[doc] 碱厂碳化塔结构设计综述.doc

碱厂碳化塔结构设计综述第.第3捌综述与专论解匀;.f),l碱厂碳化塔结构设计综述化炯心调研组徽t致匀,I【摘要指出丁碳化塔结构设计的改进对制碱工业技术经济效益的五点重大影响.强调今后碳化塔构改进应考虑的四项主攻方向.并介绍了国内外纯碱厂现行的各种大型笠帽型及筛板型碳化塔的技术经济性能,同时还对开发研究中的环流塔及外冷式碳化塔作了评论.1纯碱生产工艺中最关键的工序现今纯碱商品的工艺制造方法,以传统的氨碱法或联合制碱法工艺生产的纯碱占该纯碱商品72%以上,确切地说,19901991年度全世界约3500吨纯碱商品中,其中就有2500碱是从氨碱法或联合制碱法工艺制造过程中生产出来的.而贯穿整个氨碱法或联合制碱法工艺,影响纯碱商品生产成本和商品质量的最关键的工序莫过于碳化过程整个生产工序.该工序的碳化塔是碳化工序主体设备,其结构特征直接影响着纯碱生产的经济效益,各国制碱工作者都注重于碳化塔结构的设计和改进,从而获得最好的经济效益.碳化塔结构究竟涉及哪些纯碱生产过程中的技术经济指标呢,影响什么样经济效益呢?碳化塔结构优良与否反映出食盐变化率,良好的氨碱法纯碱生产过程中碳化变化率应在76%以上;碳化完成液中形成的再制品重碱结晶NaHCO.,其颗粒是粗大的,从而可保证固液分离所得的再制品重碱烧成率应在53%以上;保证碳化塔长期正常运转,腐蚀与泄漏率降低到最小限度是制碱工作者努力追求的技术改进目标之一,这就要求制碱工作者力争改良冷却箱和冷却列管材质;减少碳化塔轮换清洗所造成的作业波动,减少轮换清洗作业劳动强度也是改进碳化塔结构的特征之一,最大限度地抑制塔顶尾气中NH.和CO.逸散损失量无疑也是反映改进碳化塔结构的一个非常明确的技术经济指标.,以上五项技术经济指标或控制条件是碳化塔结构先进与否的评判标准,基于以上五项技术经济指标和控制条件,立即反映纯碱商品成本结构变化:食盐消耗定额,氨耗,石灰石消耗,煅烧燃料消耗,综合能耗等,仅此五项原材料及能耗成本占纯碱商品成本70%,如加上控制条件腐蚀与泄漏造成设备折旧费或大,中,小修费用增加,那么凡因涉及碳化塔结构变化而牵涉到商品成本影响的成本组成部分将扩大至8O%.简言之,碳化塔结构的变化将反映在商品纯碱企业成本变化量级达至80%,碳化塔结构的任何一点改进都将明显地提高企业经济效益,增加企业利润.所以现今制碱工作者,都将碳化塔视为制碱过程中最关键性设备.本文将以我公司现有情报信息为综述基础,综述了国内外碳化塔结构进展,为制碱玉作者提供改进碳化塔结构的依据.技科7H凌匕化,2大化科技2碳化过程机理和作业过程2.1碳化过程机理在纯碱制造过程中,将食盐(NaCI)转化成纯碱的中间产品重碱(NaHC0.)是在碳化工序的碳化塔设备中完成的.然而重碱在碳化塔中的形成却是极其复杂的化学与物理综合科学,确切地说NaCI碳化过程中是在氨盐水介质中完成的,NaCI通过NH.HCO.媒介才能转化为重碱中间盐产品,为最终商品纯碱奠定决定性化学反应工序.NaC1在氨盐水介质中完成重碱的结晶体现化学热力学过程和结晶NaHCO.物理化学结晶动力学过程,前者是纯化学反应过程,后者是物理化学,相变化,结晶动力学过程.因此,碳化过程生成中间盐产品NaHCO.是极其复杂的工序,本文将简要分析此等理论问题,为碳化塔设备结构改良捉供工艺条件的依据.2.1.1NaCI转变成NaHC0.的化学热力学过程完成NaCI转变成NaHC0.中间盐,必须经过以下四个化学热力学过程:(1)CO2(气)+H2O(液)一H2CO3(液)+20200kJ/kgmol(2)2NH4OH(液)+H2CO3(液)一一(NH4)2CO3(液)+2H2O(液)+74200kJ/kgmol(3)(NH4)2CO3(液)+H2CO3(液)一2NH.HCO3(液)+57600kJ/kgmol(4)NaCIU)+NHHC03(液)一NaHCO3(液)+NH.Cl(ff)+5540kJ/kgmol以上四个化学反应可以用一个总代表公式表示:(5)NaCI()+CO2(气)+NH4OH(液)NH.Cl(液)+NaHCO3(液)+91100kJ/kgmolNaHCO3(液)制碱工作者都知道,要完成最佳的NaCI转化率,必须将系统中CO及NHs最大限度地吸收转化并将上述化学反应热尽快地移出,以便利上述化学反应顺利进行.