φ2800/φ4800/φ3200外冷碳化塔技術改造

方 翔

(淮安華爾潤化工有限公司 聯堿廠,江蘇 淮安 223002)

隨著異徑外冷式碳化塔在聯堿行業的應用推廣成熟,2005年以后行業內開發出了更大直徑的φ2800/φ4800/φ3200外冷塔 ,由于其單塔產量大被一些廠家所采用,但作為一項新技術畢竟會存在一些問題。我公司2006年新上了 1臺 φ2800/φ4800/φ3200外冷碳化塔,5月份投運以后出現了一些工藝問題:運行周期短,出現架空現象,浮堿多,使系統生產指標出現混亂。通過對 φ2800/φ4800/φ3200外冷碳化塔的分析總結,我廠多次對該塔進行技術改造,至2008年3月份使該塔日產達330t,單塔產量由設計能力年產7萬t提高至11萬t,作業周期提高至30～35天,取得了較好的經濟效益。因此,在2008年11月份又增加1臺(7#塔)φ2800/φ4800/φ3200外冷碳化塔,使公司達到年產40萬t純堿生產能力。

1 外冷塔的優點

1.1 產量高、投資省、占地面積小

隨著外冷塔的不斷大型化,目前最大的外冷塔中部直徑達φ5200mm,單塔設計能力年產7～8萬t,濃氣制堿工況單塔能力可達年產11萬t。一個年產40萬t的中型堿廠僅建設4～5臺塔即可實現目標,大大簡化了工藝設備流程,節省了投資。

1.2 運行穩定、操作簡單、彈性大

由于外冷塔操作流程簡單,每天外冷器通過角閥進行倒換操作,而無須象索爾維塔組倒換清洗。操作員工作強度低,塔況波動小,塔內反應液成分穩定,便于連續取出質量穩定的重堿結晶。從本廠5年多操作情況看,無論遇到突然斷電或前工段大減量對外冷塔影響并不大,顯示出較強的抗波動能力。由于操作彈性大可以強化生產,即使12000m3/h變換氣大氣量也可實現外冷塔穩定操作,因此有些廠家直接將變換氣φ2800/φ3800外冷塔的產量提高到了190t/d。

1.3 變換氣制堿突出的節能性

外冷式碳化塔變換氣制堿技術是純堿協會推薦的制堿路線,符合國家“節能減排”的要求,也符合產業發展的要求。與濃氣制堿相比省去了脫碳塔、濃氣壓縮機等相關設備,同時節約了電能、脫碳液等損耗,因此外冷塔變換氣制堿工藝更趨合理,是聯堿法生產純堿的發展方向。

2 φ2800/φ4800/φ3200外冷塔存在的問題

中國成達工程公司設計的φ2800/3800外冷碳化塔,實踐技術成熟、理論依據充分,在此基礎上,行業內開始設計制造更大直徑的外冷塔。通過各聯堿廠對外冷塔技術的深入認識,對新設計的φ2800/4800/3200外冷碳化塔在原有基礎上作了一定幅度的調整,例如中部采用串聯式4層塔盤(由上至下依次標號為1#～4#塔盤;對應溫度編號為T3～T6)、在篩板泡罩層數、中部塔盤開孔率,塔盤開孔直徑、取消中部循環管等內部結構方面進行了一些變更。其中設計的核心內容就是如何解決中部塔徑增大帶來的邊側流動效應差、塔盤易堆堿的問題。

2.1 大直徑外冷塔堆堿問題

由于外冷塔中部塔盤結構為各層串聯式逐層下液,均通過中部笠帽進行集中下液再分布,當塔徑設計過大時,必然造成下層液體再分布時兩側流動效應差,塔盤兩側沉積了少量堿,逐漸積累堵塞塔盤氣孔造成生產條件的惡化。由于工業化生產非理想穩定狀態,大塔呈較明顯的周期性變化:初期1～5天氣液徑向返混良好、結晶質量優良;但隨著上層各塔盤的堆堿將逐漸使大塔反應集中于中部下錐段T6點,這樣反應過于下移后造成該層負荷過重。根據結晶原理:①應降低溶液過飽和度,使碳酸氫鈉晶核生成的速度不致太快,否則將得到大量細小結晶;②碳化過程的最高溫度點即中溫應盡量控制在臨界點附近,介穩區時間不宜過短。因此作業后期的外冷塔在徑向返混作用減小后,介穩區短,反應過分聚集于中部下錐段,是造成大外冷塔周期短的主要原因。

“堆堿”是大直徑塔盤會出現的必然現象。大外冷塔“堆堿”與通常認為的“結疤”是兩個概念。“結疤”指塔中部各塔盤中心管、塔壁等形成非常硬的重堿結晶,多為“二次晶核”作用形成,細結晶逐步形成致密層,必須通過煮塔才能消除;“堆堿”是指由于受鼓泡、空速、過飽和度波動等因素影響致使重堿結晶落至塔盤堵塞氣液通道的過程,僅需簡單清理就可消除。

