淺析影響預(yù)熱母液溫度的因素

沙朝建

（江蘇井神鹽化股份有限公司 淮安堿廠，江蘇 淮安 223200）

氨堿法制純堿工藝中蒸餾工序的作用是盡可能的將濾過母液中的NH3和CO2驅(qū)出，以供碳化工序制堿之用。基本流程是濾過母液經(jīng)過換熱成為溫母液，再經(jīng)過游離氨蒸餾塔（預(yù)熱段）蒸餾驅(qū)出部分游離氨和幾乎全部的CO2后成為預(yù)熱母液，預(yù)熱母液與灰乳或灰粉在預(yù)灰桶內(nèi)進(jìn)行調(diào)和反應(yīng)成為調(diào)和液，最后調(diào)和液進(jìn)入固定銨蒸餾塔（加熱段）蒸餾出幾乎全部的游離氨。整個(gè)蒸餾過程看似簡單，其實(shí)參與的化學(xué)反應(yīng)和物理反應(yīng)是比較繁雜的。

預(yù)熱母液CO2含量是蒸餾工序重要的控制指標(biāo)之一，它關(guān)系到純堿單位石耗和蒸餾廢液中固體廢棄物當(dāng)量。在生產(chǎn)操作中，預(yù)熱母液CO2濃度的高低主要是由預(yù)熱母液溫度的穩(wěn)定控制所決定，但操作者往往只關(guān)注蒸餾塔中部溫度而忽視塔底預(yù)熱母液溫度，造成溫母液在游離氨蒸餾塔內(nèi)不能有效地蒸餾出CO2，從而引起預(yù)熱母液進(jìn)入預(yù)灰桶后消耗更多的石灰乳或者灰粉，以及出現(xiàn)廢液含氨偏高等現(xiàn)象?？梢哉f預(yù)熱母液溫度是蒸餾塔操作工況的“晴雨表”，我們應(yīng)重視其不達(dá)標(biāo)帶來的負(fù)面影響。筆者結(jié)合理論和實(shí)際生產(chǎn)分析影響預(yù)熱母液溫度的主要因素。

1 理論分析

預(yù)熱段蒸餾是NH3、CO2、H2O三者氣液平衡的過程，同時(shí)溶液中存在穩(wěn)定的NH4Cl和NaCl的影響，要驅(qū)盡母液中的CO2，需要有高效率的熱質(zhì)傳遞裝置，適宜的溫度、壓力等條件。通常都是采用蒸汽與溶液直接傳熱，首先蒸汽本身的顯熱和冷凝放出的大量潛熱，推動(dòng)溶液中NH3和CO2不斷解析；其次由于蒸汽的大量存在使氣相中NH3和CO2的實(shí)際分壓低于溶液表面的平衡分壓，從而加快NH3和CO2的質(zhì)量傳遞；再次蒸汽在塔內(nèi)快速攪動(dòng)溶液，使蒸汽與溶液充分接觸，加快了NH3和CO2的解析。由于進(jìn)入游離氨塔的蒸汽含有大量的氨氣，以及氨具有極易溶于水的物理性質(zhì)，即使在100℃，溶解度還是很大（7%），因此NH3不可能在預(yù)熱段驅(qū)除盡。而CO2又易溶于含氨溶液，導(dǎo)致在較高溫度下預(yù)熱母液也會(huì)含有少量的CO2。影響CO2含量的因素比較多，但是當(dāng)蒸餾流程和設(shè)備結(jié)構(gòu)確定之后，影響預(yù)熱母液中CO2含量的關(guān)鍵因素是溫度。預(yù)熱母液溫度受母液、蒸汽以及塔型、塔壓等因素共同影響。