上述的各化学反应公式都显示化学热力学概念,并受化学热力学节制.如何保证CO,NH.最大限度地吸收,如何移出那些巨量化学反应热,这都是碳化塔新型结构所正视的技术条件.上述(1),(2),(3),(4)四个化学反应最终形成液相NaHCO.,同时释放出大量热能,整个生产过程到此远远没有结束,因为中间盐产品固相NaHCO.还没有析出来,只说明通过(1),(2),(3),(4)四个化学反系统中已经积累相当量的液相NaHCO.,而纯碱生产中碳化工序的最终目的,要使食盐NaCI最大限度地向(5)化学总成公式右端进行,从而获取最大限度的中间盐产量,这时NaC便得到充分利用,这才姓碳化工序的生产目的.欲使化学总成公式(5)顺利向右进行,必须遵循物理化学的相变化规律,在此有结晶动力学和相律控制着碳化工序重碱结晶进程.此相互承上启下的化学和物理综合科学严格地指导着碳化工序食盐(NaC1)转变成固体结晶物重碱(NaHCO.),缺少其中任何一个过程都不能完成纯碱生产任务.2.1.2NaHCO.结晶动力学过程及相律指导因素NaHCO.液相状态转变成NaHCO.固相状态是有相变化热释放出来的,尽管此相变化热远比上述化学反应的热量小,但它是不可忽视的相变化.NaHCO3(液)一一NaHCO3(固)+16400kJ/kgNaHCO3tool同样如何移出这部分相变化热,这是让食盐(NaCI)转变成更多的重碱(NaHCO.)结晶极其重要的技术条件,它除涉及热量移出总容量之外还涉及移出热的速率问题,任何释放出或移出热量不平衡都将会导致食盐(NaCI)变化率损失且结晶NaHCO.细小不能进行生产上固液分离的实际问题.所以必须强调NaHCO.结晶动力学,即反应过程释放或移出热量的速率问题及其相律问题.纯憾生产践提示,人量吸收COz且迅速移出化学反应热并非难事,这并不会给碳化塔塔型结构设计造成巨大的嘛烦事,而在NaCO.结舳上程;i,欲按理沦相律控制结晶,得到较大且粗硬的NaHCOs结晶体却非容易,这是制碱:作者最为关心的技术工作,也是碳化塔塔型设计最为复杂的工作,迄至目前,没有任何-+捌碱工作者研究或设计碳化塔按照结晶动力学控制技术参数提出某个品量级NaHCO.J</i(颗粒微米NaHCO.,一般在90140I11)及结晶析出速度,并按此结晶析出速渡给出碳化塔结晶NaHCO.长人时间与纯碱产率,一般只能从热量移出速率平衡碳化塔冷却箱冷却面积并给出一个经验碳化完成液在碳化塔中留滞时间(-N3小时).虽然碳化完成液在碳化塔中留滞时间愈多,可能会得到粗大的NaHCO.结晶,且NaC1转化率会高一点,但却牺牲了碳化塔制碱生产能力,纯碱产量出不来,两者有个折中的选择,这里没有严格的科学研究论文足以指导生产,都是经验公式或定性数据.就相律而论,只是说在”互换的二对盐”复分解过程析出其中一种盐,本文指NaHCO.结晶时,加上水只能认定为四组分系统棉变化物质,该系统中相变态数是一个气相,一个液相,而我们假设生产过程中允许出现二个固相组分即NaHCO.加NH.HC0.少量互存,那么相律为:生产控制条件F=C一书+2=4._4+2自由度即生产控制条件,我们说只能是温燮和操作总压力(或称为CO分压),任何塔型结构都涉及”互换的二对盐”复分解平衡状态所应具备的生产控制条件t保证恒定温度;CO分压恒定,否则该相变系统会失掉平衡,更谈不到结晶好坏.相律只谈平衡控制条件,而如何获得一定数量晶核,并在此品核上长大形成工业NaI-fCO.