50%碱蒸发新工艺的应用与探讨
芜湖融汇化工有限公司从美国JY公司引进一套2万t/a离子膜烧碱蒸发装置，于2007年3月10日顺利投产。该装置是美国公司在中国大陆投运的第1套高浓度烧碱蒸发装置，采用双效逆流降膜蒸发工艺将32%(质量分数，下同)的离子膜法烧碱蒸发到50%，采用DCS自动控制。主要引进设备有：Ⅰ效蒸发器(1台，镍材)，Ⅱ效蒸发器(1台，超低碳不锈钢)，碱换热器(3台，镍材)，冷凝器(1台，不锈钢)，真空泵(2台，组合件)，循环泵及输送泵(6台，316L或镍)，分离器(2台)及冷凝液罐(3台)；配套相关管线、阀门、DCS及一次仪表。1
工艺技术特点
该装置主要是生产50%的离子膜法烧碱。32%离子膜法烧碱的纯度高，含盐杂质低，无需在生产中除盐，故蒸发工艺流程简单，设备简化，易于操作。
1.1
工艺流程
一定温度的32%碱经过计量和自控进入Ⅱ效，在Ⅱ效底部混合后，一部分碱液参与循环；一部分碱液分流经2台并联预热器加热，吸收成品碱和蒸汽冷凝水的热量后，直接进入Ⅰ效上端，通过Ⅰ效上端分布器均匀地分配到直立列管中，在管中形成降膜蒸发，得到的成品碱流到Ⅰ效底部。成品碱一部分参与循环，一部分输出到成品贮槽。蒸汽与碱液逆流，先进入Ⅰ效，生成冷凝水输出；产生的二次蒸汽作为Ⅱ效加热源。Ⅱ效产生的废蒸汽去冷凝器冷却，蒸汽迅速冷凝产生真空，并提供给Ⅱ效一定的真空度，有利于蒸发。不凝性气体由真空泵抽出。流程示意图如图1(略)所示。
1.2
工艺技术特点
1.2.1
双效逆流蒸发
本工艺采用双效逆流蒸发，其特点是各效温差较大，提高了传热效率，设备传热面积小，节约投资。
该工艺中蒸汽进Ⅰ效，产生的二次蒸汽进Ⅱ效；32%碱液先进入Ⅱ效，浓缩到一定浓度后，再进入Ⅰ效浓缩到50%。Ⅱ效采用真空蒸发，在Ⅰ效连续出成品碱。由于Ⅱ真空度很高，故蒸发的沸点低，在60-80℃，所需的蒸汽压力及温度也不需很高，故可以采用Ⅰ效的二次蒸汽加热。Ⅱ效的碱液浓度及蒸发温度都不是很高，对材质要求稍低，一般采用316L不锈钢即可。Ⅰ效的蒸发系统中碱液沸点高，所需蒸汽压力及温度均较高，一般要求0.7MPa以上的蒸汽，温度在170℃以上。Ⅰ效烧碱蒸发到50%，腐蚀性增大，接触液碱部分的材质一般采用Ni材或Ni200。
与顺流工艺相比，逆流工艺能充分利用加热蒸汽的热量，这是由于逆流次级效(Ⅱ效)蒸发器的碱液沸点较低(碱浓度低)，可以利用前效(Ⅰ效)加热器的蒸汽冷凝液预热进本效(Ⅰ效)的碱液；并可使用前效产生的二次蒸汽，用于次级效加热。这样增加了加热量，节省了原蒸汽的使用量。本工艺蒸汽消耗量平均≤0.65 t/t。
其次，增加了温差，增大了蒸汽推动力，提高了蒸汽的热利用率。由于Ⅱ效排出的蒸汽冷凝液温度较顺流温度低，总体利用的温差大。
1.2.2
降膜蒸发
降膜蒸发器是利用垂直管道内的薄膜进行液体蒸发。物料经过顶部的分布器进入管内，形成一层薄膜。水蒸气的潜热通过管壁传递到管道内的液态膜中，液体吸收管道外层水蒸气冷凝的热量，物料中的水分变为气态而蒸发。大约1 kg的水蒸气冷凝所产生的热量会使1 kg的水分在液膜上蒸发。故降膜蒸发传热效率高。
1.2.3
部分碱液循环
为了防止降膜蒸发过程中蒸汽波动而产生效内膜薄干壁现象，该工艺双效均采用部分物料通过孔板流量计进行循环的方式。其中Ⅱ效32%碱与蒸发室内的较高浓度碱液全部混合后，通过孔板流量计分流一定的碱液进入Ⅱ效顶部降膜蒸发。多余的碱液连续送入Ⅰ效顶部，与Ⅰ效孔板分流的一小部分碱液一起进入Ⅰ效顶部降膜蒸发。这样总有部分碱液参与循环，以确保合适的热交换面的润湿率。
1.2.4
Ⅰ效物料预热
