摘要:通过介绍烧碱行业中离子膜蒸发器进口和国产设备的结构以及对运行过程中发生的故障原因进行总结，对某些运营浓盐水蒸发结晶工艺装置中蒸发器的运行故障原因进行了分析，并提出了在设备选材、局部结构设计中的一些改进意见。对未来该类装置的新建工程项目中，在工程设计时能起到比较好的借鉴和参考作用，对运行该类装置的工厂开展技术改进也具有一定指导价值。
关键词：浓盐水蒸发结晶；蒸发器；设备结构；改进措施
0 引言
根据地方政府相关化工企业生产的环保规定，包头化工公司一期煤制烯烃各装置和二期煤制烯烃升级示范项目，外排废水必须经过处理后作为工厂回用水使用，实现外排废水零排放的要求。目前，在煤化工行业里普遍采用的是浓盐水蒸发结晶工艺技术，对废水进行再处理。国内采用该技术的工厂主要有：中煤图克项目、中天合创工厂、神华榆林煤化工、神华新疆煤化工、中煤蒙大项目、神华宁煤集团、新奥达旗煤制甲醇项目、伊泰集团煤制油项目等。从调研该型装置的运行情况来看，无论是采用多个蒸发器串联使用外部蒸汽加热的MED技术，还是使用单个蒸发器通过蒸汽压缩机自循环加热的MVC技术，都存在着一些技术问题，制约着装置长周期稳定运行。由于浓盐水结晶蒸发技术是最近几年才在公用工程外排废水再处理中采用的新技术，盐水蒸发器是专利设备，专利商在技术机理和设备结设计构细节上对外是保密的，在新建项目工艺技术和设备设计审查时，建设单位工程技术人员很难针对已投用的装置暴露出来的一些问题提出针对性且具有实际价值的改进意见。
而烧碱行业在我国发展已经有几十年了，其中离子膜烧碱装置32%烧碱浓缩装置的工艺流程及关键设备降膜蒸发器，无论从工作原理还是设备结构上来看，都与目前采用的MED浓盐水蒸发结晶技术及蒸发器（效体）设备结构都有着非常高的相似度。因此，深入分析和研究烧碱浓缩蒸发器的设备结构，以及其在操作运行过程中常发典型故障原因与改进措施，必定对浓盐水蒸发结晶装置在项目建设时重新设计有着重大的借鉴和参考价值。
1 离子膜烧碱蒸发工艺流程简介及常见故障原因
1.1 工艺流程
某化工企业5万吨/年离子膜烧碱装置，是从意大利迪诺拉公司引进的专利技术。其碱蒸发单元采用两效降膜蒸发工艺，主要设备——降膜蒸发器采用的是瑞士某公司的专利技术及设备，并由该公司设计制造。这两台降膜蒸发器在结构上基本相同，只是所用材质有所区别：Ⅰ效降膜蒸发器选用的是316L不锈钢；Ⅱ效降膜蒸发器由于碱浓度为50%，且温在150℃，故选用的是Ni201 。
来自电解槽浓度为32%的碱液，由泵送入Ⅰ效降膜蒸发器；Ⅰ效降膜蒸发器蒸发分离罐在-88.7Kpa（表压）的真空操作下，利用Ⅱ效降膜蒸发器产生的二次蒸汽作热源，将碱液的浓度提高到38.4%。Ⅰ效降膜蒸发器蒸发分离罐中产生的蒸汽进入表面冷凝器中冷凝，不凝气体由液环真空泵抽走排空。
1.2 常见故障及原因
1.2.1 蒸发室蒸汽出口除沫网，在蒸汽的冲刷下破碎，出现局部破孔，蒸汽带碱严重；
1.2.2 Ⅱ效降膜管加热室加热蒸汽入口，在高温高压蒸汽冲击下，产生应力腐蚀，蒸汽直接作用处有23根将膜管出现穿孔泄露，同时引起蒸发室真空度显著降低；
1.2.3 蒸发器立式安装在室外框架上，冬季室外气温低且温度变化幅度大，导致蒸发室液位高度波动大，生产操作困难，有时因蒸发室液位高而停车；
1.2.4 个别降膜头，因焊点开裂而脱离降膜管，影响蒸发效果；
1.2.5 部分降膜头溢流槽被杂质堵塞，影响蒸发效率，并使得将膜管产生“干烧”现象；
1.2.6 表面冷凝器及真空泵设计余量小，蒸发室真空度调整困难；
1.3 降膜蒸发器国产化制造
该化工企业在二期扩建项目工程建设时，在对原瑞士某公司制造的降膜蒸发器优点进行消化吸收的基础上，开发了具有自主知识产权的工艺技术，并对降膜蒸发器进行了国产化制造，并针对原设备出现的故障缺陷，进行了相应的重新设计和改进，取得了良好的效果。
2 瑞士进口设备结构特点
2.1 总体结构（如图1）
瑞士某公司制造的Ⅰ效降膜蒸发器,其蒸发器与蒸发分离罐为一体结构。降膜蒸发器主要零部件包括：液体分配器、造膜器、降膜管、弧形隔板、除沫网、缓冲挡板等。
