家倡导的节能减排环保政策的要求。当然，该蒸发器的设计还存在有待完善的地方，我们将在今后的设计中继续完善蒸发器的结构设计，使其更好地服务烧碱蒸发行业、服务社会。

［1］张守特. 三效逆流降膜蒸发工艺生产50%烧碱的探讨[J]. 天津化工，2010（6）：45-47.

［2］张英民，郎需霞，邵冰然，等. 国内外离子膜法烧碱生产技术综述[J].氯碱工业， 2008（2）：1-4.

［3］谭天恩，窦梅，周明华. 化工原理（第三版）[M]. 北京：化学工业出版社，2006.

［4］GB/T151-2014，热交换器[S].

［5］郭展玲. 用折流杆换热器代替折流板换热器的应用分析[J].化工装备技术，2010（4）：16-19.

［6］HG/T21618-1998，丝网除沫器[S].

Application of Shell and Tube Falling Film Evaporator in Caustic Soda Evaporation Device

1,2,1,2,1,2,1,2,1,2,1,2，1,2,1,2,1,2,1,2,1,2，

（1. Lanpec Technologies Limited, Gansu Lanzhou 730070, China；2. Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co., Ltd., Shanghai 201518, China）

The three-effect countercurrent falling film evaporation process of 50% caustic soda was introduced, and the working principle of shell and tube falling film evaporator as a key equipment in the process was discussed. Through the technical research and structural improvement of the liquid distributor, the baffle bundle structure, the mist collector and the evaporator, the shell and tube falling film evaporator was improved to satisfy the requirements of saving energy and reducing consumption.

shell and tube falling film evaporator, distributor, rod-baffle, material selection

2017-04-19

宫超（1988-），男，助理工程师，甘肃庆阳人，2012年毕业于兰州理工大学过程装备与控制工程专业，研究方向：从事压力容器设计工作。

TQ 052

A

1004-0935（2017）07-0699-03