2.2 解決堆堿問題的改造方向

1)原始設計中為解決堆堿問題,在 φ2800/φ4800/φ3200外冷塔中部 2#～4#塔盤增設了 4只φ76mm下液小笠帽,設計意圖是加裝小笠帽后有利于均勻布堿下液,消除堆堿現象,但實踐運行中多處于堵塞狀態。行業內有的在中部1#塔盤安裝數百只螺旋噴頭來增加上層攪動,但工藝繁瑣,對下層解決堆堿意義不大。

2)增設塔盤吹掃蒸汽

在中部塔盤表面配置蒸汽吹掃管線,每天對塔盤表面進行吹掃,及時消除堆堿現象;副作用就是吹掃后造成外冷器負荷較重,外冷器需經常熱洗。

3)增加上部塔盤氣體開孔

可適當增加上段塔盤開孔率,緩解作業前期的上段塔盤開孔堵塞狀況;副作用就是作業前期上段溫度高,中部溫度總體偏低3℃。

4)將中部塔盤設計為錐型塔盤

2008年以后,行業內有設計錐型塔盤的方案,將中部四層塔盤設計為錐型,塔盤傾斜角度約40°,其作業周期可達45～50天,基本無堆堿現象,但由于錐型塔盤影響了徑向返混,中部碳化氣液反應較差,開塔初期中溫較低(45℃),中后期懸浮狀晶體較多、重堿結晶顆粒較差,沉降時間約300s。

3 φ2800/φ4800/φ3200外冷塔(平塔盤)改造的思路和內容

2006年,我廠 φ2800/φ4800/φ3200外冷塔開塔后因堆堿問題頻繁架空,作業周期僅7～9天就需煮塔清洗,因此必須對該塔結構認真分析,從而進行技術改造。

3.1 外冷塔中部塔盤情況介紹

大外冷塔中部塔盤為4層,(由上至下)1#塔盤為碳鋼防腐,2#、3#、4#塔盤均為316L材質雙層夾套形式,氣孔在塔盤制作中呈小管狀,夾套雙層高度約8mm(即氣孔長度為8mm,實際生產中阻力很大)。夾套塔盤設計意圖是當塔盤堆堿時可使用蒸汽從夾套側加熱塔盤和氣孔管,延長外冷塔作業周期。但從實際狀況來看,增加了制作難度和成本。

3.2 濃氣工況與外冷塔塔盤開孔率

外冷塔以濃氣制堿生產,全塔高35.79m,因我廠大外冷塔取出在重堿八樓EL38.0m平面,濃氣取出時制堿壓力須控制0.5MPa,則濃氣制堿CO2分壓85%×0.5MPa=0.425MPa。從理論來說,對應的CO2分壓對應了塔盤開孔率。我廠濃氣工況制堿CO2分壓很高,反應容易集中下移造成3#、4#塔盤負荷過重,中部過飽和度產生和消失過急,周期短也是可想而知的,因此外冷塔的技術改造必須由此著手。

原φ2800/φ4800/φ3200外冷塔我廠各層開孔分布及開孔率(見表1)。

3.3 改造過程及分析

由于開塔初期多次出現架空,首先懷疑中部塔盤下液笠帽過低,稍有堆堿后就會形成下液不暢。

表1 原φ2800/4800/3200外冷塔各層開孔分布及開孔率

1)對2#、3#、4#塔盤笠帽高度進行第一次改造:

2007年1月,對6#塔2#、3#、4#笠帽高度進行了提高,2#、3#塔盤笠帽高度由原140mm提高為210mm,同時割除了塔盤上不銹鋼格網,4#塔盤笠帽高度由原175mm提高為300mm。表2為改造前、后生產數據對比。

濃氣純度70%～85%;濃氣流量80m3/min;AⅡ加液80～100m3/h;單塔日產220t:

表2 改造前、后生產數據對比 (℃)

改造后中部溫度分布梯度較檢修前有所減小,反應溫度上移,6#碳化塔運行初期1～6d,T4、T5均能有較好的反應;但在運行7～10d時,會出現T5、T6點溫差加大狀況,使碳化塔進入后期,作業周期提高至15d左右,重堿結晶沉降時間少于100s。

2)提高塔盤開孔率的第二次改造

從表2溫度分布可以分析出,篩板段作為預碳化的過程基本無反應,中部反應集中仍然偏下,所以對各層塔盤開孔率進行改造。二次改造方案如表3。

表3 塔盤開孔率改造方案

改造前、后數據對比分析見表4。

2007年4月起對各層塔盤逐步開孔,并且增加塔盤表面吹掃蒸汽,每天對塔盤進行清掃。

濃氣純度70%～85%,濃氣流量90m3/min,AⅡ加液100m3/h,單塔日產250t。

表4 塔盤開孔率改造前后數據對比 (℃)

