淺談變換氣制堿裝置中雙外冷碳化塔的運行總結(jié)

令狐永久

（山西豐荷三聚氰胺有限公司，山西運城 044000）

淺談變換氣制堿裝置中雙外冷碳化塔的運行總結(jié)

令狐永久

（山西豐荷三聚氰胺有限公司，山西運城 044000）

闡述了自然循環(huán)雙外冷碳化塔的結(jié)構(gòu)及工作原理；通過改造裝置性能得到提升，單塔生產(chǎn)能力由原來的120t／d提高到150t／d，作業(yè)周期也由10天左右提高到30多天，經(jīng)過7年的運行，證明外冷碳化塔優(yōu)勢明顯，前景廣闊。

變換氣制堿；自然循環(huán)雙外冷碳化塔；結(jié)構(gòu)；工作原理

在純堿生產(chǎn)中碳化工序是其心臟，而碳化塔又是碳化工序的關(guān)鍵設(shè)備。碳化塔選型一旦確定，直接影響到將來純堿生產(chǎn)的各項指標的完成、消耗的高低、質(zhì)量的優(yōu)劣，甚至是投資的高低。對于準備新建或擴建的純堿廠來說，碳化塔的選型是一個非常重要的決策。目前我國純堿生產(chǎn)企業(yè)大多數(shù)都采用鑄鐵內(nèi)冷式索爾維塔或鋼制碳化塔，而這些碳化塔內(nèi)部表面，特別是冷卻管表面粗糙，易結(jié)疤，一般運行16～24h就需要停塔進行清洗，經(jīng)常性的清洗倒換塔造成生產(chǎn)工藝波動，也給生產(chǎn)實現(xiàn)自動化增加了困難。稷山純堿分公司在2003年建設(shè)15萬t／a純堿項目時，經(jīng)過考察調(diào)研最終采用了中國成達工程有限公司開發(fā)的“自然循環(huán)雙外冷碳化塔”（以下簡稱：外冷碳化塔），經(jīng)過7年的運行，我們認為外冷碳化塔優(yōu)勢明顯，前景廣闊。

1 外冷碳化塔的結(jié)構(gòu)及工作原理

外冷碳化塔是由塔體及外冷器兩部分組成，外冷器通過氣動角閥與塔體連接，塔內(nèi)從上到下分別有：10塊篩板、5個菌帽、4個小中心筒、1個大中心筒和1個立帽組成。塔內(nèi)上部篩板結(jié)構(gòu)主要是增強CO2吸收，篩板以下由菌帽和中心管構(gòu)成多個全混反應釜單元。

由結(jié)晶動力學可知，結(jié)晶主要分為兩個過程：第一過程為結(jié)晶核的生成，即溶質(zhì)在過飽和溶液中析出微小的結(jié)晶體；第二過程為結(jié)晶體的成長過程，即不同的結(jié)晶核相互碰撞、結(jié)合成較大的結(jié)晶體；改變影響晶核形成速度和結(jié)晶成長速度的因素，就可控制結(jié)晶體的大小。碳酸氫鈉的結(jié)晶也遵循結(jié)晶的一般規(guī)律，它也受諸多因素影響，其中最主要的是碳化液的過飽和度（S）、碳化溫度（T）及CO2循環(huán)鼓泡程度。晶核生成速度v生成＝f（s）3，晶體成長速度v成長＝f（t·s）3。碳酸氫鈉在碳化塔內(nèi)析出時，其粒度的大小與過飽和度的關(guān)系極大，因此適當?shù)亟档腿芤旱倪^飽和度使晶核的生成速度不致太快，盡量控制v生成＝v成長以得到粒度較大的碳酸氫鈉結(jié)晶。

