3.2　隔膜法烧碱蒸发

3.2.1　隔膜法烧碱蒸发概述

隔膜法电解碱液蒸发系统，是指蒸发从电解槽流出的盐碱混合电解液，使碱浓度从11%浓缩到30%或42%以上，使盐以结晶分离的方式回用于电解的系统。

隔膜蒸发技术在不断的技术进步中，已完全淘汰了单效蒸发和双效蒸发工艺，普遍采用了三效顺流、三效逆流、四效逆流工艺技术来生产30%和42%以上的液碱，在蒸发器形式上淘汰了标准式、悬筐式等自然循环蒸发器，而是以强制循环的方式来提高流体在加热器内的循环速度以提高蒸发效率。烧碱蒸发单套装置规模的设计走向大型化，促进蒸发器内碱液中结晶盐颗粒增大的逆向采盐工艺得到了很好的应用。蒸发含碱结晶盐的处理由滤盐箱发展到WG型刮刀卸料离心机及双推料式离心机。在操作控制自动化方面，全自动控制的DCS系统已取代了仪表控制和手动控制。30%液碱生产的蒸汽单耗指标已达到2.4t /t NaOH的水平。

3.2.2　烧碱蒸发原理、操作条件及影响因素

液碱蒸发是以生蒸汽为热源，用蒸发装置将来自电解槽的电解液进行浓缩和分离盐，从而获得液碱产品（含氢氧化钠分别为30%、42%、45%和50%）。该工序的汽耗约占吨碱汽耗的75%，电耗约占吨碱电耗的3%，因此液碱蒸发工序是电解法烧碱生产的一个主要耗能工序。

蒸发器所需蒸汽供给的热量用下式表示：

式中　q——蒸发器所需蒸汽供给的热量，kJ/h；

D——蒸发器加热蒸汽的用量，kg/h；

I——加热蒸汽的热焓，kJ/kg；

θ——加热蒸汽相同温度下冷凝水的热焓，kJ/kg。

向蒸发器供给的蒸汽热量主要消耗为：预热物料至沸点所需热量，蒸发水分所需热量，液碱的浓缩热，氯化钠析出的结晶热，设备的散热损失。蒸发过程中，实际的有效温差比理论温差小，这是溶液沸点升高引起的温差损失、由静压升高引起的沸点升高及由于流动阻力引起的温差损失造成的。

根据上述情况，要做好蒸发工艺主要操作条件的选择。在蒸发系统中主要操作条件有加热蒸汽压力、真空度、出料浓度、电解液碱浓度、预热温度、冷碱温度、回收盐水质量和操作液位等。生产中如何控制好这些条件，是充分发挥装置的生产能力、提高产品质量、降低消耗、协调氯碱系统正常的保证。

3.2.2.1　加热蒸汽压力

加热蒸汽是电解液蒸发的热源，加热蒸汽的压力较高，可使Ⅰ效蒸发器及整个蒸发系统获得较大的温差，从而使整个装置具有较大的生产能力。但是，在热量传递过程中，有效传热温差有一个临界值，超过这个临界值，将使蒸发器的传热系数降低。此外，加热蒸汽的压力还受到供汽条件和设备耐压条件的限制，因此加热蒸汽压力不能过高。在一般情况下，三效顺流自然循环蒸发工艺的Ⅰ效蒸汽压力选择0.60～0.8MPa（表）；三效逆流强制循环蒸发工艺可选择0.7～0.9MPa（表）。

3.2.2.2　真空度

采用多效蒸发时，由Ⅱ效（以三效蒸发为例）产生的二次蒸汽压力只有0.055MPa（表）左右，温度约110℃。要使这种低压蒸汽得到充分利用、获得较大的传热推动力，就要降低末效料液的沸点，因此必须采用减压蒸发。采用减压蒸发有以下几个优点。

（1）随着真空度的提高、末效沸点的下降，使传热温差增大十分显著。在真空度≥73.3kPa时，每增加0.007MPa真空度，可增加温差10℃左右。因此选择较高的真空度，不仅能使末效蒸发器，而且还能使整个装置的传热温差得到提高，从而提高了整个系统的生产能力。