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图1 Bertrams公司Ⅰ效降膜蒸发器结构示意图
1-碱液进口；2-液体分配器；3-冷凝液出口；4-缓冲挡板；5-造膜器；6-蒸汽入口；7-降膜管；8-弧形隔板；9-除沫网；10-蒸汽出口；
2.2 液体分配器
液体分配器为碟形结构，用筋板固定在上封头内。液体分配器的作用是将来料碱液首先均匀分配到管板四周，然后碱液再由管板四周流向中心部位，使来料碱液均匀分配到每个降膜管内。（见图2）
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图2 上端板上碱液分布示意图 图3 造膜器
2.3 降膜管
降膜管的外径为φ48.3mm，壁厚为1.65mm，管子总长6788mm。降膜管与管板之间采用点焊联接，并高出上管板10mm。由于降膜管采用了薄壁管，因此总的传热系数比较大，一般为4.2--12.5MJ/m2.℃.h。
2.4 造膜器
造膜器为降膜蒸发器的关键部件之一，其结构是在一短圆管上，开数个长条形窄槽（图示造膜器有八个长条形窄槽）。安装时要保证每个造膜器上端部在同一水平面内，以防止碱液从降膜管上端口流入降膜管内，从而破坏碱液在降膜管内流动状态（见图3）。
2.5 蒸发分离罐
碱液在降膜管内被加热至71.3℃后，流入到蒸发分离罐内，在负压条件下快速“闪蒸”，使碱液浓度得到进一步提高。蒸发分离罐内包括以下部件：弧形隔板、除沫网、缓冲挡板等。其中弧形隔板有三条边是焊接在罐体上的，它所起的作用是将向下流动的碱液与“闪蒸”出来的蒸汽分隔开来。
3 离子膜烧碱蒸发国产化制造的降膜蒸发器结构
3.1 整体结构
降膜蒸发器仍然采用蒸发器与蒸发分离罐为一体的结构形式，外形整体结构基本保持不变，设备尺寸放大以满足生产能力比原来提高四倍的要求。Ⅰ效所使用的板材、管材均为国产，材料牌号为00Cr17Ni14Mo2，Ⅱ效蒸发室为Ni201复合板。蒸发器整体安装在装有采暖设备的封闭室内。
3.2 液体分配器
根据装置的生产能力，Ⅱ效液体分配器仍采用碟形结构，其长半轴为275mm，短半轴为149mm，分配器上部距管板的距离为279mm，碟形分配器直边距最近造膜器中心线的最小尺寸不小于45mm。Ⅰ效因设备上端板直径尺寸2.8米，为保证在比较大的流量下，液体能在降膜管上端板均匀分布，其分布器设计成另外的一种结构（如图4）。这样设计的目的：一是使得在大流量下，保证液体在端板上均匀分布；二是防止在流量大的情况下，液体向下流动冲击到端板的液体上产生液体飞溅、雾沫，破坏液体在将膜管中成膜状向下流动。
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图4 液体再分布器
3.3 造膜器
由于造膜器性能好坏，将直接影响碱液的蒸发效果，而目前尚无较多的资料可借鉴，因此在新降膜蒸发器中仍采用原结构型式，如（图5）所示。造膜器上有八个槽均匀分布，槽宽为1.3mm，制造偏差不超过±0.05mm；槽的有效长度（槽的全长减去插入降膜管内的长度）为50mm。安装时，每个造膜器上端部应在同一水平面内，并在非槽处与降膜管点焊在一起。
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图5 造膜器结构
3.4 降膜管
降膜管在管板上呈正三角形排列，管孔轴线垂直于管板，偏差不能超过0.06mm。管板钻孔后，96%以上的孔桥应大于11.4mm，最小孔桥宽度不小于7.1mm。为防止泄漏，管板与降膜管的环焊缝应进行100%的渗透检查。
3.5 设置防冲挡板
为防止蒸汽对降膜管的冲刷腐蚀，设计时在蒸汽入口处设置了防冲挡板。防冲挡板上开有336个φ14mm的通孔。设置防冲挡板的优点是可有效避免由于蒸汽的冲刷对降膜管的腐蚀，缺点是增加了蒸汽进入加热室的阻力。
3.6 除沫网
除沫网仍采用镍丝网，丝网固定框架与支撑圈用方便拆卸的螺栓连接，大修拆卸更换。
3.7 表冷器与真空泵
