多效蒸馏

多效蒸馏（精选3篇）

多效蒸馏 篇1

0 引言

《中华人民共和国药典》规定, 注射用水为纯化水经蒸馏所得的水。蒸馏法对原水中的不挥发性有机物、无机物, 包括悬浮物、胶体、细菌、病毒、热原等有很好的去除作用。

早在1971年, 美国STERIS公司引进了FINN-AQUA的蒸馏水机, 推出了世界上第一套制药级的多效蒸馏水系统。在20世纪80年代之前, 我国国内工厂一般多使用单蒸馏水器、重蒸馏水器来制备蒸馏水。到了20世纪80年代, 随着国外先进技术的引进, 上海远东制药机械有限公司等相继推出国产的多效蒸馏水机。如今, 我国国内已较普遍使用自动控制的多效蒸馏水器生产蒸馏水, 其主要优点是节能, 可将热能多次合理利用, 同时, 采用汽—水分离的装置去除热原。

多效蒸馏水机主要由蒸发器、预热器、冷凝器、机架等组成, 其是利用工业蒸汽加热纯化水产生蒸汽, 蒸汽进入冷凝器中冷凝为蒸馏水的一种大型换热器。依据各效蒸发器之间工作压力的不同, 第一效产生的纯蒸汽可以作为下一效的加热蒸汽 (一效加热蒸汽为锅炉蒸汽) , 如此经过多效的换热蒸发, 原料水被充分汽化, 各效产生的纯蒸汽则在换热过程中被冷却为蒸馏水, 从而达到节约加热蒸汽和冷却水的目的。

1 国内外多效蒸馏水机简介

1.1 国外多效蒸馏水机介绍

1.1.1 意大利Stilmas

该多效蒸馏水机生产的注射用水满足国际最新的药典要求, 包括USP、EP以及JP。该多效蒸馏水机为一种列管降膜式的蒸发器, 与其他机型相比其加热蒸发室与分离室分开, 各为一体, 蒸发室在上, 经蒸发的水汽混合物沿漏斗状管流入下面的分离室, 转向360℃进行一级重力分离, 而后向上经过丝网除沫器完成二级分离。其冷凝器一分为二, 进料水与冷却水分开为2个单独行程的热交换器, 壳腔串联连通, 可以有效地防止相互泄漏、渗透。

Stilmas蒸馏水机的热回收系统符合机械热动力学原理, 蒸发器和冷凝器内的薄膜降膜蒸发过程保证了传质传热的高效性, 同时这一过程与短管技术相结合, 能够确保换热面的润湿性。

1.1.2 加拿大/美国AQUA-CHEM

AQUA-CHEM多效蒸馏水机如图1所示, 其蒸发器采用的是U型管式换热器, 换热器只有一块管板, 结构简单。管束可以抽出清洗, 管子可以自由膨胀;壳层介质适应性强, 常用于高压、高温、黏度较大的场合。

该机型同样采用了双冷凝器, 原料水冷凝器和冷却水冷凝器相互独立。原料水冷凝器既是第一道工序对原料水进行预热, 又是最后的工序对末效产出的剩余纯蒸汽和各效预热器产出的蒸馏水的汽液两相混合液进行冷却, 使其变成蒸馏水。

1.1.3 英国SPIRX-SARCO

MES多效蒸馏水机广泛应用于生物制药学工业领域, 在蒸汽控制和传热技术方面得到了深入的研究。与其他蒸馏水机相比, 具有一定的技术优势: (1) 通过优化蒸发室的规模, 达到加强蒸汽中夹带液滴分离的目的。 (2) 根据需求可计算最优效数。 (3) 首效蒸发器PID水平监控确保系统的准确性及操作一致性。 (4) 外周围绕多管的独特管路设计, 使得换热面积最大化, 提高了能源利用率。

1.2 国内多效蒸馏水机介绍

与国外多效蒸馏水机的快速发展相比, 我国多效蒸馏水机行业起步较晚, 20世纪80年代初期以来, 国内厂家通过不断引进美国、意大利、德国、芬兰等国的多效蒸馏水机的先进机型, 逐步提高了我国多效蒸馏水机的发展水平。