结晶体这才是结晶动力学所肩负的任务,然而目前没有任何论计算可在实践中具体应用指导生产.显然,考核优良的重碱结晶所面临结晶动力学任务,即如何控制成核速率,理论设J=粒数/米.?秒.:那么定性公式有:J,ToJ=一=KAC式中:I<一重碱(NaHC0.),成核速率常数C最大允i=,=浓度差或允许过饱和度,也可以用过冷却度表示t碳化塔结晶和冷却箱设计应为恒定的过饱和度和恒定的过冷却度提供条件,从而保证成核速率J恒定不变,方能得到粗大的重碱结晶体.如果过冷却速度很大,会带来甚多的细小晶核,它必然不能长大到生长所需的粒度,而导致中间产品重碱质量低劣.结晶动力学和相律所研究的冷却速度,平衡温度,COz分压事实上都由碳化塔结构所尽可能考虑到最佳状态,C0分压由塔高度及中下段进气浓度所控制,这些在制碱工作中都十分熟悉的,但没有严格公式指导生产与设计.关系到优良重碱结晶诸自由度,我们说从相平衡理论上只有温度和CO.分压了,但实际过程另一些概念如氨盐水杂质诱导结晶,分子引力,外界搅动强度等,我们一律视为恒定的常量,它们也超越碳化塔塔型设计的理论基础,这里不予论述.总结碳化过程化学反应,它是化学与物理变化综合过程,其平衡公式是:大NH.HCO.(液)+NaCl(液)一NaHCO3(1ift)+NH4Cl(m)严格说是NaCI()+CO2(气)+NH3(液)+H20一NH.Cl(液)+NaHCO3(圆)+106200kJ/kg?mol?NaHCO3(固)每公斤分子NaHCO.结晶物析出总碳化工序化学释放热量是106200千焦耳,但它有1O%热量是进入碳化塔之前被中和塔移走,所以在碳化塔塔型设计考虑冷却器的冷却强度时,只需按106200千焦耳×0.9=95500kJ/kg?mol?NaHC0.足够安全了,此热量相当每吨纯碱产品碳化塔冷却箱必须移出的热量,或相当18620O0千焦耳/吨纯碱.任何碳化塔结构设计都必须保证将此1862000千焦耳热均衡地移出方能制得一吨结晶良好的纯碱产品,由于碳化塔包括制碱与清洗两个统一作业程序,虽然大部分反应热由制碱塔负担,但该两个作业程序是在同一类型结构中完成,只是轮流制碱作业和清洗作业.2.2碳化工序制碱和清洗作业过程简介整个制碱的碳化工序,无论是氨碱法或联合制碱法工艺过程,都由图1碳化塔及壬图1碳化塔/中和塔(单一塔)联合作业示意图和水泵组成,只是碳化塔塔型大小及冷却水箱水流方式,碳化塔气液接触笠帽形式或改变成筛板塔板等,亦或许冷却水箱采用外冷却器式碳化塔塔型不同而已.每个塔化塔在制碱过程生成中间体产品NaHCO.时都必须将1062O0kJ/kgmolNaHC0.热量移走,并努力制取结晶体粗大易于固体分离过滤的产品重碱.目前大部分氨碱法依然使用索尔维型笠帽碳化塔,只是塔型扩大由初始中1.83,中1.98,中2.5,93o/2.8,发展至中3.2米甚至更大,显然碳化塔直径增大后其生产能力相继增大.每个碳化塔都有一定的生产能力,这是因为碳化过程化学反应热和结晶生长动力学所限制的,良好结晶且最大限度将NaC1转化成中间产品NaHCO.要求碳化塔冷却水箱冷却效率高,均匀水流,气液分布均匀尽量减少塔区”静死角”乃至塔液逆返倒流.凡是索尔维型塔都是笠帽气液接触塔板3134块构成整个塔体塔板,改变结构的索尔维塔上部吸收C0:区域设计成筛板塔以强化吸收C0,但其下部因NaHC0.结品分布等需求,仍为笠帽型气液反应介丽.碳化塔是气液固三相(严格说允许少量NH.HCOs结晶)存在的多相反应器,反应过程中无论碳化塔冷却箱列管上,笠帽上或任何”静区角”都将有NaHC0.或NH.HCO.结晶沉积,久而久之形成坚硬的壳层,甚至有NaC0.,MgCO.(系统杂质带入形成),NaC1混合结晶硬壳堆集在碳化塔各个笠帽上及冷却水箱列管上等各内部区间.正常碳化塔作业649O小时之后,塔内CO.