碳化塔清洗流程優化及操作控制

鄧永華，吳世江，龔天池

(重慶湘渝鹽化有限責任公司，重慶 萬州 404001)

碳化塔是純堿生產的主要設備，在塔內有傳質、結晶和傳熱三種過程同時進行。因同時存在著氣、液、固三相，在結構上要求氣液兩相有良好的接觸；生成的固體不至于下沉而堵塞氣液通道；并及時取走大量的反應熱以保證最適的取出溫度。塔內自上而下分成3個反應區域:①吸收區。在塔上部，溶液吸收二氧化碳，尚無結晶析出。②生成區。在塔中部，約從塔高2/3處開始析出碳酸氫鈉結晶，并繼續吸收二氧化碳，使結晶長大。③冷卻區。在塔下部，吸收二氧化碳的同時進行冷卻，結晶繼續成長。冷卻區通常布置塔高1/2處以下，在兩個塔板之間，裝有很多橫穿的冷卻管，管內通水，以移除反應過程中放出的熱量。

1 碳化塔制堿與清洗過程中存在的問題

1.1 制堿塔降溫速率控制

目前，我廠使用的是索爾維內冷式碳化塔，規格型號為：DN3000/DN3400×29920。冷卻段一般采用的是配置8個冷卻水箱，總高度約14.6 m，約占總塔高度的48.8%，當60～65 ℃甚至更高溫度的碳化液進入冷卻段后，溫度梯度也會發生變化，不利于碳化液溫度梯度的緩慢降低，在高溫區被抑制的吸收反應很容易在冷卻段得到強化，容易產生較大的過飽和度，并生成較多的二次晶核，在溫度較低條件下，碳化液的過飽和度降低，在冷卻橫管表面發生結晶反應，析出結晶吸附在冷卻小管表面，通常就是我們所說的結疤。作業時間越長，疤層越厚。當疤層結到一定厚度后，由于傳熱效率下降，以及氣、液通道變小，碳化反應過程便不能正常進行。所以碳化塔一般作業幾十小時后，需要進行清洗。

1.2 清洗塔清洗過程存在的問題

碳化塔的清洗和制堿過程是相輔相成的，清洗塔工況的好壞直接影響制堿塔的生產能力，在實際生產過程中通過生產實踐可以了解到目前國內碳化塔清洗工藝主要存在下列問題：

1)碳化塔水箱冷卻配置及降溫方式容易造成冷卻橫管表面結疤；

2)通常采用清洗AⅡ溶液作清洗液，清洗效果受到AⅡ溶液中碳酸氫鈉的不飽和度、結疤密度、氨鹽水溫度及清洗液流速、清洗氣成分的影響；

3)清洗效果受冷卻水箱橫管內循環冷卻水溫度及淤泥的影響。

要解決上述問題，只有從源頭上控制好冷卻速率，減緩冷卻橫管結疤速度；同時在清洗過程中將碳化塔冷卻橫管清洗干凈，才能保證碳化塔在制堿過程中將碳化反應多余的熱量移起走，提高碳化塔作業作業能力，延長碳化塔的作業周期，從而達到一個制堿周期內的最優狀態。

2 碳化塔清洗優化

針對碳化塔清洗工藝存在的問題，我們通過如下途徑進行了優化：

1)對現有的碳化塔水箱冷卻水箱配置進行改進。將碳化塔配置的8層水箱改為7層水箱，將第8層水箱改為塔圈，使碳化塔在制堿初期時反應區間擴大，增大反應時間。

2)將水箱串聯通水改為串聯與并聯相結合通水，具體操作時在制堿初期降溫時采用底部四層回水，然后再根據具體碳化塔的作業時間、碳化取出液溫度和取出量的大小，通過調整4、6、7層水箱回水量(冷卻水量)和冷卻面積控制碳化塔冷卻速度，減緩冷卻橫管結疤速度。

圖1 碳化塔冷卻水控制

碳化塔具體冷卻速度按如表1條件進行控制。

表1 碳化塔冷卻速度操作控制

3)為提高清洗結疤的溶解速度和防止碳酸氫鈉細晶的產生，用空氣作為進塔清洗氣，同時在保證碳化尾氣總管壓力的0.03 MPa以下的情況下，增大清洗塔母液進塔負荷，塔內清洗母液自下往上流速達0.5 m/s及以上，改善塔內母液流動，加強母液的對流，提高了液體湍動加速疤塊的溶解。

4)碳化塔冷卻水箱中橫管內污淤泥對水箱換熱熱阻影響較大，因此要對水箱定期進行反洗。在每一個周期碳化塔退出清洗的時候，應將碳化塔內水箱循環水排空，循環水回水壓力在0.3 MPa左右，且反沖水量可以達到400 m3/h。可以利用循環水回水從水箱最上層自上而下反沖回來，將水箱內淤泥、雜質等排到循環水收集池內，待排出的循環水清澈無雜質時，碳化塔冷卻水箱中橫管便反洗干凈，排出的循環水通過循環水旁濾器進行固液分離處理后回循環水池。

5)控制制堿碳化塔降溫循環水溫度在26 ℃以上，控制作業初期時出堿液的降溫速率，一般前30 min降溫控制在5～8 ℃。呈梯度的緩慢降溫可以更好的降低、控制與碳化塔內母液與循環水溫度的差值，防止溫差過大、降溫劇烈及溫度過低造成碳化液過飽和度突然加大，析出更多碳酸氫鈉細晶，附著列管表面結疤。

3 改造后取得的效果

1)碳化塔的清洗是將氨母液Ⅱ(AⅡ)連續送入清洗塔內，并通入空氣進行充分攪拌，AⅡ溶解塔內碳酸氫鈉和碳酸氫銨等結疤達到清洗的目的。碳化塔結疤嚴重的是在碳化塔下部連接水箱處，因此碳化塔5段溫度在退出清洗時候是最低的，一般要比進塔AⅡ溫度低5～10 ℃左右，只有將碳化塔5段溫度清洗起來，并通過進塔AⅡ溫度與碳化塔23段、5段溫度進行對比，在清洗過程中這三段溫度的溫差在0.5 ℃左右時，才能判斷碳化塔內疤塊基本清洗干凈。

2)通過改造后碳化塔在制堿過程中碳化液的沉淀量能夠達到33%～36%，碳化液與AⅡ液的固定銨差值在46 tt，碳酸氫鈉顆粒的堆積密度在0.63 g/cm3，相比以前堆積密度增大0.05 g/cm3左右。

3)改造后，對制堿周期達3個月的碳化塔進行開蓋檢查：在碳化塔的3、5、7段降溫段水箱內基本無結疤情況，效果明顯，提升了碳化塔生產能力和延長作業周期。