外冷器換熱效率監測在碳化塔熱煮中的應用

李丹丹，王勝偉，王亮亮，蔣建紅，張志強

(中鹽昆山有限公司，江蘇 昆山 215300)

中鹽昆山有限公司是以純堿為主要產品的化工生產企業，外冷式碳化塔作為重要的生產設備，共有10座塔，分二個塔組，每組四制堿一清洗，制堿96 h后轉入24 h清洗，目前年生產能力可達80萬t。在制堿過程中，碳氨Ⅱ與CO2在塔內反應后自然循環至外冷器產生過飽和溶液，通過調整外冷器出水閥開度控制塔內溫降梯度，實現調控一次晶核生成速度及晶核生長速度，從而制得晶粒粗大NaHCO3晶體及其他成分的母液懸濁液，從塔底取出后經真空帶濾機過濾、洗滌后，形成厚度均勻的濾餅進入煅燒爐高溫熱解為純堿(Na2CO3)，分解出的CO2經壓縮送入制堿塔，濾液經冷卻結晶、分離干燥后制得氯化銨(NH4Cl)。在NaHCO3晶體的析出過程中，外冷器起到不可替代的作用，影響NaHCO3晶粒的大小及分布，進一步影響重堿水分以及煅燒蒸汽能耗[1]。

本公司外冷器冷卻管采用鈦材制作，結疤不易在冷卻管內部聚集，但行業內普遍采用的是四制堿一清洗作業的生產模式，即72 h制堿24 h清洗，而本公司采用96 h制堿24 h清洗，制堿時間較長且清洗時間并未同步延長。因制堿作業時間的延長，黏晶以及單晶在塔內壁、篩板以及管壁上不斷聚集，在倒塔操作時，清洗條件以及塔況的不同，致使清洗效果變差。因此，在運行一段時間后，碳化塔內壁以及冷卻管內結疤現象屢見不鮮，使得碳化塔以及外冷器內部有效面積減少，造成碳化產量降低以及細晶增多，縮短制堿作業周期。

1 碳化塔清洗工藝存在的問題及解決措施

在制堿過程中，有結晶的析出，必然伴隨著黏晶、單晶等結晶物質向塔內壁以及冷卻管表面析出而產生結疤。如表1所示，碳化塔內部結疤以NaHCO3為主要成分，約占84.6%。結疤腐蝕碳化塔內壁、篩板以及外冷器冷卻管，導致制堿效率下降，同時加劇了母液的湍流，促使二次晶核的生長，影響碳化結晶，進一步影響純堿成品粒度，降低客戶滿意度。

表1 碳化塔內部結疤成分含量

本公司碳化塔常規采用的清洗介質為吸氨后的熱氨Ⅱ母液，溫度控制在30～35 ℃，清洗過程為熱氨Ⅱ在氮氣的鼓動下清洗碳化塔后進入中和水桶，形成碳氨Ⅱ母液，經過濾及換熱后進入制堿塔制堿。在生產中有時為了控制進入制堿塔的碳氨Ⅱ溫度在合理的工藝指標范圍內，清洗作業時將外冷器出水閥開度控制在20%～50% ，熱氨Ⅱ不能充分溶解塔壁以及冷卻管結疤，清洗效果變差，外冷器換熱面積減少，換熱效率相應地下降。冷卻管結疤易導致局部過冷或者過飽和[2]，對碳化結晶極為不利，因此必須采用熱煮碳化塔的手段來解決結疤問題。本文通過監測外冷器換熱效率，判斷碳化塔是否需要熱煮，從而增加外冷器換熱面積，改善碳化結晶。

外冷器換熱效率是評價其傳熱性能好壞的一項重要指標，一些文章[3,4,5]對換熱器換熱效率進行了大量的基礎研究驗證，并對換熱效率η定義為實際傳熱Q實際與理論上的最大傳熱量Q最大之比，即：

(1)

其中，Q實際為外冷器實際可傳遞熱量；Q最大為理想最大可傳遞熱量；W為母液流量；Cp為母液比熱容；T1/T2分別為母液進出外冷器的溫度；t1/t2分別為循環冷卻水進出外冷器的溫度。

根據換熱器換熱效率公式(1)，在綜控DCS操作畫面上進行了組態設計，實時顯示外冷器換熱效率，便于監測外冷器的換熱性能，從而判斷碳化塔以及外冷器的工作性能。實施案例如圖1所示，在制堿作業后期，換熱效率不斷下降，說明冷卻管內部產生較多的結疤，需要及時進行熱煮，改善外冷器換熱性能。