气量加不进去了,一中和水(预碳化氨盐水)也加不进去了,有时所加入塔内CO气只能从塔取出液管喷流出来,这说明碳化塔该轮换清洗了,此即让它只进氨盐水(CO吸收量较少的制碱液体),温度稍高些(冷却水箱外加冷却水控制至最少量),并略微通入4O%CO气体让塔内碱疤及沉积物在气3_液搅动下逐渐溶解,消除,从而达到塔内各个区间干干净净,便于制碱作业.清洗塔此即中和塔,是碳化塔第二作业周期,一般保持清洗纷业不少于18小时,所以整个碳化作业周期若取72zJ,时,那么它制碱期的第一作业周期(碳化制碱期)是54/J时,清洗l|和塔第二作业周期是18d,时,值此是四个碳化一组进行轮流碳化作业.碳化作业周期若取9O小时,那么它制碱作业周期应是72小时.清洗作业时间18d,时,此时是五个碳化塔一组作业,显然五塔一组的碳化作业周期要长些,轮换清洗操作劳动量要少些,同样给生产怡来的波动也要少些.彳个纯碱生产厂家根搬自己设备特性,以及工艺特有条件和生产任务大小,可以酌情安排碳化塔塔数的组合方式,一般取3-5个塔是最佳的组合型式.随着时代进步,社会生产力的发展,制碱工业的碳化塔亦不断扩大它的生产能力,制碱效率,取得最佳操作状态和条件,完成最佳的原材料和能量消耗.例如,一个年产6O万吨纯碱或甚至更大些达到120万吨纯碱工厂,如果不采用生产能力3oo/口,中2.813.0碳化塔,而仍采用老式q,2.5米碳化塔,那么该企业的碳化塔群将要达到20-9,4台塔,必须45组塔同时作业,这不仅扩大厂房建筑占地面积,同时频频清洗与制碱轮换波动也给生产和操作人员带来极大的麻烦.如果120万吨/年特大型碱厂,那么(p2.5碳化塔将要组合成4048台塔了,那简直不可思议,现今纯碱生产的碳化塔都朝着大型化发展,这是设计碳化塔时必须首先考虑的.改进冷却箱,冷却小管材质可提高制碱效益和减少腐蚀,所以也是设计改进重点,碳化塔气液接触介面是强化传质速度手段,因此塔板改进总是设计碳化塔工作人员考虑的内容.不轮换清洗和制碱作业的碳化塔,即不存在清洗塔改为制碱塔所造成的人为操作波动和原料损失,也减少劳力,这是近十年来制碱:作人员努力探索的技术发展,虽然已经有样板型外冷强制循环碳化塔工业化运行中,但欲取得推广应用还得近一步论证和分析查定,但是外冷强制循环碳化塔必竟为塔组连续碳化制碱技术开创了可喜的先例,此项技术改革必将令人刮目以待.3碳化塔结构变化沿革及改进方向3.1国内大型纯碱工厂碳化塔设备布局我国现有纯碱工厂截止1990年12月末已形成生产能力的纯碱厂,包括氨碱法,联碱法及天然碱加工厂共63个,这63个纯碱工厂的总生产能力达573.6万吨/年.在这63个纯碱工厂中,大型纯碱工厂,其生产能力超过1O万吨/年的工厂,全国共8个,它们分别是大连化学工业公司碱厂,天津碱厂,唐山碱厂,维坊碱厂,连云港碱厂,青岛碱厂,自贡市鸿鹤化工总厂以及湖北(应城)化工厂,这八大碱厂的纯碱总生产能力占全国纯碱总生产能力85%,我们分析与综述这八大碱厂的碳化塔结构进展情况,就足以代表全国纯碱工厂的碳化塔结句进展的情况.(1)大连化学工业公司碱厂氨碱法碳化塔中2.5×25.4米铸铁笠帽塔板内冷型,共14台,设计总能力45万吨/年;联碱法碳化塔中2.5×25.4米铸铁笠帽塔板内冷型,共12台,设计能力3O万吨/年.碱厂碳化塔群多,不但带来繁重的劳动任务(清洗换塔累赘),每次换塔都将减少纯碱产量1520吨/次,这是最大的弊端.就整个制碱工业来说,大型碱厂年生产能力超过6O万吨的企业将不再设计中2.5,米碳化塔了,然而我公司的困难之处是老企业旧厂房结构,不能适应(p2.8/(p3.0米型碳化塔,因厂房框架结构的局限性而限制了碱厂碳化塔大型化.因此我公司碱厂碳化塔结构改进将从以下几个方面着手:改进笠帽塔板气液接触条件,设法6火化科技减轻碱液塔板间纵向倒流返混现象,因此逐渐有溢流菌帽塔板,筛板溢流塔板等实验型甚至大生产推广应用实例.液体再循环,减少NaHCO.过饱和度,控制过多晶核对长.