50%碱液一级换热器运行总结

刘斌，高晓冬，薛春梅

(滨化集团股份有限公司，山东 滨州 256600)

烧碱蒸发工艺从大锅法、多效顺流(逆流)自然循环法、单(双)效旋转薄膜法、升膜法、多效顺流(逆流)板式蒸发法，最终发展到多效顺流(逆流)降膜蒸发法。目前，国内90%以上的蒸发工艺采用两效或三效降膜蒸发法。蒸发工艺的传动力是0.8 MPa饱和蒸汽，为了充分吸收效体出料碱液温度，效体之间增加了换热设备，不仅可以预热进入下一效体碱液温度，降低蒸汽消耗，而且可以降低设备及管线材质要求。50%碱液一级换热器在蒸发工艺换热系统中起着至关重要的作用，其运行质量不仅影响蒸发装置运行周期，而且影响产品浓度。50%碱液一级换热器采用的类型很多，现对使用较多的几种类型进行总结。

1 两效降膜蒸发中50%碱液一级换热器

两效降膜蒸发工艺流程中，由于出料50%碱液对应的效体为常压蒸发器，50%碱液温度为145 ℃，大部分企业的50%碱液一级换热器采用的是密封垫片式板式换热器，垫片多采用高温型三元乙丙橡胶。该换热器在150 ℃以下能够稳定运行，但垫片存在高温老化风险，须定期更换。

2 三效降膜蒸发中50%碱液一级换热器

三效降膜蒸发工艺流程中，由于出料50%碱液对应的效体为正压蒸发器，出料碱液不仅温度高，而且压力高，温度约为165 ℃，压力约为0.8 MPa。针对50%碱液一级换热器，各生产企业采用种类较多，有单台设备，也有组合设备。

2.1 板式换热器

少数企业仍然采用了密封垫片式板式换热器，但板片间渗漏，造成蒸发系统无法正常运行，须严格控制出料碱液温度，最终产品质量分数无法达到50%，仅仅为46%左右。少数企业采用了全焊式板式换热器，虽然解决了板片间渗漏的问题，但由于板片厚多为0.5 mm，高温热应力导致板片变形，腐蚀穿孔，焊缝开裂，蒸发系统的安全稳定运行仍然得不到保证。

2.2 套管换热器+板式换热器的组合式

套管换热器+板式换热器组合式冷却流程如图1所示。该换热器采用两种尺寸不同的标准管连接而成，由同心圆套管螺旋制成，其耐温性、耐压性均满足工艺需求。由于50%碱液具有强腐蚀性，内、外管为镍材，要获得足够的换热效率，须增加换热面积，不仅设备投资大，而且占地面积大，单位传热面积金属耗量多，约为管壳式换热器的5倍；另外，管件接头多，易泄漏，流阻大。少数企业采用套管换热器+板式换热器组合式，套管换热器换热面积选取不能太大，投用后仅能将50%碱液温度降低到150 ℃，再通过板式换热器将碱液温度降低至125 ℃左右，但进入板式换热器的温度仍然偏高，会存在板片间渗漏隐患。

图1 套管换热器+板式换热器的冷却流程Fig.1 Cooling process composed of a double-pipe heat exchanger and a plate heat exchanger

2.3 管壳式换热器+板式换热器的组合式

管壳式换热器+板式换热器组合式冷却流程如图2所示。管壳式换热器是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器，能在高温、高压下使用。部分企业将套管换热器更换为管壳式换热器，采用管壳式换热器+板式换热器组合式，为了提高换热效率，管壳换热器管程采用的是双流程。由于只有一级管壳换热器，换热面积不够，投用后仅能将50%碱液温度降低到155 ℃，再增加1台板式换热器进一步降低碱液温度。

图2 双管程换热器+板式换热器的冷却流程Fig.2 Cooling process composed of a double-tube-side heat exchanger and a plate heat exchanger

2.4 单流程管壳换热器

单流程管壳换热器冷却流程如图3所示。为了提高管壳换热器的换热面积，部分企业采用5根管壳换热器串联使用即五级换热，为了减少管程、壳程流体阻力，管程、壳程全部采用单流程；投用后，将50%碱液温度直接降低到125 ℃左右，后端无需增加换热设备。为了提高传热效率，换热管壁厚仅为1.2 mm，管板处采用的是胀接加强度焊，由于进口温度高，前两级温度梯度大，特别是管板处热应力最大，运行两年后，胀管处出现断裂，导致串液；后三级由于温度梯度小，未出现任何串液，管板处焊缝未发生腐蚀。

图3 单流程管壳换热器的冷却流程

2.5 双流程管壳式换热器+板式换热器组合式

双流程管壳式换热器+板式换热器组合式冷却流程如图4所示。为了解决高温侧换热管应力腐蚀问题，将换热管壁厚提高至2.0 mm，但为了保证换热效率，将壳程和管程全部采用双流程，减少流体阻力，采用两级换热。投用后，50%碱液温度降低到145 ℃左右，仍然需要1台板式换热器进一步降低碱液温度。该组合式换热器运行了5年多，除板式换热器垫片老化，板片局部变形导致泄漏外，未出现其他问题。

图4 双管程双壳程换热器+板式换热器的冷却流程Fig.4 Cooling process composed of a double-tube-side and double-shell-side heat exchanger and a plate heat exchanger

2.6 混合流程管壳换热器

混合流程管壳换热器冷却流程如图5所示。为了实现1台换热器满足换热需求，采用四级换热，第一级用于吸收温度梯度大的区域的热量，采用双管程双壳程换热器，换热管壁厚为2.0 mm，取消先胀后焊的制作工艺，管板处采用强度焊；第二至四级用于吸收温度梯度小的区域的热量，采用单流程换热器，换热管壁厚为1.2 mm，仍然采用先胀后焊的制作工艺。

图5 混合流程管壳换热器的冷却流程Fig.5 Cooling process composed of a shell-and-tube heat exchanger with mixed-mode pass

混合流程管壳换热器已经运行3年多，期间未出现串液；由于蒸发单元出料质量分数为48.5%，出料温度158 ℃，经此换热器后温度降为115 ℃左右，换热效果良好，满足工艺需求。

3 结语

50%碱液一级换热器属于高温段换热器，不仅要求耐高温、高压，而且需要在较大温度梯度范围内抗应力腐蚀。对比各种类型换热器的使用效果可以看出：板式换热器不适合高温碱液换热使用；混合流程管壳换热器完全满足高温段换热器使用要求，可以保证蒸发单元安全、稳定运行。