圖1 換熱效率曲線及

2 換熱效率的監測

根據外冷器冷卻管內外冷熱流體之間的換熱效率，判斷冷卻管內部析出結晶結疤的情況，為是否啟用熱循環水熱煮碳化塔提供重要參考。如表1所示，通過調查A塔外冷器(a)月周期制堿作業換熱效率發現，整個作業周期尤其是作業后期，A塔換熱效率較低，應當及時進行通管沖洗恢復換熱性能。此外，表1足以說明碳化塔在長期制堿作業下，使用常規的AⅡ清洗對于提高碳化塔外冷器換熱效率的幅度有限，因此需要進行熱煮清除冷卻管內的結疤。實施熱煮時，利用廢淡液板式換熱器加熱洗塔水，提高水溫，降低蒸汽能耗，增加塔內壁、篩板及冷卻管結疤的溶解度，快速恢復外冷器換熱效率，提高碳化結晶質量。

在外冷器換熱效率得到保障下，常規的AⅡ清洗配合熱煮碳化塔表現出較強的優勢。在96 h制堿作業周期內，外冷器換熱效率基本保持不變，且能夠在多個制堿周期內穩定在90% 以上的換熱效率。在連續多個制堿作業周期內換熱效率基本保持不變，主要優勢體現在以下幾個方面。

1)安全環保上，碳化塔常規采用熱AⅡ清洗，根據換熱效率決定是否需要熱煮，以改善碳化結晶。熱煮后的洗塔水回收至聯堿生產系統作為補液，既不破壞系統母液和水平衡，也避免了含氨等廢液的排放等問題，實現環保與降本增效雙贏。

2)能源消耗上，利用廢淡液板式換熱器加熱洗塔水至50 ℃左右，通入少量1.4 MPa蒸汽維持水溫在60 ℃，不需要消耗大量的蒸汽熱能，便可提高洗塔水水溫，大大降低了能耗，同時也能夠節約洗水加熱的時間，縮短煮塔時間，節約運行成本。

3)產品質量上，碳化塔進行熱煮后，外冷器內部結疤得到有效地去除，提高了碳化塔以及外冷器內部有效面積，從而提升了外冷器換熱效率，使得出堿溫度可調控。原出堿溫度一直保持在39 ℃以上。而由于換熱效率可監測，將出堿溫度調整至38 ℃以上，運行2～3個制堿周期。經連續試運行后，外冷器換熱效率仍較高，碳化結晶質量以及產量在原有的基礎上得到了提升，重堿水分以及煅燒汽耗進一步降低，純堿日均產能得到提高，單塔純堿日產量可達到300 t/d以上。

3 經濟效益測算

煮塔洗水用量200 m3，水的比熱4.18 kJ/(kg·℃)，1.4 MPa蒸汽焓值2 788.4 kJ/kg，蒸汽按目前市場價155元/噸計算。200 m3洗塔水溫度由25 ℃升至60 ℃，需要的1.4 MPa蒸汽量為：200×4.18×(60-25) / (2788.4-4.18×60)=11.53 t；同理，200 m3洗塔水溫度由50 ℃升至60 ℃，需要的1.4 MPa蒸汽量為3.29 t ，則實施一次洗塔可節約蒸汽成本為：(11.53-3.29)×155=1 277.2元/t。

4 結 論

換熱效率的計算組態，能夠較好地監控外冷器換熱性能以及塔況，針對碳化生產中出現的問題及時調整工藝策略，如母液進液溫度居高不下、循環冷卻水進出口溫差小等問題，結合效率曲線表可判斷碳化塔及外冷器工作情況，適時進行熱煮，為純堿生產提供可行性操作，使碳化結晶粒度得到可控。雖熱煮碳化塔能夠有效去除塔內壁、篩板以及外冷器接管內結疤，但熱煮不僅需要消耗蒸汽熱能，而且造成系統水膨脹，故不能常用。因此，換熱效率的監測能判斷熱煮是否需要投用，使熱煮發揮最大的經濟效益，做到既不破壞系統水平衡，又能達到環保要求，改善碳化塔塔況，提高碳化結晶，降低重堿水分以及煅燒蒸汽能耗，為公司降本增效提供有力保障。