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[摘 要]减少烧碱蒸发过程中消耗的能量是减少能耗达到绿色工业的重要途径，改良烧碱蒸发工艺势在必行。本文通过对烧碱工业中各种能耗指数的分析，深入了解了我国常用的烧碱蒸发工艺——隔膜法烧碱蒸发工艺现状及影响因素和国际上工业化离子膜烧碱生产技术的进展，对我国烧碱蒸发工艺的技术创新和设备改良方面提出了几点建议，希望能为烧碱工业研究人员提供一些参考。
[关键词]烧碱蒸发；工艺设计；节能
中图分类号：TQ114 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）08-0012-01
前言
烧碱广泛应用于国民经济的各个领域，如轻纺、印染、医药、造纸、化工及橡胶等，是工业生产中不可缺少的重要原料之一，在工业发展中占有重要地位。我国烧碱生产主要采用隔膜法制碱工艺和离子膜法制碱工艺，这两种工艺的共同点之一就是蒸发操作工序是整个操作流程中非常关键的环节，而烧碱蒸发这一环节所消耗的能量占总流程能耗的三分之一，由此可见，加强对烧碱蒸发工艺及其节能改造问题的研究，对减少能耗工业节能具有非常重大的意义。
1.當前烧碱蒸发工艺存在的不足
1.1 蒸汽利用率低、末效蒸发器真空度不足
由于隔膜法生产烧碱所用蒸汽由供热厂统一供给，与生活用蒸汽和其他产业用蒸汽同一来源，蒸汽压力经常波动，常常达不到0.6 MPa，这就导致三效顺流不能正常进行，传热过程遭到破坏，蒸汽被利用又不能完全没被利用，导致浪费。同样的，压力过高也是蒸汽利用率低的一大问题，它会导致蒸发过程中的不可逆反映所占比例增加，加大对设备的腐蚀作用，严重损害正常生产。蒸汽利用率低产生的最直接后果就是大幅度增加的生产能耗。另外蒸发系统末效真空度不足也是当前烧碱蒸发工艺中的一大严重问题，蒸发系统末效真空度在一定程度上决定着效体的传热有效温度，在三效顺流部分强制循环和逆流工艺烧碱蒸发过程中要保持的最低真空度是0.07 MPa，如果达不到此值会导致生产能力迅速下降，增加温差损失，进而增大能耗。
1.2 采盐过程能耗过高
隔膜法烧碱生产方式的电解槽中NaOH质量浓度一般控制在（130±5）g/L、NaCl质量浓度为（190±10）g/L，通过电解，阴极产生高浓度氢氧化钠溶液、阳极产生氯化钠，因此，进行盐碱分离、使产品含盐量达到指标要求也是蒸发的目的之一，而采盐的方式直接影响生产效率和生产能耗。采用顺流工艺生产高浓度碱时，是由Ⅰ效至Ⅱ效、Ⅱ效至Ⅲ效都是高温效向低温效进料，热量散失比较严重，并且如果在碱溶液的浓缩过程中盐（氯化钠）的结晶达不到要求，会加大生产能耗，对烧碱的纯度也会产生影响。而且如果顺流蒸发中过料位置选择不当，会出现急骤闪蒸现象，造成设备震动，析出的结晶体积也比要求的小得多，不易过滤，严重的还有可能堵塞过料管。如果将过料管改在循环泵进料侧或加热管的入口端，由于过料温度高，由热力学第零定律可知，原料通过加热管后产生的混合物温度会增高，影响传热有效温差，不利于传热，增加了能耗。
1.3 设备腐蚀严重、使用周期短
众所周知，氢氧化钠是一种具有强腐蚀性的强碱，在无水高温条件下还会与铁反应，因此烧碱生产工业中设备的腐蚀是提高烧碱生产成本的一大原因。据统计，Ⅰ效加热室运行周期最短为1个月，Ⅰ效蒸发器各部位出现裂纹现象比比皆是，蒸发预热器每年最多更换了5台，由此可见，烧碱蒸发工业设备的使用周期与其他化工产业相比非常短。究其原因，是设备的生产工艺落后和设备规格不规范。以旋液分离器和电解液预热器为例分析，由于旋液分离器直径仅180mm，比最适直径偏小，导致离心机分盐效率降低，低于分离母液工艺指标，并且分盐负荷的增加会大幅度缩短分离器的使用寿命。而预热装置采用过的列管换热器和螺旋板式换热器换热面积都小于最优面积，导致进料中有相当部分的蒸汽用于料液预热，增加了不必要的能耗。