如今, 一些高科技多效蒸馏水机也已经在国内被研制出来, 例如淄博华周NLD系列多效蒸馏水机和宁波永泉NLD型多效蒸馏水机都是采用先进的内螺旋水汽三级分离技术, 水汽分离的效果更明显;吉林华通的MS-S系列和MS-T系列蒸馏水机各具特色, S系列预热器加热热源使用的是水, 分离形式较为简单, 而T系列加热热源使用的是蒸汽, 分离形式是采用了华通专有的汽水分离装置;石家庄冠宇多效蒸馏水机采用分体式汽水四分离技术 (汽水离心分离、下旋片隔板分离、丝网捕捉水滴分离、上旋片隔板分离) , 保证蒸馏水热源及内毒素含量更低, 同时具有双冷凝器设计, 特制的多路往返结构, 不需要专用冷却水, 使得换热也更加充分。

2 多效蒸馏水机节能优化研究

2.1 最优效数选择

工业上的多效蒸发中, 将前一效的蒸汽作为后一效的加热蒸汽, 节省了生蒸汽的消耗量。但效数不是越多越好, 效数的选择需要根据进口蒸汽压力而定, 效数越多, 入口蒸汽压力越高, 需要的能耗也越高, 而节省的生蒸汽量则越来越少。

P.K.Sen在理论研究中指出, 多效蒸馏水机超过10效将会导致系统产生一系列问题:首先, 入口蒸汽需要更高的压力和温度, 这样就需要消耗更多的能源;第二, 首效中原料水温度与饱和温度之差增大, 需要系统有更长的预热管路。因此, 在实际生产中多效蒸馏水机效数一般设计在三效至九效。P.K.Sen随后在九效、六效和三效的系统中进行实验, 得到蒸馏水的产量与柴油消耗量的比值分别为36.7~38.8 kg、31.0~31.8 kg和25.9~26.8 kg, 证实了多效蒸馏系统在效数一定情况下的节能效果。

2.2 工艺参数设定

2.2.1 原料水温度和流速

传热学基本公式:

式中Q—换热量;

k—传热系数;

A—换热面积;

(T-t) —传热温度差。

由公式 (1) 可知, 增强蒸馏水机换热性能, 可以通过增大其传热系数k的方法。传热系数k与管内传热系数ai、管外传热系数ao、管内管外的污垢系数ri和ro、换热管的外径与内径之比do/di、换热管材料、壁厚及热导率λw有关。而换热管的材料、规格一旦确定, 则外径与内径之比、壁厚、热导率等也随之确定下来, 因此主要矛盾集中在ai、ao、ri和ro上。可见, 如何提高ai和ao, 降低ri和ro, 即可提高换热器的传热系数。而ai、ao及ri、ro与流体的流动状态有极大关系, 流动状态的改变一方面可借助流速的增加, 另一方面是靠设计合理的界面状态来实现。

增加流体在换热器中的流速, 将增大对流传热系数, 减少污垢在管子表面上沉积的可能性, 即降低污垢热阻, 使总传热系数增大。但是流速增加, 又使流体阻力增大, 动力消耗就增多。所以, 适宜的流速要通过经济核算才能确定。

K.F.Lam等人通过实验研究, 分析得到了原料水的流速对于最后产品 (如蒸馏水) 成分的影响。实验中原料流速为0.05 mL/h, 蒸汽底部几乎全部是纯乙醇, 80%的丙酮被蒸发;随着流速增加, 分离效率降低, 当原料水流速大于蒸汽流速时, 液体会通过容器底部直接排出。值得注意的是, 当原料水流速过高, 系统还将会出现溢流。

P.K.Sen通过参数研究法指出, 若设计一个各效原料水蒸发量为30 kg/h的多效蒸馏系统, 流速最好控制在100 kg/h, 这样可以确保在换热管垂直外管壁形成液膜, 而不是液滴。同时, 100 kg/h的流速宜于使原料水在壳程中达到其饱和温度。

进入首效蒸发器的原料水温度对于给定换热面大小的系统来说, 也是极其重要的。原料水的入口温度要使得管程外壁面液膜温度与壳程蒸汽温度产生合适的温差。这个温差既能够使大部分蒸汽冷凝, 同时冷凝潜热透过壁面, 将部分原料水蒸发。所以, 为了得到较高温度的原料水温度, 一般来说, 在多效蒸馏水机中, 进入冷凝器的生原料水需要从末效预热器开始, 依次经过各效预热, 达到过热后再进入首效蒸发器中。当然, 为了节省能源消耗, 原料水的最高温度应限制在110~112℃的范围。

