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第八章碱液的蒸发操作岗位,第一节蒸发的基本原理 一、碱液蒸发工序的原理 碱液蒸发与所有的蒸发过程一样，是借加热作用(一般用蒸汽)来提高碱液的温度，使溶液中所含的溶剂(水)部分汽化，以提高溶液中溶质碱的浓度的物理过程。 工业上的蒸发过程是典型的传热过程。这个过程可由传热方程式来表示：,式中Q传热速率，kJh； F传热面积，m2； t传热温差，； K传热系数，kJ(m2h)。,(二)离子膜电解碱液蒸发过程的几个特性,溶液的沸点升高 在一定压力下，溶液处于沸腾状态下的温 度即为该溶液在此压 力下的沸 点。 (请看下页图例分析8-2 8-3图) 电解碱液的粘度 电解碱液的浓度提高时，它的粘度也随着增加。一定浓度的碱液，它的粘度又随着温度的升高而降低，碱液的相对粘度见第四、五页图8-7、图8-8和图8-9。,NaOH,%(质量) 图88 NaOH溶液的粘度,H2O/NaOH比值 图-碱夜的相对粘度,温度，图89 NaOH的动力粘度,蒸发过程的温差损失 (1) 溶液沸点升高而引起的温差损失，其值可查图8-2、图8-3或表8-l ，即t=t实-t水(t为溶液沸点升高而引起的温差损失)。 (2) 由液体静压引起的沸点升高 在蒸发器内进行的蒸发过程中，由于需要维持一定液位，碱液在蒸发器底部进入加热室内所受到的压力要比液面上的压力大，则就形成了由于静压引起的沸点升高值。 (3)流体阻力所引起的温差损失 离子膜电解碱液蒸发的传热系数离子膜电解槽所生产的碱液，由于其纯度高，杂质含量少，可近似视为烧碱水溶液的蒸发,蒸发传热系数要比隔膜碱液蒸发的传热系数高。 离子膜碱液的腐蚀性,图8-1NaOH溶液的热导率,二、离子膜碱液及其蒸发的特点,(一)离子膜碱液的特点 离子膜电解碱液具有隔膜电解碱液所无法比拟的优点，这可以从其电解碱液的质量指标得知，见表8-2。,表8-2各主要公司离子膜电解碱液质量一览表,由表可以看出，总结,(1)碱液浓度高，NaOH含量在2935。 (2)碱液中Nacl含量少，NaCl含量一般在3050wngL。 (3)碱液中氯酸盐含量低，NaCl03含量一般在1530mgL。,(二)离子膜法碱液蒸发的特点,流程简单，简化设备，易于操作 浓度高，蒸发水量少，蒸汽消耗低,第二节 离子膜法碱液蒸发流程,一、离子膜法碱液的蒸发流程 (一)单效蒸发流程 1单效升膜蒸发流程其流程见图8-1 2单效旋转薄膜蒸发流程见图8-12,流程叙述： 离子膜法碱液由电解室内碱泵直接送至升膜蒸发器1入口，在升膜蒸发器中，碱液在管内受到管外蒸汽的加热，温度升高达到沸点，并沸腾，然后进入蒸发室蒸发，浓碱液依靠重力流入出料贮罐2。蒸发出来的水蒸汽，由喷射冷凝器6真空抽出。并经水冷凝进入冷却水贮罐7。出料贮罐交替使用，碱液装满后切换至另一贮罐，然后解除真空，启动泵将热碱经热交换器4冷却后送至贮罐5。蒸汽冷凝水依靠压力排入汽液分离器8，经汽液分离后蒸汽冷凝水送至凝水贮罐9。,8-12单效旋转薄膜蒸发流程示意图) 1-碱液送料泵；2一换热器；3一旋转薄膜蒸发器； 4 一成品泵；5一喷射冷凝器；6一冷却水贮槽,流程叙述： 加热蒸汽由旋转薄膜蒸发器3上部夹套进入并加热碱液，冷凝液由蒸发器底部出口依靠自身压力进入换热器2，与碱液进行热交换后的凝水去凝水贮罐。 由电解来的32碱液经热交换器2预热后，由旋转薄膜蒸发器3上部加入；经分配成降膜下流，与蒸汽进行热交换，碱液经加热沸腾蒸发，蒸发出来的二次蒸汽进入喷射冷凝器5，被上部进入的冷却水冷凝，冷却下水送至循环水系统。 浓缩后的碱液在蒸发器下部由泵4抽出去成品碱系统。