φ3000篩板碳化塔的使用和操控要點(diǎn)

沙朝建

(江蘇井神鹽化股份有限公司淮安堿廠，江蘇淮安 223200)

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φ3000篩板碳化塔的使用和操控要點(diǎn)

沙朝建

(江蘇井神鹽化股份有限公司淮安堿廠，江蘇淮安 223200)

為了加強(qiáng)篩板碳化塔操作，延長(zhǎng)篩板碳化塔的制堿周期，發(fā)揮與菌帽塔的組合優(yōu)勢(shì)，本文從篩板碳化塔的塔板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用上，分析其性能和操作控制要點(diǎn)，優(yōu)化篩板塔操作，突出與菌帽塔的操作區(qū)別。

篩板；碳化塔；結(jié)構(gòu)；應(yīng)用；操控

自篩板碳化塔引入國(guó)內(nèi)以來，已經(jīng)在多家純堿企業(yè)投入使用，因其出色的塔板效率和生產(chǎn)能力備受關(guān)注。尤其是在國(guó)家對(duì)新建純堿廠的產(chǎn)能門檻越來越高的情況下，這種大型純堿生產(chǎn)裝置已不斷的受到重視。但是我們?cè)陉P(guān)注塔板效率和生產(chǎn)能力的同時(shí)，也應(yīng)該關(guān)注篩板碳化塔的作業(yè)情況和操作控制。

江蘇井神鹽化股份有限公司淮安堿廠(以下簡(jiǎn)稱“淮堿”)在原來五臺(tái)菌帽(即索爾維式)碳化塔的基礎(chǔ)上增加了一臺(tái)篩板碳化塔，編入同一組運(yùn)行，以此提高生產(chǎn)能力。但投入運(yùn)行以后，發(fā)現(xiàn)篩板碳化塔在性能上與菌帽塔存在一定的差異，不能完全等同于菌帽塔的操作，如果操作不當(dāng)容易縮短作業(yè)周期。為了加強(qiáng)篩板碳化塔操作，延長(zhǎng)篩板碳化塔的制堿周期，發(fā)揮兩塔同組運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)，下面從篩板碳化塔的塔板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用分析其性能和操作要點(diǎn)。

1 篩板碳化塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

篩板碳化塔的特點(diǎn)是深液層、大孔徑和低開孔率。正常情況下，篩板碳化塔的液層高度由氣、液相區(qū)壓力平衡控制，氣體以噴射狀態(tài)進(jìn)入液體層，被破碎成大量細(xì)泡，篩孔處堿液形成湍流狀，可有效地減少篩孔堵塞和漏液的現(xiàn)象。深液層和大量細(xì)泡混合為氣液的充分接觸創(chuàng)造了條件，加快了液膜表面的更新速度，有利于碳酸化反應(yīng)的快速進(jìn)行。

篩板碳化塔也不同于菌帽碳化塔，如圖1所示，液體經(jīng)篩板和降液管導(dǎo)流成“弓”字形流動(dòng)，氣液流向呈十字交叉，氣液分道，互不干擾。而菌帽碳化塔是由多層“蘑菇頭”形狀的結(jié)構(gòu)單元組成，氣液流向?yàn)椤癦”字形逆向流動(dòng)，氣液同道。而碳化塔的下部冷卻段則都采用菌帽和冷卻水箱交替疊加而成的結(jié)構(gòu)。

圖1 篩板碳化塔(左)與菌帽塔(右)結(jié)構(gòu)示意圖

與菌帽塔相比，篩板碳化塔有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)篩板塔氣液分道，不易軸向返混；菌帽塔氣液同道，易軸向返混。

2)篩板塔氣液接觸面大，泡沫化均勻，傳質(zhì)效率高；菌帽塔氣液接觸面小，泡沫化不均勻，傳質(zhì)效率低。

3)篩板塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容積利用率高；菌帽塔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容積利用率低。