圖1 母液蒸餾工藝流程圖

2 影響因素分析

2.1 母液溫度的影響

如果進(jìn)入游離氨塔的母液溫度原本就低，那么維持最大限度蒸出CO2所需的熱量就更多。無論是通過提高蒸汽溫度還是增加蒸汽量都會(huì)增加蒸餾塔的熱負(fù)荷，從而改變了原有的操作工況。從流程上看，濾過母液先經(jīng)過氨氣冷凝器換熱再進(jìn)入游離氨塔上部。如果氨氣冷凝器換熱效果降低將會(huì)造成溫母液溫度下降，同時(shí)低溫的母液進(jìn)入游離氨塔后與氨蒸汽直接換熱，會(huì)產(chǎn)生更多的冷凝液，隨母液一起蒸餾。這些都增加了蒸餾塔的負(fù)荷。在同樣170 m3／h母液蒸量的情況下，我廠2013年冷凝器出液溫度平均61℃，而2014年冷凝器出液溫度平均只有55℃，遠(yuǎn)低于68℃的操作指標(biāo)，從而造成了預(yù)熱母液溫度偏低、提高溫度困難的現(xiàn)象。圖2為170 m3／h蒸量和78℃游離氨塔出氣溫度條件下進(jìn)游離氨蒸餾塔熱母液溫度趨勢圖，分析原因主要是由于冷凝器長期使用造成列管內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重導(dǎo)致傳熱效果下降，以及游離氨塔出氣溫度不足引起的。

圖2 進(jìn)游離氨塔熱母液溫度對(duì)比圖

2.2 母液蒸量是蒸餾塔負(fù)荷的重要參數(shù)之一

蒸汽的使用量隨母液蒸量變化而變化，每一次蒸量調(diào)節(jié)都容易帶來塔溫的波動(dòng)。這會(huì)給預(yù)熱母液溫度的控制帶來困難，操作中應(yīng)避免頻繁調(diào)節(jié)蒸量。另外，大蒸量運(yùn)行往往比小蒸量更容易操作，主要是小蒸量操作時(shí)，低負(fù)荷篩板塔容易造成塔板漏液，板效率降低，同時(shí)容易引起液體偏流和溫度失控的現(xiàn)象。而過大蒸量操作，塔內(nèi)阻力降會(huì)明顯升高，液體停留時(shí)間短，超出了塔板操作彈性極限，傳熱傳質(zhì)不能達(dá)到工藝要求。為此欲維持蒸餾塔平穩(wěn)運(yùn)行，必須使母液蒸量控制在適宜的范圍內(nèi)。

2.3 蒸汽熱值的影響

蒸汽的熱值由蒸汽溫度和壓力共同決定，它們是維持蒸餾塔正常作業(yè)的基礎(chǔ)。在蒸汽流量恒定的情況下，蒸汽溫度及壓力變化會(huì)造成預(yù)熱母液溫度的波動(dòng)。我廠蒸汽由熱電公司供給的0.5MPa低壓蒸汽，蒸汽溫度和壓力都不是很穩(wěn)定，對(duì)我們蒸餾塔的操作帶來一定的影響。

2.4 氣體流速的影響

當(dāng)母液蒸量和蒸汽量恒定的情況下，以及母液成分相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，塔內(nèi)氣體流速一般是不變的。適宜的氣速能夠有效的提高塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)效率。但實(shí)際上母液成分是有變化的。當(dāng)母液成分發(fā)生變化時(shí)，蒸餾塔內(nèi)氨蒸汽量將隨之變化，氣體流速也會(huì)隨之變化，從而造成蒸餾塔塔溫和預(yù)熱母液溫度的變化。為保持蒸餾塔的工況穩(wěn)定我們需要進(jìn)行蒸汽流量的調(diào)節(jié)。另一方面，當(dāng)母液蒸量做出調(diào)整時(shí)，蒸汽量也需要相應(yīng)的調(diào)整。如果蒸汽量大加大減，氣體流速和塔壓都會(huì)大幅度的波動(dòng)，從而造成塔況的急劇波動(dòng)。操作中我們應(yīng)極力避免蒸汽量的大幅調(diào)節(jié)。影響蒸汽流量的因素比較多，比如蒸汽熱值、母液蒸量、塔壓、塔溫以及人為因素等，通常情況以預(yù)熱母液溫度和廢液氨為參考調(diào)節(jié)蒸汽流量。

