浅谈变换气制碱装置中双外冷碳化塔的运行总结

令狐永久

（山西丰荷三聚氰胺有限公司，山西运城 044000）

浅谈变换气制碱装置中双外冷碳化塔的运行总结

令狐永久

（山西丰荷三聚氰胺有限公司，山西运城 044000）

阐述了自然循环双外冷碳化塔的结构及工作原理；通过改造装置性能得到提升，单塔生产能力由原来的120t／d提高到150t／d，作业周期也由10天左右提高到30多天，经过7年的运行，证明外冷碳化塔优势明显，前景广阔。

变换气制碱；自然循环双外冷碳化塔；结构；工作原理

在纯碱生产中碳化工序是其心脏，而碳化塔又是碳化工序的关键设备。碳化塔选型一旦确定，直接影响到将来纯碱生产的各项指标的完成、消耗的高低、质量的优劣，甚至是投资的高低。对于准备新建或扩建的纯碱厂来说，碳化塔的选型是一个非常重要的决策。目前我国纯碱生产企业大多数都采用铸铁内冷式索尔维塔或钢制碳化塔，而这些碳化塔内部表面，特别是冷却管表面粗糙，易结疤，一般运行16～24h就需要停塔进行清洗，经常性的清洗倒换塔造成生产工艺波动，也给生产实现自动化增加了困难。稷山纯碱分公司在2003年建设15万t／a纯碱项目时，经过考察调研最终采用了中国成达工程有限公司开发的“自然循环双外冷碳化塔”（以下简称：外冷碳化塔），经过7年的运行，我们认为外冷碳化塔优势明显，前景广阔。

1 外冷碳化塔的结构及工作原理

外冷碳化塔是由塔体及外冷器两部分组成，外冷器通过气动角阀与塔体连接，塔内从上到下分别有：10块筛板、5个菌帽、4个小中心筒、1个大中心筒和1个立帽组成。塔内上部筛板结构主要是增强CO2吸收，筛板以下由菌帽和中心管构成多个全混反应釜单元。

由结晶动力学可知，结晶主要分为两个过程：第一过程为结晶核的生成，即溶质在过饱和溶液中析出微小的结晶体；第二过程为结晶体的成长过程，即不同的结晶核相互碰撞、结合成较大的结晶体；改变影响晶核形成速度和结晶成长速度的因素，就可控制结晶体的大小。碳酸氢钠的结晶也遵循结晶的一般规律，它也受诸多因素影响，其中最主要的是碳化液的过饱和度（S）、碳化温度（T）及CO2循环鼓泡程度。晶核生成速度v生成＝f（s）3，晶体成长速度v成长＝f（t·s）3。碳酸氢钠在碳化塔内析出时，其粒度的大小与过饱和度的关系极大，因此适当地降低溶液的过饱和度使晶核的生成速度不致太快，尽量控制v生成＝v成长以得到粒度较大的碳酸氢钠结晶。

外冷碳化塔是利用塔内含气液体与外冷器内基本不含气液体之间存在着浓度差进行循环，以浓度差即溶液的过饱和度作为循环推动力。溶液的过饱和度的大小直接影响成核和晶体成长过程的快慢，而这两个过程的快慢又影响着晶体产品的粒度分布，因此，过饱和度是结晶过程中一个极其重要的参数。这样把部分塔下部过饱和度低且带有晶粒的塔液循环到塔的中上部，既可降低塔中上部的过饱和度，又把部分晶粒补充到中上部起到晶核作用，相对延长停留时间，使结晶长得大而均匀。塔内各段的中央循环管进行本段母液的循环，循环管外面产生3层环形气泡，气体大部分从底部进入，先经过各段的分布器，再到达分气环把大气泡分散为小气泡，沿中央循环管外部的环形间隙上升、分散的气泡把母液汽化，使母液的密度下降，上升的双向流体受气流的推动上升到本段中央循环管的上端，气泡离开双向流体经本段上部的分气装置进入上一段结构，这时气体形成连续相，进入中央循环管喇叭型溢流入口 ，管内连续的液相恢复到原来的密度，靠中央循环管内、外介质的密度差推动母液下行，再由管底部流入环形截面内又遇到鼓泡作用强行上升，形成强烈的轴向循环，从而使NaHCO3的过饱和度下降，晶体得以成长，晶粒数目得到抑制，使晶体逐渐长大，且自上而下形成了均匀的结合氨（CNH3）浓度梯度。

