φ3000篩板碳化塔的使用和操控要點

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

沙朝建

(江蘇井神鹽化股份有限公司淮安堿廠，江蘇淮安 223200)

為了加強篩板碳化塔操作，延長篩板碳化塔的制堿周期，發揮與菌帽塔的組合優勢，本文從篩板碳化塔的塔板結構特點和實際應用上，分析其性能和操作控制要點，優化篩板塔操作，突出與菌帽塔的操作區別。

篩板；碳化塔；結構；應用；操控

自篩板碳化塔引入國內以來，已經在多家純堿企業投入使用，因其出色的塔板效率和生產能力備受關注。尤其是在國家對新建純堿廠的產能門檻越來越高的情況下，這種大型純堿生產裝置已不斷的受到重視。但是我們在關注塔板效率和生產能力的同時，也應該關注篩板碳化塔的作業情況和操作控制。

江蘇井神鹽化股份有限公司淮安堿廠(以下簡稱“淮堿”)在原來五臺菌帽(即索爾維式)碳化塔的基礎上增加了一臺篩板碳化塔，編入同一組運行，以此提高生產能力。但投入運行以后，發現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，如果操作不當容易縮短作業周期。為了加強篩板碳化塔操作，延長篩板碳化塔的制堿周期，發揮兩塔同組運行的優勢，下面從篩板碳化塔的塔板結構特點和實際應用分析其性能和操作要點。

1 篩板碳化塔結構特點分析

篩板碳化塔的特點是深液層、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、液相區壓力平衡控制，氣體以噴射狀態進入液體層，被破碎成大量細泡，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象。深液層和大量細泡混合為氣液的充分接觸創造了條件，加快了液膜表面的更新速度，有利于碳酸化反應的快速進行。

篩板碳化塔也不同于菌帽碳化塔，如圖1所示，液體經篩板和降液管導流成“弓”字形流動，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”形狀的結構單元組成，氣液流向為“Z”字形逆向流動，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構。

圖1 篩板碳化塔(左)與菌帽塔(右)結構示意圖

與菌帽塔相比，篩板碳化塔有以下優點：

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，傳質效率高；菌帽塔氣液接觸面小，泡沫化不均勻，傳質效率低。

3)篩板塔結構簡單，容積利用率高；菌帽塔結構復雜，容積利用率低。

雖然篩板塔有諸多優點，但是碳酸化反應是一個氣、液、固三相并存的物理化學反應，深液層、低開孔率與結晶沉降可以說是相互矛盾的，篩板上要形成足夠的湍流強度，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，因獨特的菌帽設計，整體的穩定性和容錯率相對較高，受到了眾多純堿企業的認可。我們將高產能的篩板塔和操作彈性大的菌帽塔編入同組運行，通過合理的調整，揚長避短，同時發揮兩塔型的優點，使其成為一種全能的碳化塔組合，提高了碳化塔的整體運行效率。

2 篩板塔的結構參數與技術性能

淮堿于2011年增加了一臺篩板碳化塔，同其他5臺φ3000/3400異徑菌帽碳化塔并為一組，實行六塔一組運行。鑒于篩板塔與大型菌帽塔同組運行在國內應用較少，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間等，因此在設計環節要認真考慮到實際操作和使用的匹配度問題。在吸收國外篩板塔技術和國內多年的技術改造基礎上，淮堿在設計參數、材料和結構細節等多處進行了優化改進。運行五年來，該篩板塔已經能夠很好的和菌帽塔同組作業。表1為篩板碳化塔的結構參數和主要的技術性能指標。

表1 篩板碳化塔的結構參數與技術性能

3 篩板碳化塔的應用情況

3.1 運行指標比較

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平和的多，但液層內湍流現象很明顯，泡沫細小且分散度高，液層高度明顯高于菌帽塔。表2為碳化塔12 h運行數據和指標，以供參考。

從生產數據看出：

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)篩板塔的進氣總量與出堿量比例相對較小，吸收效率高。

3)取出液結合銨高于菌帽塔。

4)篩板塔的結晶稍好于菌帽塔。

由此可見，篩板塔能保證合格的工藝指標和結晶質量，表現出了優秀的塔板效率和生產能力。

表2 2016年3月12日20:00～ 8:00生產數據(平均值)

注：a)B#、C#為菌帽塔，F#塔為篩板塔。 b)運行數據來自生產實時系統統計，下同。

3.2 生產能力計算

由于兩種塔型同組運行，無法單獨對單塔進行生產能力測量，同時淮堿中、下段氣單塔流量計存在偏差，僅作為操作調節參考，所以通過平穩生產時的日均產量、出堿量和中和水流量進行實際估算。在生產穩定的情況下，以碳化塔一個運行周期96 h計算篩板塔的生產能力，生產數據見表3。

表3 2016年3月8日20:00～ 12日20:00共4天的生產數據(平均值)

注：菌帽塔數據為各菌帽塔平均值。

碳化塔作業周期為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堿計算。出堿液存在帶氣的可能，以中和水流量計算。

設篩板塔平均日產量為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%

計算得：q≈390 t/d

該篩板塔的實際生產能力達到了390 t/d，而結晶質量、重堿水分等均在工藝指標之內。可見該篩板塔的高負荷潛能比較大，超出了300 t/d的設計產能。不過在夏季高溫，冷卻水溫對生產負荷會造成一定的影響。

