碳化塔选型技术探讨 过程装备与控制工程毕业设计专题论文.doc

内蒙古科技大学本科生毕业设计专题论文题 目：碳化塔选型技术探讨学生姓名：xxx学 号：xx专 业：过程装备与控制工程班 级：xx指导教师：xxx碳化塔选型技术探讨作者 xx（内蒙古科技大学，包头 014010）摘要: 根据网上资料，从结构，工艺指标等方面综合分析了碳化塔的选型要素，对新建碳化车间碳化工段碳化塔的选型，大修，更新及碳化塔技术改造提出了见解，以期对氮肥制造技术有所帮助。关键词: 碳化塔；选型1. 概述碳化工段是化肥生产的心脏，而碳化塔又是碳化工段的关键设备。碳化塔选型一旦确定，直接影响到将来碳酸氢铵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。对于一个碳化车间来说，无论是新建还是扩产，碳化塔的选型是一个非常重要的决策。对碳化塔的性能认识，传统上往往重视的是碳化转化率的高低，碳酸氢铵结晶质量的好坏以及生产能力的大小。但实际上碳化塔的性能指标不仅是转化率，结晶质量和能力，还有更多的指标决定着碳化塔的性能，而这些指标又往往决定着转化率和结晶质量，决定着生产能力的大小。因此，如何正确地评价碳化塔的性能，笔者从技术方面进行综合分析并提出了建议，以供制氮肥同仁参考。2. 碳化塔能力、转化率、结晶质量2.1 碳化塔能力碳化塔的能力是碳化塔选型的第一要素。任何一个企业在进行新建或扩建时都希望用最少的碳化塔的台数、最少的碳化塔投资额达到产量的设计能力。随着碳化塔的大型化，其生产能力也相应提高，如3 000/3 400异径菌帽碳化塔，2 800/3 000 筛板碳化塔 ,这些大型碳化塔的能力都达到了300t/d产量，是近几年来新建和扩建碳化车间首选的碳化塔。实践证明，同样塔径的筛板塔和菌帽塔相比，筛板塔生产能力大10 %15 %,塔板效率高于15 %。尽管这两种塔型的能力都能达到300 t/d，但是由于其塔的内部结构和塔径有着较大的差异，因此也导致在投资上有很大的差异。显然，由于筛板塔的塔板数量在吸收反应段比菌帽塔减少1倍，同时在塔径上的差异，筛板塔的投资要远远小于菌帽塔，有资料表明筛板塔的造价与菌帽塔相比可降低40%左右。从这个意义上讲，笔者认为单纯从能力的指标比较，应该是能力/单位投资额比较，而不是单纯的生产能力的比较，这是投资者往往容易忽略的问题。2.2 碳化转化率转化率是非常重视的指标，在评价碳化塔及操作时，经常是把转化率当成最主要的工艺指标来评价。因为转化率是影响碳化氨水耗的重要工艺指标，转化率每降低1%，将造成15kg/t 原碳化氨消耗的升高。一个性能好的碳化塔，在其它工艺条件满足的情况下，转化率应该大于75%，甚至可达到76%。但是转化率并不是越高越好。对于碳化塔还有一项更重要的，近年来倍受制氮肥专家重视的指标，那就是结晶质量。2.3 结晶质量结晶质量关系到后续工序的工艺指标及消耗指标的控制。如对滤过水分的影响，对滤过洗水用量的影响，对滤过损失的影响，对母液当量的影响，对蒸馏塔负荷的影响，对蒸馏用蒸汽消耗的影响，对煅烧炉能力的影响，对煅烧蒸汽消耗的影响，对氮肥的8项消耗中6项如水耗、石灰石耗、煤耗、中压蒸汽消耗、低压蒸汽消耗、电耗都有着直接的影响，这就是为什么制氮肥专家更加重视碳化结晶质量的原因。碳化塔的结晶质量不是一个独立的工艺参数，是操作和其它外界工艺条件的综合反映。因此在比较各种不同结构的碳化塔时，应该是在相同的操作参数下比较。比如，相同的负荷能力、相同的控制温度和压力等操作参数、以及碳化率与结晶指标控制所造成的相互影响等等。在实际操作控制中，碳化结晶与碳化转化率往往是相互矛盾与冲突的。比如在过于追求转化率时，为了满足高能力和高转化率，往往是以降低出碳酸氢铵温度，强化碳化塔冷却段的反应，以达到碳化转化率的提高，这是一个很大的误区，因为这容易造成碳化结晶质量的下降。