碳化过程中一次晶核的析出数量与临界点的温度和过饱和度有很大关系。低温碳化时，碳化液积累到很高的过饱和度后爆发产生大量一次晶核，反之，高温碳化，临界点温度高，析出一次晶核的过饱和度低，析出的晶核数量就少，加快了塔壁的结疤速度，且增大了热负荷，还妨碍碳化塔长期连续运转。外冷碳化塔由于塔内液体上下循环，即减低了塔中上部的过饱和度，带上来的细小结晶又起到了晶核的作用，全塔过饱和度比较均匀，不存在过饱和度高峰区，也不存在临界点，有效的解决了临界点爆发大量一次晶核的问题。同时，塔液循环对NaHCO3结晶有一定的分级作用，粒径小的结晶随循环液上升到中上部，作为晶种继续长大，长大的结晶则随着下降的循环液取出，这有利于小结晶长大。

2 通过技改，提高碳化塔生产能力

外冷碳化塔制碱技术属中国成达工程有限公司和鸿化总厂试验开发，经化工部鉴定并加以推广。我公司在试车过程中，由于经验不足，外冷塔作业周期仅为10天，单塔生产能力仅为120t／d，经多次对碳化装置进行技术改造，使外冷塔作业周期大大延长，单塔生产能力大大提高。

2.1 提高入塔CO2气体流量及AⅡ流量

双外冷碳化塔分中、下两段进气，在生产过程中，我公司采用变换气制碱，取消中段气，提高生产负荷，提高下段气进气量，一方面，生产负荷提高时，塔内的进气量增加，外冷器的循环推动力也相对提高，这样，碳化液进出外冷器的温差就会减小，外冷器结疤速度也会随之减小，进一步提高了外冷器的换热效果和作业周期。

2.2 严格控制入塔AⅡ液的温度，防止反应上移

气体流量对外冷碳化塔的操作非常重要，我公司CO2浓度高达24.8%～26%，加大气体流量，整个塔反应上移，在筛板上就有NaHCO3结晶析出，造成筛板结疤，影响碳化塔作业周期。我们对整个碳化系统考虑，采取降低AⅡ液的入塔温度，控制入塔AⅡ液的温度在30～35℃，防止碳化反应上移。

2.3 通过改造，提高碳化塔作业周期

2.3.1 角阀

角阀是配置在碳化塔外冷器上的上、下阀门，是为外冷器轮换作业或清洗而设计的特殊阀门，因进、出口轴线相交90°角，故称角阀。它的作用和功能是利用切换阀来控制压缩空气的进、出压差来推动活塞及阀杆做往复运动，连接阀板开启或闭合。密封结构形式类似截止阀。

原设计角阀经常卡死，这是碳化塔作业周期短的一个主要原因。我公司针对角阀的结构和工作原理对角阀的结构进行改造，改造后的角阀操作灵活，且延长了使用寿命，满足了外冷碳化塔生产工艺需要，减少了维修费用和维修工作量，从根本上解决了因角阀而影响碳化塔作业周期的问题。

2.3.2 外冷器

自然循环双外冷碳化塔外挂2个冷却器，由气动角阀连接。由于碳钢列管外冷器采用热固化防腐，防腐工艺复杂，很难达到防腐要求，防腐层极易脱落而造成外冷器结疤堵管，同时，脱落了防腐层的地方又因传热系数过大使母液过饱和度消失而产生大量细小晶核，影响结晶质量。因此我公司采用钛列管外冷器，延长了外冷器的作业周期。

3 运行效果及存在问题

2003～2010年，经过多次技术改造，基本上完善了外冷碳化塔制碱技术，使单塔生产能力由原来的120t／d提高到150t／d，作业周期也由10天左右提高到30多天，碳化塔的污水排放量大幅度减少了。

通过多年来的生产运行，我们认为外冷碳化塔有许多优势，特别是单塔生产能力大和结晶质量好，在国内属领先地位，但也存在以下问题：

1）外冷碳化塔对负荷波动比较敏感，还需进一步摸索负荷波动大及低负荷运行的操作方法。

2）作业周期还未达到设计值，还需要进一步挖掘外冷碳化塔的潜能。

4 结 语

外冷碳化塔解决了反应液在塔外冷却问题，塔体可长期连续作业，提高了碳化塔的利用率，节省了设备投资和动力消耗；二氧化碳吸收率高，碳酸氢钠结晶质量好，平均粒度大，适合于离心过滤技术；单塔生产能力大，既可单塔自成一系统，也可多塔编组作业；具有操作方便，占地面积小，能耗低等优点。现该技术在变换气制碱中已广泛采用。

TQ 114.162

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1005－8370（2010）06－27－03

2010－08－06

令狐永久（1964—），1986年毕业于太原工业大学化工系，工程师。现任山西丰荷三聚氰胺有限公司总经理。