,为了更好地利用蒸汽，节约能源，在离子膜碱液蒸发中比较广泛地采用了双效蒸发流程，目前所被采用的双效流程又可分为：、双效顺流流程其流程见图8一13。、双效逆流程，见图814。 、降膜双效逆流流程。见图8一15。,(二)双效蒸发流程,图8-13双效顺流蒸发流程示意图 1一I效冷凝水贮罐；2，5一气液分离器；3一I效冷凝水贮罐； 4I效蒸发器； 6一I效蒸发器；7一热碱贮罐；8一碱泵； 9一热交换器；10一成品碱贮罐；11一水喷射器 12一冷却水贮罐,讲解流程,从离子膜电解槽来的碱液被送入I效蒸发器4，在外加热器中由大于O5MPa(表压)的饱和蒸汽进行加热，碱液达到沸腾后在蒸发室中蒸发，二次蒸汽进入I效蒸发器6的加热室，I效蒸发器中的碱液浓度控制在3739，碱液依靠压力差进入效蒸发器6中，在加热室被二次蒸汽加热沸腾，蒸发浓缩至产品浓度(42、45、50)。 效的二次蒸汽进入喷射冷凝器后被冷却水冷凝，然后冷却水进入冷却水贮罐12。达到产品浓度的碱连续出料至热碱贮罐7，然后由浓碱泵8经热交换器9冷却后送入贮罐10，最后销往用户。,图814双效逆流蒸发流程示意图 lI效冷凝水贮罐；2，6一气液分离器，3一I效过料泵；4一I效冷凝水贮罐 5一I效蒸发器；7一I效蒸发器；8一热碱贮罐；9一浓碱泵；10一热交换器 1 1一成品碱贮罐；12一水喷射器13一冷却水罐,流程特点：各效温差较大，提高了传热速率，设备传热面积相比顺流小，但末效对设备材质要求较高，增加了设备投资。双效逆流蒸发流程见图814。,(三)三效蒸发流程分类,1三效顺流强制循环流程三效顺流强制循环（流程对设备材质的要求相对来说不苛刻，投资费用较低而又具有多利用蒸汽、汽耗较低的特点，所以也是生产企业容易接受的流程。其流程见图8-16。） 2三效逆流强制循环流程（三效逆流强制循环蒸发流程具有传热温差大、传热效率高、设备能力大的特点，但由于末效高温、高浓碱的需要，对设备材质要求也较高。其流程见图817。） 3三效降膜逆流蒸发流程（是一种在国外能耗费用较高地区推荐使用的流程，在国内目前尚没有引进该流程道。见图818 ）,流程依次如下,图816三效顺流蒸发流程示意图 1一l效凝水贮罐；2，7，9一气液分离器，31效循环泵； 4一I效蒸发器；5一I效循环泵；6一I效蒸发器， 8一I、效凝水贮罐；10I效循环泵；11一I效蒸发器； 12一水喷射器13一冷却水贮罐；14一浓碱贮罐；15一浓碱泵；16一热交换器,图8-17三效逆流蒸 发流程示意图 效蒸发器； 2，7，12一循环泵； 3，5，10一气液分 离器； 4一热水贮罐， 6，11，16一板式 换热器； 8一效蒸发器； 9一l效凝水贮罐； 13一I效蒸发器； 14一热碱贮罐； 15一浓碱泵； 17一水喷射器； 18一冷却水贮罐 效数的选择,818三效降膜逆流蒸发流程示意图 1一大气冷凝器；2一l效降膜蒸发器3，7，11碱泵；4，5，8，9一换热器 ； 3，7，11碱泵；4，5，8，9一换热器,四)蒸发流程选择采用的依据和比较对于离子膜法碱液的蒸发流程的选择可以大体上分为以下几个方面：效数的选择；蒸发器的效数愈多，蒸汽被利用的次数也就愈多，汽耗也就愈低，从而使生产运转费降低，产品成本下降。 蒸发器形式的选择参考下页蒸发器的主要性能情况见表8。 顺逆流工艺流程的选择；a 分地利用加热蒸汽的热量 从而提高了蒸汽的热利用率。 b 提高了传热系数 循环方式的选择。表8。,表8几种常见的蒸发器的主要性能对照表,表8推荐采用的蒸发流程和设备,第三节 蒸发工序设备的结构、原理，操作,一、主要设备及原理、操作 (一)蒸发器 1蒸发器的基本结构 (1)蒸发室：蒸发器的蒸发室一般都呈圆柱形筒 体，它的作用是提供蒸发空间、对蒸发出来的二次进行汽液分离 (2)加热室：加热室通常是列管加热器，其作用是把加热蒸汽的潜热冷凝热传有冷凝水出口，上部有蒸汽进口管及不凝气体出口管 (3)循环系统循环系统 ：自然循环或者强制循环蒸发器中的循环管和循环泵。