进入Ⅰ效的物料由Ⅱ效送来，物料温度很低，为充分利用余热，节约能源，利用Ⅰ效的冷凝水及出料的热量加热物料。该工艺采用2台板式换热器并联，1台用于吸收冷凝水余热，1台用于吸收出料50%碱的余热。从Ⅱ效来的碱液分流经过2台热交换器，加热后一起进入Ⅰ效，该方式换热效率高。
2
应用中的相关问题探讨
(1)保证蒸汽压力稳定。本工艺系统开车时需先建立内循环平衡，达到要求的碱浓度时即可出料，无废碱产生。但在建立系统平衡时，必须保证蒸汽压力、真空度、冷凝水排液稳定，才有利于很快达到平衡。生产中由于蒸汽压力是共用系统，经常遇到压力波动情况，不仅影响到整个系统物料和能量平衡，还影响到蒸发沸点BPE的控制，影响烧碱浓度的有效控制。
(2)防止系统中铁离子浓度增高。为防止高浓、度烧碱中铁离子浓度增高，选材时尽量选用耐腐蚀的超低碳不锈钢及镍材。本系统进Ⅱ效之前的32%碱管道采用316L，Ⅱ效之后的管道均采用Ni200。开车初期，成品碱中Fe2O3为5×10-6(质量分数，下同)，分析进料32%碱中Fe2O3仅1×10-6。通过跟踪分析，Ⅱ效后的Fe2O3为2×10-6，比原料增加了1倍；经过Ⅰ效蒸发后，Fe2O3增到了5×10-6。按照理论计算，原料中铁为1×10-6，浓缩到50%后应该在1.5×10-6，实际增加到大约5×10-6，说明碱液在系统中溶解了一部分铁，有些是焊接时在焊缝处存留的铁氧化物。
经过一段时间的运行，铁离子含量有所降低，质量分数一般稳定在(2-3.5)×10-6(按Fe2O3计)。如果对碱中铁含量离子要求较高，以选择镍材为宜。
(3)可能因温差损失所致，沸点升高比理论值高，50%碱BPE值在46-47℃。液碱的蒸发浓度主要是根据额定条件下沸点升高值推算的。常压下，50%离子膜碱液的沸点升高值为43.1℃。另外在蒸发效内存在一定的静压，会使沸点上升2-3℃，还有其他因素引起的温差损失0.5-1.5℃。故实际生产中沸点升高设定值在46-47℃，碱质量分数就可以稳定在50%左右。
上述方法在生产操作中不直观，需不断地分析验证，当蒸汽压力波动时，生产操作较难控制。最好采用在线烧碱浓度仪，可以直接显示碱浓度，并提高产品质量和操作的稳定性。
(4)根据温度偏差判断不凝性气体排出量。生产中要及时有效排除不凝性气体，才能有利于蒸发。由于原蒸汽中含有一些空气及挥发性物质，在Ⅰ效中蒸汽冷凝后，剩下不凝性气体，这些不凝性气体不断积累并占据效内空间，就会阻碍后来蒸汽的传热，故须不断地排出效中的不凝气。
同样，Ⅱ效蒸发器接受了Ⅰ效的不凝气及一部分蒸汽，加上二次蒸汽中的不凝性气体，不凝性气体会更多，故Ⅱ效的不凝气也须连续排出。
一般可以通过排气温度与效内温度差判断。当排气温度比效内温度高3℃以上，说明不凝性气体较多，须加大排气量，反之减少排气量。
(5)采用氮气填充，保护高浓度烧碱的质量。50%碱是高浓度烧碱，易与空气中的CO2反应生成Na2CO3(2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O)。这些Na2CO3在高浓度烧碱中溶解度很小，随着时间的延长(超过4h)，50%碱表面水分会不断蒸发，碱浓度变高，甚至产生少量的固态膜，与Na2CO3形成了一层透明结晶物，漂浮在液碱表面，若沉入碱液中会形成细小的悬浮物。在长时间贮存或长距离运输中，高浓度烧碱在空气中反应一部分，碱浓度会有少量降低。这既损失了烧碱，又增加了产品中的Na2CO3杂质，影响高浓度烧碱的质量。
主要采取如下措施保证高浓度烧碱的质量：①贮存和运输过程中采用氮气填封，以免与空气大量接触，减少与CO2反应；②产品碱放置时间不能太长，一般1周内使用较好。
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