2.2.2 蒸汽压力

蒸馏水机在制水过程中, 进水量和蒸汽压力是一一对应的, 一定的蒸汽压力对应一定的进水量。如果进气压力过高, 就会造成纯化水过度蒸发, 浓缩水过少或没有, 造成制出的水不合格。如果进水量过大, 就会造成积水现象, 一部分水就会不经过蒸发直接流出, 也导致制出不合格的水。

吴彩萍、牛泱平在实验中研究得到:列管式螺旋离心式多效蒸馏水机在一定的蒸汽压力下, 对热原有较强的去除作用。但是, 螺旋离心式汽液分离过程需要一定的二次蒸汽压力以进行充分的汽液分离, 从而保证细菌内毒素不超过规定指标。蒸汽压力、进料水流量是相互作用影响这一过程的完成情况。在蒸汽压力降低、进料水流量过大的情况下, 产生的二次压力较低, 无法使进料水完全蒸发或完全进行汽液分离, 从而导致细菌内毒素超限。因此, 在实际运行操作中, 蒸汽压力下降时, 要适当降低进料水流量, 从而避免导致注射用水细菌内毒素不合格。

在蒸馏水的实际生产过程中, 二次蒸汽的压力和温度往往较低, 为了能够使二次蒸汽反复利用, 而进气压力又不过高, 史文树通过采用热泵技术, 在一效蒸发器蒸汽进口和一效分离器二次蒸汽出口处设计了一个引射器, 利用射流的紊动扩散作用, 引发能量的交换, 使得二次蒸汽的压力和温度得到了较大的提高, 从而有效地提高热能利用率, 达到较好的节能效果。

2.3 如何选择换热管排列方式

管子在管板上的排列方式主要有正三角形 (30°) 、转角三角形 (60°) 、正方形 (90°) 和转角正方形 (45°) 4种, 如图2所示。在这4种换热管束排列方式中, 正三角形和转角正三角形在同等面积内能布更多的换热管, 排列较紧凑, 适用于壳程介质清洁, 且不需要进行机械清洗的场合, 而且管外流体湍动程度高, 传热系数大;正方形排列和转角正方形排列, 能够使管间的小桥形成一条直线通道, 便于用机械进行清洗, 一般用于管束可抽出管间清洗的场合。

由于正三角形 (30°) 排列和转角三角形 (60°) 排列在设计中比较常见, 而且这2种方式的传热效果是不同的, 下面具体分析一下:正三角形 (30°) 排列在传热上称为错列, 介质流动时形成湍流对传热有利, 对无相变的换热器, 因其传热与其介质流动状态关系较大, 故宜用正三角排列;转角三角形 (60°) 排列在传热上称为直列, 对有相变的冷凝器, 因其传热与介质流动的关系较小, 与管壁凝液流动方向关系较大, 故宜用转角三角形排列。正三角形 (30°) 布局管密度最大, 且在2种流体操作压差很大时优先选用。

王秋红利用CFD方法, 计算出了管壳式换热器不同排列形式的二维压力场、速度场和温度场, 并对不同排列形式的压力损失速度分布和换热效果进行了对比, 分析得到正三角形排列的换热器换热效果强于转角三角形排列, 转角正方形排列的换热器换热效果强于正方形排列;Sadik Kakac、Hongtan Liu在研究中也指出对于相同的管间距和流速, 壳侧热传递系数和压力降大小依次是:30°、45°、60°、90°, 其中90°的布局具有最低的热传递系数和最小的压力降。

所以, 选择排列方式时不仅需要考虑清洗、壳程的介质性质, 还要考虑换热效率, 从而选择最优的换热管布置方式。

2.4 高效换热管管型分析

从公式 (1) 分析可知, 增强蒸馏水机换热性能还可以通过增大换热面积的方法。增大管道的换热面积可以选用特殊材料的换热管, 即用波纹管、螺纹槽管、翅片管等代替光管, 如图3所示, 这里应特别注意的是肋片 (扩展表面) 要加在换热系数小的一侧, 否则不能达到增强传热的效果。

