王力軍,鄭 標

(四川廣宇化工股份有限公司,四川 廣漢 618300)

2.0 MPa 變換氣外冷碳化塔的應用

王力軍,鄭 標

(四川廣宇化工股份有限公司,四川 廣漢 618300)

通過對脫碳系統(tǒng)的分析,提出采用變換氣制堿是本公司的最優(yōu)選擇。由于使用天然氣生產(chǎn)合成氨,壓力較高,同時具有脫碳及聯(lián)堿碳化功能的外冷碳化塔就成為唯一可行的選擇;同時對變換氣外冷塔的使用情況作了介紹。

外冷碳化塔;脫碳;碳化;天然氣轉(zhuǎn)換

我公司聯(lián)堿分廠1986年投產(chǎn),純堿生產(chǎn)能力20 kt/a,1994年擴產(chǎn)到40 kt/a,當時采用窯氣、爐氣、PSA脫碳氣加壓碳化工藝。碳化系統(tǒng)為4臺φ2 200/φ2 000×25 800索爾維塔。設(shè)計能力為40 t/d·臺,進塔氣為CO2含量45%的脫碳氣+窯氣,65%的爐氣+窯氣,操作壓力0.7 MPa,隨著產(chǎn)量的逐步提高,碳化塔負荷加重,造成作業(yè)周期短,煮塔頻繁,生產(chǎn)波動大,成本也居高不下。當時,經(jīng)過多方考察,決定選用成達工程公司設(shè)計的φ2 200/ φ3 000×30 500自然循環(huán)外冷碳化塔(設(shè)計能力100 t/d·臺),并于2000年11月投產(chǎn)。投產(chǎn)的第二年,產(chǎn)量就比2000年增加1萬多噸,噸堿鹽耗下降19 kg,電耗下降15 kW·h,雙噸生產(chǎn)成本也比2000年下降了32.39%,取得了較好的經(jīng)濟效益。鑒于外冷塔在我公司取得的良好效果,在2003年公司投入1億多進行的節(jié)能技術(shù)改造中,又開以天然氣為原料的變換氣制堿之先河,采用成達公司的新型的φ2 800/φ3 800變換氣制堿塔,而且將碳化壓力提高到2.0 MPa,純堿產(chǎn)量也提高到150 kt/a。在近幾年的使用過程中,我們深深地體會到外冷塔的許多優(yōu)點:特別是結(jié)構(gòu)簡單、易大型化、占地面積小、單塔生產(chǎn)能力大等,非常適合老企業(yè)改造。

1 選擇外冷碳化塔的原因

1.1 降低消耗和節(jié)省場地

1)變換氣制堿工藝用聯(lián)堿氨Ⅱ吸收合成氨變換氣CO2,屬于化學吸收脫除CO2,聯(lián)堿氨Ⅱ(溶劑)吸收CO2能力為52 m3/m3,與物理吸收法脫除CO2的各種專用溶液相比,脫除單位體積CO2氣體所需要的溶劑使用量少,故可節(jié)約動力電耗。表1為脫除變換氣CO2幾種溶液吸收能力對比。

表1 脫除變換氣CO2幾種溶液吸收能力對比(m3/m3)

2)吸收劑再生問題:物理溶劑吸收法脫除CO2過程中,通常在減壓氣提后溶劑就得到再生。在化學溶劑吸收脫除CO2氣體的方法中,溶濟再生往往需要加熱才能釋放CO2,而使溶劑再生貧液,溶劑再生過程需要消耗較多熱量。聯(lián)堿氨母液Ⅱ吸收CO2的特點是,吸收CO2后的生成物是重堿結(jié)晶,是中間產(chǎn)品,直接從溶劑(出堿液)分離出來,與其他化學吸收脫除CO2氣體的方法相比,省去溶劑再生過程,即節(jié)省溶劑再生的熱能、動力電耗等各種能耗。

通過以上對比可看出,采用變換氣制堿工藝,既可以充分利用氨Ⅱ遠高于其他溶劑吸收CO2的能力,而且不用解析;又可以節(jié)約脫碳工序的投資和場地。

1.2 選用新型外冷碳化塔

按濃氣制堿考慮,增加10萬t/a純堿的能力,需采用6臺φ2 800索爾維型碳化塔,我公司現(xiàn)場根本無法布置,而使用φ2 800/φ3 800外冷塔,只需要2臺。更主要的是,按我公司工藝條件,要達到合適的二氧化碳分壓,碳化壓力就必須在2.0 MPa,這樣傳統(tǒng)的塔型就不可避免的會遇到下部塔體大開孔的問題,給壓力容器的設(shè)計和制作帶來極大的困難。