2.5 塔壓的影響

壓力蒸餾與真空蒸餾對(duì)塔溫控制的影響比較大。在壓力操作情況下，預(yù)熱母液溫度可達(dá)96～98℃，而真空操作情況下，溫度可低至90～92℃，另外不同壓力下預(yù)熱母液CO2含量是不一樣的。真空蒸餾會(huì)明顯的影響預(yù)熱母液CO2驅(qū)凈率，低溫對(duì)碳酸鹽類的分解遠(yuǎn)不及高溫強(qiáng)烈，溫度的操作指標(biāo)應(yīng)以預(yù)熱母液CO2含量為依據(jù)。

2.6 預(yù)熱母液泵的影響

圖3 預(yù)熱母液泵電流與其他相關(guān)參數(shù)變化趨勢圖

如果蒸餾塔只是傳統(tǒng)的預(yù)熱段與蒸餾段相疊加結(jié)構(gòu)，預(yù)熱母液自流入預(yù)灰桶，那么通過上述因素控制預(yù)熱母液溫度不是困難的，但如果蒸餾塔并非采用傳統(tǒng)的疊加方式，而是采用并行排列方式通過泵將預(yù)熱母液送至預(yù)灰桶頂，那就可能存在預(yù)熱母液流量不穩(wěn)定的情況。如泵進(jìn)出口閥門控制、游離氨塔液面控制、預(yù)熱母液溫度、氣相壓力等等。如圖3所示，在170m3／h母液蒸量的情況下，預(yù)熱母液溫度與預(yù)熱母液泵電流的變化是對(duì)應(yīng)的。當(dāng)預(yù)熱母液泵電流下降時(shí)，預(yù)熱母液流量也隨之減少，預(yù)熱母液溫度將相應(yīng)的升高；反之當(dāng)泵電流升高時(shí)，預(yù)熱母液溫度將相應(yīng)的下降。