肖金花等通过数值模拟和实验验证考察了流体在波纹管内的流动与传热情况, 研究了不同的雷诺数、波形螺距及管径大小对波纹管传热性能的影响, 并发现在湍流范围内, 波纹管的传热效率是相同条件下直管的2~4倍。David J.Kukulka等列出了不同翅片管换热器和Vipertube EHT新型强化管在不同应用条件下的传热情况, 得到了在合适的雷诺数条件下, 相对于光管设备, 新型强化管可大大提高换热器的换热效率, 减少换热器尺寸, 在热性能和经济上具有明显优势;张良栋、Paul A.Sanders等通过建立翅片管换热特性实验平台, 综合评价了翅片节距、厚度、高度对平均传热系数的影响, 其中有实验表明平均传热系数随翅片高度的增大而增大;随翅片间距的减小而增大;随翅片厚度的增大, 先增大后减小;翅片间距对平均传热系数影响最大, 翅片厚度次之, 翅片高度最小;而对螺纹槽管的研究结果表明:在冷却水质量流量以及水阻相等的条件下, 螺纹槽管冷凝器的换热面积可比光管减少30.6%~33.8%, 而且认为小导程、浅槽深、大螺旋角较好。

S.Pethkool等通过实验验证了不同螺距 (P/DH=0.18, 0.22, 0.27) 和肋高径比 (e/DH=0.02, 0.04, 0.06) 的螺纹管在雷诺数范围为5 500~60 000的湍流流动中, 对等温摩擦和热性能参数的影响, 结果表明:传热速率相比于光管提高了123%~232%, 同时由摩擦引起的热损失是光管的1.46~1.93倍;在雷诺数较小, P/DH=0.27及e/DH=0.06情况下, 换热器热力性能最好。

3 多效蒸馏水机发展方向

3.1 新材料开发

关于新材料的开发是国外很多专家学者一直努力研究的方向。随着稀有金属价格的下降, 钛、锆等稀有金属使用量将扩大。国内对于多效蒸馏水机材质的研究相对比较匮乏, 目前蒸发器、预热器、冷凝器及管道等与纯蒸汽和蒸馏水接触部位均采用316L材质, 研究指出在对流传热系数相同的情况下, 使用高分子膜等代替316L的材料可大大减少钢材的用量, 降低能源消耗。未来多效蒸馏水机材质将朝着强度高、制造工艺简单、防腐效果好、重量轻等方向发展。

3.2 蒸馏水机结构优化

换热器肋片的研究有待进一步深化, 确定肋片在换热管表面散布的最佳换热规律。对于槽纹管等强化管, 槽深、节距、螺旋角等特性的最优化, 能提高强化管传热与流体动力学特性。对单根换热管的强化传热与合理预测壳程的流场和温度场分布, 二者的优化组合研究也是换热器强化传热技术还需要努力的方向。

同时随着科学技术的发展, 利用膜分离技术和太阳能换热器来制备蒸馏水, 也成为越来越多国内外学者研究的方向。

4 结语

本文通过讨论多效蒸馏水机效数、管束排列方式、换热管型以及系统工艺参数的选择等内容, 探究了多效蒸馏水机节能的方法。由于多效蒸馏水机设备的大型化和参数化, 使得其实验研究难度较大, 效率较低, 所以数值模拟方法得到重视, 有了一定发展。但是, 目前国内对多效蒸馏水机的数值计算研究还大多基于一维、二维换热, 对三维换热模型的研究并不深入。另一方面, 对于多效蒸馏水机换热管的排布方式、数目研究等多以实验为主, 具有一定局限性。随着数值模拟技术及实验方法的发展, 二者的有机结合逐渐成为设计和优化多效蒸馏水机结构的有效手段。

多效蒸馏水机应力腐蚀开裂的防治 篇2

关键词：蒸馏水机,蒸馏塔,应力腐蚀开裂

多效蒸馏水机是制药行业必不可缺的设备之一。它所生产的蒸馏水水质稳定、纯度高。而蒸馏水机主要由蒸馏塔、换热器、冷凝器以及控制系统组成。蒸馏塔内构造分两部分, 即加热室和蒸发室, 目前材料均为022Cr17Ni12Mo2不锈钢。蒸馏水机在实际使用时, 一方面要与各种“腐蚀性介质” (主要是锅炉蒸汽中的Cl-) 相接触;另一方面处在160℃左右的高温工况, 同时又承受着各种不同的应力———静止的或交变的, 内在的或外加的。因此, 从理论上讲产生应力腐蚀开裂的几率很高。从对用户大修的蒸馏水机主要材料的金相分析结果统计来看, 有相当一部分蒸馏水机的Ⅰ蒸馏塔, 均不同程度地发生了应力腐蚀开裂。

