淺談變換氣制堿裝置中雙外冷碳化塔的運(yùn)行總結(jié)

令狐永久

（山西豐荷三聚氰胺有限公司，山西運(yùn)城 044000）

淺談變換氣制堿裝置中雙外冷碳化塔的運(yùn)行總結(jié)

令狐永久

（山西豐荷三聚氰胺有限公司，山西運(yùn)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(guò)改造裝置性能得到提升，單塔生產(chǎn)能力由原來(lái)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(guò)7年的運(yùn)行，證明外冷碳化塔優(yōu)勢(shì)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(lái)純堿生產(chǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)的完成、消耗的高低、質(zhì)量的優(yōu)劣，甚至是投資的高低。對(duì)于準(zhǔn)備新建或擴(kuò)建的純堿廠來(lái)說(shuō)，碳化塔的選型是一個(gè)非常重要的決策。目前我國(guó)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(yùn)行16～24h就需要停塔進(jìn)行清洗，經(jīng)常性的清洗倒換塔造成生產(chǎn)工藝波動(dòng)，也給生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化增加了困難。稷山純堿分公司在2003年建設(shè)15萬(wàn)t／a純堿項(xiàng)目時(shí)，經(jīng)過(guò)考察調(diào)研最終采用了中國(guó)成達(dá)工程有限公司開(kāi)發(fā)的“自然循環(huán)雙外冷碳化塔”（以下簡(jiǎn)稱：外冷碳化塔），經(jīng)過(guò)7年的運(yùn)行，我們認(rèn)為外冷碳化塔優(yōu)勢(shì)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(guò)氣動(dòng)角閥與塔體連接，塔內(nèi)從上到下分別有：10塊篩板、5個(gè)菌帽、4個(gè)小中心筒、1個(gè)大中心筒和1個(gè)立帽組成。塔內(nèi)上部篩板結(jié)構(gòu)主要是增強(qiáng)CO2吸收，篩板以下由菌帽和中心管構(gòu)成多個(gè)全混反應(yīng)釜單元。

由結(jié)晶動(dòng)力學(xué)可知，結(jié)晶主要分為兩個(gè)過(guò)程：第一過(guò)程為結(jié)晶核的生成，即溶質(zhì)在過(guò)飽和溶液中析出微小的結(jié)晶體；第二過(guò)程為結(jié)晶體的成長(zhǎng)過(guò)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)速度v成長(zhǎng)＝f（t·s）3。碳酸氫鈉在碳化塔內(nèi)析出時(shí)，其粒度的大小與過(guò)飽和度的關(guān)系極大，因此適當(dāng)?shù)亟档腿芤旱倪^(guò)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(zhǎng)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(jìn)行循環(huán)，以濃度差即溶液的過(guò)飽和度作為循環(huán)推動(dòng)力。溶液的過(guò)飽和度的大小直接影響成核和晶體成長(zhǎng)過(guò)程的快慢，而這兩個(gè)過(guò)程的快慢又影響著晶體產(chǎn)品的粒度分布，因此，過(guò)飽和度是結(jié)晶過(guò)程中一個(gè)極其重要的參數(shù)。這樣把部分塔下部過(guò)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(guò)飽和度，又把部分晶粒補(bǔ)充到中上部起到晶核作用，相對(duì)延長(zhǎng)停留時(shí)間，使結(jié)晶長(zhǎng)得大而均勻。塔內(nèi)各段的中央循環(huán)管進(jìn)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(jìn)入，先經(jīng)過(guò)各段的分布器，再到達(dá)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(dòng)上升到本段中央循環(huán)管的上端，氣泡離開(kāi)雙向流體經(jīng)本段上部的分氣裝置進(jìn)入上一段結(jié)構(gòu)，這時(shí)氣體形成連續(xù)相，進(jìn)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(fù)到原來(lái)的密度，靠中央循環(huán)管內(nèi)、外介質(zhì)的密度差推動(dòng)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(qiáng)行上升，形成強(qiáng)烈的軸向循環(huán)，從而使NaHCO3的過(guò)飽和度下降，晶體得以成長(zhǎng)，晶粒數(shù)目得到抑制，使晶體逐漸長(zhǎng)大，且自上而下形成了均勻的結(jié)合氨（CNH3）濃度梯度。