冷却箱冷却水流动方式及冷却箱折流档板,通常采用”田”字型和”弓”字型多程水流档板以加强冷却水的传热系数,良好碳的化塔冷却水箱传热系数可达25ow/1i”1:.(900kJ/m?h?).冷却水箱的冷却小管,我厂近几年已采用较先进的材质OOCrl8Nil8,Mo5及纯钛材质的冷却小管,较以前六十年代环氧酚醛烤漆涂层的铸铁冷却小管使用年限提高2-,5倍之多.根据我公司碱厂具体条件,碳化塔结构设计的改进方向,将主要改进塔板接触介面,气液通道,塔圈高度,塔板数量设置,冷却水/.ee*,凡水.-.¨gl蚀的高强度冷却小管材质,至于塔圈j径放大或外冷却方式的碱化塔,我公司碱厂已受限制不宜考虑和推广.r现将所有典型的索尔维式碳化塔结构总装图及笠帽塔板图介绍如下,它代表大连化学工业公司碱厂和天津碱厂等纯碱工厂全部碳化塔型(就其概貌而言,塔直径各厂略有差异).大连化学工业公司碳化塔历史上曾经采用碳化塔中1.0米,中1.98米,及中2.5米,目前26个碳化塔全部是中2.5米,其塔板与笠帽结构示意图见图2,冷却箱水流方式见图3,碳化塔总装图见图4.目前国内大部份碳化塔亦都因循袭用此笠帽型碳化塔,但也开始有所革新.(2)天津碱厂氨碱法碳化塔l中3.2×26.65米,铸铁笠帽塔板内冷型冷却箱,共八台,设计总能力45万吨/年,联碱法碳化塔中2.5×26.3米.铸铁笠帽塔板内冷型,共9台,设计能力15万吨/年.天津碱厂的碳化塔与大连化学工业公司碳化塔基本上属同一类型结构,同属老式索尔维笠帽塔板,内冷却水箱结构,只不过塔直径,笠帽气液接触开孔率,塔板高度,塔图2典型索尔维碳,艺塔塔板及笠帽结构示意图第3期l簋I藏3侧匾尾气出口大化科技图3冷却箱水流方式4碳l匕塔总装圈水水的钠利用率及重碱结晶都有好处,沽厂实用经验证明:矮冷却水箱的钠利用率比我公司碱厂高水箱型的钠利用率要高出0.5%,且重碱结晶亦要好些,由于这只是根据文献报导,但是否在相同的工艺操作条件如:相同的中下段CO浓度,塔负荷亦相当,冷却水控制亦相同等的作业条件都是否一样,才能得到该设计结构优越性结论,尚有待进一步论证.不过天津碱厂的碳化塔,无论中2.5或中3.2米塔均属矮水箱型的碳化塔,其冷却段占塔的总高度分别为5O.2%及49.8,而大化公司碱厂的冷却水箱要高些,其冷却段占塔的总高度仅42%,关于结构差异值得共同推敲,本文倾向矮水箱型碳化塔结构,这是将来设计发展方向,我们将详尽介绍该碳化塔的设数和作业效爿.5碳化塔笠帽诸设计单元图5中各设计单元尺寸具体数据见袭圈高度略有不同而已.1:洁厂设计者认为,碳化塔冷却水箱低矮天津碱厂推荐碳化塔冷却箱小管材质采些,塔板笠帽高度适当些高,这会对碳化塔用SUS31BTP不锈钢,据称已使用十余年l大化科技裹1T(ram长)lHc,l870871s22个O/58O孔80Ll4i.4019006001003503356858OO1.1.256090o.小1oo.竺规格c,.-大化中2.5m;2500f2150天津碱厂中2.5m;2500I2i00天津碱厂中3.2m;3200I2760下盘开孔率大化碱厂与天津碱厂碳化塔规格主要差异:表2癍,塔天津碱厂大连化学工业公司碱厂格tp2.5m中3.2m中2.5m总高(m)26.4726.50525.4圈数(个)363434水箱个数(个)12129水箱高度(ram)9009001200申段进气位置第9个水箱上第8个水箱上第5个水箱上/了力力800毫米高圈矮圈数目(个)5个450毫米高圈540毫米高圈420毫米高匿24个13个21个笠帽数(个)333232冷却小管冷却面积(m2)9781572960全塔有效容(m0)93.8169.397.3生产能力:85100t/dt碱(联碱)22524O120”-,i40中/下段气C02%361793713139173碳化塔变化率联碱不计【75.7775.47()(1991年算变化率3月份月报统计)仍然完好,C:MI”i:S:Ni:t1:该材质是:<0.08%;Si:<1.0%<2.0%;P:<004%<0.03%;Cr:16%18%1O%14;M0:23O45大化公司碱厂冷却水是海水,直流水冷却,而天津碱厂冷却水水质显然与大化不一样,因此关于碳化塔冷却管材质耐腐蚀性各个厂各有自己评价,但总的看来对纯钛材质冷却小管的耐腐蚀性是肯定的,也是将来推广使用的主要方向.