蒸发器的循环系统是使需要蒸发浓缩的料液达到要求的循环速度，改善传热状况的重要部件。尤其是循泵，对提高蒸发器的传热系数具有重要作用。,2各种类型的蒸发器及其特性,(1)自然循环型蒸发器 a标准式蒸发器；(见下页图821)。在通常情况下，中央循环管的截面积应不小于加热管截面积的35，一般为4050。标准式蒸发器具有结构简单、制作方便、投资省等特点。缺点是循环速度低(约为04O5ms)，更换和检修加热室较不容易。） b悬筐式蒸发器；(内热式自然循环蒸发器见下页图822)， c外加热式蒸发器。外加热室蒸发器外加热蒸发器是将加热室移至蒸发器体外的一种外热式自然循环蒸发器(见29页图824)。,图82 1 标准式蒸发器 图822 悬筐式蒸发器 1一外壳； 2一加热室； 3一中央循环管； 1一外壳；2一加热蒸汽管； 3一除沫器I 4一蒸发室；5一除沫器 4一加热室；5一液沫回流管,特点“循环速度比标准式蒸发器大。结构比较复杂。,图8-24 外加热室蒸发器损失较大。 1-加热室；2-蒸发室；3-循环室,(2)强制循环蒸发器,a强制外循环蒸发器 强制外循环蒸发器如31页图825，主要由四部分组成：即蒸发分离室、加热室、循环管、循环泵。 b强制内循环蒸发器 (见31页图826) ，它系由蒸发室、加热室、液体箱三部分组成。,图825强制外循环蒸发器 图826强制内循环蒸发器,1一液沫捕集器；2一分离器；3一循环管； 1一分布器；t2加热室；3一上升通道4一循环泵； 5一加热室；6一旋流板 4一轴流泵；5一下降通,(3)不循环蒸发器 不循环蒸发器常见的有 升膜蒸发器:由加热室和蒸发分离室两部分组成(见下页图827)蒸发器下部为加热室，上部为蒸发分离室 。 降膜蒸发器分为加热室与蒸发室两部分，加热室在上部、蒸发室 在下部，如图828所示。 旋转薄膜蒸发器:蒸发装置主要由加热圆拄型筒体分离器、转子刮板三部分组成，如页图8-29。,图8-27 升膜蒸发,特点: 传热系数高、 结构紧凑,传热系数高、蒸发强度大、设备紧凑、容易操作控制,特点详细叙述,旋转薄膜蒸发器是国内近年开发的一种高效蒸发装置，与常规的蒸发器相比，它具有以2下特点：传热系数大(最大可达2500W(m2K)，蒸发强度高 (150200kg水(m2h)；物料在蒸发器内停留时间短，(数秒至十多秒)不结焦、无 污垢；适用的粘度范围广(最高粘度可达10Pas左右)；可进行连续生产，操作弹性大，浓度调节范围广并且无须洗罐；可在较低温度条件下蒸发(工作温度为78)，解决或减缓了浓碱对设备的腐蚀问题，可选用普通的奥氏体不锈钢制作，降低了设备的投资费用；可使用二次蒸汽或余热(使用蒸汽压力0.10.2MPa)从而降低了能耗。由于旋转薄膜蒸发器具有上述的特点，该设备有可能成为蒸发设备新的替代产品。,二、辅助设备结构、原理及操作,真空设备由于蒸发工艺要求真空系统不仅要排除系统的不凝气体，而且更重要的是使二次蒸汽冷凝，以便获得较高的真空度。所以在生产实践中，为了得到比较理想的真空度，往往在真空系统中安装两种真空设备。 如:大气冷凝器、机械真空泵、水喷射冷凝器、蒸汽喷射 图例如下:,go,水喷射冷凝器 1-水室；2-喷嘴；3-汽室 4-候管；5-尾管,蒸汽喷射泵 1-喷嘴；2-吸入室 3-混合段 ；4-吼管 5-扩压段,具备冷凝和去除不凝气两种功能的真空设备，广泛用于烧碱蒸发的真空系统。其结构是由水室、喷嘴、汽室、喉管和尾管组成，正常操作时，水室压力为0.20.3MPa，其形成的系统真空度，通常在80.088.0kPa。这种设备结构比较简单，但在实际生产中喷嘴往往容易堵塞， 冷凝器需经常处理。