正是基于以上幾點,我公司決定采用節(jié)能的變換氣制堿流程,工藝流程一經(jīng)確定,選擇外冷碳化塔就成為自然而然的事了。

2 變換氣外冷碳化塔實際生產(chǎn)能力

我公司使用3座φ2 800/φ3 800外冷塔用于變換氣制堿。表2為2007年、2009年純堿及合成氨的產(chǎn)量。表3為我廠進入外冷塔變換氣成分。

表2 2007年、2009年純堿及合成氨產(chǎn)量

表3 進入外冷塔變換氣成分(CO和CH4忽略不計)

以2007年數(shù)據(jù)為基準進行計算:

理論上所需H2、N2氣量:

2H2+N2=2NH3

(100/17)×22.4×2=2 635 m3/t氨

則我公司理論上生產(chǎn)1 t氨需要消耗變換氣量為:

2 635/(0.54+0.285)=3 193.9 m3/t氨

由于有跑、冒、滴、漏等因素影響,實際噸氨耗變換氣在3 500 m3左右。

每噸氨的變換氣中CO2含量為:

3 500×17.5%=612.5 m3/t氨

1)變換氣外冷碳化塔物料衡算

①母液成分(見表4)

表4 爐氣窯氣碳化塔與變換氣碳化塔母液成分

表5 重堿組成 (%)

②母液當量

AⅡ當量:

EAⅡ=[1 000×99.2%(1+0.008)]/[83.7 ×110.6/115.2-41.5)×53/20] =9.73 m3/t堿

取出液當量計算:

E取出=9.73×110.6/115.2=9.34 m3/t堿

③AⅡ吸收CO2量

AⅡ帶入CO2量:

G1=9.73×21.7/20=10.56 kmol

取出液帶出CO2量:

G2=E取出×(CO2)取出/20 =9.34×21.9/20 =20.227 kmol

重堿帶出CO2量:

G3=19.18 kmol(同爐氣窯氣塔)

取出槽逸散CO2量:

G4=30 m3/t

則AⅡ吸收CO2量:

G吸收=10.227+19.18+40/22.4-10.557 =20.64 kmol=462.24 m3

2007年變換氣外冷碳化塔實際產(chǎn)量為:

合成氨產(chǎn)量×噸氨副產(chǎn)CO2/噸堿吸收CO2

=208.176×612.5/462.24=275.8 t/d

每座塔的生產(chǎn)能力為:約140 t/d

根據(jù)我們的使用經(jīng)驗,單塔能力完全能達到150 t/d。

3 外冷碳化塔作業(yè)參數(shù)、工藝流程

3.1 AⅡ

采用與混合氣制堿同樣的母液,未作特別處理。

溫度:夏季34℃ 冬季:28℃

CO2:19～21 tt

3.2 壓力

我公司變換氣CO2含量17.5%,制堿壓力2.1 MPa(A),則CO2分壓=2.1×17.5%=0.367 5 MPa (A),混合氣制堿壓力 0.60 MPa(A),CO2含量60%,兩者分壓相當。

3.3 溫度

變換氣外冷碳化塔中溫:45～48℃

取出溫度:38～40℃

3.4 工藝流程

從變換氣外冷碳化塔投用起,我公司與成達公司合作,在全國首次采用了主塔清洗塔串聯(lián)作業(yè)。從使用情況來看,杜絕了煮塔的現(xiàn)象。對于我公司環(huán)保達標起到了舉足輕重的作用。

4 轉(zhuǎn)化率與結(jié)晶質(zhì)量分析

從2007年平均數(shù)據(jù)分析,變換氣外冷塔的轉(zhuǎn)化率不是很高。不到70%,但我們的消耗水平在同行業(yè)中卻是較好的,因為我們在生產(chǎn)中不只是強調(diào)轉(zhuǎn)化率越高越好,我們還看中另外一項更重要的指標,那就是結(jié)晶質(zhì)量。

為對聯(lián)堿碳化塔的運行情況作進一步的了解,從2008年3月6日中班起,對碳化塔取出液的沉降時間進行測定。對3月6日中班到21日早班共計45個班次,測得418個數(shù)據(jù),取平均值如表6。該期間,共計生產(chǎn)純堿6.681.65 t,平均班產(chǎn)148.48 t。