蒸馏水机中的不锈钢应力腐蚀开裂一般出现在冷凝器的加热与冷却侧的传热面处、加热室的加热介质 (蒸汽) 与工作介质的传热面处、不锈钢管的胀管部位和管与管板或隔板的间隙处以及其他一些由于焊接而留有残余应力的部位。其中, 尤以锅炉蒸汽加热侧的筒体应力腐蚀开裂情况最为严重。

因此, 探讨不锈钢在应力作用下的腐蚀开裂问题, 对于设备的正常运转和使用, 有着非常现实的意义。

1 应力腐蚀开裂产生的机理与特点

金属受到周围介质的作用而引起的破坏, 一般称为金属腐蚀。大量的实验和实践已证实, 当金属变形或受有应力作用时, 不仅腐蚀速度增大, 而且还能改变腐蚀的分布情况, 使均匀腐蚀变为局部腐蚀。而应力腐蚀开裂就是金属在应力 (残余应力、热应力、工作应力等) 和腐蚀介质的共同作用下引起的一种破坏形式, 是局部腐蚀的一种类型。

1.1 不锈钢产生应力腐蚀开裂的介质和裂纹形式

引起不锈钢产生应力腐蚀开裂的介质很多, 很难一一列举。表1为常用Cr-Ni不锈钢产生应力腐蚀开裂的主要介质和裂纹形式。

注:●穿晶裂纹;〇晶间裂纹;●+〇穿晶+晶间裂纹。

从表1中可看出, 产生不锈钢应力腐蚀开裂的主要介质是各种有机、无机氯化物及其水溶液、氢氧化物、硫化物及连多硫酸 (H2SXO6) 各种盐类。其应力腐蚀开裂的形式微观看主要有穿晶裂纹、晶间裂纹以及二种裂纹的混合等3种形态。穿晶裂纹系穿过晶粒而延伸 (如图1) , 晶间裂纹系沿晶粒间界而发展 (如图2) , 混合形式则既有穿晶又有晶间。

因此, 笔者从返修的蒸馏塔筒体上取样, 经打磨、镜面抛光, 在高倍金相显微镜下分析, 发现其裂纹的特点是:在主干裂纹延伸的同时, 还有若干分支同时发展, 貌似落叶后的树枝状。裂纹的纵深一般比宽度大若干个数量级。基本与理论上所阐述的应力腐蚀开裂特征相符。经判别认为蒸馏塔列管水侧出现的应为穿晶应力腐蚀开裂, 而蒸馏塔蒸汽侧出现的应为晶间应力腐蚀开裂。

1.2 蒸馏水机应力腐蚀开裂情况

经过对全部返修的蒸馏塔的仔细检查和取样分析, 总结出蒸馏水机应力腐蚀开裂的3种情况:

(1) 锅炉蒸汽中的Cl-在筒体上的凝结, 同时因筒体焊接而产生的热应力所引起的筒体应力腐蚀开裂, 这种情况占蒸馏水机应力腐蚀开裂的实例的80%。

(2) 管板与管子的连接而产生的张应力, 而产生的蒸汽管焊缝附近的应力腐蚀开裂。

(3) 热交换器不锈钢管胀管部位和既有胀管又有缝隙的管与管板交界处的应力腐蚀开裂的外观。是由于冷却水中含有微量Cl-, 胀管部位有残余应力并存在缝隙, 从而导致不锈钢管的应力腐蚀开裂。

2 不锈钢应力腐蚀开裂的主要影响因素

2.1 材质的影响

早期的蒸馏水机大多数采用00Cr17Ni14Mo2不锈钢制造, 其材质具有良好的焊接性能和良好的抗晶间腐蚀能力。但是, 由于应力腐蚀机理不同于晶间腐蚀, 因此, 抗晶间腐蚀能力强的不锈钢不一定具有高的抗应力腐蚀能力。理论和经验证明:应力腐蚀的敏感性主要决定于应力大小和方向, 同时还与腐蚀介质的种类、浓度和温度有关。文献[1]指出, 奥氏体不锈钢对应力腐蚀的敏感性最大。即使在其中添加稳定碳化物的元素钼、铌或钛, 也不能完全避免应力腐蚀。因此, 蒸馏水机采用的材质022Cr17Ni12Mo2不锈钢, 也不能避免应力腐蚀的发生。