在设计时，将表冷器和真空泵的设计余量增加到115%。
4 多效体串联浓盐水蒸发结晶工艺流程
多效蒸发（MED）技术是将盐水在多个串联的蒸发器中蒸发，前一个蒸发器蒸发出来的蒸汽作为下一个蒸发器的热源。多效蒸发器的串联个数（效体数）在3个以上，Ⅰ效体蒸发室蒸汽通过工艺管线进入表面冷凝器，蒸汽在冷却后变成冷凝液送入储罐，不凝气体通过与表冷器壳程相连的真空泵抽出排空，保证Ⅰ效蒸发器在真空条件下快速实现盐水“闪蒸”。盐水从盐水槽内由流程泵送到Ⅰ效顶部经加热蒸发后，从蒸发室由流程泵送入Ⅳ效，在Ⅳ效蒸发室盐水经蒸发后依次进入Ⅱ效和Ⅲ效。加热蒸汽进入Ⅳ效降膜器加热室，部分蒸汽作为Ⅲ效补充蒸汽，各效体蒸汽乏气进入表冷器中冷凝。流程见图6。
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图6 MED蒸发结晶工艺流程图
5 浓盐水蒸发结晶系常见典型故障及解决措施
5.1 管道与换热器盐结垢堵塞
1)低温低压管线
由于盐水在蒸发结晶系统的设备和管线中浓度较高，出现管道和设备内壁盐结垢是不可避免的。在盐水温度低于200℃，压力低于25kgf/cm2的条件下，可选用材料表面化学能比较低的衬聚四氟乙烯管线或衬QH-95丁基橡胶管线，管线间采用法兰连接。可有效减少盐在管线内壁结垢，这在烧碱盐水净化系统中有很好的使用经验。即使管路局部出现盐结垢堵塞，可快速拆卸清洗。
2)压力和温度较高的金属管线及换热器
对结垢速度快的关键金属工艺管线和换热器，目前采用的物理在线除垢方法有超声波除垢技术、高频及射频防垢技术和变频防垢除垢器等，其中效果好，运行安全可靠的是变频防垢除垢器，其工作原理是在金属管道和换热器上缠绕线圈并外加变频电源组成，该技术对高温除垢效果好。
5.2 蒸发室氯离子浓缩倍数高对设备和管道造成腐蚀
在氯离子浓度达到600ppm以上，温度在120℃以上的条件下，按照设计选材标准，管道可采用钛管线，设备则采用钛板制造。若设备尺寸大使用钛板成本太高，可使用钛材复合板制造。
5.3 采用MVC单效盐蒸发结晶技术，降膜器上端板盐水产生泡沫影响降膜管加热效果
采用MVC单效盐蒸发结晶技术，降膜器上端板盐水产生泡沫的主要原因，极大可能是由于在生产负荷较大的情况下，分布器设计结构原因，导致盐水从分布器流出的速度大，冲击到上端板盐水液面上，产生盐水飞溅而出现的。改进分布器结构设计，在效体回流泵出口第一层分布器采用管式分布器，通过增加开孔率降低盐水流速，第二层分布器参照烧碱浓缩蒸发器分布器的结构形式，采用碟型分布器。
5.4 除沫网经长时间运行后，因盐结晶堵塞除沫网，蒸汽流出阻力增大
在除沫器安装部位的设备本体上，设计低压蒸汽喷嘴，可连续使用低压蒸汽小流量不间断吹扫除沫网上形成的盐结晶小颗粒，防止其聚集长大堵塞除沫网。这种结构设计在MVC单效盐蒸发结晶技术中，防止除沫网盐结垢的同时，也可为蒸汽压缩机入口蒸汽补充热蒸汽。除沫网采用钛丝网制造。
5.5 加热室蒸汽入口设置缓冲挡板
为防止蒸汽入口对降膜管的冲刷产生应力腐蚀泄漏，在各效体加热室蒸汽入口设置缓冲挡板。为降低阻力损失，在挡板上要加工一定数量的通透小孔，小孔直径需经过流体阻力计算确定。采用MED蒸发技术的装置，在设计时要适当增加表面冷凝器和真空泵的设计余量，便于效体蒸发分离器的液位操作控制。蒸发器要安装在装有采暖设备的室内，防止由于冬季寒冷蒸发器液位波动大，操作困难。
6 结语
通过对烧碱行业离子膜进装置进口蒸发器和国产化制造的蒸发器部分结构及出现故障原因的分析，对在盐水蒸发结晶技术中蒸发器的设计时，具有一定的参考和借鉴作用。通过对蒸发器某些结构的改进设计，可有效解决目前运营盐水蒸发结晶装置的工厂中，出现的某些生产故障，并对新建装置的工程设计提供技术参考。
参考文献：
[1]黄惠忠，表面化学分析，华东理工大学出版社2007.
[2]潘旭东，循环水中氯离子控制及对不锈钢腐蚀机理的探讨，工业水处理，2013.
作者简介：
毕远军，男，满族，1970年11月，内蒙古包头市，大学本科，中级工程师，石油及煤化工