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  • 板式换热器在碱液蒸发生产中的应用
摘要:通过分析螺旋式换热器效果差的原因,指出了提高电解液预热温度的措施。对预热器的改造情况进行了总结。
1 电解液预热的必要性
  蒸发过程中,电解液预热温度作为主要的工艺操作条件之一,尤为重要。通过计算,电解液温度每升高10℃,加热蒸汽消耗量可节省170kg/t,占总耗的5%左右。在一般工序中电解液送至蒸发时,温度只有75℃左右,采用三效四体两段顺流蒸发操作,Ⅰ效溶液沸点145℃,就是说,要将电解液加热到沸点温度,电解液温升达70℃,若完全用生蒸汽加热,则仅用于电解液预热的汽耗即达1190kg/t·碱。如果预热温度接近进料Ⅰ效的沸点,则对蒸发装置的稳定运行和降低加热蒸汽用量大有益处,一般,电解液使用蒸发的冷凝水显热来预热。由于预热工艺和装置不够完善,预热后电解液的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预热而消耗一部分加热蒸汽。据资料报道,目前多数氯碱厂电解液预热后的温度要比进料效的沸点低45~50℃,引起蒸汽消耗增加0.7~0.9t/t·100%NaOH,占蒸发总汽耗的25%~30%,因此,为了节约蒸汽,应采取措施,提高电解液预热温度。
2 常用电解液预热器介绍
  2.1 列管式换热器
  列管式电解液预热器应用比较普遍,通常卧式放置,电解液走管内,冷凝水走管间,逆流方式,为了提高两种流体的流速,在管程和壳程均有程间隔板,管程数常为 4~6 程,壳程中约间隔 30~50cm设置一块程间隔板。使用冷凝水的电解液预热器的传热系数不高,约 600~1000kJ/m2·h·℃。列管换热器的优点:结构简单,维修方便,价格低廉;缺点也较突出:传热系数低,体积较庞大,需耗用较多的金属材料。
2.2 螺旋板式换热器
  螺旋板式预热器是由2张平行的薄钢板卷制而成的,它有2个互相隔开的螺旋形通道,在预热器的中心,有1块中心隔板,在隔板的两侧设有管口,进入这两管口的流体可沿螺旋线分别通过两个不同的通道导入冷却器最外层左右两侧的管口。在用螺旋板式预热器预热电解液时,电解液和冷凝水通过各自通道两侧共用的壁面传递热量。由于在螺旋板预热器中,电解液和冷凝水的流速比在列管式预热器中要高得多,传热系数可达2400~3500kJ/m2·h·℃。螺旋板式预热器的优点:传热系数高,占地面积小,性能优良;缺点是电解碱液的腐蚀使螺旋板预热器易发生碱脆,泄漏检修困难。
  3 螺旋式电解液预热器使用情况
3.1 蒸发流程介绍
  某厂烧碱生产规模为年产10万t/a,产品设计规格为30%液碱,采用三效四体两段顺流流程。电解来的稀碱经两级预热后至Ⅰ效蒸发器,电解液在Ⅰ效蒸发器蒸发部分水分后,进入Ⅱ效蒸发器,继续蒸发并析出部分食盐,然后进入Ⅲ效蒸发器,当碱浓度提高到19%,食盐大部分结晶析出,碱液和析出的NaCl晶体混合一起经泵抽入旋液分离器进行盐碱分离,溢流管的清液进中间碱槽,底流的盐浆流入高位槽再经离心机进一步分离盐碱,分离出来的碱液泵入中间碱槽,中间碱槽的碱液进入浓效强制循环蒸发器继续蒸发,当碱浓度 NaOH达 30%时,用泵送入浓碱槽,澄清后,清液用泵抽经冷却器用冷水连续冷却,温度降至(40±5)℃后进入澄清槽,澄清液送入浓碱贮槽,配制成合格碱出售。
Ⅰ效蒸发器采用14MPa左右的蒸汽加热,从Ⅰ效蒸发器出来的二次蒸汽供Ⅱ效蒸发器及浓效蒸发器作为热源,从Ⅱ蒸发器出来的二次蒸汽供Ⅲ效蒸发器作为热源,Ⅲ效、浓效均采用真空蒸发。多年来的生产表明,Ⅰ效溶液沸点为145℃,Ⅱ效为125℃,Ⅲ效 75℃,浓效为 85℃。
  3.2 电解液预热器工艺控制及设备情况
  (1)工控情况
  电解液预热采用两级预热,一级用Ⅱ效冷凝水,二级用Ⅰ效冷凝水。预热后冷凝水流入热水槽,再送至盐水工序洗盐泥.