改造后塔的作業周期延長至25天,重堿結晶沉降時間少于100s。

3)塔盤的第三次改造

由表4溫度分布趨勢看出,經過二次改造后,塔反應梯度趨于正常,但進入作業后期后T5、T6兩點溫差會加大,從一般觀察來看,T6高于T5達3℃時,說明各塔盤堆堿嚴重需進行煮塔清洗。為適應我廠高CO2濃氣分壓生產,繼續增加各層塔盤的開孔以充分挖掘單塔產量是挖潛的一項措施。

第三次塔盤改造方案如表5。

表5 第三次塔盤改造方案

改造前、后數據對比分析如表6。

濃氣純度85%～90%濃氣流量120m3/min,AⅡ加液120～130m3/h,單塔日產300～330t:

表6 第三次塔盤改造前后數據對比 (℃)

2008年3月完成第三次改造后,外冷塔的作業周期增加到30～35d,重堿結晶沉降時間少于120s。單塔日產穩定在300～330t之間。

4)通過濃氣取出晶漿泵的應用降低作業后期的制堿CO2分壓

由于單塔負荷較高,作業中后期各塔盤容易出現溫差加大的現象,因此在2008年4月新增了外冷塔濃氣晶漿泵取出工藝。在大外冷塔作業的后期,用晶漿泵直接將塔底取出液送至重堿八樓分配槽,可以將濃氣塔的操作壓力由 0.5MPa降至 0.4 MPa,通過空速帶動增加上段反應,使塔溫反應分布處于一個良好的狀態。

4 影響外冷塔發展的因素及展望

我廠通過對φ2800/φ4800/φ3200大直徑外冷塔的技術改造,積累了第一手的技術數據,實現了行業內年產超過10萬t的單塔產能。也通過技術改造使外冷塔充分發揮了生產能力大、結晶質量好的特點,2008年取得了較好的經濟效益。

4.1 關于外冷塔的清洗問題

對于外冷塔的清洗,除了煮塔方式外,現在也有外冷塔用碳化出口尾氣鼓泡氨母液II清洗的工藝,目的就是解決外冷塔煮塔的問題。

我廠一直采取的是熱廢淡液循環煮塔清洗工藝,隨著取出稠厚工藝的完善,進過濾機固液比已經提至35%甚至更高,過濾機濾餅厚度超過40mm。從近年來實施情況看,2006年秋冬季我廠洗水當量一度達到620kg,后來又調整了煮塔水回收的流程,每月將煮塔水完全回收系統后母液還處于收縮狀態。

采取氨母液Ⅱ清洗碳化塔的缺陷在于塔的利用率偏低,投資大、流程長、倒塔頻繁、清洗周期長且清洗費用高。而改用熱廢淡液進行清洗煮塔不僅能利用廢水和熱量,而且煮塔時間短清洗效果好,一般作業40～60d的塔在20h內即可完成清洗后的生產恢復。因此推薦外冷塔清洗路線為熱廢淡液循環煮塔,碳化塔利用率較高,清洗效果好。

4.2 外冷塔的發展期望

1)根據生產負荷,外冷式碳化塔作業周期在40～70d不等,需要結疤清理的主要部位集中于中部異徑塔盤部位,如想進一步延長作業周期,能否以其他形式圍繞這一主要矛盾進行技術層面的解決是我們要總結探討的內容。比如有同志提出在塔內設工業機器人的構思,清理固定的結疤部位。雖然想法有些天方夜譚,但是,能否專門對外冷塔中部進行清洗有必要進行討論。

2)更大型化的外冷塔(中部≥3.8m)仍需進步完善解決塔盤堆堿問題。不可否認的是φ2800/φ4800/φ3200外冷塔有一定的優勢:生產能力大,投資省。目前中部錐型塔盤新技術工藝也在摸索之中,從我廠實際運行情況看,平塔盤運行穩定應作為大型外冷塔中部結構的首選。

3)發展重堿取出液直接離心分離技術。我廠應用了濕重堿離心分離的工藝已經4年,也具備了將重堿取出液稠厚至75%的條件,外冷塔取出晶漿用重堿離心機直接分離,無論從重堿結晶分離方面還是離心機進機固液比要求方面都滿足了直接分離的技術條件,值得嘗試。行業內也有廠家在短暫天數里實現了重堿晶漿直接離心分離的技術創新,如能省去過濾工序的能耗,則會使聯堿系統的能耗得到較大的降低。

5 結 語

本文對近年來發展的φ2800/φ4800/φ3200外冷碳化塔使用改造情況進行了一些淺顯的分析和數據統計,僅供行業內技術人員共同參考研究,以期外冷碳化塔能夠更好的發展、明天更加輝煌,使我國制堿工業不僅在產能上也在技術上走在世界前列。

[1] 周光耀.外冷式碳化塔的開發及應用[J].純堿工業,2004,(5):3～7

[2] 王楚.純堿生產工藝與設備計算[M].北京:化學工業出版社,1995

[3] 方翔.外冷式碳化塔的操作應用[J].純堿工業,2009,(2):31～33