外冷碳化塔是利用塔內(nèi)含氣液體與外冷器內(nèi)基本不含氣液體之間存在著濃度差進行循環(huán)，以濃度差即溶液的過飽和度作為循環(huán)推動力。溶液的過飽和度的大小直接影響成核和晶體成長過程的快慢，而這兩個過程的快慢又影響著晶體產(chǎn)品的粒度分布，因此，過飽和度是結(jié)晶過程中一個極其重要的參數(shù)。這樣把部分塔下部過飽和度低且?guī)в芯Я５乃貉h(huán)到塔的中上部，既可降低塔中上部的過飽和度，又把部分晶粒補充到中上部起到晶核作用，相對延長停留時間，使結(jié)晶長得大而均勻。塔內(nèi)各段的中央循環(huán)管進行本段母液的循環(huán)，循環(huán)管外面產(chǎn)生3層環(huán)形氣泡，氣體大部分從底部進入，先經(jīng)過各段的分布器，再到達分氣環(huán)把大氣泡分散為小氣泡，沿中央循環(huán)管外部的環(huán)形間隙上升、分散的氣泡把母液汽化，使母液的密度下降，上升的雙向流體受氣流的推動上升到本段中央循環(huán)管的上端，氣泡離開雙向流體經(jīng)本段上部的分氣裝置進入上一段結(jié)構(gòu)，這時氣體形成連續(xù)相，進入中央循環(huán)管喇叭型溢流入口 ，管內(nèi)連續(xù)的液相恢復到原來的密度，靠中央循環(huán)管內(nèi)、外介質(zhì)的密度差推動母液下行，再由管底部流入環(huán)形截面內(nèi)又遇到鼓泡作用強行上升，形成強烈的軸向循環(huán)，從而使NaHCO3的過飽和度下降，晶體得以成長，晶粒數(shù)目得到抑制，使晶體逐漸長大，且自上而下形成了均勻的結(jié)合氨（CNH3）濃度梯度。

碳化過程中一次晶核的析出數(shù)量與臨界點的溫度和過飽和度有很大關(guān)系。低溫碳化時，碳化液積累到很高的過飽和度后爆發(fā)產(chǎn)生大量一次晶核，反之，高溫碳化，臨界點溫度高，析出一次晶核的過飽和度低，析出的晶核數(shù)量就少，加快了塔壁的結(jié)疤速度，且增大了熱負荷，還妨礙碳化塔長期連續(xù)運轉(zhuǎn)。外冷碳化塔由于塔內(nèi)液體上下循環(huán)，即減低了塔中上部的過飽和度，帶上來的細小結(jié)晶又起到了晶核的作用，全塔過飽和度比較均勻，不存在過飽和度高峰區(qū)，也不存在臨界點，有效的解決了臨界點爆發(fā)大量一次晶核的問題。同時，塔液循環(huán)對NaHCO3結(jié)晶有一定的分級作用，粒徑小的結(jié)晶隨循環(huán)液上升到中上部，作為晶種繼續(xù)長大，長大的結(jié)晶則隨著下降的循環(huán)液取出，這有利于小結(jié)晶長大。

2 通過技改，提高碳化塔生產(chǎn)能力

外冷碳化塔制堿技術(shù)屬中國成達工程有限公司和鴻化總廠試驗開發(fā)，經(jīng)化工部鑒定并加以推廣。我公司在試車過程中，由于經(jīng)驗不足，外冷塔作業(yè)周期僅為10天，單塔生產(chǎn)能力僅為120t／d，經(jīng)多次對碳化裝置進行技術(shù)改造，使外冷塔作業(yè)周期大大延長，單塔生產(chǎn)能力大大提高。

2.1 提高入塔CO2氣體流量及AⅡ流量

雙外冷碳化塔分中、下兩段進氣，在生產(chǎn)過程中，我公司采用變換氣制堿，取消中段氣，提高生產(chǎn)負荷，提高下段氣進氣量，一方面，生產(chǎn)負荷提高時，塔內(nèi)的進氣量增加，外冷器的循環(huán)推動力也相對提高，這樣，碳化液進出外冷器的溫差就會減小，外冷器結(jié)疤速度也會隨之減小，進一步提高了外冷器的換熱效果和作業(yè)周期。