雖然篩板塔有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是碳酸化反應(yīng)是一個(gè)氣、液、固三相并存的物理化學(xué)反應(yīng)，深液層、低開孔率與結(jié)晶沉降可以說是相互矛盾的，篩板上要形成足夠的湍流強(qiáng)度，必須要通入大量氣體。而菌帽塔作為碳化塔已有百年的歷史，因獨(dú)特的菌帽設(shè)計(jì)，整體的穩(wěn)定性和容錯(cuò)率相對(duì)較高，受到了眾多純堿企業(yè)的認(rèn)可。我們將高產(chǎn)能的篩板塔和操作彈性大的菌帽塔編入同組運(yùn)行，通過合理的調(diào)整，揚(yáng)長(zhǎng)避短，同時(shí)發(fā)揮兩塔型的優(yōu)點(diǎn)，使其成為一種全能的碳化塔組合，提高了碳化塔的整體運(yùn)行效率。

2 篩板塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)與技術(shù)性能

淮堿于2011年增加了一臺(tái)篩板碳化塔，同其他5臺(tái)φ3000/3400異徑菌帽碳化塔并為一組，實(shí)行六塔一組運(yùn)行。鑒于篩板塔與大型菌帽塔同組運(yùn)行在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少，要使用相同的中和水、中段氣、下段氣、出堿槽和碳化尾氣洗滌塔以及相同的制堿和清洗時(shí)間等，因此在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要認(rèn)真考慮到實(shí)際操作和使用的匹配度問題。在吸收國(guó)外篩板塔技術(shù)和國(guó)內(nèi)多年的技術(shù)改造基礎(chǔ)上，淮堿在設(shè)計(jì)參數(shù)、材料和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)等多處進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。運(yùn)行五年來，該篩板塔已經(jīng)能夠很好的和菌帽塔同組作業(yè)。表1為篩板碳化塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和主要的技術(shù)性能指標(biāo)。

表1 篩板碳化塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)與技術(shù)性能

3 篩板碳化塔的應(yīng)用情況

3.1 運(yùn)行指標(biāo)比較

透過窺視鏡觀察，菌帽塔里的碳化液面如同海邊的波浪，一浪接著一浪的起伏，泡沫大小不一；而篩板塔里的碳化液面則相對(duì)平和的多，但液層內(nèi)湍流現(xiàn)象很明顯，泡沫細(xì)小且分散度高，液層高度明顯高于菌帽塔。表2為碳化塔12 h運(yùn)行數(shù)據(jù)和指標(biāo)，以供參考。

從生產(chǎn)數(shù)據(jù)看出：

1)篩板塔的出堿量大于菌帽塔20%多，中上部溫度稍高于菌帽塔。

2)篩板塔的進(jìn)氣總量與出堿量比例相對(duì)較小，吸收效率高。

3)取出液結(jié)合銨高于菌帽塔。

4)篩板塔的結(jié)晶稍好于菌帽塔。

由此可見，篩板塔能保證合格的工藝指標(biāo)和結(jié)晶質(zhì)量，表現(xiàn)出了優(yōu)秀的塔板效率和生產(chǎn)能力。

表2 2016年3月12日20:00～ 8:00生產(chǎn)數(shù)據(jù)(平均值)

注：a)B#、C#為菌帽塔，F(xiàn)#塔為篩板塔。 b)運(yùn)行數(shù)據(jù)來自生產(chǎn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)，下同。

3.2 生產(chǎn)能力計(jì)算

由于兩種塔型同組運(yùn)行，無(wú)法單獨(dú)對(duì)單塔進(jìn)行生產(chǎn)能力測(cè)量，同時(shí)淮堿中、下段氣單塔流量計(jì)存在偏差，僅作為操作調(diào)節(jié)參考，所以通過平穩(wěn)生產(chǎn)時(shí)的日均產(chǎn)量、出堿量和中和水流量進(jìn)行實(shí)際估算。在生產(chǎn)穩(wěn)定的情況下，以碳化塔一個(gè)運(yùn)行周期96 h計(jì)算篩板塔的生產(chǎn)能力，生產(chǎn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 2016年3月8日20:00～ 12日20:00共4天的生產(chǎn)數(shù)據(jù)(平均值)