,是一种高效的真空设备，它由吸入室、喷嘴、混合段、喉管、扩压段等部分组成。蒸汽喷射泵结构简单，易于操作控制，维修方便， 并能获得较高的真空度。是值得推广使用的真空设备。其缺点是如制造或选用不当，使蒸汽消耗增加。正常操作的蒸汽压力为0.250.35MPa，真空度一般单级可达90.793.3kPa。,循环泵大都采用卧式轴流泵或卧式混流泵。因为 在蒸发工艺中，设计要求要选用大流量、低扬程的循环泵。这 种泵的典型结构见右图。 强制循环泵的扬程一般为35M液柱，其扬量是保持液体的循环速度在1.82.5Ms，一般是选用料液经过加热器温升为3时的流量。循环泵可悬臂支承也可两端支承，循环泵的轴封常采用双端面机械密封，其材质一般为镍材或钢衬镍。,循环泵,1-联轴器；2-轴承支架；3-进口段； 4-叶轮；5-中间段； 6-出口段； 7-轴封；8-轴,3换热器,换热器是蒸发工艺过程的一种重要的辅助设备，它是降低能耗，充分利用余热的主要设备之一。常用的换热器主要有三种型式：列管式换热器、螺旋板式换热器及板式换热器。,列管式换热器传热系数比较低，体积也比较庞大,但加工、维修尚不复杂。螺旋板式换热器传热系数高，但加工制造复杂，维修极为困难。而板式换热器传热系数高，制造、安装、维修都较容易。 由于板式换热器的这些特点，因此在离子膜烧碱蒸发中得到了广泛的应用，是值得推荐的热交换设备见右图,三、蒸发器的计算,蒸发室内径与汽相空间高度,(1)蒸发室内径计算,式中D蒸发室内径，m；,W蒸发水量，kgh,A蒸发室的允许表面汽化强度，kg(m2h)，此值可取12001600,(2)汽相空间高度计算,式中V蒸发器中汽化蒸汽的体积流量， m3s B蒸发室的体积汽化强度， m3 (m3 s)，此值可取11.6，常取1.2； D蒸发室内径，m。,(3)蒸发室分离空间的设计主要选用经验数据，参考所选用的除雾器型式，特性要求，决定分离空间的高度 蒸发室的高度=汽相空间高度+分离空间高度,2加热室在离子膜烧碱蒸发中，根据设计或厂家所选用的蒸发器型式、需要的传热面积，就可以初步选定加热室的管径、管长及根数。下表-列出几种常见的蒸发器加热管的规格。,3传热面积与传热系数,无论是单效、双效或多效蒸发流程，蒸发器传热面积的计算，按公式F=Q(K t)，必需在系统物料衡算和热量衡算的基础上进行的，下面简要分述其计算步骤。 (1)单效计算步骤：计算有效温度差；计算总热负荷；选取传热系数K经验值；按公式计算传热面积。 (2)双效或多效 计算步骤：计算总蒸发水量；计算有效温度差；有效温度差的比例分配；传热面积之比的分配；选取各效传热系数的经验值；计算各效热负荷；计算各效温差及沸点；计算各效的传热面积。,4循环管循环型蒸发器为获得一定的循环速度，需选用合适的循环管。对强制循环蒸发器的循环管，还要求有足够的高度，以满足真空操作泵入口对灌注高度的要求。各类蒸发器循环管截面与加热管截面的比值见下表-(经验值)。,5循环泵的流量及扬程 在选定循环泵的流量及扬程时先决定循环量的过热度(一般为3左右)，求得碱液循环量，再将其换算成体积流量，即求得循环泵的流量。 确定扬程则需先求出溶液在循环系统中的流动阻力，可按下式计算： 式中 h总阻力降，m； h加加热管内阻力降，m； h循循环管内阻力降，m； h沸沸腾管内阻力降，m。 由于总阻力降主要是由加热管内的阻力降所决定的，所以选定管内既有利于传热又不增加泵的功率的流速是很重要的，一般选用1.82.5ms。由此计算各分阻力降得出总阻力降，最后选取循环泵的扬程。