2.2 介质的影响

应力腐蚀只有在应力和介质的同时作用下才会产生。因此介质是应力腐蚀的必不可缺的条件之一。

2.2.1 Cl-的影响

蒸馏水机的工作介质 (进料水和冷却水) 虽然是离子水, 但其加热介质却是锅炉蒸汽, 大部分是未经软化处理的锅炉蒸汽, 其Cl-含量高达数百ug/m L, 这就给应力腐蚀开裂制造了一个温床。

西默斯指出 (如图3所示) : (1) 汽相中较液相中更容易产生应力腐蚀开裂; (2) 有氯、氧存在, 汽、液相中钢的应力腐蚀开裂均加速; (3) 氧化物浓度提高, 开始产生应力腐蚀开裂所需的最低应力要降低。

对设备使用现场勘察及取样分析, 发现环境中沸腾水的飞溅和冷凝液的下滴以及在汽相中, 氧含量较高和由于干/湿交替, 在高温环境中, 微量氯化物在不锈钢表面上易浓缩。氯化物的浓缩与蒸馏水机设备、部件、管道中的应力相配合, 便可导致应力腐蚀开裂的出现。根据裂纹 (应力腐蚀开裂的显微裂纹系呈晶间形式) 、断口特征和上述使用条件 (工作介质为含有氯化物和氧的水;设备有残余应力、工作应力和热应力等等) 分析, 螺栓的应力腐蚀开裂、蒸汽管焊缝附近的应力腐蚀开裂、热交换器不锈钢管胀管部位和既有胀管又有缝隙的管与管板交界处都是由于氯化物应力腐蚀开裂所造成。

为了使判断更加确切, 我们在试验室内进行验证试验。介质为常用的高浓度氯化物 (42%沸Mg Cl2) 溶液和模拟介质 (含氯化物、温度与使用条件基本一致) 2种条件。材料为自破坏设备上取下的未开裂的不锈钢管和未经过使用的同牌号管材以及板材。试样为C型 (管材) 和U型 (板材) 2种形式。试验进行到试样出现应力腐蚀断裂为止。然后, 取出观察裂纹和断口特征并与实际破损设备、部件已检查出的结果相比较。试验表明, 无论哪种验证试验条件, 其所得裂纹和断口特征与上述开裂特征基本一致。其显微组织如图4～7, 观察到裂纹为穿晶且有分支等特征;断口均具有河川状花样。从而进一步肯定了所分析的破坏原因是正确的。

2.2.2 温度的影响

一般认为, 氯化物介质的温度越高, 越容易产生开裂。由于蒸馏水机的正常工作温度一般均在160℃左右, 从图3中可以看到这个温度正处于开始产生应力腐蚀开裂所需的最低应力位置, 因而应力腐蚀产生的可能性就大大增强。

2.2.3 pH值的影响

从理论上讲, pH值低于6时仅产生一般腐蚀, 而当pH值为6～7时, 就将产生应力腐蚀, 奥氏体类不锈钢尤为敏感。这可能与Cl-在金属表面的吸附作用有关。

2.3 制造的影响

由制造引起的奥氏体类不锈钢应力腐蚀主要是焊接所产生的残余应力, 从焊接件焊缝附近应力分布来看, 焊缝中间为张应力, 而两侧为压应力。此种焊接残余应力与高浓氯化物介质共同作用, 也会导致Cr-Ni不锈钢的应力腐蚀开裂。另外, 机械加工所造成的表面残余应力以及冷加工变形等对奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂倾向都有较大影响。

Cr-Ni不锈钢的应力腐蚀开裂, 载荷应力 (σ) 和开裂时间 (ts) 的关系, 一般符合lg (ts) =a+bσ方程。式中a, b为常数。这表明所受应力越大, 不锈钢产生应力腐蚀开裂所需时间越短。

