碳化塔內部優化及改進流程

胡敕星

摘要：

碳化過程集化學反應、能量轉化、物料溶質傳輸與擴散、過飽和溶液結晶等多種物理化學過程，同時又有固、液、氣三種物質狀態共同存在并反應，因此要實現碳化過程的優化控制、改進生產工藝流程難度大。筆者從碳化過程的反應原理與控制要素方面入手，采用碳酸鈣碳化塔設備反應裝置提出針對性的改進措施，以期提高碳酸鈣碳化過程的轉化率以及產品的質量。

關鍵字：碳化塔 內部優化運行原理控制要素

引言

碳化生產工藝是整個碳酸鈣碳化生產工序的重中之重，因此碳化塔控制設備是化工企業的核心設備。碳酸鈣碳化工序處于樞紐地位，而碳化塔又是碳化工序的關鍵設備。國內企業普遍采用的碳化塔是鑄鐵內冷式索爾維塔或鋼制碳化塔，這種結構的碳化塔內部表面相對比較粗糙，而且冷卻系統的管道外壁工藝精度較低，易磨損和腐蝕，碳化塔工作二十個小時左右就必須進行清潔維護工作，因此工作效率較低難以實現自動化、機械化生產。

1. 碳化過程的控制要素

科學控制碳化過程的主要目的是為保證整個碳化反應過程中的化學能量與物質的動態平衡，從而使碳化反應能夠平穩高效的進行，最終使獲得反應物質具有較高的轉化率與產品質量。碳化過程的主要控制要素包括：碳化制堿塔內的物理參數如塔底氣壓、塔內溫度場變化、反應液結晶析出產品的溫度等。國內目前在碳化過程中還沒有研發出先進的監測與控制裝置來實現反應過程中對于核心元素元素在反應物與生成物中所占比例，因此無法對于碳化過程提高反應的轉化率來提高產品產量。另一方面碳化塔塔底的氣壓是影響塔上部堿性氣體的輸入量的關鍵因素，所以要實現碳化過程中對塔底氣壓的控制；碳化塔內溫度場主要受冷卻系統與內部碳化反應能量轉化的影響，由此可見通過對碳化塔內氣壓與溫度場的實時控制能夠控制反應過程，提高反應物料的轉化率得到高質量的產品。

2. 碳化過程化學反應原理

由結晶的動力學與熱力學知識可知，液態物質結晶主要分為結晶形核與晶核長大兩個過程。碳酸鈣碳化反應中碳酸鈣晶體析出原理與此相同即碳酸鈣在過飽和狀態通過改變溫度等參數降低溶解度從而析出細小晶體，同時析出的大量細小晶體在有限空間內相互接觸、結合成較大的晶體從而得到大量碳酸鈣晶體。碳化過程影響產品轉化率的主要因素是碳化溶液的過飽和程度、碳化溶液的溫度、晶體形核率與晶核生長速度等，這其中碳化溶液的過飽和程度直接影響析出晶體的數量與晶體大小。因此可以對通過智能控制碳化溶液的過飽和程度與冷卻速度等使晶體的形成速度與生長速度達到動態平衡以獲得較大尺度的晶體，提高產品質量與轉化率。

3. 碳化塔內部改進流程方式

3.1碳酸鈣碳化塔的內部改進

根據圖1所示碳酸鈣碳化塔內部結構組成部分可分為：窖氣進管、分布器、內膽、化工泵四個成部分。在改進流程中增加了碳化塔的高度，在內部結構的中的內膽構造，在產業結構的循環系統中添加了（循環泵），其次改進了二氧化碳的出口方式；其中在增加碳化塔外層高度上主要是為了提高產業效率，增加產值效益，利用同等的化工原料來擴大生產的實際需要。碳化塔瘦身結構，增加了內膽，主要是為了提高設備內的壓力，使得在單位面積內，二氧化碳能夠與氫氧化鈉充分反應，生成碳酸鈉和水，排出的氣體中不會危害大氣環境。循環泵主要是增加塔內液體循環，使反應物質充分反應，保證產品質量的穩定性。其次便是改進二氧化碳的出口，使其降低溫室效應。

內膽

窖氣進管

分布器

化工泵（將氣體循環）

圖1 碳酸鈣碳化塔結構分配圖

3.2角閥的優化設計改造（淺談變換氣制堿裝置中雙外冷碳化塔的運行總結）

角閥是雙外冷工業制堿碳化塔的特殊裝置，設置在碳化塔外冷器的冷卻控制系統的上下閥門之間，是整個外冷器冷卻系統輪換工作并進行清洗維護工作的特殊設計，角閥的進氣孔與出氣孔的中軸線成90度角所以又叫直角閥。角閥的主要功能是通過調節角閥的角度來控制輸入與輸出空氣的壓力差來推動機器活塞與杠桿結構運動，特殊密封結構的角閥功能與空氣截止閥作用類似，鑄鐵內冷式索爾維塔或鋼制碳化塔的角閥設計不合理，工作運行過程中經常出現堵塞、卡死的現象。這是化工制堿碳化塔工作周期短、工作效率低的主要原因，通過對角閥的結構與工作運行狀態進行優化設計，改變角閥原本的工作路徑，使角閥的控制操作更加靈敏，顯著增加角閥的工作壽命，并且進一步滿足現代化工企業碳化制堿高效率高轉化率的生產工藝要求。同時還降低了碳化塔整體的日常維護與維修成本，保障碳化制堿反應的安全平穩進行，顯著提高化工企業的經濟效益。

結語

現代碳酸鈣生產工藝與使用量等已經成為衡量一個國家化工產業發達程度的重要指標，而碳化過程是碳化生產過程的核心工藝。國內目前碳酸鈣碳化工業采用的碳化塔設備裝置還相對落后，因此從碳化工藝的反應原理與影響碳化過程中的碳酸鈣產量的不同變量因素等方面入手，結合當前先進的智能控制系統等對碳化塔中各變量進行實時的檢測與控制。另一方面不斷優化改進碳化塔的結構與生產工藝，對于提高碳酸鈣碳化過程中的原料轉化率以及產品質量等具有非常重要的作用。

4. 參考文獻

[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]行治．聯合制堿法[M]．沈陽：遼寧科學技術出版社，1989.

[4]王立國.先進控制及優化在海化純堿生產工藝中的應用.2007-03-05.

[5]李希，葛育芳.氨鹽水碳酸化反應的機理與反應器模型I.碳酸化反應的動力學模型.化學反應工程與工藝.1999 V0l.15 No4.