新型高效小蘇打篩板碳化塔技術開發與應用

(中國成達工程有限公司，四川成都 610041)

1 現有小蘇打碳化塔技術分析

碳化法小蘇打生產中碳化塔是核心設備。

目前國內外小蘇打生產的碳化塔一般都采用笠帽塔板，反應熱的移去多數工廠都采用夾套冷卻。有的無冷卻結構，靠塔體散熱自然冷卻。少數工廠在塔下部設管式冷卻水箱。目前小蘇打碳化塔的主要缺點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。通常小蘇打生產用石灰窯的窯氣作為CO2原料，進塔窯氣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熱和進塔溶液的顯熱，即使在塔下設管式冷卻水箱的小蘇打碳化塔由于冷卻面結疤速度很快，換熱效果也很差，其結果是出塔堿液溫度高，Na2CO3轉化為NaHCO3的轉化率低，塔作業周期短。同時由于夾套冷卻和塔體散熱冷卻結構只能移去很少熱量，因此這類結構只適用于小型塔，不能大型化。

目前國內生產能力稍大的小蘇打工廠都設置多臺直徑小的碳化塔，這樣增加了建設投資和占地面積，也不便于操作和管理。因此開發吸收效率高、冷卻效果好、作業周期長和單塔能力大的碳化塔是目前提高小蘇打生產技術水平的重要課題。

2 主要技術方案及創新點

基于小蘇打碳化塔的技術現狀，我們開發了以液相為連續相，低開孔率帶降液管的高效篩板小蘇打碳化塔板，該塔板當篩孔內氣速達到一定值后在塔板下面會形成一個氣墊層，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公司首先在純堿生產碳化塔開發時研究成功的，現將這種塔板用于小蘇打生產，代替傳統的菌帽塔板，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)更接近反應平衡點，碳化完成液的轉化率有所提高，可以減少進塔液的用量。

本次開發的碳化塔設備根據進塔堿液和進氣CO2氣體具體工藝指標，采用專門的關聯動力學方程式進行塔內部結構計算和設計。根據反應的實際過程，沿塔的縱向分為不同的區域進行工藝計算和塔的水力學計算。塔板的開孔也依據結晶反應成長的機理和過程，采用孔徑規格不同、數量不同和布置方式有別的設計，滿足碳酸化的工藝過程要求，提高反應的傳質、傳熱效率，避免塔板的堵塞，延長塔的作業周期。

本技術還針對目前多數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轉化率低的問題，設計了在塔下部設塔內或塔外管式冷卻器。以往少數小蘇打生產廠也有采用塔下設管式冷卻箱的結構，但由于冷卻管表面結疤嚴重，冷卻效果差，所以多數小蘇打生產廠還是采用夾套冷卻或不設冷卻靠塔體表面散熱自然冷卻結構。

本技術通過控制冷卻強度，大大減輕了冷卻表面結疤速度，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化率。

上述兩種結構同時在小蘇打碳化塔中使用，而且控制好冷卻強度，大大提高冷卻效率，在國內外還是首次，使小蘇打碳化塔的技術性能有很大的提升。使用該技術后，CO2及堿液消耗量顯著降低，塔的生產能力提高，塔內結疤減輕，塔的作業周期大幅提高，可顯著降低建設費用和運行費用。

3 實施案例

1)一臺原有直徑1.2 m的菌帽碳化塔，內設22個菌帽塔板，采用夾套冷卻，冷卻面積為30 m2，日產小蘇打約50～60 t。后用本技術進行改造，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自然循環管式冷卻器，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 ℃，取出固液比及轉化率均有提高，塔內結疤減輕，塔的作業周期從30 h提高到50 h左右，塔的技術性能得到明顯提升(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，內設21塊篩板塔板，塔下部設5個內部冷卻的管式換熱器，冷卻面積120 m2，塔生產能力日產75 t小蘇打。尾氣CO2濃度10%～12%，取出液溫度60～65 ℃，作業周期72 h(見圖2)。

圖2 塔內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，內設15塊篩板塔板，塔下部設5個內部管式冷卻器，冷卻面積500 m2，日產小蘇打100～120 t，尾氣CO2濃度10%～12%，取出液溫度60～65 ℃，作業周期72 h。

4 應用情況

原來國內小蘇打生產碳化塔都用夾套冷卻或不冷卻是因為冷卻面結疤很快，所以不敢用管式冷卻。

本技術開發成功了一種用于小蘇打生產的高效篩板碳化塔，在塔體內沿其軸向設置有若干以液相為連續相的低開孔率且帶降液管的篩板塔板，在塔體下部設置有塔內或塔外管式冷卻結構。

本技術合作開發工廠為廣州南先小蘇打有限公司，系生產食品級小蘇打的專業工廠，改造開發的新型篩板碳化塔目前均投入正常生產5年以上。

2016年，在南先小蘇打碳化塔安全運行3年基礎上，我們接受某生產企業委托設計φ2000小蘇打碳化塔，上中部篩板，下部笠帽+冷卻水箱的內冷結構。該設備于2017年4月投料運行，已安全穩定運行至今，操作穩定，安全可靠，各項工藝技術指標和設備機械性能達到設計要求。

本技術可用于新建或改擴建小蘇打裝置建設，可解決目前小蘇打生產碳化塔存在吸收效率低、冷卻效果差等技術問題。小蘇打作為基礎的化學原料、食用添加劑和醫藥產品，應用范圍廣，市場需求將持續發展。作為小蘇打生產的關鍵設備，本技術開發的新型高效小蘇打碳化塔應用前景良好。