,四、工艺操作条件,一、主要工艺操作条件及消耗定额 1主要工艺操作条件 离子膜碱液蒸发流程的主要工艺操作条件见下页的表- 2消耗定额 离子膜碱液蒸发的消耗定额主要与蒸发流程的效数有关，常见的蒸发消耗定额见页表8-,表-主要工艺操作条件,表8常见的离子腆碱液蒸发消耗定额(以50碱为例),五、影响碱液蒸发的因素,生蒸汽压力选择适宜的蒸汽压力是保证蒸发强度的重要因素 蒸发器的液位控制稳定液位是提高循环蒸发器蒸发能力，降低碱损失，降低汽耗的重要环节。 真空度提高蒸发能力的重要途径，也是降低汽耗的重要途径 电解碱液浓度与温度进入蒸发器的碱液温度下降增加了能源消耗。 蒸发完成液浓度严格控制蒸发的完成液浓度，是在保证产品质量指标的前提 蒸发器的效数 汽液分离器汽液分离器性能的好坏，不仅影响蒸发器能力的发挥和正常使用，也直接与蒸汽消耗的高低有关。 热损失,第四节 正常操作及故障处理,一、蒸发与固碱设备防腐 （一）、蒸发设备 离子膜烧碱由30%浓缩至50的蒸发工艺一般有双效蒸发和升膜蒸发两种。蒸发设备的防腐关键在加热汽箱材料的选用。对双效逆流工艺而言，一效汽箱加热管，由于金属壁温均在150以上，管材采用工业镍N6；极少数厂家使用超低碳纯铁素体不锈钢。二效汽箱加热管的金属壁温较低，普遍使用OOCR17Nil7M02（316L），或OOCR19N个ill(304L）代用。一效蒸发罐体的液相部分用镍(N6)，汽相部分采用超低碳奥氏体不锈钢。一效罐体用OOCR- 18NI10（304L）。双效顺流工艺则一、二效均需镍材。,（二）、膜式法固碱设备 膜式蒸发制固碱操作温度在450左右，NaoH中的NaCl03(离子法中含NaCl0。0.005）分解，生成O并有CI-出现。这是氧化性强的腐蚀性介质。镍在苛性碱中是耐蚀的，但对氧化性的O、CI-不稳定。尽管在工艺操作上采用加蔗糖的措，除掉O，这对减轻设备的腐蚀有效果的，但是氧化性介质总要存在，腐蚀是不可避免的，寻求性能优良的耐蚀材料非常必要。 国外以盐浴法加热的降膜蒸发器加热管材料，采用Incol，牌号N0660(InConel 600)（美国）、NCF600（日本），相当于我国GB271-88标准NS312。该种合金是早期研制的在高温下耐蚀性能良好的镍基合金。因含有1417的铬，抗氧化性能强，这一点优于镍。机械性能、工艺性能好，可进行各种加工与焊接。在650的高温下仍具有很高的强度。对苛性碱及大多数有机酸是耐腐蚀的，在CL-存在下不易腐蚀裂纹。但在高温、高浓度的岢性碱或高温水银存在下，易产生应力腐蚀。因此消除应力热处理是必要的。美国BTC公司烧碱降膜蒸发器上的加热管，其材料即为InconeL 600，使用效果较好。 用工业纯镍（N6）做膜式蒸发器加热管，由于高温下镍的抗氧化性能不佳，使用结果不够理想，因而膜式蒸发在我国内没有形成规模。工业纯镍N6（C0.10%）不属于超低碳镍，在高温（450）下晶间有石墨析出，导致镍的性能变脆，影响使用。限于目前条件，即使采用镍亦应为超低碳含量的镍。按现行标准N4(C0.01)属于超低碳镍，但商品应有一定困难。 膜式蒸发器的罐体，应为超低碳镍，保证在高温下不脆化，国外公司对此十分重视。膜式蒸发的配套碱泵，材质为工业纯镍，可满足耐蚀要求。为防止碱液凝固或外-而选用液下泵。,二、正常操作,严格控制进入各蒸发器加热室的蒸汽压力，平稳而少波动，使蒸发器在规定的压力下运行。 保持各蒸发器的液面在设计规定值内，做到稳定，不过高、过低、或频繁大幅度的波动 严格控制真空效蒸发器的真空度，控制水压(或汽压)及下水温度符合设计要求，注意真空波动，及时查找原因并进行处理。 严格控制进出蒸发器的碱液流量，注意观察并记录各蒸发器中碱液的浓度、温度。 定时进行巡回检查： 检查泵(电机)的温升，轴承的润滑状况； 检查大气冷凝器下水是否有碱； 检查并不定期排放加热室中的不凝气； 检查各指示仪表的指示数据是否正常 按时填写岗位生产记录。,三、故障处理蒸发操作中的不正常现象的原因及处理方法见下表8。,续,续,续,