表6 碳化取出液沉降時間(2008年3月6日中班至3月21日早班平均值)

從表6可看出,就沉降時間而言,我公司索爾維塔結(jié)晶質(zhì)量不錯。變換氣塔沉降時間比索爾維塔多17.2%,與其他兄弟廠家60～80 s的沉降時間相比,還有較大差距。通過這次測定,也發(fā)現(xiàn)了一些問題。C塔是3月18日由清洗塔轉(zhuǎn)為制堿塔,從18個數(shù)據(jù)的平均值看,沉降時間高于A、B兩塔,查找原因,發(fā)現(xiàn)C塔(暫時只上了2臺外冷器)的取溫> 42℃,而A、B塔的取溫則在38～40℃。分析這是造成該塔結(jié)晶差的原因。于是將C塔2臺外冷器的作業(yè)清洗時間由原來的24 h輪換改為12 h,這樣使得作業(yè)形成的疤塊不至于很硬,便于清洗。從效果來看,改進操作后,取溫基本就維持在≤40℃。而沉降時間也從開始的120 s降低到90～95 s。

衡量結(jié)晶質(zhì)量的另一個指標是產(chǎn)品的密度。從散裝槽車在我公司裝堿情況看,每次基本都在24.5 t左右。槽車標定容積為38 m3,按此計算,我公司輕灰產(chǎn)品密度在0.65 t/m3左右,也算不錯。

從我們使用的情況看,碳化結(jié)晶與碳化轉(zhuǎn)化率是矛盾和沖突的,如果片面追求轉(zhuǎn)化率,采用最簡單的方法就是降低出堿溫度,強化冷卻段的反應,以使轉(zhuǎn)化率提高,但這很容易造成碳化結(jié)晶質(zhì)量下降。外冷塔的容積利用系數(shù)比傳統(tǒng)的索爾維塔高,如果在冷卻段強化反應,再片面追求高的取出固定氨,勢必造成結(jié)晶的析出速度大于結(jié)晶的成長速度,致使二次晶核析出,從而出現(xiàn)結(jié)晶中粗、細顆粒不均,而取溫過高,也會造成結(jié)晶析出動力不夠,這都會給過濾、煅燒帶來嚴重的影響。

5 變換氣外冷碳化塔操作彈性

我公司使用的φ2 800/φ3 800外冷塔進氣負荷在7 000～18 000m3/h都開過。但在低負荷時(低于8 000 m3/h),由于進氣量小,CO2總量低,造成塔溫不好控制,取出量極小。在高負荷時(17 000 m3/h),由于氣體流量大,空塔氣速高,操作稍有不慎,就會出現(xiàn)出塔氣帶液現(xiàn)象。該塔最適合的負荷是進氣量在15 000～16 000 m3/h,此時操作容易,取出結(jié)晶質(zhì)量也好。

6 設(shè)備方面

使用變換氣制堿,由于變換氣中幾乎不含氧,所以對設(shè)備、管線的腐蝕很小。但我公司是2.0 MPa壓力下制堿,對附屬的閥門、管線要求就比較高。目前問題也主要是出在該部分:AⅡ閥使用周期不長,經(jīng)常造成AⅡ液從中、下部進入塔內(nèi),影響制堿反應,管線彎頭處也容易出現(xiàn)磨損泄漏。這些都是我們下一步要集中精力解決的事。

7 總 結(jié)

20世紀60的代,我國制堿專家開發(fā)出了變換氣制堿新流程,這是我國繼侯德榜博士發(fā)明聯(lián)合制堿法后又一次在世界上首創(chuàng)新的合成純堿生產(chǎn)工藝。到了20世紀90年代后期,周光耀院士組織開發(fā)的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型外冷循環(huán)碳化塔的成功應用,解決了變換氣制堿的設(shè)備問題,使該工藝成為國家在純堿行業(yè)推廣的節(jié)能工藝,變換氣制堿獲得了很大的發(fā)展。我公司又是全國第一家壓力在2.0 MPa進行操作的廠家,通過幾年的使用,我們感到外冷碳化塔在我公司的使用是成功的,為我公司的節(jié)能降耗創(chuàng)造了良好地條件。

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

[2] 包友興.論變換氣制堿的節(jié)能途徑[J].杭州化工, 2002,(4):

[3] 中國純堿工業(yè)協(xié)會.純堿工學[M].北京:化學工業(yè)出版社,1990

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