(3)唐山碱厂与连云港碱厂唐山碱厂与连云港碱厂的碳化塔都是同一规格,这两个碱厂都是化工部第八设计院一个图板设计的,各主要制碱装置因此也大同小异,都于1989年几乎同时投入生产,其原设计规模是氨碱法纯碱60万吨/年.唐山碱厂碳化塔中3.4/中3.0×29.895米高,共12台,连云港碱厂碳化塔也是3.4/中3.0X29.895米高,但有13台.由于这两个大型氨碱厂没有合成氨厂丰富的CO.气源支持,故缺少制碱用浓CO气,因此,这两个厂碳化塔作业条件在生产月报上很难体现碳化塔结构设计的优越性.唐山碱厂与连云港碱厂的碳化塔都是笠IIIi型内冷却箱碳化塔,钛材料冷却小管,该碳化塔是周内最大型碳化塔,但目前生产潜力尚未完全开发.(4)维坊碱厂维坊碱厂是化工部第一设计院设计的,但大部分设备是引进国外,其碳化塔是中2800/中3000X28548mm高,筛板吸收段的碳化塔是原德国设备共安装9台,冷却段为2800mm,内冷型冷却小管是钛材质,每塔冷却面积1400m,该厂总设计能力60万吨/年纯碱.为了今后更进一步评述筛板塔设计特点及生产作业技术经济考核优越性,将在图6:(p28OO/中3OO0X28548mm筛板式碳化塔给以介绍:维坊碱厂碳化塔是国内唯一筛板型吸收段的碳化塔,据文献报导在苏联等地生产作业效果颇为满意,可获得重碱结晶粒度大于lO0tm占50%以上,而且能力比同类型笠帽型吸收段的碳化塔要大.此等塔的技术经济评价在现行各厂技术经济月报及制碱研究所汇总的”制碱工业生产技术经济指标交流月42S77第3期大化科技,图8巾2800/巾3000×28548筛板型碳化塔报中均反映不出来,有待将来考核及技术查定判断.(5)青岛碱厂.青岛碱厂是氨碱法纯碱工厂,1958年建厂,1965年投入生产,现今已发展到4O万吨纯碱/年规模的大型纯碱工厂,共有碳化塔.5×26.7m高,9台.青岛碱厂碳化塔现行结构完全是笠帽型碳化塔,碳化塔作业条件完全是氨碱法纯碱工厂独立的CO.气源,因此,该厂对碳化塔结构的改进是敏感的,以求得在最经济CO.气量供应条件下得到最好的重碱结晶,产量和食盐变化率.,青岛碱厂认为筛板型吸收段的碳化塔优越性在于:重碱结晶好:碳化液在塔内按规律性呈”S”型在各塔板上横向流动,塔液在塔板上停留时间长,同时纵向液体返混减少,因此结晶生长的大而且均匀.对CO浓度要求低:随着筛板塔接触面的增加,气体的孔速也增大,改善了液体的流动状况,因此可提高传质效率.生产强度高:普通典型q)2.5m笠帽碳化塔生产强度只能达到28t/d?in纯碱的生产强度,而相同纯碱生产工厂若采用筛板型吸收段碳化塔,其纯碱生产强度可提高至42t/d?ITI.操作适应度大:大孔筛板塔适应大气量大负荷作业,也适应小气量小负荷作业,因此它的塔板效率高的.塔阻力降小:气体分布均匀,气泡密度大,相应减少液体的假密度,比传统笠帽塔板其总高度不变情况下,压缩机压头可望减小,提高压缩机的效率.根据以上筛板塔制碱经验的优越性,青岛碱厂拟定改造中2.5m笠帽型碳化塔,其结构设计尺寸变动如下:塔径:中I2.5m(不变动)塔高:27.5m(因阻力降减少而净增加液层i与度)板间距:0.844m筛板数:11块筛板孔数:940mm,孔99个开孔率:1.76%溢流管径:500ram(参阅图6中2.8m/q)3.0m×28.548m维坊筛板型碳化塔)上溢流管高:0.286m下溢流管高:0.831m溢流管与塔面积比:0.2溢流管方孔面积:0.0047m溢流管中心距:1.660m笠帽数:11个(冷却段)水箱数.1O个冷却面积:990m溢流管上防积碱孔长×高:83×46ram冷却水管s取钛管材料.