2.2 嚴格控制入塔AⅡ液的溫度，防止反應上移

氣體流量對外冷碳化塔的操作非常重要，我公司CO2濃度高達24.8%～26%，加大氣體流量，整個塔反應上移，在篩板上就有NaHCO3結(jié)晶析出，造成篩板結(jié)疤，影響碳化塔作業(yè)周期。我們對整個碳化系統(tǒng)考慮，采取降低AⅡ液的入塔溫度，控制入塔AⅡ液的溫度在30～35℃，防止碳化反應上移。

2.3 通過改造，提高碳化塔作業(yè)周期

2.3.1 角閥

角閥是配置在碳化塔外冷器上的上、下閥門，是為外冷器輪換作業(yè)或清洗而設(shè)計的特殊閥門，因進、出口軸線相交90°角，故稱角閥。它的作用和功能是利用切換閥來控制壓縮空氣的進、出壓差來推動活塞及閥桿做往復運動，連接閥板開啟或閉合。密封結(jié)構(gòu)形式類似截止閥。

原設(shè)計角閥經(jīng)?？ㄋ?，這是碳化塔作業(yè)周期短的一個主要原因。我公司針對角閥的結(jié)構(gòu)和工作原理對角閥的結(jié)構(gòu)進行改造，改造后的角閥操作靈活，且延長了使用壽命，滿足了外冷碳化塔生產(chǎn)工藝需要，減少了維修費用和維修工作量，從根本上解決了因角閥而影響碳化塔作業(yè)周期的問題。

2.3.2 外冷器

自然循環(huán)雙外冷碳化塔外掛2個冷卻器，由氣動角閥連接。由于碳鋼列管外冷器采用熱固化防腐，防腐工藝復雜，很難達到防腐要求，防腐層極易脫落而造成外冷器結(jié)疤堵管，同時，脫落了防腐層的地方又因傳熱系數(shù)過大使母液過飽和度消失而產(chǎn)生大量細小晶核，影響結(jié)晶質(zhì)量。因此我公司采用鈦列管外冷器，延長了外冷器的作業(yè)周期。

3 運行效果及存在問題

2003～2010年，經(jīng)過多次技術(shù)改造，基本上完善了外冷碳化塔制堿技術(shù)，使單塔生產(chǎn)能力由原來的120t／d提高到150t／d，作業(yè)周期也由10天左右提高到30多天，碳化塔的污水排放量大幅度減少了。

通過多年來的生產(chǎn)運行，我們認為外冷碳化塔有許多優(yōu)勢，特別是單塔生產(chǎn)能力大和結(jié)晶質(zhì)量好，在國內(nèi)屬領(lǐng)先地位，但也存在以下問題：

1）外冷碳化塔對負荷波動比較敏感，還需進一步摸索負荷波動大及低負荷運行的操作方法。

2）作業(yè)周期還未達到設(shè)計值，還需要進一步挖掘外冷碳化塔的潛能。

4 結(jié) 語

外冷碳化塔解決了反應液在塔外冷卻問題，塔體可長期連續(xù)作業(yè)，提高了碳化塔的利用率，節(jié)省了設(shè)備投資和動力消耗；二氧化碳吸收率高，碳酸氫鈉結(jié)晶質(zhì)量好，平均粒度大，適合于離心過濾技術(shù)；單塔生產(chǎn)能力大，既可單塔自成一系統(tǒng)，也可多塔編組作業(yè)；具有操作方便，占地面積小，能耗低等優(yōu)點?，F(xiàn)該技術(shù)在變換氣制堿中已廣泛采用。

TQ 114.162

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1005－8370（2010）06－27－03

2010－08－06

令狐永久（1964—），1986年畢業(yè)于太原工業(yè)大學化工系，工程師。現(xiàn)任山西豐荷三聚氰胺有限公司總經(jīng)理。