管式降膜蒸发器在氧化铝生产中的推广应用

王 哲

（中铝山东工程技术有限公司，山东 淄博 255052）

蒸发是氧化铝生产中极其重要工序，能耗占氧化铝生产总能耗的20%～25%，汽耗占总汽耗的48%～52%。蒸发工序能耗的高低直接影响了氧化铝成本和效益。

1 蒸发器的结构比选

应用于氧化铝生产的蒸发器结构形式有标准式、强制循环式蒸发器、板式降膜蒸发器和管式降膜蒸发器。

标准式蒸发器加热器为列管换热器，且中心有一直径较大的管子。加热器置于蒸发器内下部，淹埋在器内溶液面以下，靠加热产生的密度差，溶液自然循环流动进行加热与蒸发。工艺配置为一般为3效加1级闪蒸逆流流程，蒸水汽耗0.5t汽/t水。主要优点是结构简单、操作可靠、投资少；缺点是蒸水汽耗高、清理和检修较麻烦。

强制循环式蒸发器通过轴流泵加快了溶液在蒸发器内的循环次数，使其换热效果显著提高。配置一般为3效加1级闪蒸逆流流程，蒸水汽耗0.45t汽/t水。强制循环式蒸发器的主要优点是延长了清理周期，缺点也是蒸水汽耗比较高，清理和检修比较麻烦。

板式降膜蒸发器在国内造纸行业应用比较成熟，加热器用2毫米的不锈钢压制焊接而成，置于蒸发器内上部。蒸水汽耗一般在0.25～0.3t汽/t水。运行中一效板式加热器发生碱淬破裂问题，不能高压运行，铝行业已经淘汰板式降膜蒸发在氧化铝生产中应用。

管式降膜蒸发器引进国外设备，蒸发效果较好。管式降膜蒸发器的原理与板式降膜蒸发器相同，不同之处是加热器为列管式换热器。采用管式降膜蒸发器技术用于氧化铝碱液蒸发，最突出优点是既保持了“降膜蒸发”工艺性能特点，又发挥了“管式降膜”使用可靠的机械性能特长。高压运行安全，可实施6效以上组合流程，蒸水汽耗运行指标更优越。

2 管式降膜蒸发器的特点和结构分析

2.1 蒸发器特点

（1）降膜蒸发器是靠布膜器使溶液均匀的沿着加热室表面以膜状从上向下垂直流动，薄膜在流动过程中被加热、汽化、流至分离室中，进行溶液与二次蒸汽分离。“降膜”特点是液体没有静压引起的有效温差损失，有效温差高，可达70C～90C；膜的下降速度可达6～20m/s，传热系数为自然循环蒸发器的1.6～2.0倍，可以实现5-7效作业。

（2）发挥“管式降膜”使用可靠特长。既保持了“降膜蒸发”工艺性能特点，又发挥了“管式降膜”使用可靠的机械性能特长。

（3）管式降膜蒸发器应用关键部位特点。分配器为三级分配结构，确保了布膜均匀，又兼顾小颗粒不堵塞分配器。除沫器是保证二次蒸汽冷凝水含碱指标的重要部件，选用倒锥体和折流板组合结构，设置多个通道以确保二次蒸汽指标。分离室，借鉴国外经验选择容器内设置夹层结构，将经过蒸发室加热的含有大量气报泡的碱液，使其最大量的气液分离。

2.2 结构分析

2.2.1 以KESTNER为代表的一体式（图略）

（1）结构特点。一体式管式降膜蒸发器加热室下部筒体3.4m～4.4m插入分离室而形成一体。

（2）分离室内液面泡沫及二次蒸汽帯碱问题。加热室出口距分离室液面高度约2m～2.5m，分离室液面由于溶液中含有的有机物而形成厚厚的泡沫层，加热室出口喷出的溶液和二次蒸汽流速高达20m/s以上，在这样高速喷射出的溶液、蒸汽的冲击下，泡沫几乎无法存在，从溶液表面逸出的二次蒸汽再经高效除沫器后，洁净度很高，即二次蒸汽帯碱的情况很低，二次水的洁净度好。

加热室下部筒体3.4m～4.4m插入分离室，因而易受到高温、高碱浓度的碱蒸汽对筒体材质的应力腐蚀，使I效筒体及下管板焊缝易出现裂纹、泄漏。

（3）热损失问题。一体式结构紧凑，由设备结构而造成的热损失在热平衡计算中几乎可以不考虑.。

（4）占地面积。一体式蒸发器的占地面积就是分离室，虽然占地面积少，但整体设备荷载大，一体式结构蒸发器的基建投资较高。

（5）设备高度。一体式的蒸发器其安装高度比同规格的分体式高度高出0.8～1.0m。选择循环泵的扬程高，蒸发系统运行成本高。

（6）设备重量。每台蒸发器的重量就是加热室与分离室的重量。

2.2.2 以SULZER为代表的分体式（图略）

（1）结构特点。加热室与分离室分体并列，加热室下部增设一“集液室”以缓冲从加热室流下的溶液和二次蒸汽，集液室和分离室之间用一根管道连通。加大了二次蒸汽流通截面，并在加热室下管板处设置检修人孔，便于检修。

