2.0 MPa 變換氣外冷碳化塔的應用

王力軍,鄭 標

(四川廣宇化工股份有限公司,四川 廣漢 618300)

2.0 MPa 變換氣外冷碳化塔的應用

王力軍,鄭 標

(四川廣宇化工股份有限公司,四川 廣漢 618300)

通過對脫碳系統的分析,提出采用變換氣制堿是本公司的最優選擇。由于使用天然氣生產合成氨,壓力較高,同時具有脫碳及聯堿碳化功能的外冷碳化塔就成為唯一可行的選擇;同時對變換氣外冷塔的使用情況作了介紹。

外冷碳化塔;脫碳;碳化;天然氣轉換

我公司聯堿分廠1986年投產,純堿生產能力20 kt/a,1994年擴產到40 kt/a,當時采用窯氣、爐氣、PSA脫碳氣加壓碳化工藝。碳化系統為4臺φ2 200/φ2 000×25 800索爾維塔。設計能力為40 t/d·臺,進塔氣為CO2含量45%的脫碳氣+窯氣,65%的爐氣+窯氣,操作壓力0.7 MPa,隨著產量的逐步提高,碳化塔負荷加重,造成作業周期短,煮塔頻繁,生產波動大,成本也居高不下。當時,經過多方考察,決定選用成達工程公司設計的φ2 200/ φ3 000×30 500自然循環外冷碳化塔(設計能力100 t/d·臺),并于2000年11月投產。投產的第二年,產量就比2000年增加1萬多噸,噸堿鹽耗下降19 kg,電耗下降15 kW·h,雙噸生產成本也比2000年下降了32.39%,取得了較好的經濟效益。鑒于外冷塔在我公司取得的良好效果,在2003年公司投入1億多進行的節能技術改造中,又開以天然氣為原料的變換氣制堿之先河,采用成達公司的新型的φ2 800/φ3 800變換氣制堿塔,而且將碳化壓力提高到2.0 MPa,純堿產量也提高到150 kt/a。在近幾年的使用過程中,我們深深地體會到外冷塔的許多優點:特別是結構簡單、易大型化、占地面積小、單塔生產能力大等,非常適合老企業改造。

1 選擇外冷碳化塔的原因

1.1 降低消耗和節省場地

1)變換氣制堿工藝用聯堿氨Ⅱ吸收合成氨變換氣CO2,屬于化學吸收脫除CO2,聯堿氨Ⅱ(溶劑)吸收CO2能力為52 m3/m3,與物理吸收法脫除CO2的各種專用溶液相比,脫除單位體積CO2氣體所需要的溶劑使用量少,故可節約動力電耗。表1為脫除變換氣CO2幾種溶液吸收能力對比。

表1 脫除變換氣CO2幾種溶液吸收能力對比(m3/m3)

2)吸收劑再生問題:物理溶劑吸收法脫除CO2過程中,通常在減壓氣提后溶劑就得到再生。在化學溶劑吸收脫除CO2氣體的方法中,溶濟再生往往需要加熱才能釋放CO2,而使溶劑再生貧液,溶劑再生過程需要消耗較多熱量。聯堿氨母液Ⅱ吸收CO2的特點是,吸收CO2后的生成物是重堿結晶,是中間產品,直接從溶劑(出堿液)分離出來,與其他化學吸收脫除CO2氣體的方法相比,省去溶劑再生過程,即節省溶劑再生的熱能、動力電耗等各種能耗。

通過以上對比可看出,采用變換氣制堿工藝,既可以充分利用氨Ⅱ遠高于其他溶劑吸收CO2的能力,而且不用解析;又可以節約脫碳工序的投資和場地。

1.2 選用新型外冷碳化塔

按濃氣制堿考慮,增加10萬t/a純堿的能力,需采用6臺φ2 800索爾維型碳化塔,我公司現場根本無法布置,而使用φ2 800/φ3 800外冷塔,只需要2臺。更主要的是,按我公司工藝條件,要達到合適的二氧化碳分壓,碳化壓力就必須在2.0 MPa,這樣傳統的塔型就不可避免的會遇到下部塔體大開孔的問題,給壓力容器的設計和制作帶來極大的困難。

