尹海蛟* 夏君君, 全曉宇 彭 濤 朱昌允

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0 前言

鈦白粉是一種重要的白色無(wú)機(jī)顏料，被廣泛應(yīng)用于涂料、油墨、造紙、塑料、橡膠、化纖、陶瓷及日化等領(lǐng)域。我國(guó)是鈦白粉生產(chǎn)、銷售大國(guó)，2018 年我國(guó)鈦白粉生產(chǎn)總產(chǎn)量達(dá)340 萬(wàn)t。目前鈦白粉生產(chǎn)方法主要包括硫酸法和氯化法[1]。在鈦白粉的硫酸法生產(chǎn)過(guò)程中，為了保證水解所得偏鈦酸具有理想的粒度及均勻性，水解前需對(duì)質(zhì)量濃度約為150 g/L 的稀鈦液進(jìn)行濃縮，以提高TiO2質(zhì)量濃度和總離子質(zhì)量濃度。鈦液濃縮是鈦白生產(chǎn)中能耗較高的工序，常用的濃縮方法包括單效真空濃縮法、雙效真空濃縮法、多效真空濃縮法及蒸汽機(jī)械再壓縮（MVR）真空濃縮法等[2]。

與其他鈦液濃縮方法相比，MVR 技術(shù)采用逆卡諾循環(huán)原理運(yùn)行，二次蒸汽的潛熱能夠全部被回收再利用，具有更顯著的節(jié)能效果及更好的經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)MVR 技術(shù)應(yīng)用于鈦液濃縮進(jìn)行了大量研究與探索[3-5]，但大多研究針對(duì)傳統(tǒng)蒸發(fā)技術(shù)與MVR 技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，而對(duì)系統(tǒng)壓縮機(jī)及換熱器等核心設(shè)備的選型問(wèn)題卻鮮有研究。鈦液的沸點(diǎn)較高且其中富含濃硫酸，在低溫高真空條件下蒸發(fā)時(shí)，二次蒸汽會(huì)夾帶大量酸液，若MVR 系統(tǒng)壓縮機(jī)、換熱器等設(shè)備選型不當(dāng)，易造成壓縮換熱設(shè)備被腐蝕破壞，嚴(yán)重影響系統(tǒng)穩(wěn)定和生產(chǎn)安全。本文主要探討鈦液MVR 濃縮技術(shù)的壓縮機(jī)及換熱器的應(yīng)用特點(diǎn)及選型要點(diǎn)，可為MVR 技術(shù)在鈦液濃縮中的工業(yè)化應(yīng)用和推廣提供參考。

1 鈦液MVR蒸發(fā)濃縮技術(shù)原理與特點(diǎn)

MVR 技術(shù)是一項(xiàng)綠色環(huán)保的節(jié)能技術(shù)，其通過(guò)壓縮機(jī)將蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)行壓縮，將壓縮升溫后的二次蒸汽再次用于物料的加熱蒸發(fā)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)二次蒸汽攜帶潛熱回收與再利用的目的，減少蒸發(fā)系統(tǒng)對(duì)外界能源的需求量。與多效蒸發(fā)系統(tǒng)相比，MVR 技術(shù)能夠?qū)⒍握羝麧摕崛炕厥绽?，具有更高的能源利用率。MVR 系統(tǒng)的原理如圖1 所示。

圖1 MVR蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)原理圖

采用MVR 技術(shù)進(jìn)行鈦液濃縮時(shí)，為了避免鈦液內(nèi)硫酸氧鈦、硫酸鈦、硫酸亞鐵等溶質(zhì)在高溫下水解，鈦液蒸發(fā)溫度一般不高于75℃。鈦液濃縮過(guò)程到終點(diǎn)時(shí)（質(zhì)量濃度為200 g/L 左右），鈦液的沸點(diǎn)升高約11 ℃。綜合考慮設(shè)備初步投資及系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，本文推薦的鈦液MVR 蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)的核心運(yùn)行參數(shù)如表1 所示，滿足系統(tǒng)單位蒸發(fā)量（t 水/h）時(shí)的壓縮機(jī)理論吸氣量為8 000 m3/h。

表1 鈦液MVR蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)參數(shù)

2 鈦液MVR蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)壓縮機(jī)選型分析

2.1 離心壓縮機(jī)在鈦液MVR蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)中的適用性分析

