令狐永久

（山西豐荷三聚氰胺有限公司，山西運城 044000）

淺談變換氣制堿裝置中雙外冷碳化塔的運行總結

令狐永久

（山西豐荷三聚氰胺有限公司，山西運城 044000）

闡述了自然循環(huán)雙外冷碳化塔的結構及工作原理；通過改造裝置性能得到提升，單塔生產能力由原來的120t／d提高到150t／d，作業(yè)周期也由10天左右提高到30多天，經過7年的運行，證明外冷碳化塔優(yōu)勢明顯，前景廣闊。

變換氣制堿；自然循環(huán)雙外冷碳化塔；結構；工作原理

在純堿生產中碳化工序是其心臟，而碳化塔又是碳化工序的關鍵設備。碳化塔選型一旦確定，直接影響到將來純堿生產的各項指標的完成、消耗的高低、質量的優(yōu)劣，甚至是投資的高低。對于準備新建或擴建的純堿廠來說，碳化塔的選型是一個非常重要的決策。目前我國純堿生產企業(yè)大多數(shù)都采用鑄鐵內冷式索爾維塔或鋼制碳化塔，而這些碳化塔內部表面，特別是冷卻管表面粗糙，易結疤，一般運行16～24h就需要停塔進行清洗，經常性的清洗倒換塔造成生產工藝波動，也給生產實現(xiàn)自動化增加了困難。稷山純堿分公司在2003年建設15萬t／a純堿項目時，經過考察調研最終采用了中國成達工程有限公司開發(fā)的“自然循環(huán)雙外冷碳化塔”（以下簡稱：外冷碳化塔），經過7年的運行，我們認為外冷碳化塔優(yōu)勢明顯，前景廣闊。

1 外冷碳化塔的結構及工作原理

外冷碳化塔是由塔體及外冷器兩部分組成，外冷器通過氣動角閥與塔體連接，塔內從上到下分別有：10塊篩板、5個菌帽、4個小中心筒、1個大中心筒和1個立帽組成。塔內上部篩板結構主要是增強CO2吸收，篩板以下由菌帽和中心管構成多個全混反應釜單元。

由結晶動力學可知，結晶主要分為兩個過程：第一過程為結晶核的生成，即溶質在過飽和溶液中析出微小的結晶體；第二過程為結晶體的成長過程，即不同的結晶核相互碰撞、結合成較大的結晶體；改變影響晶核形成速度和結晶成長速度的因素，就可控制結晶體的大小。碳酸氫鈉的結晶也遵循結晶的一般規(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，晶體成長速度v成長＝f（t·s）3。碳酸氫鈉在碳化塔內析出時，其粒度的大小與過飽和度的關系極大，因此適當?shù)亟档腿芤旱倪^飽和度使晶核的生成速度不致太快，盡量控制v生成＝v成長以得到粒度較大的碳酸氫鈉結晶。

外冷碳化塔是利用塔內含氣液體與外冷器內基本不含氣液體之間存在著濃度差進行循環(huán)，以濃度差即溶液的過飽和度作為循環(huán)推動力。溶液的過飽和度的大小直接影響成核和晶體成長過程的快慢，而這兩個過程的快慢又影響著晶體產品的粒度分布，因此，過飽和度是結晶過程中一個極其重要的參數(shù)。這樣把部分塔下部過飽和度低且?guī)в芯Я５乃貉h(huán)到塔的中上部，既可降低塔中上部的過飽和度，又把部分晶粒補充到中上部起到晶核作用，相對延長停留時間，使結晶長得大而均勻。塔內各段的中央循環(huán)管進行本段母液的循環(huán)，循環(huán)管外面產生3層環(huán)形氣泡，氣體大部分從底部進入，先經過各段的分布器，再到達分氣環(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上升到本段中央循環(huán)管的上端，氣泡離開雙向流體經本段上部的分氣裝置進入上一段結構，這時氣體形成連續(xù)相，進入中央循環(huán)管喇叭型溢流入口 ，管內連續(xù)的液相恢復到原來的密度，靠中央循環(huán)管內、外介質的密度差推動母液下行，再由管底部流入環(huán)形截面內又遇到鼓泡作用強行上升，形成強烈的軸向循環(huán)，從而使NaHCO3的過飽和度下降，晶體得以成長，晶粒數(shù)目得到抑制，使晶體逐漸長大，且自上而下形成了均勻的結合氨（CNH3）濃度梯度。