正是基于以上幾點,我公司決定采用節能的變換氣制堿流程,工藝流程一經確定,選擇外冷碳化塔就成為自然而然的事了。

2 變換氣外冷碳化塔實際生產能力

我公司使用3座φ2 800/φ3 800外冷塔用于變換氣制堿。表2為2007年、2009年純堿及合成氨的產量。表3為我廠進入外冷塔變換氣成分。

表2 2007年、2009年純堿及合成氨產量

表3 進入外冷塔變換氣成分(CO和CH4忽略不計)

以2007年數據為基準進行計算:

理論上所需H2、N2氣量:

2H2+N2=2NH3

(100/17)×22.4×2=2 635 m3/t氨

則我公司理論上生產1 t氨需要消耗變換氣量為:

2 635/(0.54+0.285)=3 193.9 m3/t氨

由于有跑、冒、滴、漏等因素影響,實際噸氨耗變換氣在3 500 m3左右。

每噸氨的變換氣中CO2含量為:

3 500×17.5%=612.5 m3/t氨

1)變換氣外冷碳化塔物料衡算

①母液成分(見表4)

表4 爐氣窯氣碳化塔與變換氣碳化塔母液成分

表5 重堿組成 (%)

②母液當量

AⅡ當量:

EAⅡ=[1 000×99.2%(1+0.008)]/[83.7 ×110.6/115.2-41.5)×53/20] =9.73 m3/t堿

取出液當量計算:

E取出=9.73×110.6/115.2=9.34 m3/t堿

③AⅡ吸收CO2量

AⅡ帶入CO2量:

G1=9.73×21.7/20=10.56 kmol

取出液帶出CO2量:

G2=E取出×(CO2)取出/20 =9.34×21.9/20 =20.227 kmol

重堿帶出CO2量:

G3=19.18 kmol(同爐氣窯氣塔)

取出槽逸散CO2量:

G4=30 m3/t

則AⅡ吸收CO2量:

G吸收=10.227+19.18+40/22.4-10.557 =20.64 kmol=462.24 m3

2007年變換氣外冷碳化塔實際產量為:

合成氨產量×噸氨副產CO2/噸堿吸收CO2

=208.176×612.5/462.24=275.8 t/d

每座塔的生產能力為:約140 t/d

根據我們的使用經驗,單塔能力完全能達到150 t/d。

3 外冷碳化塔作業參數、工藝流程

3.1 AⅡ

采用與混合氣制堿同樣的母液,未作特別處理。

溫度:夏季34℃ 冬季:28℃

CO2:19～21 tt

3.2 壓力

我公司變換氣CO2含量17.5%,制堿壓力2.1 MPa(A),則CO2分壓=2.1×17.5%=0.367 5 MPa (A),混合氣制堿壓力 0.60 MPa(A),CO2含量60%,兩者分壓相當。

3.3 溫度

變換氣外冷碳化塔中溫:45～48℃

取出溫度:38～40℃

3.4 工藝流程

從變換氣外冷碳化塔投用起,我公司與成達公司合作,在全國首次采用了主塔清洗塔串聯作業。從使用情況來看,杜絕了煮塔的現象。對于我公司環保達標起到了舉足輕重的作用。

4 轉化率與結晶質量分析

從2007年平均數據分析,變換氣外冷塔的轉化率不是很高。不到70%,但我們的消耗水平在同行業中卻是較好的,因為我們在生產中不只是強調轉化率越高越好,我們還看中另外一項更重要的指標,那就是結晶質量。

為對聯堿碳化塔的運行情況作進一步的了解,從2008年3月6日中班起,對碳化塔取出液的沉降時間進行測定。對3月6日中班到21日早班共計45個班次,測得418個數據,取平均值如表6。該期間,共計生產純堿6.681.65 t,平均班產148.48 t。