（2）分离室内液面泡沫及二次蒸汽帯碱问题。分离室液面由于溶液中含有的有机物而形成的泡沫层，由于分体式的结构，此泡沫层无法被完全破坏，二次蒸汽从液面逸出时必然携带这些泡沫，可采用高效除沫器使二次汽与泡沫分离干净，避免二次蒸汽帯碱。

（3）热损失问题。分体式结构决定了由设备结构而造成的热损失比一体式大，在热平衡计算中每效的热损失考虑0.5℃左右，蒸发效率略低于一体式结构的蒸发器。

（4）占地面积。分体式结构决定了每台蒸发器占地面积是一体式的2倍，但是拆分了蒸发器的设备载荷，基建投资比一体式结构蒸发器要低。

（5）设备高度。分体式蒸发器的加热室和分离室分体布置，降低了装置的整体高度，相同规格的分体式蒸发器比一体式蒸发器高度低约0.8m～1.0m。循环泵扬程降低，蒸发系统运行成本低。

（6）设备重量。每台同样规格蒸发器的重量与一体式相比，要增加一台集液室和连通管以及分离室顶部封盖的重量，同样规格的设备，其造价略高于一体式。

2.2.3 一体式蒸发器与分体式蒸发器的特点对比

经对比可知，使用一体式和分体式蒸发器各有利弊，但对于老企业,由于厂区管道多、现场拥挤，吊装安装设备分体式蒸发器更有优势。

3 第二氧化铝厂七效分体式蒸发器组

2016年10月，公司新上4万吨/年微粉生产线，需进行微粉洗母液蒸发，蒸发得到合格蒸发母液，返回作为氢铝重溶调配液使用。决定拆除闲置的板式降膜蒸发器，利用原有厂房框架，新建蒸发站设计蒸水能力100吨/h，七效总加热面积7000m2。

由于利用原有厂房框架，厂房基础不能承受一体式蒸发器的设备事故载荷，所有采用分体式蒸发器，也是中铝山东有限公司第一次使用管式降膜蒸发器分体式结构。

蒸发工艺流程采用七效四闪全逆流蒸发流程（流程示意图略）。

3.1 流程简介

碱液走向：原液进入蒸发站总流量约183.6m3/h。其中50%原液进入VII效，VII效二次蒸汽进入直接接触水冷器用循环冷却水吸收。VII效出料溶液与另外50%原液都进入VI效，经VI效蒸发，然后依次经过V效→IV效→III效→II效→I效→第一级自蒸发→第二级自蒸发→第三级自蒸发→第四级自蒸发；从第四级自蒸发出料的溶液86.4m3/h，进入母液泵作为蒸发母液由母液泵送出蒸发站。

蒸汽走向：新蒸汽进入I效蒸发器，I效蒸发器乏汽进II效蒸发器，II效蒸发器乏汽进III效，III效蒸发器乏汽进IV效，以此类推，VII效蒸发器乏汽经大气冷凝器进入真空泵，1闪产生的乏汽进入I效直接预热器，2闪、3闪、4闪产生的乏汽分别进入II效、III效、IV、V效蒸发器的分离室；I效、II效直接预热器的蒸汽来自本效蒸发器；冷凝水自蒸发产生的乏汽也进入蒸发器余热利用。

冷凝水利用：新蒸汽产生的新气冷凝水经2级串联自蒸发回收热量后经泵送至冷凝水检测站；二次蒸汽产生的冷凝水经1级自蒸发回收热量后经泵送至冷凝水检测站。

3.2 100吨/h七效蒸发器设计主要技术指标

蒸发原液的流量为150～200m3/h，温度约为55℃～60℃，NaOk浓度约78g/l；蒸发母液温度约93℃，Nk约166g/l；进蒸发站蒸汽压力约0.50Mpa（绝压），进I效蒸汽温度152℃（饱和），过热小于等于10℃，新蒸汽消耗小于等于20吨/h；新蒸汽冷凝水量13～15吨/h，新蒸汽冷凝水温度96.5℃，二次蒸汽冷凝水量80～100吨/h，二次蒸汽冷凝水温度约68℃；循环冷却水的进冷却水温度为35℃，出冷却水温度为48℃，流量350吨/h；设计蒸发量大于等于100吨/h，平均蒸发强度14.3kg/m2·h蒸发汽水比小于等于0.20吨·汽/吨·水。

4 运行情况及经济效益分析

100t/h蒸发站台于2017年2月投入运行,蒸水能力达到100t/h,蒸汽消耗平均为0.20t/t水,运转率93%。与改造前的老一组蒸发站蒸水能力75t/h、蒸汽消耗0.32t/t水，运转率85%相比，年节约蒸汽7.82万吨，年节汽价值约852万元。

新一组蒸发站项目是利用原有厂房进行改造,主要费用是设备费和安装费；若异地新建该规模的蒸发站初步估算约2900万元，利用原有厂房、采用新技术设备可节约建设投资430万元。

5 结论

总体工艺技术稳妥可靠，能够达到降低汽耗和提高装备水平的目的。采用管式降膜蒸发器分体式结构利用原有厂房，对老企业利旧厂房改造，提高资产利用率有一定积极意义。