碳化過程中一次晶核的析出數(shù)量與臨界點的溫度和過飽和度有很大關系。低溫碳化時，碳化液積累到很高的過飽和度后爆發(fā)產生大量一次晶核，反之，高溫碳化，臨界點溫度高，析出一次晶核的過飽和度低，析出的晶核數(shù)量就少，加快了塔壁的結疤速度，且增大了熱負荷，還妨礙碳化塔長期連續(xù)運轉。外冷碳化塔由于塔內液體上下循環(huán)，即減低了塔中上部的過飽和度，帶上來的細小結晶又起到了晶核的作用，全塔過飽和度比較均勻，不存在過飽和度高峰區(qū)，也不存在臨界點，有效的解決了臨界點爆發(fā)大量一次晶核的問題。同時，塔液循環(huán)對NaHCO3結晶有一定的分級作用，粒徑小的結晶隨循環(huán)液上升到中上部，作為晶種繼續(xù)長大，長大的結晶則隨著下降的循環(huán)液取出，這有利于小結晶長大。

2 通過技改，提高碳化塔生產能力

外冷碳化塔制堿技術屬中國成達工程有限公司和鴻化總廠試驗開發(fā)，經化工部鑒定并加以推廣。我公司在試車過程中，由于經驗不足，外冷塔作業(yè)周期僅為10天，單塔生產能力僅為120t／d，經多次對碳化裝置進行技術改造，使外冷塔作業(yè)周期大大延長，單塔生產能力大大提高。

2.1 提高入塔CO2氣體流量及AⅡ流量

雙外冷碳化塔分中、下兩段進氣，在生產過程中，我公司采用變換氣制堿，取消中段氣，提高生產負荷，提高下段氣進氣量，一方面，生產負荷提高時，塔內的進氣量增加，外冷器的循環(huán)推動力也相對提高，這樣，碳化液進出外冷器的溫差就會減小，外冷器結疤速度也會隨之減小，進一步提高了外冷器的換熱效果和作業(yè)周期。

2.2 嚴格控制入塔AⅡ液的溫度，防止反應上移

氣體流量對外冷碳化塔的操作非常重要，我公司CO2濃度高達24.8%～26%，加大氣體流量，整個塔反應上移，在篩板上就有NaHCO3結晶析出，造成篩板結疤，影響碳化塔作業(yè)周期。我們對整個碳化系統(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℃，防止碳化反應上移。

2.3 通過改造，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，是為外冷器輪換作業(yè)或清洗而設計的特殊閥門，因進、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控制壓縮空氣的進、出壓差來推動活塞及閥桿做往復運動，連接閥板開啟或閉合。密封結構形式類似截止閥。

原設計角閥經?？ㄋ?，這是碳化塔作業(yè)周期短的一個主要原因。我公司針對角閥的結構和工作原理對角閥的結構進行改造，改造后的角閥操作靈活，且延長了使用壽命，滿足了外冷碳化塔生產工藝需要，減少了維修費用和維修工作量，從根本上解決了因角閥而影響碳化塔作業(yè)周期的問題。

2.3.2 外冷器

自然循環(huán)雙外冷碳化塔外掛2個冷卻器，由氣動角閥連接。由于碳鋼列管外冷器采用熱固化防腐，防腐工藝復雜，很難達到防腐要求，防腐層極易脫落而造成外冷器結疤堵管，同時，脫落了防腐層的地方又因傳熱系數(shù)過大使母液過飽和度消失而產生大量細小晶核，影響結晶質量。因此我公司采用鈦列管外冷器，延長了外冷器的作業(yè)周期。

3 運行效果及存在問題

2003～2010年，經過多次技術改造，基本上完善了外冷碳化塔制堿技術，使單塔生產能力由原來的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。

通過多年來的生產運行，我們認為外冷碳化塔有許多優(yōu)勢，特別是單塔生產能力大和結晶質量好，在國內屬領先地位，但也存在以下問題：

1）外冷碳化塔對負荷波動比較敏感，還需進一步摸索負荷波動大及低負荷運行的操作方法。

2）作業(yè)周期還未達到設計值，還需要進一步挖掘外冷碳化塔的潛能。

4 結 語

外冷碳化塔解決了反應液在塔外冷卻問題，塔體可長期連續(xù)作業(yè)，提高了碳化塔的利用率，節(jié)省了設備投資和動力消耗；二氧化碳吸收率高，碳酸氫鈉結晶質量好，平均粒度大，適合于離心過濾技術；單塔生產能力大，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?，F(xiàn)該技術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)大學化工系，工程師?，F(xiàn)任山西豐荷三聚氰胺有限公司總經理。