碳化反应是一个放热反应，碳化反应应该最大限度地在冷却段以上的吸收反应段完成，而在冷却段仅仅是一个结晶成长过程，要杜绝二次晶核的析出是提高结晶质量的关键，如果在冷却段强化反应，势必造成结晶的析出速度大于结晶的增长速度，致使二次晶核析出。因此，出现结晶中粗、细颗粒不均 ,会给滤过工序造成极差的影响。从上述观点分析，碳化塔的结构应该更注重满足碳化结晶质量的改善，其次是碳化转化率的提高。如吸收反应段的传质吸收效率、轴向返混问题，这是一个性能好的碳化塔应该解决的问题。筛板碳化塔在内部结构上比菌帽碳化塔更具有优势。3. 对反应物浓度的要求碳化塔对参加碳化反应的反应浓度要求，实际上也是塔板效率的问题。对于碳化反应，液体的浓度受到溶解度的限制，为防止系统尤其是管道析出结晶结疤 ，因此，碳化液的浓度几乎是一个不变量，而决定反应速度的通常是气体浓度，即中、下段气 CO2 浓度。碳化塔的下段气是决定碳化转化率和结晶质量的主要反应推动力，下段气中的主要气体来源于煅烧炉气，而煅烧炉气却经常因为系统的波动而造成浓度波动。通常能够遇到的下段气浓度低时会到65 %，在开工恢复时甚至更低。对于要取得较好的碳化转化率和结晶的下段气浓度要求 ，最好应该大于80%，甚至大于85%。但是对于一个老的氮肥厂来说，这样高的下段气浓度非常难得。因此这就要求碳化塔对下段气的要求成为一个重要的参数 ，也就是说碳化塔的塔板效率应该满足下段气浓度的反应条件，在较低的下段气浓度工况下，仍然能够达到较好的吸收效率并达到较高的碳化度。性能优越的碳化塔，当煅烧炉气发生波动时，不会因此而造成碳化塔的中部温度甚至上部温度的波动，这利于碳化反应的稳定和结晶质量的控制或者说当煅烧炉气发生波动时，下段气浓度产生波动，但是对碳化的反应表现滞后，而一旦下段气浓度恢复时，又能及时快速地恢复正常塔温，这样就不会对结晶造成较大的影响。从上述观点来看，筛板碳化塔的优越性非常明显，这不仅表现在下段气的波动上，还表现在碳化改塔后的恢复时间上。筛板塔的改塔恢复时间一般在4050 min左右，而菌帽塔改塔恢复却需要2 h的时间。这就是塔板效率以及碳化塔整体性能的差别。4. 对产品质量的影响碳化塔对产品的质量影响很大，在碳化过程中，由于碳化氨水对碳化塔的腐蚀和冲刷，往往会导致碳化氨水液中含有较高的Fe3+,尤其是在下段或中段气含有较高的O2时，更容易造成出液体中含铁量升高。碳化氨水对碳化塔的腐蚀和冲刷是必然的,这是液体的物化性质所决定的,因此在碳化塔的设计和制造中,需要考虑耐腐蚀、耐冲刷的问题。例如，采用耐腐蚀和耐冲刷的材质、减少碳化氨液与塔板的接触面积以及工艺条件的改进等等。而对于材质的改进和塔型的改进都是碳化塔结构问题。改变碳化塔材质的技术改进，目前主要是采用在铸铁中加入适量的稀有金属，以改变铸铁的硬度、耐腐蚀性和耐冲刷性，如加入适量的镍、铬、钛等。而加入的量是一个关键技术点，加入太多或太少都不会达到理想的效果。另外，加入适量的稀有金属后对铸造增加了较大的难度，甚至会影响铸造的成品率。因此就铸造加工而言，更需要塔板的结构简单而易于铸造加工 ,如筛板塔板与菌帽塔板，如果采用合金铸铁，筛板塔板更容易铸造及加工。减少碳化塔内气液接触面积也是减少碳化液对塔器腐蚀的措施之一，由于碳化液 pH 值呈碱性，尤其是在碳化度较低，对塔器的腐蚀是较重的，特别是在大量CO2气体的强力搅动下，冲刷腐蚀加剧了碳化塔的腐蚀，传统的菌帽碳化塔的菌帽在运行几年后，甚至会出现整个菌帽全部冲刷腐蚀脱落，这不仅造成传质效率的降低，而且还造成了碳化液含铁量升高。如何能够减少碳化塔内的气液接触面积，一个有效的方法就是减少塔板数量。2.5 m菌帽碳化塔水箱以上部分的吸收段塔板数量是 22块，而且是 1块塔板附带1个菌帽，在碳化作业中 ,塔板和菌帽都是浸润在碳化液中。而同样直径的筛板碳化塔，吸收段的筛板是11块，而且只有筛板，其气液接触面积只相当于菌帽塔的 1/4。在正常作业过程中，由于筛板塔的筛孔处被高速喷射的气体所包围，形成一个与液体隔绝的气相区，在这种状况下，筛孔部位只是接触CO2气体。