2.工艺改进方法
2.1 三效顺流部分强制循环与三效四体两段蒸发方式结合
三效顺流法蒸发烧碱需要稳定的0.6—0.8MPa蒸汽压，而由于种种原因，供热厂所供蒸汽压忽高忽低，难以稳定，因此，采用三效顺流部分强制循环与三效四体两段蒸发方式结合的方法是适应不稳定蒸汽压且能充分利用水蒸气减少不必要热量散失的最优途径。三效顺流部分强制循环与三效四体两段蒸发方式结合是指在目前的两组三效顺流装置基础上，将第一组的三效顺流装置与第二组的末效合为一体，形成三效四体蒸发工艺。为解决末效蒸发器真空度不足的问题，在最末效的蒸发器通入0.15MPa的生蒸汽，再对物料经二次闪蒸过程，这样一来，既对水蒸气进行了再一次利用，又使生蒸汽的气压值更易达到，降低了蒸汽利用的难度。在实际生产工作中，三效四体两段蒸发方式有效加大了加热室的面积，大幅度提高了蒸汽的利用率，也减小了操作难度和操作风险。
2.2 应用逆向采盐法
由于隔膜法生产烧碱的产物不仅有高浓度氢氧化钠溶液，还有氯化钠溶液的产生，因此，减少采盐过程中的能耗也是少见蒸发工艺改良的一部分。目前烧碱生产的规模普遍较大，采用传统的采盐方法所产生的能耗已远远超过了工业能耗标准，为减少能耗，应用逆向采盐法是目前的最优选择。逆向采盐法在传统采盐方法上改变了某些条件和过料的位置或设备的局部结构，使电解槽中流出的盐溶液进入Ⅱ效蒸发器，集中从Ⅱ效采盐，成品碱澄清桶盐浆加入一定的电解液后送入离心机高位槽。与溶液直接进入离心机高位槽相比，此方式是高浓度盐溶液被稀释，便于分离和离心，结晶出的盐颗粒较大，便于过滤，最重要的是此方式洗水用量少、节约蒸汽、碱损失小，直接减少了水和水蒸气的用量，从而大幅度减少了采盐过程中的能耗。
2.3 选用新式设备
烧碱蒸发设备主要有加热室、蒸发室、离心机等部分。在對加热室的改良中，取消n效、m效蒸发器双加热室结构，将其改造为单加热室结构能有效增加加热室的热交换面积，提高蒸汽利用率。而适当提高加热室上方的高度，能把混合液的沸腾层上移，避免溶液在加热管内沸腾，从而减小盐在加热管内结晶的概率。蒸发室适当加高能加大汽液分离空间，减少因溶液“闪蒸”而造成的结晶不理想现象，有效避免二次蒸汽带碱和真空系统冷凝水含碱事故的发生。在离心机母液进效前设置一个悬液分离器，能把溶液中的盐再一次分离，优化分离效果，防止盐在蒸发器内结晶。而对于整个装置的动力系统——强制循环泵电机，可以通过适当调整叶轮倾角增大强制循环泵的流量，提高整个装置的工作效率。在设备的材料选择上，各部分按ASME标准选取最适材料。
3.结语
综上所述，烧碱蒸发工艺的改良对减少工业耗能有不可替代的作用，当前我国广泛应用的隔膜法烧碱蒸发工艺与其他方法相比节能效果还是有很大优势的。但为了确保我国烧碱工业的持续的良性发展，加强对烧碱蒸发工艺的技术创新与设备改良还是一个需要研究的命题。目前我国烧碱蒸发工艺暴露的主要问题在于蒸汽利用率低、末效蒸发器真空度不足、采盐过程能耗过高、设备腐蚀严重使用周期短等，针对这些问题，本文提出了蒸发过程中应用三效顺流部分强制循环与三效四体两段蒸发方式结合的方法、采盐过程中根据盐的属性选用传统采盐法或逆向采盐法，并根据物料特性、能量品位选择或改良蒸发流程中所用设备。
参考文献
[1] 董雪英.离子膜烧碱的生产工艺及市场前景[J].江苏化工.2008，36（3） ：55-59.
