新型高效小蘇打篩板碳化塔技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用

(中國成達(dá)工程有限公司，四川成都 610041)

1 現(xiàn)有小蘇打碳化塔技術(shù)分析

碳化法小蘇打生產(chǎn)中碳化塔是核心設(shè)備。

目前國內(nèi)外小蘇打生產(chǎn)的碳化塔一般都采用笠帽塔板，反應(yīng)熱的移去多數(shù)工廠都采用夾套冷卻。有的無冷卻結(jié)構(gòu)，靠塔體散熱自然冷卻。少數(shù)工廠在塔下部設(shè)管式冷卻水箱。目前小蘇打碳化塔的主要缺點(diǎn)是吸收效率低和冷卻效果差。由于笠帽塔板存在塔體軸向返混，降低了塔板的吸收效率。通常小蘇打生產(chǎn)用石灰窯的窯氣作為CO2原料，進(jìn)塔窯氣CO2濃度為36%～40%，小蘇打碳化塔出氣含CO2通常在18%～22%，CO2利用率很低。由于CO2利用率低，增加了CO2消耗和CO2的排放量，同時(shí)增加原料氣壓縮消耗的功率。其次由于采用夾套冷卻或靠塔體散熱自然冷卻都不能充分移去反應(yīng)熱和進(jìn)塔溶液的顯熱，即使在塔下設(shè)管式冷卻水箱的小蘇打碳化塔由于冷卻面結(jié)疤速度很快，換熱效果也很差，其結(jié)果是出塔堿液溫度高，Na2CO3轉(zhuǎn)化為NaHCO3的轉(zhuǎn)化率低，塔作業(yè)周期短。同時(shí)由于夾套冷卻和塔體散熱冷卻結(jié)構(gòu)只能移去很少熱量，因此這類結(jié)構(gòu)只適用于小型塔，不能大型化。

目前國內(nèi)生產(chǎn)能力稍大的小蘇打工廠都設(shè)置多臺(tái)直徑小的碳化塔，這樣增加了建設(shè)投資和占地面積，也不便于操作和管理。因此開發(fā)吸收效率高、冷卻效果好、作業(yè)周期長(zhǎng)和單塔能力大的碳化塔是目前提高小蘇打生產(chǎn)技術(shù)水平的重要課題。

2 主要技術(shù)方案及創(chuàng)新點(diǎn)

基于小蘇打碳化塔的技術(shù)現(xiàn)狀，我們開發(fā)了以液相為連續(xù)相，低開孔率帶降液管的高效篩板小蘇打碳化塔板，該塔板當(dāng)篩孔內(nèi)氣速達(dá)到一定值后在塔板下面會(huì)形成一個(gè)氣墊層，從而阻止了塔液的軸向返混，提高了塔的吸收效率，這種塔板是中國成達(dá)公司首先在純堿生產(chǎn)碳化塔開發(fā)時(shí)研究成功的，現(xiàn)將這種塔板用于小蘇打生產(chǎn)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的菌帽塔板，大大提高了吸收效率，使碳化塔尾氣CO2濃度降低至10%～15%，從而降低了原料CO2的消耗量，并減少了原料氣壓縮能耗。此外，由于吸收效率提高，碳化完成液(即碳化塔取出液)更接近反應(yīng)平衡點(diǎn)，碳化完成液的轉(zhuǎn)化率有所提高，可以減少進(jìn)塔液的用量。

本次開發(fā)的碳化塔設(shè)備根據(jù)進(jìn)塔堿液和進(jìn)氣CO2氣體具體工藝指標(biāo)，采用專門的關(guān)聯(lián)動(dòng)力學(xué)方程式進(jìn)行塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)計(jì)算和設(shè)計(jì)。根據(jù)反應(yīng)的實(shí)際過程，沿塔的縱向分為不同的區(qū)域進(jìn)行工藝計(jì)算和塔的水力學(xué)計(jì)算。塔板的開孔也依據(jù)結(jié)晶反應(yīng)成長(zhǎng)的機(jī)理和過程，采用孔徑規(guī)格不同、數(shù)量不同和布置方式有別的設(shè)計(jì)，滿足碳酸化的工藝過程要求，提高反應(yīng)的傳質(zhì)、傳熱效率，避免塔板的堵塞，延長(zhǎng)塔的作業(yè)周期。

本技術(shù)還針對(duì)目前多數(shù)工廠采用夾套冷卻和塔體自然冷卻存在冷卻不充分，取出溫度高，碳化完成液溫度高，Na2CO3轉(zhuǎn)化率低的問題，設(shè)計(jì)了在塔下部設(shè)塔內(nèi)或塔外管式冷卻器。以往少數(shù)小蘇打生產(chǎn)廠也有采用塔下設(shè)管式冷卻箱的結(jié)構(gòu)，但由于冷卻管表面結(jié)疤嚴(yán)重，冷卻效果差，所以多數(shù)小蘇打生產(chǎn)廠還是采用夾套冷卻或不設(shè)冷卻靠塔體表面散熱自然冷卻結(jié)構(gòu)。