（2）由于真空度提高后所增加的温差能自动分配到各效蒸发器，所以，就可以减少预热用的一次蒸汽量。同时由于碱液在较低温度下蒸发，使碱液对设备的腐蚀也可减轻。

（3）随着真空度的提高，末效的沸点也随着降低。因此也就减少了碱液离开蒸发器所带走的热量，也就相应减轻了碱冷却器的负荷。

真空度虽然有利于提高装置的生产能力和降低蒸汽消耗，但是真空度不可能无限制提高，它的提高受到了以下几个因素的抑制。

①冷却水量及温度。末效蒸发器的真空度，理论上应等于大气压与大气冷凝器出口水的饱和蒸气压之差。例如当冷凝水出口温度为40℃时，它的饱和蒸气压为7.33kPa，则末效蒸发器所能达到的真空度应为101.3-7.33=93.97（kPa）。一般来说，冷凝水出口温度越低，真空度就越高，所以要想达到较高的真空度，就要尽可能降低冷凝水的出口温度。而冷凝水的出口温度又与冷凝水量和冷凝水的进口温度有密切关系，冷凝水量越大，冷凝水进口温度越低，则冷凝水的出口温度就越低，得到的真空度也就越高。

②管道和设备的泄漏。管道和设备连接部位如果漏入不凝性气体，也影响蒸发器的真空度。为了减少泄漏，必须提高管道和设备的密闭性能。

由于上述原因，末效蒸发器实际上所能达到的真空度比理论值低6.66kPa左右。蒸发系统的真空度以不低于80kPa为宜。

3.2.2.3　电解液碱浓度

在电解液蒸发过程中，加热蒸汽所供给的热量，主要消耗在水分蒸发上。一般情况下，电解碱液中的氢氧化钠浓度越低，含盐、含水量就越高，需要蒸发的饱和析出的盐也越多。这样不仅增加蒸汽用量，而且还要影响整个装置的生产能力。因此，控制较高的电解液碱浓度对蒸发是有利的。但是电解液碱的浓度过高，将会降低电槽的电流效率，增加电耗。所以必须对电解和蒸发进行综合分析后，才能确定最佳的电解液的碱浓度。

一般来说，当电解液中NaOH浓度在110～130g/L范围时，电解液中NaOH浓度每提高1g/L，则生产1t 42%的碱，大约可节约蒸汽30kg左右。此外，如果电解液的碱浓度过低，还会影响设备的生产能力。在一般情况下，电解液中NaOH浓度每降低1g/L，其生产能力将下降1%～1.2%。不同NaOH浓度的电解液与设备的生产能力指数之间有密切的关系。

3.2.2.4　预热温度

电解液的预热温度如果能接近进料液的沸点，则有利于蒸发装置的稳定运行和降低加热蒸汽的用量。但在一般顺流工艺中，电解液均采用数量有限的蒸汽冷凝水的显热不预热，再加上预热工艺和装置不够完善，预热后的电解液温度往往比蒸发器内料液的沸点低得多。这就不可避免地要在蒸发器内继续将料液加热到沸点，从而消耗一部分加热蒸汽。国内大多数氯碱厂，电解液预热后的温度要比进料效的沸点低40～50℃。按此计算，在进料效中每吨100% NaOH需多耗用0.7～0.9t蒸汽，约占蒸发总汽耗的25%～30%。因此，为了节约蒸汽，应适当提高电解液的预热温度。一般对于双效顺流工艺，电解液预热温度应不低于100℃；对于三效顺流工艺，电解液预热温度应争取控制在130℃以上。

3.2.2.5　蒸发器液面高度

保持蒸发器液面的正常稳定，对任何一台蒸发器都是十分重要的。如果液面过低，对于管沸腾的自然循环蒸发器，将使沸腾区下移，料液将在加热管内沸腾。这样，氯化钠晶体就会在加热管内析出，蒸发器的传热系数亦将随之下降。对于强制循环蒸发器，如果液面过低，会使循环泵发生气蚀和振动。但如果蒸发器内液面过高，则蒸发室的汽液分离空间将会变小，二次蒸汽中易夹带碱沫，造成不必要的碱损失。此外，由于静压液位的作用，碱液出加热室时呈过热状态，碱液在上升过程中，会因静压逐渐减小而产生闪蒸现象，使料液温度下降。同时，如果操作液位过高，出加热室的过热碱液进入蒸发室后，可能还未达到表面（即温度还没有完全降至与液面处压力相当的沸点），又参加下一轮循环，这样就会造成进加热室的碱液温度升高，降低了加热室的有效传热温差。