3 防止应力腐蚀开裂的措施

3.1 介质条件的控制和使用操作条件的改善

既然有腐蚀性介质存在是不锈钢产生应力腐蚀开裂的一个重要条件。那么控制介质条件, 例如降低介质温度、浓度、流速等, 就可以减缓应力腐蚀开裂的进行, 甚至可以避免应力腐蚀开裂的产生。改善介质条件的方法主要有以下几种:

3.1.1 尽可能降低进料水Cl-含量

这一点对于原水是采用地下水的用户尤为重要。过滤精度不够, 使热水和高温水中含微量Cl-或OH-。Cr-Ni不锈钢的应力腐蚀开裂主要是由于Cl-的吸附以及Cl-或OH-的浓缩所致。因此控制介质, 主要是设法降低它们的浓度并防止吸附和浓缩。为此, 要求蒸馏水机的进料水的初级用水应符合有关饮用水的质量要求, 然后再采用离子交换的方法去除氯化物等杂质, 有效地延长使用寿命。

3.1.2 锅炉蒸汽 (锅炉用水) 的软化

前面已经讲过, 由于水和蒸汽的蒸发会引起Cl-的浓缩, 产生应力腐蚀开裂。为了防止Cl-、OH-等浓缩, 除在可能条件下避免水的蒸发外, 蒸馏水机在长期运行后, 有污垢沉积在蒸馏塔的表面, 因此锅炉蒸汽一定要进行软化。

3.2 焊接工艺的改进

众所周知, 任意的焊接件出现焊接应力是不可避免的, 但焊接应力的大小则取决于焊接工艺的好坏。焊接工艺参数设置不当, 必然导致较大的焊接应力产生。一般认为, 不锈钢的焊接工艺参数应比碳钢小20%以上。且施焊时, 应采用小电流、高焊速、快冷却及窄焊道的焊接方式, 这样就可以消除或减少不锈钢部件中残余焊接应力。

3.3 合理设计降低杂质浓度

另外, 还可以通过改进设计来降低杂质浓度的聚集。蒸馏水机在蒸馏过程中被聚集的所有杂质的浓缩水必须从规定的管口及时排出, 冷凝器内部的不凝性气体从规定的另一顶部管口及时排出。在加热蒸汽进蒸馏水机前, 进汽管加过滤器和排污口以防止管路堵塞。保证蒸汽处于饱和、干燥且不含化学物质及杂质的状态。为了防止离子交换器内的树脂粒子以及其他杂物进入, 笔者建议在进料水水箱前的管线上安装1个>150目的过滤器等。

3.4 定期清洗和经常排污

蒸馏塔经过一段时间运行、使用后, 经常有大量铁锈 (大多数是非不锈钢部件受蚀而带来的) 和污垢附着在不锈钢表面上。这不仅影响设备的热交换, 引起局部过热, 同时也易造成Cl-的吸附和Cl-、OH-的浓缩。因此进行定期清洗, 有助于设备中腐蚀产物和水垢的清除, 延长使用寿命。必须考虑机器酸洗, 使之保持在理想的工作状态之中。但清洗后的蒸馏水机必须作中和处理, 并检查排出的冲洗水, 确保完全中性。

其次, 处于停机状态的蒸馏水机应尽可能将蒸馏塔和管道中的积水排放干净, 特别是较长时间停机更必须如此, 将腐蚀减小到最低限度。

4 结语

从分析和实例来看, 蒸馏水机应力腐蚀开裂是一种可以通过制造厂和用户共同努力来避免或减少的材料破坏现象。笔者曾将此分析和建议提交厂部并付诸实施, 同时有心对改进后出厂的蒸馏水机进行质量跟踪, 发现凡工艺条件较好的用户, 基本没有再出现应力腐蚀开裂的现象。

参考文献

[1]陈德和.钢的缺陷.北京:机械工业出版社, 1977

[2]刘永辉, 张佩芬.金属腐蚀学原理.北京航空工业出版社, 1993

[3]上海市金属学会.金属材料缺陷金相图谱.上海科学技术出版社, 1966

[4]肖纪美.应力作用下的金属腐蚀——应力腐蚀.氢致开裂.腐蚀疲劳.摩耗腐蚀.北京:化学工业出版社, 1990

多效蒸馏 篇3

低温多效蒸馏海水淡化技术主要利用盐水的最高蒸发温度70℃对海水进行淡化的技术,其技术原理主要是将水平管降膜蒸发器进行适当的串联,并将其分为若干个小组,使用适量的蒸汽输入,使其进行多次的蒸发与冷凝,进而得到更多的热蒸汽量蒸馏水的海水淡化技术。