注：菌帽塔數(shù)據(jù)為各菌帽塔平均值。

碳化塔作業(yè)周期為16/80 h，以小蘇打消耗純堿量0.4 t/t堿，熱堿液回收堿塵量按1%/t堿計(jì)算。出堿液存在帶氣的可能，以中和水流量計(jì)算。

設(shè)篩板塔平均日產(chǎn)量為q噸。

16/96×5×(77.5/94.2×q) +80/96×(4×77.5/94.2×q+q)=(1 605+96×0.4)/99%

計(jì)算得：q≈390 t/d

該篩板塔的實(shí)際生產(chǎn)能力達(dá)到了390 t/d，而結(jié)晶質(zhì)量、重堿水分等均在工藝指標(biāo)之內(nèi)?？梢娫摵Y板塔的高負(fù)荷潛能比較大，超出了300 t/d的設(shè)計(jì)產(chǎn)能。不過在夏季高溫，冷卻水溫對(duì)生產(chǎn)負(fù)荷會(huì)造成一定的影響。

4 篩板碳化塔的操控要點(diǎn)

雖然篩板碳化塔表現(xiàn)出了優(yōu)秀的塔板效率和生產(chǎn)能力，但在生產(chǎn)運(yùn)行中，時(shí)常出現(xiàn)塔況不穩(wěn)和堵塔現(xiàn)象，縮短制堿時(shí)間，打亂作業(yè)周期。因此，有必要加強(qiáng)篩板碳化塔的操作。

4.1 作清洗塔時(shí)的操控要點(diǎn)

在碳化塔制堿過程中，冷卻小管、塔壁和內(nèi)部構(gòu)件會(huì)逐漸形成一層厚厚的NaHCO3結(jié)疤，影響氣液通道和碳化液停留時(shí)間。在制堿周期結(jié)束后需要改為清洗塔，來恢復(fù)碳化塔的制堿和冷卻能力。碳化塔的清洗強(qiáng)度與氨鹽水、中和水(即預(yù)碳化液)的溫度和CO2濃度以及清洗氣量等多方面有關(guān)系。

NaHCO3結(jié)疤主要集中在冷卻段，篩板塔與菌帽塔的冷卻面積基本相同，但冷卻小管管壁更薄，冷卻強(qiáng)度更大，這使得二次晶核更容易析出，導(dǎo)致細(xì)晶附著在冷卻小管上；另外，出堿量大也會(huì)加快碳化塔的結(jié)疤速度(實(shí)際負(fù)荷已高出20%)。當(dāng)清洗氣進(jìn)入塔底后，CO2被快速吸收，進(jìn)入到篩板層時(shí)，體積已縮小約40%，篩孔氣體噴射和液體湍流強(qiáng)度不足，塔圈液位高，漏液現(xiàn)象增多，清洗效果差。

所以，在同樣的清洗周期里，篩板塔需要更強(qiáng)的清洗強(qiáng)度。在以往的操作中，我們往往容易忽視這點(diǎn)，視同菌帽塔清洗操作，造成篩板塔清洗不足。其實(shí)增加清洗氣，不僅有利于清洗堿疤，對(duì)減輕制堿塔負(fù)荷和結(jié)晶質(zhì)量也有積極作用。目前篩板塔清洗時(shí)約進(jìn)8 000 m3/h清洗氣、380 m3/h氨鹽水、控制中和水CO259 tt，以清洗氣CO240%計(jì)，每1 000 m3/h清洗氣約增加1.8 tt中和水CO2。因此清洗氣可再增加2 000～3 000 m3/h，中和水濃度提高到64 tt左右，也可分中段和下段兩段進(jìn)氣來加強(qiáng)清洗。