因此，在蒸发器内必须维持适当的液面高度，必须根据蒸发器的型式和操作条件而定。对于悬筐式、标准式一类的自然循环蒸发器，一般把适宜的液面高度确定在加热室上花板以上50cm处，列管式蒸发器则在沸腾区上方30～50cm处，强制循环式蒸发器则在分配管上方100cm处。

3.2.2.6　出碱浓度

严格控制蒸发系统的出碱浓度，是稳定成品碱质量的重要保证。如果出碱浓度偏低，成品碱的质量指标就不合格，浓碱带出的盐也多；如果出碱浓度偏高，不但会增加蒸发汽耗，还会加剧碱液对设备的腐蚀。因此在蒸发操作中，必须严格控制出碱浓度。如果出碱浓度增加1%，每吨碱的汽耗就要增加20～30kg。生产30%碱时，要求出碱浓度稳定在410～430g/L之间；生产42%碱时，要求出碱浓度稳定在610～630g/L之间。

3.2.2.7　冷碱温度

随着成品碱的冷却，液碱中盐的溶解度会降低，一部分盐将从烧碱溶液中继续结晶析出。这样，一方面产品中含盐量进一步降低，从而使质量得到保证；另一方面还可回收一部分盐，以降低食盐消耗。在生产上，一般冷碱温度控制在45℃左右。

3.2.2.8　回收盐水质量

回收盐水中NaCl、NaOH的含量应符合盐水工序的要求。如果NaCl含量过低，将使回收盐水量增加，导致化盐用水过剩；如果NaOH含量高，超过了盐水精制时所需要的碱量，就会使精盐水的过碱量升高，影响电槽的正常运行。在生产中，一般把NaCl含量控制在265～310g/L，NaOH含量控制在2.1g/L以下。

3.2.2.9　传热系数K的影响

影响传热系数K的因素很多，当物料性质、操作条件及设备形式确定后，在实际操作中，影响较大的有加热管结盐及不凝性气体等。

（1）加热管内结盐的影响。在电解液蒸发过程中有大量结晶盐析出，致使加热管的内壁非常容易结盐。由于盐层的热导率很小，传热阻力很大，因此加热管内结盐会明显影响蒸发器的生产能力。若将盐层厚度为0.1mm时的蒸发器的生产能力比作1，则当盐层厚度增加到0.2mm时，生产能力下降12%；当盐层厚度增加到0.4mm时，生产能力下降30%。为了及时清理加热管内的结盐，蒸发装置运行一段时间后需要清洗，即所谓的“洗效”。

在蒸发中要绝对防止结盐是不可能的，采取下列措施则可减少结盐；①在操作中严格控制蒸发器的液面，尽量避免蒸发器内脱料；②合理选用采盐泵和旋液分离器，确保采盐效果，使蒸发过程中析出的盐尽量采出；③提高蒸发器中料液的循环速度，减少盐在管壁上附着停留的机会；④及时处理碱泥槽的盐，减少回炉盐。

（2）加热蒸汽中不凝性气体的影响。在加热蒸汽中不可避免地会夹带少量不凝性气体，这些不凝性气体如不及时排除，就会在加热室中逐步积累，使加热管周围形成一层气膜，增加传热阻力，从而降低蒸发器的生产能力。因此，在加热室必须设置合理的不凝性气体排放口，以便定期排放不凝性气体。

3.2.2.10　外加水量的影响

蒸发系统的外加水量，主要是指洗效水、冲洗水和离心机的洗盐水。这几部分水都要进入蒸发系统，所以其用量的多少直接关系到蒸汽消耗的高低。外加水量与蒸发操作有密切的关系，如果液面控制不严、采盐不及时或采盐效果差，就会缩短洗效周期，增加洗效水和冲洗水。同时，欲获得较低碱性的回收盐水，洗盐水量也将大增。因此，严格控制操作条件是减少外加水量的关键。