每一次溫度的波動(dòng)都伴隨著泵電流的先降低后升高再降至正常電流的過程。我們分三個(gè)階段解析預(yù)熱母液泵電流變化的過程：

首先是電流下降過程。在負(fù)壓蒸餾的情況下游離氨塔底呈負(fù)壓，預(yù)熱母液溫度較高（高于90℃）且含有易揮發(fā)的游離氨，同時(shí)不斷有大量的蒸汽進(jìn)入塔底。當(dāng)游離氨塔底液面很低或者被拉空時(shí)，泵葉輪葉片入口附近預(yù)熱母液壓力低于或等于當(dāng)前溫度下飽和蒸汽壓力，預(yù)熱母液開始汽化，同時(shí)液體內(nèi)游離氨也在加速逸出，多重因素導(dǎo)致了汽蝕余量降低。根據(jù)離心泵汽蝕原理，此狀態(tài)下預(yù)熱母液泵很容易汽蝕。一旦預(yù)熱母液泵發(fā)生汽蝕，泵內(nèi)將發(fā)出巨大的噪音和振動(dòng)。不僅泵電流和輸送流量會(huì)快速下降，而且汽蝕對(duì)泵的損傷也是極大的。我廠經(jīng)常因泵損壞或者管道法蘭漏點(diǎn)而被迫停塔處理。根據(jù)圖中泵電流值顯示，泵發(fā)生汽蝕后仍然是上量的，只是輸送量大幅減少。此時(shí)固定銨塔出氣溫度快速上升，預(yù)熱母液溫度、游離氨塔中部溫度和出氣溫度也隨固定銨塔出氣溫度升高而依次升高，這造成了游離氨塔熱負(fù)荷快速上升。需要說明的是泵汽蝕現(xiàn)象對(duì)游離氨蒸餾塔高負(fù)荷作業(yè)影響更為顯著。這是因?yàn)樵诟哓?fù)荷運(yùn)行時(shí)，汽蝕造成的流量與正常作業(yè)時(shí)的流量偏差更大。而在低蒸餾運(yùn)行時(shí)，泵的汽蝕狀態(tài)仍然能夠滿足一定的流量輸出，因而掩蓋了泵汽蝕造成的波動(dòng)。但是此時(shí)泵的振動(dòng)和汽蝕對(duì)泵的沖刷破壞是一直存在的。預(yù)熱母液泵一直處于抽空狀態(tài)，此過程猶如一個(gè)連鎖反應(yīng)，如果此時(shí)操作者不立即采取措施，塔溫、預(yù)熱母液溫度、氨鹽水和廢液氨指標(biāo)等都將全部失控，蒸餾塔操作工況將被嚴(yán)重破壞。操作者通過調(diào)整蒸量或者調(diào)節(jié)預(yù)熱母液泵電流都可以達(dá)到消除泵汽蝕現(xiàn)象，但引起的系統(tǒng)溫度波動(dòng)也是必然的。根據(jù)圖中所示和上述分析，我們知道泵汽蝕僅僅是塔況破壞的開始，如果操作者調(diào)整不及時(shí)，預(yù)熱母液泵汽蝕現(xiàn)象可持續(xù)很久。

其次是電流上升過程。如圖所示，當(dāng)游離氨塔底液面上升到足以克服汽蝕余量時(shí)，預(yù)熱母液泵會(huì)自動(dòng)恢復(fù)正常流量。如果泵的進(jìn)出口閥門處于失控狀態(tài)，此時(shí)的預(yù)熱母液泵的流量會(huì)大大超過正常母液蒸量對(duì)應(yīng)的流量。進(jìn)入預(yù)灰桶和固定銨塔液體負(fù)荷就會(huì)大大增加，由此帶來固定銨塔出氣溫度以及預(yù)熱母液溫度的降低。根據(jù)圖中泵電流可知，此時(shí)預(yù)熱母液輸送量很大，明顯高于正常流量，再加之操作者的減蒸汽，固定銨塔出氣溫度下降得很快，游離氨塔預(yù)熱母液、中部溫度和出氣溫度也都快速下降。操作者此時(shí)應(yīng)該及時(shí)降低預(yù)熱母液泵電流，適當(dāng)增加補(bǔ)充蒸汽，以平衡預(yù)熱母液流量與蒸汽量，否則塔溫驟降并且游離氨塔底很快會(huì)被拉空。

最后是電流下降至正常的過程。如圖所示，由于預(yù)熱母液泵電流很大，塔底液面很快又被拉空，泵電流也隨之下降。蒸餾塔出氣溫度、塔溫和預(yù)熱母液溫度在經(jīng)歷快速下降后又開始回升。我們可以看出，預(yù)熱母液泵由于閥門開度過大，并沒有起到控制塔底液位的作用。而塔底的再次拉空又將是下一次泵汽蝕的開始。所以游離氨塔底液位作為泵汽蝕的關(guān)鍵因素之一，我們必須引起足夠的重視。