蒸汽壓縮機(jī)是鈦液MVR 蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)的核心設(shè)備，常用形式包括離心式與羅茨式兩種。離心式壓縮機(jī)通常適用于壓縮比低于2.5，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，蒸發(fā)量相對(duì)較高的工況；羅茨式壓縮機(jī)適用于壓縮比較高，系統(tǒng)工況易波動(dòng)，蒸發(fā)量相對(duì)小的工況。離心式壓縮機(jī)應(yīng)用于鈦液濃縮工況時(shí)，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速一般不低于12 000 r/min，葉輪輪緣線速度為420 m/s 左右，該工況下壓縮機(jī)葉輪需承受較高的離心應(yīng)力載荷及蒸汽氣動(dòng)應(yīng)力載荷，離心壓縮機(jī)葉輪在應(yīng)力及腐蝕介質(zhì)的雙重作用下極易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂（SCC）問(wèn)題。應(yīng)力腐蝕破裂是指受應(yīng)力作用（拉應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力）的金屬材料在某些腐蝕介質(zhì)中，由于腐蝕介質(zhì)與應(yīng)力的共同作用導(dǎo)致的脆性斷裂現(xiàn)象[6-7]。離心葉輪在腐蝕介質(zhì)環(huán)境中，若沒(méi)有受到應(yīng)力的作用，就不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂；若葉輪只受到應(yīng)力作用，不受到腐蝕介質(zhì)影響，則也不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂。離心壓縮機(jī)應(yīng)力腐蝕破裂的特征是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，裂紋在葉片上擴(kuò)展方式可沿金屬晶界發(fā)展，也可穿過(guò)晶界，形成穿晶型開(kāi)裂，如圖2 所示。應(yīng)力腐蝕裂紋不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致壓縮機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能顯著降低，擴(kuò)展到一定程度后，壓縮機(jī)葉片產(chǎn)生破裂，因此應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂往往具有隱蔽性和突發(fā)性，一旦發(fā)生就會(huì)造成巨大損失。

圖2 離心式壓縮機(jī)的葉輪腐蝕及應(yīng)力腐蝕破裂

2.2 羅茨壓縮機(jī)在鈦液MVR蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)中的適用性分析

羅茨式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速通常不高于2 000 r/min，與離心壓縮機(jī)相比，羅茨壓縮機(jī)共軛轉(zhuǎn)子的離心應(yīng)力相對(duì)較小。當(dāng)其應(yīng)用于鈦液MVR 蒸發(fā)濃縮時(shí)，可采用二次蒸汽冷凝液或一定濃度的堿液對(duì)羅茨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行噴淋，不僅能有效降低羅茨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行溫度，同時(shí)能沖刷及清洗其表面附著的腐蝕性介質(zhì)。為了充分保證壓縮機(jī)運(yùn)行安全，在采用蒸汽凝液噴淋沖洗壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的基礎(chǔ)上，可在羅茨壓縮機(jī)吸氣側(cè)設(shè)置高效氣液分離器或洗氣塔。

高效氣液分離器的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，分離器由波紋板及絲網(wǎng)兩級(jí)分離結(jié)構(gòu)組成，其中第一級(jí)波紋板用于預(yù)分離二次蒸汽中夾帶的酸液，其材質(zhì)可選用聚丙烯；第二級(jí)絲網(wǎng)用于分離二次蒸汽中夾帶的霧沫，其材質(zhì)可選用316L 或鈦材。該分離器能夠有效去除二次蒸汽中超過(guò)99%的酸液，充分保障MVR 系統(tǒng)壓縮機(jī)及換熱器運(yùn)行安全。