3.2.2.11　疏水器性能的影响

用蒸汽作热源时，必须使蒸汽在加热室里充分冷凝后再排出。一般在冷凝水排出口均安装有疏水器，其作用是排除冷凝水和阻止跑汽。因此疏水器性能的优劣，对蒸汽消耗有直接影响。由于蒸发器所使用的加热蒸汽量很大，因而要求配备排水量较大的、性能较好的疏水器。

3.2.2.12　散热损失的影响

蒸发系统的散热损失，主要指蒸汽通过系统内设备和管道的表面，向外界散失的热量。在保温良好的情况下，此项损失约占供热量的2%～5%左右。但是如果保温材料选择不当、保温层厚度不够或保温施工质量不高，此项损失可高达10%～15%。因此，加强设备和管道的保温也是降低蒸汽耗量的重要措施。

3.2.2.13　降低碱损失

电解液蒸发系统碱损失的大小直接影响到成品碱的产量，碱损失越大，各项消耗定额也越高。碱损失主要是回收盐水不合格，所以要求回收盐水控制在含碱低于3.1g/L、盐碱比不低于80∶1，此指标现达标率为100%。

3.2.3　三效顺流蒸发工艺流程

三效顺流即电解液与蒸汽同时进入第一效蒸发器，顺次逐级进入二效和三效，达到能源高效利用的目的。其特点是高温蒸汽与低浓碱相遇在第一效，对蒸发器材质要求不高，各效压力依次降低，过料可以采用压差过料，动力损失少，操作容易；缺点是有效温差利用不如逆流工艺。三效顺流蒸发工艺流程见图3-5。

来自电解工序的电解液（含10%的NaOH），进电解液储槽，通过加料泵输送到预热器，加入Ⅰ效蒸发器浓缩至13%左右，利用压差自动过料入Ⅱ效蒸发器，浓缩至18%左右。经Ⅱ效出料泵打至Ⅱ效旋液分离器，清液一部分回Ⅱ效蒸发器，大部分进Ⅲ效蒸发器，浓缩至30%左右。经Ⅲ效出料泵打至Ⅲ效旋液分离器，未达到出料浓度，清液全部回Ⅲ效蒸发器；达到出料浓度，则打入出料高位槽，放至碱冷却器，冷却到30℃，再经碱过滤机过滤后，由成品泵送至固碱澄清桶（以三效顺流蒸发30%碱为例）。

由Ⅱ效、Ⅲ效旋液分离器分离下来的盐碱进入盐碱集中槽，出料高位槽底部盐浆放至盐泥中间槽，并送往盐碱集中槽；过滤机冲洗盐浆放至滤饼槽，并送往盐碱集中槽；盐碱集中槽底部盐泥进入离心机进行盐碱分离，分离后的母液进入母液槽；洗涤水进入洗水槽；洗涤后的盐化成盐水进入化盐池；再用泵把合格的化盐水送往盐水工段，母液进电解液储槽。

3.2.4　三效四体顺流蒸发工艺流程

3.2.4.1　三效四体顺流蒸发工艺流程

该流程是三效顺流的一种应用，采用第四蒸发器，其利用第二效蒸汽，进一步蒸发三效的碱液，用以提高浓度，达到合理浓度分布的目的，一般用于蒸发42%浓度烧碱，流程见图3-6。

碱流程：来自电解工段的电解液（淡碱）进入淡碱储槽，由泵经二台预热器升温后进入一效蒸发器，经蒸发一定水分后，利用压差进入二效蒸发器，二效蒸发器内液碱由强制循环泵通过加热器循环加热蒸发水分，再经旋液分离器顶流依次进入三效和四体效强制循环蒸发器蒸发水分，浓缩到规定指标后，经旋液分离器顶流排入浓碱沉盐槽，浓碱沉盐槽内的浓碱在沉降结晶盐过程中依次溢流至浓碱冷却槽，浓碱冷却槽内液碱经冷却器循环冷却到规定温度，沉降结晶盐后，进入配碱槽，经（加水）调配合格后用泵输入到成品碱槽，计量后作为商品输出。