[关键词]烧碱蒸发；工艺设计；节能
中图分类号：TQ114 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）08-0012-01
前言
烧碱广泛应用于国民经济的各个领域，如轻纺、印染、医药、造纸、化工及橡胶等，是工业生产中不可缺少的重要原料之一，在工业发展中占有重要地位。我国烧碱生产主要采用隔膜法制碱工艺和离子膜法制碱工艺，这两种工艺的共同点之一就是蒸发操作工序是整个操作流程中非常关键的环节，而烧碱蒸发这一环节所消耗的能量占总流程能耗的三分之一，由此可见，加强对烧碱蒸发工艺及其节能改造问题的研究，对减少能耗工业节能具有非常重大的意义。
1.當前烧碱蒸发工艺存在的不足
1.1 蒸汽利用率低、末效蒸发器真空度不足
由于隔膜法生产烧碱所用蒸汽由供热厂统一供给，与生活用蒸汽和其他产业用蒸汽同一来源，蒸汽压力经常波动，常常达不到0.6 MPa，这就导致三效顺流不能正常进行，传热过程遭到破坏，蒸汽被利用又不能完全没被利用，导致浪费。同样的，压力过高也是蒸汽利用率低的一大问题，它会导致蒸发过程中的不可逆反映所占比例增加，加大对设备的腐蚀作用，严重损害正常生产。蒸汽利用率低产生的最直接后果就是大幅度增加的生产能耗。另外蒸发系统末效真空度不足也是当前烧碱蒸发工艺中的一大严重问题，蒸发系统末效真空度在一定程度上决定着效体的传热有效温度，在三效顺流部分强制循环和逆流工艺烧碱蒸发过程中要保持的最低真空度是0.07 MPa，如果达不到此值会导致生产能力迅速下降，增加温差损失，进而增大能耗。
1.2 采盐过程能耗过高
隔膜法烧碱生产方式的电解槽中NaOH质量浓度一般控制在（130±5）g/L、NaCl质量浓度为（190±10）g/L，通过电解，阴极产生高浓度氢氧化钠溶液、阳极产生氯化钠，因此，进行盐碱分离、使产品含盐量达到指标要求也是蒸发的目的之一，而采盐的方式直接影响生产效率和生产能耗。采用顺流工艺生产高浓度碱时，是由Ⅰ效至Ⅱ效、Ⅱ效至Ⅲ效都是高温效向低温效进料，热量散失比较严重，并且如果在碱溶液的浓缩过程中盐（氯化钠）的结晶达不到要求，会加大生产能耗，对烧碱的纯度也会产生影响。而且如果顺流蒸发中过料位置选择不当，会出现急骤闪蒸现象，造成设备震动，析出的结晶体积也比要求的小得多，不易过滤，严重的还有可能堵塞过料管。如果将过料管改在循环泵进料侧或加热管的入口端，由于过料温度高，由热力学第零定律可知，原料通过加热管后产生的混合物温度会增高，影响传热有效温差，不利于传热，增加了能耗。
1.3 设备腐蚀严重、使用周期短
众所周知，氢氧化钠是一种具有强腐蚀性的强碱，在无水高温条件下还会与铁反应，因此烧碱生产工业中设备的腐蚀是提高烧碱生产成本的一大原因。据统计，Ⅰ效加热室运行周期最短为1个月，Ⅰ效蒸发器各部位出现裂纹现象比比皆是，蒸发预热器每年最多更换了5台，由此可见，烧碱蒸发工业设备的使用周期与其他化工产业相比非常短。究其原因，是设备的生产工艺落后和设备规格不规范。以旋液分离器和电解液预热器为例分析，由于旋液分离器直径仅180mm，比最适直径偏小，导致离心机分盐效率降低，低于分离母液工艺指标，并且分盐负荷的增加会大幅度缩短分离器的使用寿命。而预热装置采用过的列管换热器和螺旋板式换热器换热面积都小于最优面积，导致进料中有相当部分的蒸汽用于料液预热，增加了不必要的能耗。