表6 碳化取出液沉降時間(2008年3月6日中班至3月21日早班平均值)

從表6可看出,就沉降時間而言,我公司索爾維塔結晶質量不錯。變換氣塔沉降時間比索爾維塔多17.2%,與其他兄弟廠家60～80 s的沉降時間相比,還有較大差距。通過這次測定,也發現了一些問題。C塔是3月18日由清洗塔轉為制堿塔,從18個數據的平均值看,沉降時間高于A、B兩塔,查找原因,發現C塔(暫時只上了2臺外冷器)的取溫> 42℃,而A、B塔的取溫則在38～40℃。分析這是造成該塔結晶差的原因。于是將C塔2臺外冷器的作業清洗時間由原來的24 h輪換改為12 h,這樣使得作業形成的疤塊不至于很硬,便于清洗。從效果來看,改進操作后,取溫基本就維持在≤40℃。而沉降時間也從開始的120 s降低到90～95 s。

衡量結晶質量的另一個指標是產品的密度。從散裝槽車在我公司裝堿情況看,每次基本都在24.5 t左右。槽車標定容積為38 m3,按此計算,我公司輕灰產品密度在0.65 t/m3左右,也算不錯。

從我們使用的情況看,碳化結晶與碳化轉化率是矛盾和沖突的,如果片面追求轉化率,采用最簡單的方法就是降低出堿溫度,強化冷卻段的反應,以使轉化率提高,但這很容易造成碳化結晶質量下降。外冷塔的容積利用系數比傳統的索爾維塔高,如果在冷卻段強化反應,再片面追求高的取出固定氨,勢必造成結晶的析出速度大于結晶的成長速度,致使二次晶核析出,從而出現結晶中粗、細顆粒不均,而取溫過高,也會造成結晶析出動力不夠,這都會給過濾、煅燒帶來嚴重的影響。

5 變換氣外冷碳化塔操作彈性

我公司使用的φ2 800/φ3 800外冷塔進氣負荷在7 000～18 000m3/h都開過。但在低負荷時(低于8 000 m3/h),由于進氣量小,CO2總量低,造成塔溫不好控制,取出量極小。在高負荷時(17 000 m3/h),由于氣體流量大,空塔氣速高,操作稍有不慎,就會出現出塔氣帶液現象。該塔最適合的負荷是進氣量在15 000～16 000 m3/h,此時操作容易,取出結晶質量也好。

6 設備方面

使用變換氣制堿,由于變換氣中幾乎不含氧,所以對設備、管線的腐蝕很小。但我公司是2.0 MPa壓力下制堿,對附屬的閥門、管線要求就比較高。目前問題也主要是出在該部分:AⅡ閥使用周期不長,經常造成AⅡ液從中、下部進入塔內,影響制堿反應,管線彎頭處也容易出現磨損泄漏。這些都是我們下一步要集中精力解決的事。

7 總 結

20世紀60的代,我國制堿專家開發出了變換氣制堿新流程,這是我國繼侯德榜博士發明聯合制堿法后又一次在世界上首創新的合成純堿生產工藝。到了20世紀90年代后期,周光耀院士組織開發的、具有自主知識產權的新型外冷循環碳化塔的成功應用,解決了變換氣制堿的設備問題,使該工藝成為國家在純堿行業推廣的節能工藝,變換氣制堿獲得了很大的發展。我公司又是全國第一家壓力在2.0 MPa進行操作的廠家,通過幾年的使用,我們感到外冷碳化塔在我公司的使用是成功的,為我公司的節能降耗創造了良好地條件。

[1] 周光耀.外冷式碳化塔的開發及應用[J].純堿工業, 2004,(5):3～7

[2] 包友興.論變換氣制堿的節能途徑[J].杭州化工, 2002,(4):

[3] 中國純堿工業協會.純堿工學[M].北京:化學工業出版社,1990

TQ 114.162

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2010-05-18