结晶盐流程：四体效蒸发器中析出的结晶盐由采盐泵经旋液分离器底流排入三效蒸发器，三效蒸发器内的结晶盐由采盐泵经旋液分离器底流排入二效蒸发器，二效蒸发器内的结晶盐由采盐泵经旋液分离器底流排入盐浆槽。浓碱沉盐槽底部的结晶盐排入碱盐集中槽，浓碱冷却槽内结晶盐和含有一定结晶盐数量的离心机母液也分别用泵送入碱盐集中槽，碱盐集中槽内的碱液溢流至淡碱储槽。沉降在碱盐集中槽底部的结晶盐用泵经旋液分离器底流进入盐浆槽，顶流回碱盐集中槽。盐浆槽内的盐浆再由泵打入旋液分离器，顶流去碱盐集中槽，底流进入双推料离心机，含碱盐在离心机内经洗涤、分离后，入溶盐槽（池）加水溶为合格的碱盐水，送至盐水工序配用，或制成盐浆输出作其他用途。

蒸汽及蒸汽冷凝水流程：由外部送入的生蒸汽进入一效蒸发器的加热器，其冷凝水经阻汽排水器进入2号淡碱预热器，预热淡碱后去电解工序配用，一效的二次蒸汽进入二效蒸发器的加热器，其冷凝水进入1号淡碱预热器预热淡碱后进入热水槽，二效的二次蒸汽进入三效的蒸发器加热器，其冷凝水进入热水槽，根据生产需要，生产30%液碱时的四体效加热蒸汽来源于二效的二次蒸汽，生产42%以上液碱时四体效的加热蒸汽来源于一效的二次蒸汽，冷凝水进入热水槽。三效和四体效的二次蒸汽经捕碱后进入冷凝器，用冷却水冷凝并使效体内形成真空，温度升高后的冷却水进入水封槽。

水流程：水封槽内的冷凝器下水溢流进入水冷却塔底部的热水池，由热水泵送至冷却塔，经冷却后分别作为冷凝器上水、碱冷却器用水、配碱用水等循环使用。热水槽内热水分别作为蒸发器洗罐、管路、泵阀冲洗和离心机洗盐、溶盐用水。冷却塔和浓碱冷却需设置相关的补充水源。

3.2.4.2　装置的工艺技术特点

该装置重要的工艺技术特点是将隔膜法电解碱液顺流蒸发中先进的生产技术结合于一体，达到了节能降耗、降低生产成本的目的。

（1）国产装置设计的大型化，降低了运行费用。

（2）蒸发器除一效外，其他都采用了强制循环和双加热器的形式。强制循环提高了料液在加热管内的流速，使蒸发效率得到提高。双加热与单加热强制循环工艺相比，相当于节省了一台强制循环泵。另外，双加热器的形式还有利于设备设计的大型化。

（3）设置了四体效，组成三效四体一段蒸发，改变了碱液在蒸发过程中的浓度分配。这样可以使大多数的碱液在较低的浓度下蒸发水分，减少加热器结垢，提高传热系数K值，使生产强度得到提高，达到节能的目的。

（4）采用双推料式离心机处理结晶盐。双推料式离心机由于体积小、生产能力大、处理后的结晶盐含湿（碱）率低，因而成为WG型刮刀离心机的更新换代产品。但用好双推料离心机的关键是确保进料的含固量在70%以上，因此，结晶盐的工艺流程必须与之相适应。

（5）设计了更合理的采盐和盐处理流程。采盐的工艺为逆向采盐，与碱液的流向相反，四体效的结晶盐采入三效，三效内的结晶盐采入二效，再由二效蒸发器集中采出。其优点是采出的结晶盐含固率高、含碱性低、盐颗粒比较大，有利于离心机的处理。

盐处理流程保证了离心机进料的含固量，增加了碱盐集中槽，用来处理浓碱沉盐槽、浓碱冷却槽、离心机母液内的混合着较多液碱的结晶盐。这些物料全部进入碱盐集中槽后分流，清液从上部溢流去淡碱储槽，沉降在槽底的结晶盐由采盐泵经旋液分离器底流进入盐浆槽，盐浆槽内盐浆在进入推料式离心机时，再由旋液分离器来增稠固液比。工程设计中，碱盐集中槽一般由两只组成，串联使用。