4.2 作制堿塔時(shí)的操控要點(diǎn)

1)保持充足的中段氣量

前文已經(jīng)講到，篩板塔作清洗塔時(shí)需要充足的進(jìn)氣量，而作制堿塔時(shí)更要如此。中段氣量是篩板碳化塔操作的重點(diǎn)。中段氣量越小，氣體噴射和湍流強(qiáng)度就越小，結(jié)晶顆粒就越容易沉降在篩板上，造成篩孔縮小，氣相阻力增大，造成冒塔或堵塔等現(xiàn)象。用氣量也要平穩(wěn)，尤其是不能大幅度減氣。高負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，建議保持中段氣量在9 000～10 000 m3/h，定中段氣量，調(diào)節(jié)下段氣。

圖2所示是一次其他兩塔換塔導(dǎo)致F#篩板塔塔況惡化時(shí)的趨勢(shì)圖。在圖中12:00位置，壓塔時(shí)調(diào)整兩塔用氣量，使得下段氣總管壓力短時(shí)間升高，致篩板塔下段氣流量從6 200 m3/h加至7 500 m3/h，以及壓塔期間氨鹽水制堿，導(dǎo)致篩板塔中上部溫度迅速上升。操作者此時(shí)立即將中段氣從6 300 m3/h減至4 300 m3/h，下段氣從7 500 m3/h減至4 200 m3/h，總共減少約5 300 m3/h用氣量，導(dǎo)致塔壓迅速下降， 17圈溫度從74 ℃迅速降至50 ℃，反應(yīng)段快速下移，從而導(dǎo)致塔況惡化。

圖2 大幅減少進(jìn)氣量導(dǎo)致F#篩板塔塔況惡化

從圖中可以看出，雖然之后加入了更多的中段氣和下段氣，但是中部塔溫仍然長(zhǎng)時(shí)間提高不起來。即使塔溫上升，也很快因溫度失控而被迫減氣降溫。冷卻水出水溫度從36 ℃降到34 ℃，而且繼續(xù)在下降，說明冷卻管管壁結(jié)疤已經(jīng)在增厚，冷卻效果變差。由于篩板塔負(fù)荷大，流速快，大幅度地減氣很快影響了塔溫和出堿液溫度，更加速了冷卻小管結(jié)疤。

所以，應(yīng)時(shí)刻保持充足的中段氣量。針對(duì)篩板塔的情況，應(yīng)加強(qiáng)換塔操作，例如：壓塔前提高制堿塔液位，降低上部溫度；提高壓塔速度，控制在10 min之內(nèi)，縮短氨鹽水制堿時(shí)間；壓塔時(shí)控制進(jìn)氣流量和壓力的穩(wěn)定，減少用氣量的波動(dòng)；換塔期間注意冷卻水總管壓力穩(wěn)定，防止壓力突然升高，加快冷卻管結(jié)疤。

若出現(xiàn)輕微堵塔情況應(yīng)及時(shí)調(diào)整篩板塔的操作，穩(wěn)定塔況，延長(zhǎng)制堿周期，例如：穩(wěn)定中段氣量，減少下段氣，降低塔溫，將23圈溫度降至47～50 ℃；提高出堿液溫度至33～35 ℃，減緩結(jié)疤速度；降低塔壓至0.31～0.32 MPa。若無(wú)法穩(wěn)定塔況，應(yīng)及時(shí)換為清洗塔，以免堵塔嚴(yán)重，影響清洗效果。