4 篩板碳化塔的操控要點

雖然篩板碳化塔表現出了優秀的塔板效率和生產能力，但在生產運行中，時常出現塔況不穩和堵塔現象，縮短制堿時間，打亂作業周期。因此，有必要加強篩板碳化塔的操作。

4.1 作清洗塔時的操控要點

在碳化塔制堿過程中，冷卻小管、塔壁和內部構件會逐漸形成一層厚厚的NaHCO3結疤，影響氣液通道和碳化液停留時間。在制堿周期結束后需要改為清洗塔，來恢復碳化塔的制堿和冷卻能力。碳化塔的清洗強度與氨鹽水、中和水(即預碳化液)的溫度和CO2濃度以及清洗氣量等多方面有關系。

NaHCO3結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，冷卻強度更大，這使得二次晶核更容易析出，導致細晶附著在冷卻小管上；另外，出堿量大也會加快碳化塔的結疤速度(實際負荷已高出20%)。當清洗氣進入塔底后，CO2被快速吸收，進入到篩板層時，體積已縮小約40%，篩孔氣體噴射和液體湍流強度不足，塔圈液位高，漏液現象增多，清洗效果差。

所以，在同樣的清洗周期里，篩板塔需要更強的清洗強度。在以往的操作中，我們往往容易忽視這點，視同菌帽塔清洗操作，造成篩板塔清洗不足。其實增加清洗氣，不僅有利于清洗堿疤，對減輕制堿塔負荷和結晶質量也有積極作用。目前篩板塔清洗時約進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，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氣來加強清洗。

4.2 作制堿塔時的操控要點

1)保持充足的中段氣量

前文已經講到，篩板塔作清洗塔時需要充足的進氣量，而作制堿塔時更要如此。中段氣量是篩板碳化塔操作的重點。中段氣量越小，氣體噴射和湍流強度就越小，結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象。用氣量也要平穩，尤其是不能大幅度減氣。高負荷生產時，建議保持中段氣量在9 000～10 000 m3/h，定中段氣量，調節下段氣。

圖2所示是一次其他兩塔換塔導致F#篩板塔塔況惡化時的趨勢圖。在圖中12:00位置，壓塔時調整兩塔用氣量，使得下段氣總管壓力短時間升高，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，導致篩板塔中上部溫度迅速上升。操作者此時立即將中段氣從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，導致塔壓迅速下降， 17圈溫度從74 ℃迅速降至50 ℃，反應段快速下移，從而導致塔況惡化。

圖2 大幅減少進氣量導致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時間提高不起來。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 ℃，而且繼續在下降，說明冷卻管管壁結疤已經在增厚，冷卻效果變差。由于篩板塔負荷大，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疤。

所以，應時刻保持充足的中段氣量。針對篩板塔的情況，應加強換塔操作，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，縮短氨鹽水制堿時間；壓塔時控制進氣流量和壓力的穩定，減少用氣量的波動；換塔期間注意冷卻水總管壓力穩定，防止壓力突然升高，加快冷卻管結疤。

若出現輕微堵塔情況應及時調整篩板塔的操作，穩定塔況，延長制堿周期，例如：穩定中段氣量，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 ℃，減緩結疤速度；降低塔壓至0.31～0.32 MPa。若無法穩定塔況，應及時換為清洗塔，以免堵塔嚴重，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構，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強度，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。尤其是負荷偏低時，更要注意提高中下段氣比。但過高的中下段氣比會影響結晶質量，可提高中下段氣比至1.7～2.0左右，在兼顧結晶質量情況下，保證篩板碳化塔的制堿周期。某堿廠中下段氣比達到了2.5，塔況好于菌帽塔。

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

3)保持較高的生產負荷

在篩板碳化塔剛投入運行期間，操作者對其性能缺乏認識，在減量檢修期間視同菌帽塔操作，降低了篩板塔生產負荷，減少用氣量，導致塔況很快惡化，經常堅持不到制堿周期結束。經過經驗總結，鑒于菌帽塔穩定性好和操作彈性大的特點，通過降低菌帽塔的生產負荷來平衡生產，在減產期間繼續保持篩板塔的高負荷和大氣量，維持放量70～100 m3/h，使塔況得到了明顯好轉。

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小，液體密度相對較高；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，篩板塔的塔壓會更高，這也有利于氣液傳質。為了維持合適的液位，塔壓要適當的高于菌帽制堿塔，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度高于菌帽塔，加強冷卻用水操作，減緩冷卻管結疤速度。注意以下幾個方面：一、緩慢調節冷卻用水；二、開涼水塔高速風機、加循環冷卻水壓力、壓縮機出現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、根據冬夏季溫差變化，合理的調整上下層冷卻出水；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

綜上所述，φ3000篩板碳化塔得益于優秀的塔板結構，高效的傳質效率，在生產中體現了運行效率高、生產能力強的特點。篩板碳化塔的結構特點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需求。而兩種塔型同組運行，通過合理地調整運行負荷，充分地發揮了各自的優勢，為穩產高產做出了重要貢獻。

TQ114.15

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1005-8370(2016)05-10-05

2016-05-10

沙朝建(1986—),本科，化學工程與工藝專業，工程師，現從事淮安堿廠生產調度工作。