（6）采用板式换热器预热淡碱和冷却浓碱。传统的换热器一般采用列管式或螺旋板式，板式换热器与它们相比，具有传热系数高、体积小、维护方便等优点。由于板式换热器生产技术的进步，目前已适用于烧碱蒸发系统。

（7）系统供水自成一体。由于具备了水冷却塔，使蒸发系统具备了水循环使用的条件。冷凝器上水、浓碱冷却水、配碱用水或离心机洗盐用水都来自水循环系统。冷却塔处设置补充水源，另外，浓碱冷却配置了低温水源以备夏天使用。

（8）采用DCS自动控制。采用DCS自动控制，实现了烧碱蒸发生产自动化操作。与传统的仪表控制相比，DCS具有灵敏、稳定、适用范围广的特点。例如，DCS可分别控制蒸发器液位与进料、回流、出料的联锁关系，自动调节阀门的启闭状态。在蒸发系统中，DCS还应用于水循环、浓碱冷却等方面。

3.2.4.3　技术中的注意事项

（1）要根据工艺流程合理安排一些设备的高、低布置，减少机泵用量。如图3-6中的浓碱沉盐槽、碱盐集中槽都安装在高位，排碱或排盐时采用自流的方式。

（2）隔膜法烧碱三效顺流蒸发过程中的一个显著特点是随着碱液浓度的提高，结晶盐不断析出，因此，针对这个特点要合理布置管道和阀门位置，蒸发器过料出口管线宜短，过料口要布置在液相中，以避免由于压差引起过料闪蒸结盐堵塞；关键的部位配备水冲洗点，解决生产运行过程中局部不畅通或堵塞的现象。

（3）蒸发器液位可采用基本稳定式控制或位差式控制。位差式控制的出料要控制低位时不可出料。蒸发器液位还设置了高低液位报警。

（4）出料的控制采用温差法。操作时应注意控制沸腾水的进水量。

（5）一效加热器列管推荐使用ϕ38mm管，加热器高度推荐6m。

（6）强制循环加热器内碱液流速推荐2.5m/s。

（7）真空设备推荐抽取不凝气与冷凝二次汽相结合的冷凝器。

3.2.5　三效逆流蒸发工艺

三效逆流即蒸汽与电解液同时进入第一效和第三效蒸发器，顺次逐级逆向流向下一效，达到能源高效利用的目的。其特点是高温蒸汽与高浓碱相遇在第一效，对蒸发器材质要求高，碱流经各效压力依次提高，过料必须采用强制加压过料，动力损失大，操作复杂，效温差利用充分，能耗低。三效逆流工艺流程见图3-7。

电解工序来的电解液（含10%左右的NaOH ），经电解液加料泵加入Ⅲ效蒸发器浓缩至14%左右，经Ⅲ效输送泵打至离心机加料受槽（CFR），然后由Ⅱ效加料泵经Ⅱ效预热器加入Ⅱ效蒸发器，浓缩至25%左右，经Ⅱ效输送泵打至Ⅱ效旋液分离器采盐。清液一部分回流至Ⅱ效蒸发器，大部分由Ⅰ效加料泵经Ⅰ效预热器加入Ⅰ效蒸发器蒸发。利用压差直接进料至闪蒸蒸发器闪蒸，经闪蒸出料泵打至闪蒸旋液分离器采盐。清液部分回流至闪蒸效，部分由碱冷却器加料泵打至碱冷却器。闪蒸器出来的93℃左右的碱经碱冷却器，冷却至24℃，然后去碱液过滤机滤盐后，由成品泵送往固碱。

Ⅱ效旋液分离器底部、闪蒸旋液分离器底部及碱液过滤机滤出来的盐全部进入CFR，经分离后，清液作为Ⅱ效加料，浆料由一次盐离心机加料泵打至一次盐旋液分离器或二次盐旋液分离器，清液回CFR，盐浆进一次盐离心机或二次盐离心机，离心分离后，母液回CFR。一次盐离心机分离出来的盐进入硫酸盐溶化槽，加水、搅拌溶化后，溢流至盐浆槽；二次盐离心机分离出来的盐进入盐浆槽，加水搅拌溶化后，溢流至盐浆受槽，再用盐浆泵打至盐水工段。