新型高效小苏打筛板碳化塔技术开发与应用

2019-06-18

纯碱工业 2019年3期

(中国成达工程有限公司，四川成都 610041)

1 现有小苏打碳化塔技术分析

碳化法小苏打生产中碳化塔是核心设备。

目前国内外小苏打生产的碳化塔一般都采用笠帽塔板，反应热的移去多数工厂都采用夹套冷却。有的无冷却结构，靠塔体散热自然冷却。少数工厂在塔下部设管式冷却水箱。目前小苏打碳化塔的主要缺点是吸收效率低和冷却效果差。由于笠帽塔板存在塔体轴向返混，降低了塔板的吸收效率。通常小苏打生产用石灰窑的窑气作为CO2原料，进塔窑气CO2浓度为36%～40%，小苏打碳化塔出气含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，同时增加原料气压缩消耗的功率。其次由于采用夹套冷却或靠塔体散热自然冷却都不能充分移去反应热和进塔溶液的显热，即使在塔下设管式冷却水箱的小苏打碳化塔由于冷却面结疤速度很快，换热效果也很差，其结果是出塔碱液温度高，Na2CO3转化为NaHCO3的转化率低，塔作业周期短。同时由于夹套冷却和塔体散热冷却结构只能移去很少热量，因此这类结构只适用于小型塔，不能大型化。

目前国内生产能力稍大的小苏打工厂都设置多台直径小的碳化塔，这样增加了建设投资和占地面积，也不便于操作和管理。因此开发吸收效率高、冷却效果好、作业周期长和单塔能力大的碳化塔是目前提高小苏打生产技术水平的重要课题。

2 主要技术方案及创新点

基于小苏打碳化塔的技术现状，我们开发了以液相为连续相，低开孔率带降液管的高效筛板小苏打碳化塔板，该塔板当筛孔内气速达到一定值后在塔板下面会形成一个气垫层，从而阻止了塔液的轴向返混，提高了塔的吸收效率，这种塔板是中国成达公司首先在纯碱生产碳化塔开发时研究成功的，现将这种塔板用于小苏打生产，代替传统的菌帽塔板，大大提高了吸收效率，使碳化塔尾气CO2浓度降低至10%～15%，从而降低了原料CO2的消耗量，并减少了原料气压缩能耗。此外，由于吸收效率提高，碳化完成液(即碳化塔取出液)更接近反应平衡点，碳化完成液的转化率有所提高，可以减少进塔液的用量。

本次开发的碳化塔设备根据进塔碱液和进气CO2气体具体工艺指标，采用专门的关联动力学方程式进行塔内部结构计算和设计。根据反应的实际过程，沿塔的纵向分为不同的区域进行工艺计算和塔的水力学计算。塔板的开孔也依据结晶反应成长的机理和过程，采用孔径规格不同、数量不同和布置方式有别的设计，满足碳酸化的工艺过程要求，提高反应的传质、传热效率，避免塔板的堵塞，延长塔的作业周期。

本技术还针对目前多数工厂采用夹套冷却和塔体自然冷却存在冷却不充分，取出温度高，碳化完成液温度高，Na2CO3转化率低的问题，设计了在塔下部设塔内或塔外管式冷却器。以往少数小苏打生产厂也有采用塔下设管式冷却箱的结构，但由于冷却管表面结疤严重，冷却效果差，所以多数小苏打生产厂还是采用夹套冷却或不设冷却靠塔体表面散热自然冷却结构。

本技术通过控制冷却强度，大大减轻了冷却表面结疤速度，提高了冷却效率，使碳化完成液温度从通常的大约75 ℃降低至60～65 ℃，从而提高了碳化完成液的转化率。

上述两种结构同时在小苏打碳化塔中使用，而且控制好冷却强度，大大提高冷却效率，在国内外还是首次，使小苏打碳化塔的技术性能有很大的提升。使用该技术后，CO2及碱液消耗量显著降低，塔的生产能力提高，塔内结疤减轻，塔的作业周期大幅提高，可显著降低建设费用和运行费用。

3 实施案例

1)一台原有直径1.2 m的菌帽碳化塔，内设22个菌帽塔板，采用夹套冷却，冷却面积为30 m2，日产小苏打约50～60 t。后用本技术进行改造，将22块菌帽塔板改为20块筛板塔板，并在塔外下部新增一台自然循环管式冷却器，冷却器直径0.8 m，冷却面积50 m2。改造后塔的生产能力不变，但碳化塔尾气CO2浓度从17%～19%降至10%～13%，碳化塔完成液温度从75～76 ℃降至65～70 ℃，取出固液比及转化率均有提高，塔内结疤减轻，塔的作业周期从30 h提高到50 h左右，塔的技术性能得到明显提升(见图1)。