(2)设备运转情况
  现有 4 台 F=45m2 的碳钢制螺旋板式预热器,甲、乙组各 2台。由于碱对碳钢设备的“碱脆”作用,使得这种设备运行中易发生焊缝区腐蚀开裂现象,碳钢螺旋板电解液预热器的使用寿命基本上为一年左右,最短时仅8个月,每年至少需更新设备1次,在没有专门维修设备的情况下,换下的旧螺旋板预热器无法修复,只好报废,损失较大。

  3.3 电解液预热温度低原因分析
  电解液预热温度工控指标为115℃,经两级预热后,实际温度只有100℃,离Ⅰ效沸点相差45℃。造成预热温度低的原因为①预热器面积不够。设计规模为 10 万 t/a(100%NaOH),扣除洗罐和检修时间,实际工作时间每年仅300天左右,蒸发工序应生产烧碱14.3t/h,使用电解液 118m3/h,根据物、热衡算,利用Ⅰ效、Ⅱ效和浓效的冷凝水经两级预热将电解液由75℃预热至115℃,螺旋板预热器面积需360m2,其中一级240m2,二级120m2(螺旋板预热器换热系数取 3344kJ/m2·h·℃)。②冷凝水量不够。我厂蒸发工序,Ⅰ效出来的二次蒸汽供Ⅱ效和浓效加热,Ⅱ效和浓效冷凝水温度接近约140℃左右,都可用于电解液预热,但由于设计不周,只将Ⅱ效冷凝水用于一级预热器,浓效冷凝水直接排放至热水罐,造成一级预热器热水量不够。综上所述,预热器必须改造并加强工艺控制,才能将预热后电解液温度提高到115℃。
4 改进措施
  4.1 预热器的选型与计算
  4.1.1选型
  若继续采用螺旋板预热器,其总面积要达到300m2 ,对场地狭窄的蒸发工序,不宜采用,应另选型。
  据有关资料介绍,新型板式换热器热能的利用率高,传热系数为螺旋板式换热器的3~5倍。选用板式换热器具有以下优点:①节省传热面积,设备小,安装占地面积也小,质量比相同热负荷的基它成型的热交换器小,减少基础投资;②易于拆卸,维修方便。板式换热器的板片可现场组装,可随意增加或减少板片数量,随时拆下换热器中损坏的任一块,维修时间短。③热效率高。采用逆流方式传热,完全湍流,热回收率可高达94~98%,只有边缘暴露在大气中,热损失微不足道。
4.1.2 面积计算
  ①产量 10 万 t/a(100%NaOH)
  ②年生产时间300天(即7200h)
  ③原材料电解液ρ =1.193g/L 含 NaOH10.47%
  ④碱损失 蒸发工序本身损失2%,以浓效蒸发完成液损失计,生产 1t100%NaOH 损失 20kg,回收盐水带走碱 14kg,总碱损失34kg;
  ⑤生产 1t100%NaOH需电解液(1000+34)/10147%=9877kg;
  ⑥产碱量 1034× 106/7200=14.3t/h;
⑦板式换热器 K取 10000kJ/m2·h·℃(材料:全钛)电解液C 取 3185kJ/kg·℃
  ⑧计算采用预热流程
  与原流程相同,一级采用Ⅱ效和浓效冷凝水,二级采用Ⅰ效冷凝水,根据物热衡算,Ⅰ效冷凝水量4000kg/t,Ⅱ效、浓效冷凝水总量为2800kg/t;
⑨二级预热器的计算
   电解液吸热 14.3× 9877× 3.85×(115-t1)kJ/h
冷凝水放热4000×14.3×(654149-460164)=11107909kJ/h
t1=94.5℃
Δ T=2312K
F2=Q/K ·Δ T=48m2
⑩一级预热器的计算
冷凝水140℃t2
Q放 =2800× 14.3× 4.18×(140-t2)
电解液吸热 14.3× 9877× 3.85×(94.5-75)t2=76.6℃
求出Δ T=13.1K
F1=Q/K ·Δ T=80m 2
  4.2 预热器材质选择
  预热器中分别流过的是碱液和冷凝水,具有一定的腐蚀性,材料的选用要求防腐蚀,结合厂具体情况,选择钛材的板式换热器。
  4.3 改进措施及效果
  (1)改进措施
  某厂原有1台闲置的F=240m2的钛材板式换热器,通过加工和购置部分配件,改制成4台F=40m2的板式换热器,分别取代原二级、一级螺旋式预热器,流程不变,每级2台(蒸发分甲、乙两组)。工艺上作改进,将原直排的浓效汽凝水接入一级预热器,使一级预热水量有所增加。
(2)效果
   改进后运行表明,电解液预热温度上升至112℃,比改进前提高了12℃,节汽效果明显。