預(yù)熱母液泵的汽蝕始末不僅嚴(yán)重地破壞了蒸吸指標(biāo)，而且變相地大幅加減母液蒸量，嚴(yán)重的影響蒸餾塔的作業(yè)周期。為此我廠將早已損壞的預(yù)熱母液返回自調(diào)閥重新改造投入使用，通過在預(yù)熱母液泵出口增加返回自調(diào)閥控制塔底液位。自投入運(yùn)行以來效果很好，預(yù)熱母液泵很少出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，游離氨塔中部溫度和預(yù)熱母液溫度也穩(wěn)定的多。但隨后又出現(xiàn)了新的問題，如圖4預(yù)熱母液溫度隨著塔底液位的波動(dòng)而波動(dòng)，而且波動(dòng)有時(shí)會(huì)越來越大。這主要是因?yàn)榉祷刈哉{(diào)閥的開度隨塔底液位的高低而自動(dòng)調(diào)節(jié)，造成返回量時(shí)大時(shí)小，那么進(jìn)入預(yù)灰桶的預(yù)熱母液流量也就隨之波動(dòng)。考慮到自調(diào)閥可能過于靈敏，儀表將自調(diào)閥調(diào)節(jié)速度減慢，但效果甚微。所以還是建議操作者通過手動(dòng)閥控制塔底液位，待液位穩(wěn)定后可轉(zhuǎn)為自調(diào)閥控制。

圖4 游離氨塔液位、預(yù)熱母液泵與預(yù)熱母液溫度變化趨勢圖

2.7 放砂的影響

當(dāng)蒸餾工序采用灰粉代替灰乳進(jìn)行調(diào)和反應(yīng)時(shí)，一方面蒸氨過程回收了灰粉消化放出的大量熱量，節(jié)約了蒸汽。但另一方面灰粉內(nèi)含有生燒的石灰，致石耗有所增加以及調(diào)和液含砂量增多，容易減少固定銨蒸餾塔作業(yè)周期。目前主要是通過增加放砂系統(tǒng)來減少砂粒進(jìn)入固定銨蒸餾塔，但是我廠放砂存在塔溫波動(dòng)的情況。圖5是我廠2h／次的放砂與預(yù)熱母液溫度對(duì)比圖。出現(xiàn)塔溫波動(dòng)的原因是由于每次放砂約有6m3的調(diào)和液直接通過放砂系統(tǒng)排出蒸餾系統(tǒng)，導(dǎo)致預(yù)灰桶的調(diào)和液在放砂期間出現(xiàn)流量波動(dòng)。由于調(diào)和液是通過預(yù)灰桶進(jìn)入沉砂器再溢流進(jìn)入固定銨塔頂部，所以此時(shí)調(diào)和液進(jìn)入固定銨塔的量出現(xiàn)流量瞬減現(xiàn)象。如果以230m3／h調(diào)和液和20m3／h洗砂量計(jì)算，填補(bǔ)預(yù)灰桶液位需要1.4min。此過程會(huì)造成固定銨塔出氣溫度短暫地快速升高。當(dāng)蒸餾塔高負(fù)荷作業(yè)時(shí)，游離氨塔受固定銨塔出氣溫度升高影響，預(yù)熱母液溫度快速升高約3～5℃。這對(duì)已經(jīng)處于塔底空液位的預(yù)熱母液泵無疑是致命的。在這種情況下放砂造成的預(yù)熱母液泵汽蝕占了很大比例。但如果游離氨塔底有足夠高的液位以克服汽蝕余量，那么就不容易出現(xiàn)泵汽蝕的問題。因此，對(duì)于放砂過程，游離氨塔底的液位控制顯得尤為重要。

從理論上講，在放砂過程中預(yù)熱母液溫度應(yīng)該是先升高再下降至原來溫度的過程，對(duì)蒸餾塔周期和預(yù)熱母液CO2含量以及廢液含氨并沒有影響。但從圖中可以看出，放砂后預(yù)熱母液溫度卻低于放砂前的溫度，這是因?yàn)椴僮髡呓?jīng)常擔(dān)心放砂造成塔溫過高而提前大幅度減補(bǔ)充蒸汽，從而擴(kuò)大了預(yù)熱母液溫度的波動(dòng)范圍和時(shí)間。蒸餾操作是忌諱大幅度調(diào)節(jié)蒸汽量的，針對(duì)放砂時(shí)的溫度波動(dòng)，我們可以小幅度調(diào)節(jié)蒸汽以減少溫度波動(dòng)，但絕不是大幅度調(diào)節(jié)。