2.工艺改进方法
2.1 三效顺流部分强制循环与三效四体两段蒸发方式结合
三效顺流法蒸发烧碱需要稳定的0.6—0.8MPa蒸汽压，而由于种种原因，供热厂所供蒸汽压忽高忽低，难以稳定，因此，采用三效顺流部分强制循环与三效四体两段蒸发方式结合的方法是适应不稳定蒸汽压且能充分利用水蒸气减少不必要热量散失的最优途径。三效顺流部分强制循环与三效四体两段蒸发方式结合是指在目前的两组三效顺流装置基础上，将第一组的三效顺流装置与第二组的末效合为一体，形成三效四体蒸发工艺。为解决末效蒸发器真空度不足的问题，在最末效的蒸发器通入0.15MPa的生蒸汽，再对物料经二次闪蒸过程，这样一来，既对水蒸气进行了再一次利用，又使生蒸汽的气压值更易达到，降低了蒸汽利用的难度。在实际生产工作中，三效四体两段蒸发方式有效加大了加热室的面积，大幅度提高了蒸汽的利用率，也减小了操作难度和操作风险。
2.2 应用逆向采盐法
由于隔膜法生产烧碱的产物不仅有高浓度氢氧化钠溶液，还有氯化钠溶液的产生，因此，减少采盐过程中的能耗也是少见蒸发工艺改良的一部分。目前烧碱生产的规模普遍较大，采用传统的采盐方法所产生的能耗已远远超过了工业能耗标准，为减少能耗，应用逆向采盐法是目前的最优选择。逆向采盐法在传统采盐方法上改变了某些条件和过料的位置或设备的局部结构，使电解槽中流出的盐溶液进入Ⅱ效蒸发器，集中从Ⅱ效采盐，成品碱澄清桶盐浆加入一定的电解液后送入离心机高位槽。与溶液直接进入离心机高位槽相比，此方式是高浓度盐溶液被稀释，便于分离和离心，结晶出的盐颗粒较大，便于过滤，最重要的是此方式洗水用量少、节约蒸汽、碱损失小，直接减少了水和水蒸气的用量，从而大幅度减少了采盐过程中的能耗。
2.3 选用新式设备
烧碱蒸发设备主要有加热室、蒸发室、离心机等部分。在對加热室的改良中，取消n效、m效蒸发器双加热室结构，将其改造为单加热室结构能有效增加加热室的热交换面积，提高蒸汽利用率。而适当提高加热室上方的高度，能把混合液的沸腾层上移，避免溶液在加热管内沸腾，从而减小盐在加热管内结晶的概率。蒸发室适当加高能加大汽液分离空间，减少因溶液“闪蒸”而造成的结晶不理想现象，有效避免二次蒸汽带碱和真空系统冷凝水含碱事故的发生。在离心机母液进效前设置一个悬液分离器，能把溶液中的盐再一次分离，优化分离效果，防止盐在蒸发器内结晶。而对于整个装置的动力系统——强制循环泵电机，可以通过适当调整叶轮倾角增大强制循环泵的流量，提高整个装置的工作效率。在设备的材料选择上，各部分按ASME标准选取最适材料。
3.结语
综上所述，烧碱蒸发工艺的改良对减少工业耗能有不可替代的作用，当前我国广泛应用的隔膜法烧碱蒸发工艺与其他方法相比节能效果还是有很大优势的。但为了确保我国烧碱工业的持续的良性发展，加强对烧碱蒸发工艺的技术创新与设备改良还是一个需要研究的命题。目前我国烧碱蒸发工艺暴露的主要问题在于蒸汽利用率低、末效蒸发器真空度不足、采盐过程能耗过高、设备腐蚀严重使用周期短等，针对这些问题，本文提出了蒸发过程中应用三效顺流部分强制循环与三效四体两段蒸发方式结合的方法、采盐过程中根据盐的属性选用传统采盐法或逆向采盐法，并根据物料特性、能量品位选择或改良蒸发流程中所用设备。
参考文献
[1] 董雪英.离子膜烧碱的生产工艺及市场前景[J].江苏化工.2008，36（3） ：55-59.