碳化過(guò)程中一次晶核的析出數(shù)量與臨界點(diǎn)的溫度和過(guò)飽和度有很大關(guān)系。低溫碳化時(shí)，碳化液積累到很高的過(guò)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(diǎn)溫度高，析出一次晶核的過(guò)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(fù)荷，還妨礙碳化塔長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)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(guò)飽和度，帶上來(lái)的細(xì)小結(jié)晶又起到了晶核的作用，全塔過(guò)飽和度比較均勻，不存在過(guò)飽和度高峰區(qū)，也不存在臨界點(diǎn)，有效的解決了臨界點(diǎn)爆發(fā)大量一次晶核的問(wèn)題。同時(shí)，塔液循環(huán)對(duì)NaHCO3結(jié)晶有一定的分級(jí)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(zhǎng)大，長(zhǎng)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(zhǎng)大。

2 通過(guò)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(guó)成達(dá)工程有限公司和鴻化總廠試驗(yàn)開(kāi)發(fā)，經(jīng)化工部鑒定并加以推廣。我公司在試車過(guò)程中，由于經(jīng)驗(yàn)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(duì)碳化裝置進(jìn)行技術(shù)改造，使外冷塔作業(yè)周期大大延長(zhǎng)，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(jìn)氣，在生產(chǎn)過(guò)程中，我公司采用變換氣制堿，取消中段氣，提高生產(chǎn)負(fù)荷，提高下段氣進(jìn)氣量，一方面，生產(chǎn)負(fù)荷提高時(shí)，塔內(nèi)的進(jìn)氣量增加，外冷器的循環(huán)推動(dòng)力也相對(duì)提高，這樣，碳化液進(jìn)出外冷器的溫差就會(huì)減小，外冷器結(jié)疤速度也會(huì)隨之減小，進(jìn)一步提高了外冷器的換熱效果和作業(yè)周期。

2.2 嚴(yán)格控制入塔AⅡ液的溫度，防止反應(yīng)上移

氣體流量對(duì)外冷碳化塔的操作非常重要，我公司CO2濃度高達(dá)24.8%～26%，加大氣體流量，整個(gè)塔反應(yīng)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(duì)整個(gè)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(yīng)上移。

2.3 通過(guò)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(mén)，是為外冷器輪換作業(yè)或清洗而設(shè)計(jì)的特殊閥門(mén)，因進(jìn)、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(lái)控制壓縮空氣的進(jìn)、出壓差來(lái)推動(dòng)活塞及閥桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連接閥板開(kāi)啟或閉合。密封結(jié)構(gòu)形式類似截止閥。

原設(shè)計(jì)角閥經(jīng)常卡死，這是碳化塔作業(yè)周期短的一個(gè)主要原因。我公司針對(duì)角閥的結(jié)構(gòu)和工作原理對(duì)角閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，改造后的角閥操作靈活，且延長(zhǎng)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(fèi)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(wèn)題。

2.3.2 外冷器

自然循環(huán)雙外冷碳化塔外掛2個(gè)冷卻器，由氣動(dòng)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(fù)雜，很難達(dá)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(shí)，脫落了防腐層的地方又因傳熱系數(shù)過(guò)大使母液過(guò)飽和度消失而產(chǎn)生大量細(xì)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(zhǎng)了外冷器的作業(yè)周期。

3 運(yùn)行效果及存在問(wèn)題

2003～2010年，經(jīng)過(guò)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(lái)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(guò)多年來(lái)的生產(chǎn)運(yùn)行，我們認(rèn)為外冷碳化塔有許多優(yōu)勢(shì)，特別是單塔生產(chǎn)能力大和結(jié)晶質(zhì)量好，在國(guó)內(nèi)屬領(lǐng)先地位，但也存在以下問(wèn)題：

1）外冷碳化塔對(duì)負(fù)荷波動(dòng)比較敏感，還需進(jìn)一步摸索負(fù)荷波動(dòng)大及低負(fù)荷運(yùn)行的操作方法。

2）作業(yè)周期還未達(dá)到設(shè)計(jì)值，還需要進(jìn)一步挖掘外冷碳化塔的潛能。

4 結(jié) 語(yǔ)

外冷碳化塔解決了反應(yīng)液在塔外冷卻問(wèn)題，塔體可長(zhǎng)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(dòng)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(guò)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(diǎn)。現(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(xué)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。