而非碳化液，因此没有液体的冲刷腐蚀。实践证明，在同一个碳化塔内到大修期时，塔板的腐蚀状况大不一样。筛板塔塔板耐冲刷腐蚀能力远大于菌帽塔板。图.1、图.2中塔板是1992 年投用的同一个筛板碳化塔中的菌帽和筛板。从.1、图.2也可比较出普通铸铁塔板与合金铸铁塔板的耐腐蚀效果。因此在碳化塔选型时，要重视碳化塔的材质和内部塔板结构问题，以减少对产品质量的影响。5. 碳化塔冷却强度问题碳化塔冷却是碳化塔操作非常关键的问题。由于碳化反应是一个放热反应 ，通过必要的反应过程的冷却，有利于碳化反应的进行，有利于结晶质量的提高。但是如果碳化冷却强度不能很好地控制，或者说碳化塔的冷却位置设置不合理 ，会导致碳化反应负面效果，如结晶质量很差、碳化塔结疤、作业周期缩短、结疤导致碳化转化率降低、生产能力下降等，因此，碳化塔的冷却多年来一直是制氮肥工程师不断研究的问题。目前，碳化塔冷却系统的配置大体有两种塔型，一种是所谓的矮水箱，冷却位置下移，冷却段缩短；一种是高水箱，冷却段相对较大，约占整个碳化塔1/2。在碳化塔水箱个数的设置上也有 8 个水箱与10个水箱不同的结构。在传统的索尔维碳化塔的冷却水箱还设置了上层出水、中层出水和下层出水。在不同的操作环境时，开用不同的出水口，也是为了减少冷却面积、增大高温反应区、增加高温反应停留时间，以求获得较好的结晶质量。在冷却水箱的设置上和冷却强度的分配问题上，工程师都有不同的见解，但是从碳化结晶反应机理上分析，冷却强度最重要的是反应温度梯度的控制。从高温区的吸收反应到冷却强化吸收反应区，应该遵循温度梯度差尽量减小的原则，这有利于吸收反应和结晶反应速度的均衡，避免因反应速度的突变导致发生过饱和度的增大而产生二次晶核的析出。这就是为什么在冷却水箱的最上段水箱的冷却小管数量要低于冷却段中部的小管数量，也就是说从高温区进入冷却段时要减缓冷却强度，使得温度变化尽量不产生大的差异。根据实践经验 ,碳化塔的冷却强度不应该过于集中，而应该是从开始冷却到冷却结束是一个逐渐增强再逐渐减弱的过程。这个过程应该在碳化吸收反应减弱后就开始，以促进强化吸收反应的进行。越早移出热量就增加了吸收反应的推动力，有利于结晶的生长。而过于晚的冷却会导致因高温区吸收反应的抑制而影响碳化反应的进行，而进入冷却段后产生较快的反应速度，产生过饱和度，这不利于结晶质量的提高。因此在碳化塔选型时，应注意冷却区域占全塔高度的比例，太少的水箱冷却面积通过强化冷却效率以达到最终冷却效果的结构，不是理想的碳化塔。碳化塔冷却小管的材质也是值得关注的问题，这既是投资问题，也是使用寿命问题，更是直接影响碳化工艺指标的问题。近几年碳化冷却小管多采用钛材，尽管投资费用较大，但是从长远效益来看，钛管更有其竞争力。从国内最早期使用的钛冷却管，有已经使用2个大修周期的经验，24年仍在使用的范例不仅在使用寿命上，更重要的是对碳化工艺指标的改善是非常明显的。碳化冷却小管的冷却效率是一个非常重要的参数，与铸铁冷却小管相比，钛管的传热效率远远大于铸铁管，这不仅达到了强化碳化吸收反应的目的，重要的是冷却介质的温差能够大大提高，减少了与被冷却介质的温差，这有利于塔内碳化反应温度梯度的控制，可有效减缓冷却小管外壁的结疤，延长碳化塔的作业周期。在冷却段的中部，由于传热效率的提高，利于反应的进行，提高碳化转化率，也有利于改善结晶。参考资料：1.碳化塔冷却水分布对碳化工段各项指标的影响，孙焕瑞，山西省汇达化工厂。2.碳化塔冷却流程的改造，梁英；陈华化肥工业，2003年02期。3.碳化塔冷却水改造后效益分析，王占和；李宏仁；内蒙古石油化工，2001年第3期。4.提高碳化氨转化率的几个途径，山西化工，1995年01期。5.碳化转化率简易测定法，张希望，纯碱工业，1993年4。6.谈控制结晶颗粒大小与碳铵产量和质量的关系，小氮肥设计技术，1995年04期。7.工业用碳酸氢铵生产的质量控制，河南化工，2001年08期。8.碳化塔选型技术，王远，青岛碱业股份有限公司，山东，青岛。