圖3 兩級(jí)式高效氣液分離器

3 鈦液MVR蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)換熱器選型問(wèn)題分析

3.1 常規(guī)薄膜蒸發(fā)器運(yùn)行特點(diǎn)及存在的問(wèn)題

目前，鈦液?jiǎn)?多效蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)所采用的薄膜蒸發(fā)器均屬于升膜式蒸發(fā)器。鈦液從底部進(jìn)入換熱管內(nèi)并保持一定的液位高度，換熱管管外為加熱蒸汽，鈦液由管外蒸汽加熱至沸點(diǎn)后汽化沸騰，氣泡在向上穿越鈦液的過(guò)程中，汽化率逐漸增大，氣泡上升速率越來(lái)越快，高速運(yùn)動(dòng)的氣泡不斷向上拖曳鈦液并在換熱管內(nèi)壁形成薄膜。由圖4 可見(jiàn)，在升膜式蒸發(fā)器工作過(guò)程中，鈦液蒸發(fā)時(shí)分別經(jīng)過(guò)預(yù)熱段、氣液兩相流段、柱塞流段及霧化流段，其中柱塞流段的傳熱反應(yīng)最為劇烈。升膜式蒸發(fā)器運(yùn)行時(shí)，濃縮液不斷回落至換熱管底部，導(dǎo)致?lián)Q熱管底部的鈦液濃度越來(lái)越高，形成局部高濃度區(qū)，甚至可能會(huì)析出晶體。此外，當(dāng)蒸發(fā)器進(jìn)料量突然變小或加熱蒸汽發(fā)生波動(dòng)（即鈦液液膜上升速率小于鈦液水分蒸發(fā)速率）時(shí)，換熱管出口會(huì)形成霧狀流段，該階段鈦液內(nèi)的大部分水分已經(jīng)汽化，該區(qū)域的換熱管處于干燒狀態(tài)，鈦液溶質(zhì)將在換熱管內(nèi)壁析出，導(dǎo)致蒸發(fā)器內(nèi)結(jié)垢甚至堵塞。張中華[8]對(duì)鈦液薄膜蒸發(fā)器的結(jié)垢成分進(jìn)行了檢測(cè)，指出結(jié)垢中的主要化學(xué)成分為硫酸鈣及硫酸鈣水合物。蒸發(fā)器內(nèi)結(jié)垢不僅降低了系統(tǒng)換熱性能，導(dǎo)致蒸汽耗量增加，同時(shí)還需要定期對(duì)垢層進(jìn)行機(jī)械清理，嚴(yán)重影響了鈦白粉正常生產(chǎn)。

圖4 鈦液升膜蒸發(fā)器的管內(nèi)流態(tài)

此外，與強(qiáng)制循環(huán)、豎管降膜及橫管降膜蒸發(fā)器相比，升膜蒸發(fā)器對(duì)換熱器的傳熱溫差要求較高，通常需要溫差為20～30 ℃時(shí)才能形成理想的膜。而在MVR 系統(tǒng)中，由于壓縮機(jī)的運(yùn)行壓比限制，其為換熱器提供的傳熱溫差一般為5～8 ℃，無(wú)法滿足升膜蒸發(fā)器的運(yùn)行條件。因此，常規(guī)升膜蒸發(fā)器在鈦液MVR 蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)中并不適用。

3.2 橫管降膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特點(diǎn)

橫管降膜蒸發(fā)器又稱水平管降膜蒸發(fā)器，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示，通過(guò)液體分布裝置將待蒸發(fā)料液均勻地噴淋到水平管束上，在重力擾流及撞擊流的作用下，液膜沿著換熱管外壁向下流動(dòng)并在下一層管束外表面迅速鋪展成膜。橫管降膜蒸發(fā)器具有傳熱系數(shù)大，有效傳熱溫差衰減小，溶液溫度分布均勻，安裝高度低等優(yōu)點(diǎn)，其在鈦液MVR 蒸發(fā)濃縮領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。橫管降膜蒸發(fā)器對(duì)傳熱溫差要求較小，只要該系統(tǒng)存在傳熱溫差，蒸發(fā)器便可正常運(yùn)行，因此可適當(dāng)降低壓縮機(jī)的排氣壓力及排氣溫度，壓縮機(jī)的能耗及設(shè)備腐蝕速率均將隨之降低。

圖5 橫管降膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

隨著能源價(jià)格上漲，鈦白粉的生產(chǎn)成本逐年增大，GB 32051—2015《鈦白粉單位產(chǎn)品能源消耗限額》[9]標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)鈦白粉生產(chǎn)的標(biāo)煤能耗提出了明確要求，節(jié)能降耗已成為鈦白粉生產(chǎn)企業(yè)的首要任務(wù)，淘汰落后生產(chǎn)工藝，應(yīng)用節(jié)能新技術(shù)是當(dāng)前鈦白粉生產(chǎn)企業(yè)提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，降低生產(chǎn)成本的主要途徑。MVR 技術(shù)具有節(jié)能效果顯著，操作條件溫和等特點(diǎn)，其在鈦液、硫酸鎳、硫酸銅、硫酸鉻等強(qiáng)酸性溶液蒸發(fā)濃縮過(guò)程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文分析認(rèn)為，在鈦液低溫高腐蝕的蒸發(fā)工況下，羅茨式壓縮機(jī)耦合橫管降膜蒸發(fā)器較適用于鈦液MVR 蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)，可有效解決系統(tǒng)設(shè)備腐蝕及換熱器結(jié)垢堵塞等問(wèn)題。