很多迹象表明:筛板型吸收塔的生产强度要大于同直径的笠帽塔,青岛碱厂的碳化塔结构改进意图是明确的,希望我公司碱厂亦加强分析研究,推出适合我碱厂具体情况的新型高效碳化塔.(6)自贡鸿鹤化工总厂四川自贡鸿鹤化二总厂现已改建为28万吨级纯碱/年的联碱生产装置,在氨碱法或联碱法纯碱生产过程中,碳化塔从来都是由制碱塔与清洗塔轮换倒塔分阶段进行,倒塔轮换不仅损耗顷盐,而且生产效率下降,劳动巷增大,且累赘,改进结构的另一目的,是减少塔内过高的NaHCO.过饱和度,以确定结晶晶孩不致过多而导致重碱结晶变细小.因此,他们研制建立外冷却强制循环碳化塔,工装置2台,(p2.5/,2.8×26.1rrl碳化塔初步结论是令人满意的,我们认为这有待进一步调查分析,以便总结出更为全面的良好经验,自贞鸿鹤化工总厂是天然气合成氨联碱化工总厂,并附有氯碱装置.天然气配联碱生产,其CO气源是不成比例的,不能维持1吨合成氨的液氯同时生产3吨纯碱的平衡生产格局,其CO气量短缺O%,为此,鸿鹤化工总厂对各种低浓度CO%气源进行浓缩回收做了不少工作,以补充总CO气量不足的问题.但是,鸿鹤化工总厂的碳化塔改造无疑足针对索尔维制碱的最重要装置碳化塔一次实质性革命.见图7:鸿鸽化工总厂碳化塔结构突出改趁有二个主要内容:外循环轴流泵的外冷器:凡有二个外冷器的碳化塔,它可以连续作业9O天以上,这比普通索尔维碳化塔及其改良型筛板型吸收段的索尔维碳化塔制碱作业周期(23天),要延长35倍之多.那么仅制碱生产强窿损失的减少与劳动量改善就很可观了.碳化塔内设中央循环管及其外缘同心三层环形气泡再分器,该再分器是伞形上下都有齿缘的同心三层气液接触区间,液体比重受小气泡分散影响而降低了,混相体到达再分器上缘的分离装置后沿中央循环管依重力下降,此比重较大的液体又受到上升大冷r一一尾气图7外冷式碳化塔气泡推动循环至气泡再分器,因此各个环形同心三层气泡再分器形成气液接触的媒介区间和媒介.(7)湖北省化工厂湖北省化工厂有联合制碱生产系统,纯碱总生产能力18万吨/年,该系统碳化塔是传统索尔维型2.5×26.57m碳化塔.3.2国内大型碱厂各类型碳化塔的技术经济指标综合评价为了比较同类型纯碱生产工艺,本文分别介绍氨碱法与联碱法生产技术经济指标.取化工部制碱研究所1991年4月份发布的碱工业生产技术经济指标交流月报中各有关指标进行综合分析,以得到全面评价.3.2.1国内各大纯碱工厂氨碱法技术经济指标业绩见表3(有关碳化塔作业效果的)3.2.2国内联碱法纯碱工厂碳化塔作业效果统计一览表(见表4)第3期大化科技表3序号,大连化学工业连云港及唐山天津碱厂青岛碱厂潍坊碱厂公司碱厂碱厂I1碳化塔型小2.5X25.4m巾3.2×26.50m巾2.5X25.7m93.0×28.5m巾3.4113,om×笠帽.内冷型笠帽.内冷型笠帽.内冷型筛板吸收段内2895m笠帽.碳化塔碳化塔碳化塔一冷型碳化塔内冷型碳化塔塔容积利用系数o.74o.810.780.91o.55,-0.632(tim8-d)3碳化转化率(%)75.3875.5075.1971.3566.5,-,73.34下段气CO=(%)78.5680.471.1O5659.4-,68.75中段气CO=()39.063739.1O3437.9,376碳化取出液结晶沉210170227295366187降时间(s)原盐消耗定额7100%NaCI1.4181.4691.4321.4531.926,v.1.789(tit纯碱)8纯碱工厂成本675.24670,41740.65717.631028.14,770.55(元/t纯碱)裹4序号大连化学工业天津碱厂自贡鸿鹤化工总厂杯,公司碱厂1-中2型碳化塔4米笠帽.内内冷至碳化塔内冷型碳化塔冷式碳化塔碳化塔型中2.5X26.47米笠帽.