2)提高中下段氣比

由于篩板碳化塔為上段篩板下段菌帽的特殊結(jié)構(gòu)，提高中下段氣比，一是為了保證通過篩孔的氣體呈高度噴射狀；二是為了減少冷卻段堿液攪動(dòng)強(qiáng)度，降低氣液通道干擾，三是為了減少冷卻段放熱量，縮小冷卻管溫差。尤其是負(fù)荷偏低時(shí)，更要注意提高中下段氣比。但過高的中下段氣比會(huì)影響結(jié)晶質(zhì)量，可提高中下段氣比至1.7～2.0左右，在兼顧結(jié)晶質(zhì)量情況下，保證篩板碳化塔的制堿周期。某堿廠中下段氣比達(dá)到了2.5，塔況好于菌帽塔。

顯然，以上兩點(diǎn)是操作好篩板碳化塔的關(guān)鍵點(diǎn)，也是增加篩板碳化塔操作彈性的關(guān)鍵所在。

3)保持較高的生產(chǎn)負(fù)荷

在篩板碳化塔剛投入運(yùn)行期間，操作者對(duì)其性能缺乏認(rèn)識(shí)，在減量檢修期間視同菌帽塔操作，降低了篩板塔生產(chǎn)負(fù)荷，減少用氣量，導(dǎo)致塔況很快惡化，經(jīng)常堅(jiān)持不到制堿周期結(jié)束。經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，鑒于菌帽塔穩(wěn)定性好和操作彈性大的特點(diǎn)，通過降低菌帽塔的生產(chǎn)負(fù)荷來平衡生產(chǎn)，在減產(chǎn)期間繼續(xù)保持篩板塔的高負(fù)荷和大氣量，維持放量70～100 m3/h，使塔況得到了明顯好轉(zhuǎn)。

4)保持較高的塔壓

透過窺視鏡觀察，同塔壓下的篩板塔的液位普遍低于菌帽塔。主要原因：一是篩板碳化塔的有效容積大，塔圈液位高于菌帽塔；二是篩板碳化塔的液層泡沫細(xì)小，液體密度相對(duì)較高；三是篩板開孔率低；四是篩板塔的用氣量大于菌帽塔。所以在相同工況下，篩板塔的塔壓會(huì)更高，這也有利于氣液傳質(zhì)。為了維持合適的液位，塔壓要適當(dāng)?shù)母哂诰敝茐A塔，正?？刂圃?.328±0.005 MPa，菌帽塔塔壓控制在0.320±0.005 MPa比較合適。

5)合理使用冷卻用水

篩板碳化塔的冷卻強(qiáng)度高于菌帽塔，加強(qiáng)冷卻用水操作，減緩冷卻管結(jié)疤速度。注意以下幾個(gè)方面：一、緩慢調(diào)節(jié)冷卻用水；二、開涼水塔高速風(fēng)機(jī)、加循環(huán)冷卻水壓力、壓縮機(jī)出現(xiàn)故障以及大幅減量等，必須提前減少冷卻用水，防止冷卻過激；三、根據(jù)冬夏季溫差變化，合理的調(diào)整上下層冷卻出水；四、提高出堿液溫度至32±2 ℃，尤其是制堿初期，高于菌帽塔1～2 ℃。

5 總 結(jié)

綜上所述，φ3000篩板碳化塔得益于優(yōu)秀的塔板結(jié)構(gòu)，高效的傳質(zhì)效率，在生產(chǎn)中體現(xiàn)了運(yùn)行效率高、生產(chǎn)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。篩板碳化塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了不能等同菌帽塔操作，尤其要注意中段氣量和中下段氣比的使用。只要我們熟悉了篩板碳化塔的特性，掌握了操控方法，就完全能夠滿足我們的生產(chǎn)需求。而兩種塔型同組運(yùn)行，通過合理地調(diào)整運(yùn)行負(fù)荷，充分地發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì)，為穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)。

TQ114.15

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1005-8370(2016)05-10-05

2016-05-10

沙朝建(1986—),本科，化學(xué)工程與工藝專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事淮安堿廠生產(chǎn)調(diào)度工作。