圖5 砂泵電流、預(yù)熱母液溫度和固定銨塔頂溫度趨勢圖

3 解決措施

綜合原因分析，建議采取以下措施：

①建議利用掃塔機(jī)會(huì)對(duì)冷凝器定期進(jìn)行酸洗清除列管結(jié)疤，以及回收利用其它熱源比如重灰爐氣、凈化清廢液或者煅燒蒸汽冷凝水等將母液溫度提高至合格指標(biāo)內(nèi)。

②保持蒸餾塔較高負(fù)荷運(yùn)行，要求蒸量不變，以蒸量定碳化放量。實(shí)際操作中應(yīng)遵循微調(diào)的原則，禁止對(duì)母液蒸量、蒸汽量以及灰乳和洗砂量等大加大減。保持與調(diào)度和相關(guān)崗位常聯(lián)系，出現(xiàn)事故時(shí)有預(yù)判性的加減量，盡量做到少調(diào)節(jié)或不調(diào)節(jié)。

③通過增加自調(diào)閥穩(wěn)定蒸汽壓力，同時(shí)充分利用好煅燒冷凝回水二次閃發(fā)蒸汽。這不僅能夠回收煅燒余熱，還能穩(wěn)定低壓蒸汽溫度，為蒸餾塔穩(wěn)定操作創(chuàng)造條件。此技改在我廠已經(jīng)實(shí)施，投入運(yùn)行后效果良好。

④游離氨塔底足夠高液位能夠有效的避免泵汽蝕。重要的是作為蒸餾操作者要高度重視游離氨塔底液位，并有效穩(wěn)定進(jìn)行控制。一是建議操作者通過手動(dòng)閥控制塔底液位，待液位穩(wěn)定后可轉(zhuǎn)為自調(diào)閥控制；二是建議在預(yù)熱母液管線增加流量計(jì)，設(shè)定與蒸餾相對(duì)應(yīng)的預(yù)熱母液流量值通過返回閥自動(dòng)控制塔底液位，不僅能夠避免泵汽蝕，還能避免因泵輸送造成的流量波動(dòng)；三是高度關(guān)注和適當(dāng)控制預(yù)熱母液泵適宜的做功電流，避免有大量返回量造成能耗的損失。

⑤關(guān)于放砂，操作者必須嚴(yán)格按照操作規(guī)程放砂，同時(shí)不要在放砂時(shí)大幅調(diào)整補(bǔ)充蒸汽。

4 總 結(jié)

綜上所述，影響預(yù)熱母液溫度的因素是多方面的，有些時(shí)候是多個(gè)原因共同造成的。尤其是預(yù)熱母液泵的問題，我們要引起更多的重視。當(dāng)預(yù)熱母液溫度發(fā)生變化時(shí)，我們不能簡單地加減蒸汽，而是應(yīng)在熟悉工藝流程、設(shè)備構(gòu)造以及儀表類型等基礎(chǔ)上觀察數(shù)據(jù)的趨勢，同時(shí)還要對(duì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，區(qū)分出先后順序，這樣才能有助于我們更準(zhǔn)確的分析和排查原因，找出具體問題才能對(duì)癥下藥。

預(yù)熱母液溫度的控制是整個(gè)蒸餾系統(tǒng)的前瞻性控制過程，如果我們能夠有效地控制好預(yù)熱母液溫度及相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，蒸餾工序的操作穩(wěn)定性將大大升高。由此帶來的是工藝技術(shù)指標(biāo)的提升和能耗物耗的大幅度降低。重要的是要對(duì)預(yù)熱母液溫度指標(biāo)的重視以及對(duì)影響其操作過程的波動(dòng)各因素分析。這也是蒸吸工程師及高級(jí)操作人員所應(yīng)該掌握的技術(shù)。