在使用低温多效蒸馏法对海水进行淡化时,需先让海水进入到冷凝器中进行适当的预热和脱气,之后将其分为两股物流,一股作为冷却水重新排回大海,而别一股则作为蒸馏过程中的使用材料。作为淡化材料的海水在加入一定量的阻垢剂之后,引入到相应原蒸发器中,料液会随着喷嘴均匀的分布到蒸发器的各个顶排管中,之后料液会沿着顶排管以薄膜的形式不断的向下流动,从而使一部分水因为吸收了收管中的冷凝蒸汽而出现潜热蒸发现象。而二次蒸汽会在下一个蒸发器中将料夜再次冷凝成为产品水,再将剩余的料液通过泵输送到蒸发器内部的下一个效组内,此时,这一组的的操作温度需要比上一组的温度高,材料会在该效组中再进行系列的喷淋、蒸发以及冷凝,经过多次重复的喷淋、蒸发以及冷凝之后的海水,会通过泵往温度更高的效组输送,最后在温度最高的效组中形成初期淡水。

二、炼化企业低温余热回收与利用

炼化企业中的低温余热主要是指企业在生产过程中产生的大于油品本身储存温度或者是工艺本身需要温度,而没有对其进行回收利用的热量。在对炼化企业的低温余热的进行回收时,企业首先应该对回收的工艺装置换热流程、系统热集成进行适当的优化,减少工艺的能源消耗,以降低低温余热的产生。在企业的生产过程度中如果热量的温在80℃～160℃之间,就可以将其作为低温余热进行回收利用,如果热量的温度超过了160℃,则可以将其运用在蒸汽生产中。在对炼化企业的低温余热进行回收和利用时,其系统大部分都是将水作为热媒,对热量进行传送,热水的温度通常是在70℃～95℃之间。在对低温余热进行利用时,需要对其长周期运行的同级利用价值进行充分的考虑,其次,应该对全年中各个时间点利用的同级利用进行考虑,最后,才对其升级利用的价值进行考虑。就目前的情况而言,大部分的民炼化企业主要是以同级利用作为重点,在总热量的利用比例中占到了的76%以上,因此,在对其进行直接加热的过程中,热负荷的多少对于低温热量的利水平有着直接的影响。当前,低温余热的回收利用已经成为我国炼化企业进行节能降耗的一大重要途径,对于炼化企业完成“十二五”节能减耗的目标具有重要作用。

三、低温多效蒸馏海水淡化技术技术应用

1.建议方案。炼化企业可以建立一个局部低温余热回收系统,用来在企业生产过程中对低温余热进行回收。可将氧水作为热媒水,将其取热前的温度控制在65℃～70℃之间,取热后的温度设置为95℃,利用这样的方法大约可以回收热量24 MW,将其折算成热水流量就是820t/h。如果把温度为95℃的热水闪蒸到70℃,闪蒸出蒸汽为30t/h,那么把这股蒸汽用于低温多效蒸馏装置中就可以生产出一级除盐水4200 m3/d。2.对用水的成本进行估算。如果银行的贷款利率按照6.55%来进行计算,投资的折旧年限以15a来计算,低温多效蒸馏装置主体实际寿命可以达到30a,这一点已经通过实际运行得以验证。按每个装置的维护保养费在总投资比例中点的3%来计算,化学品方面的费用,主要用于阻垢剂与装置清洗,正常情况下可运行1a进行一次清洗,在装置运行的过程中,每班人员可安排2人,以4班3倒开展工作,每天最少安排8个人执行,每个操作人员每年平均采用低温多效蒸发海水淡化技术生产出约为一级除盐水,若产品水的价格为4.94元/m3,当中的投资成本为39%,电力成本为20%。如果用低温多效蒸馏进行生产,其中一级除盐水价格主要由投资成本与当地的电价决定,由于各个地区之间的电价差异并不是很大,大部分都是0.5～0.6元/(kW·h),因此,水价也基本为4～6元/m3,由此可以算出该企业的年均费用约在17.9万元右。

参考文献

[1]刘志江.低温多效蒸镏海水淡化设备选材分析[J].热力发电,2012,41(12):97-67.