原中2.5×26.5_米笠帽.中2.5/中2.8×26.1米外2塔容积利用系数*吨纯碱/米0?日o.51o.53o.56o.733电耗度/双产品2682083284原盐消耗NaCI100吨/双产品1.1611.1691.1395氨消耗NH8100吨/双产品0.3440.3450.3326碳化取出液结晶沉降时间秒9669897双产品成本元/双吨885.64867.771623.18群化塔下段气CO=%83.990.488.89碳化塔中段气C02.39.13740.o3.2.3国内各种结构类型的碳化塔经济技术指标初步评价以上所引证的碳化塔的基本作业条件,总的看来有以下几个共同特点:(I)传统式索尔维(p2.5×25.7m笠帽碳化塔的塔容积利用系数及碳化转化率都是比较令人满意的,我公司碳化塔的含盐转化率属中上游性质技术经济先进行列.(2)(p3.0×28.5m筛板吸收段碳化塔,塔容积利用系数虽然非常高且令人满意也是最先进型,只是生产单位碳化作业条件很差,浓气CO-不够,以致影响碳化塔最佳化科技作业效果的全面发挥.表5(3)天津碱厂中3.2×23.50m碳化塔,虽然碳化变化率是最先进的,但是本文不能作出全面肯定结论,因天津碱厂的碳化塔作业周期数据不详,另一方面天津碱厂嗄盐消耗定额比较高,这就很难说明问题.(4)自贡鸿鹤化工总厂外冷式碳化塔电耗太高等指标有待核实,尽管文献介绍外冷碳化塔有许多优点如:制碱作业川期长达9O天,碳化重碱结晶1lO1TI优于普通笠帽型内冷却碳化塔重碱平均结晶85ITI(联碱法纯碱生产过程),碳化塔生产强度高些等等,但我们缺乏实际操作月报作业数据.3.2.4国外制碱工业中碳化塔演进趋势(I)索尔维公司各碱厂索尔维公司所属碱厂最先进的碳化塔也仍然是中2.75m笠帽型内冷式碳化塔,不锈钢材质冷却列管(434×5根)分配在上,下5个冷却水箱中,其上段只有2个水箱,因此索尔维公司碳化塔单塔生产能力是不高的,平均140吨/台?日.索尔维公司碱厂不追求原盐利用率,所以碳化塔变化率比国内变化率指标低得多,但是,索尔维公司在蒸馏,煅烧及石灰窑所有能耗技术指标上都保持世界先进水平.(2)原苏联典的碳化塔原苏联3/i2.8×28m笠帽型碳化塔,其吸收段3m,冷却段中2.8m,还有中3/中2.8X28m筛板型吸收段碳化塔.对该两类型碳化塔评价见表5:各冷却箱列管材质均为不锈钢12x18H10T,以上两类型碳化塔是苏联所推荐的标准碳化塔,从技术经济指标上分析,筛板塔要比笠帽塔性能优越,这是值得我们考虑的,此结论与本文所引证的国内潍坊碱厂数据基本上是一致的.原苏联在碱厂设备大型化方面做了不少工作,据称日产纯碱500吨的特大型碳化塔已投入生产,根据我们分析,该直径在(p3.5m中4.2m直径的碳化塔已在苏联运行中,可,一塔刑指,脚袄笠暇塔筛板塔标,直径:I11中3/巾2.3中3/中2.8高变:1112828冷却圈数量:个88吸收塔板数:个】912传热表面积:IT113441344生产能力t/a?台230260”280碳化总钠利用率%72,7472”74重碱水分:%1618j1618塔相对价格:比例l100I95以设想,一个年产纯碱120万吨工厂,只要有中4.2米碳化塔八台,分两组作业就足以完成生产任务.但是按中3.2m天津碱厂碳化塔配备,就要16台,分四组作业,而2.5m塔更可想而知,仅轮换清洗,制碱的劳动量就足够累赘了.(3)各国在碳化塔结构在其它方面的改进日本在纯碱生产碳化塔的改进方面作了大最的工作,据资料报导几本采用直径达10mm氟塑料小管嵌在管板之间,中心下垂200mm以上,还有聚丙乙烯为基材,渗入金属纤维的导热管等冷却管材质报导.无疑,改造现今Mo5及钛管的技术并没停止下来,任何冷却列管材质或结构上的改进,都将使碳化塔生产能力及技术经济效果大为改观.4结束语1.现今纯碱制造工艺中,世界各都在追求设备大型化,高效率且节省能耗,而针对制碱工业来说