本技術(shù)通過控制冷卻強(qiáng)度，大大減輕了冷卻表面結(jié)疤速度，提高了冷卻效率，使碳化完成液溫度從通常的大約75 ℃降低至60～65 ℃，從而提高了碳化完成液的轉(zhuǎn)化率。

上述兩種結(jié)構(gòu)同時(shí)在小蘇打碳化塔中使用，而且控制好冷卻強(qiáng)度，大大提高冷卻效率，在國內(nèi)外還是首次，使小蘇打碳化塔的技術(shù)性能有很大的提升。使用該技術(shù)后，CO2及堿液消耗量顯著降低，塔的生產(chǎn)能力提高，塔內(nèi)結(jié)疤減輕，塔的作業(yè)周期大幅提高，可顯著降低建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用。

3 實(shí)施案例

1)一臺(tái)原有直徑1.2 m的菌帽碳化塔，內(nèi)設(shè)22個(gè)菌帽塔板，采用夾套冷卻，冷卻面積為30 m2，日產(chǎn)小蘇打約50～60 t。后用本技術(shù)進(jìn)行改造，將22塊菌帽塔板改為20塊篩板塔板，并在塔外下部新增一臺(tái)自然循環(huán)管式冷卻器，冷卻器直徑0.8 m，冷卻面積50 m2。改造后塔的生產(chǎn)能力不變，但碳化塔尾氣CO2濃度從17%～19%降至10%～13%，碳化塔完成液溫度從75～76 ℃降至65～70 ℃，取出固液比及轉(zhuǎn)化率均有提高，塔內(nèi)結(jié)疤減輕，塔的作業(yè)周期從30 h提高到50 h左右，塔的技術(shù)性能得到明顯提升(見圖1)。

圖1 塔外管式冷卻的小蘇打碳化塔

2)直徑1.6 m，高25 m小蘇打碳化塔，內(nèi)設(shè)21塊篩板塔板，塔下部設(shè)5個(gè)內(nèi)部冷卻的管式換熱器，冷卻面積120 m2，塔生產(chǎn)能力日產(chǎn)75 t小蘇打。尾氣CO2濃度10%～12%，取出液溫度60～65 ℃，作業(yè)周期72 h(見圖2)。

圖2 塔內(nèi)管式冷卻的小蘇打碳化塔

3)直徑2 m、高25 m的小蘇打碳化塔，內(nèi)設(shè)15塊篩板塔板，塔下部設(shè)5個(gè)內(nèi)部管式冷卻器，冷卻面積500 m2，日產(chǎn)小蘇打100～120 t，尾氣CO2濃度10%～12%，取出液溫度60～65 ℃，作業(yè)周期72 h。

4 應(yīng)用情況

原來國內(nèi)小蘇打生產(chǎn)碳化塔都用夾套冷卻或不冷卻是因?yàn)槔鋮s面結(jié)疤很快，所以不敢用管式冷卻。

本技術(shù)開發(fā)成功了一種用于小蘇打生產(chǎn)的高效篩板碳化塔，在塔體內(nèi)沿其軸向設(shè)置有若干以液相為連續(xù)相的低開孔率且?guī)Ы狄汗艿暮Y板塔板，在塔體下部設(shè)置有塔內(nèi)或塔外管式冷卻結(jié)構(gòu)。

本技術(shù)合作開發(fā)工廠為廣州南先小蘇打有限公司，系生產(chǎn)食品級(jí)小蘇打的專業(yè)工廠，改造開發(fā)的新型篩板碳化塔目前均投入正常生產(chǎn)5年以上。

2016年，在南先小蘇打碳化塔安全運(yùn)行3年基礎(chǔ)上，我們接受某生產(chǎn)企業(yè)委托設(shè)計(jì)φ2000小蘇打碳化塔，上中部篩板，下部笠帽+冷卻水箱的內(nèi)冷結(jié)構(gòu)。該設(shè)備于2017年4月投料運(yùn)行，已安全穩(wěn)定運(yùn)行至今，操作穩(wěn)定，安全可靠，各項(xiàng)工藝技術(shù)指標(biāo)和設(shè)備機(jī)械性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

本技術(shù)可用于新建或改擴(kuò)建小蘇打裝置建設(shè)，可解決目前小蘇打生產(chǎn)碳化塔存在吸收效率低、冷卻效果差等技術(shù)問題。小蘇打作為基礎(chǔ)的化學(xué)原料、食用添加劑和醫(yī)藥產(chǎn)品，應(yīng)用范圍廣，市場(chǎng)需求將持續(xù)發(fā)展。作為小蘇打生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，本技術(shù)開發(fā)的新型高效小蘇打碳化塔應(yīng)用前景良好。