周光耀

(中國成達(dá)工程有限公司，四川 成都 610041)

目前我國純堿企業(yè)向大型產(chǎn)能方向發(fā)展趨勢十分明顯。氨堿法生產(chǎn)規(guī)模都在年產(chǎn)一百萬噸以上。大型產(chǎn)能必然要求有大型化設(shè)備與其相適應(yīng)。碳化塔是純堿生產(chǎn)核心設(shè)備，迫切需要大型化。我們在“開發(fā)大型多段外冷碳化塔的構(gòu)思” 一文中已闡明開發(fā)大型多段外冷氨堿法碳化塔的基本構(gòu)思。2020年1月大型三段外冷聯(lián)堿碳化塔在中鹽昆山公司首次試車成功。為大型三段外冷氨堿法碳化塔設(shè)計(jì)奠定了可靠的基礎(chǔ)。

中鹽昆山公司三段外冷碳化塔為與已有設(shè)備配套組合，單塔生產(chǎn)能力為330 t/d。該塔試車成功后筆者已設(shè)計(jì)出日產(chǎn)450 t的三段外冷聯(lián)堿碳化塔，今后新建聯(lián)堿廠建議可采用此塔。

對(duì)于大型氨堿法碳化塔的生產(chǎn)能力，由于目前氨堿法生產(chǎn)廠年產(chǎn)能都在100萬t以上，所以考慮單塔能力為600 t/d。中鹽昆山公司外冷碳化塔為5塔一組生產(chǎn)，已穩(wěn)定運(yùn)行多年。索爾維碳化塔在聯(lián)堿法生產(chǎn)中一般只能三塔一組可長期運(yùn)行，4塔一組比較勉強(qiáng)。外冷塔由于冷卻面結(jié)疤輕，5塔一組可長期穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于氨堿法外冷碳化塔，實(shí)現(xiàn)6塔一組運(yùn)行應(yīng)該毫無問題。因此采用日產(chǎn)600 t的三段外冷塔，一組塔即可達(dá)到年產(chǎn)100萬t的產(chǎn)能。所以此設(shè)計(jì)能力應(yīng)該能滿足大型純堿生產(chǎn)裝置需要。

這次設(shè)計(jì)的日產(chǎn)600 t大型三段外冷氨堿碳化塔的可靠性如何？

設(shè)計(jì)這種塔型我們有很多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并且已經(jīng)開發(fā)出整套理論計(jì)算方法。中鹽昆山公司日產(chǎn)330 t三段外冷聯(lián)堿碳化塔是在中試塔基礎(chǔ)上放大了20倍，并且由氨堿法中試塔變?yōu)槁?lián)堿法生產(chǎn)塔。不但一次試車成功，而且解決了中試塔作業(yè)時(shí)間短的問題。氨堿法生產(chǎn)的母液當(dāng)量比聯(lián)堿法小得多，因此碳化塔的生產(chǎn)強(qiáng)度比聯(lián)堿法高，本次設(shè)計(jì)的600 t/d氨堿碳化塔只在已投產(chǎn)運(yùn)行的結(jié)構(gòu)相同的聯(lián)堿碳化塔基礎(chǔ)上稍加放大，技術(shù)上是完全有把握的。

1 塔的主要結(jié)構(gòu)

塔中、上部為以液相為連續(xù)相的低開孔率帶降液管的篩板塔板，但在頂部設(shè)一塊笠帽塔板，目的是防止倒塔時(shí)有疤塊落入篩板塔板上，堵塞篩孔，而且可防止當(dāng)塔內(nèi)液位低于第一塊篩板時(shí)，因篩孔氣速高而使出氣帶霧滴。塔下部為三段自然循環(huán)外冷結(jié)構(gòu)。塔中、上部設(shè)一塊笠帽塔板，13塊篩板塔板。塔下部設(shè)4塊篩板塔板，6塊環(huán)形篩板塔板。塔下部為三段外冷結(jié)構(gòu)，每段設(shè)4臺(tái)外冷器，三段共12臺(tái)外冷器。

設(shè)備主要材質(zhì)：

塔體：碳鋼+316L復(fù)合板

塔內(nèi)件：316L

外冷器：(可有二種選擇)

冷卻管 管板 外殼及折流板 管箱 鈦 鋼+鈦復(fù)合 鋼 316L 316L 鋼+316L復(fù)合 鋼 316L

冷卻管與管板連接方式：漲接+焊接

塔體與塔板連接方式：焊接

2 塔直徑確定

現(xiàn)有直徑3 m/3.4 m內(nèi)冷碳化塔用于氨堿法生產(chǎn)時(shí)塔的生產(chǎn)能力250～300 t/d，篩板塔板效率高可按最大能力300 t/d推算，日產(chǎn)600 t時(shí)塔徑應(yīng)為4.2 m/4.8 m。考慮外冷塔冷卻部分移至塔外，塔內(nèi)有效容積增加，此外采用自然循環(huán)冷卻，塔內(nèi)空塔氣速高，可提高外冷器循環(huán)量，提高冷卻效率，所以塔下部直徑不宜太大，為此塔下部直徑定為4 m。為防止冷卻開始時(shí)產(chǎn)生二次晶核，增加塔液在中部停留時(shí)間，降低塔液進(jìn)入冷卻段時(shí)的過飽和度，將上部塔徑定為5 m。

另經(jīng)與設(shè)備制造廠研討，當(dāng)最大塔徑達(dá)到5 m時(shí)，部分地區(qū)內(nèi)陸運(yùn)輸有困難，因此本設(shè)計(jì)又提出將塔徑改為中、上段4.5 m，下段3.6 m，單塔能力500 t/d的三段外冷氨堿碳化塔方案。所以本設(shè)計(jì)有二種規(guī)格碳化塔，即：

生產(chǎn)能力 中、上部直徑 下部直徑 塔總高 600 t/d 5 m 4 m 32 m500 t/d 4.5 m 3.6 m 32 m

3 傳熱面積的確定

先以現(xiàn)有外冷塔的傳熱能力估算所需傳熱面積：和邦、昆山二廠外冷塔每臺(tái)塔的傳熱面積為3×519=1 557 m2，生產(chǎn)能力360 t/d，每日噸堿冷卻面積為4.325 m2，此二廠外冷器直徑1.6 m，冷卻管長6 m，每臺(tái)519 m2。本設(shè)計(jì)擬采用三段外冷，每段4臺(tái)外冷器，共12臺(tái)。對(duì)日產(chǎn)600 t塔，若采用直徑1.6 m，管長2.5 m外冷器，則冷卻面積為216 m2，12臺(tái)共2 592 m2，噸堿冷卻面積為4.32 m2，與和邦、昆山廠相同。對(duì)日產(chǎn)500 t塔，采用外冷器直徑1.5 m，管長2.5 m，每臺(tái)外冷器195 m2，12臺(tái)共2340 m2，冷卻強(qiáng)度為4.68 m2/d·t。

以上均系參照現(xiàn)有生產(chǎn)塔的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)初步確定塔的直徑及傳熱面積。設(shè)計(jì)中進(jìn)一步通過我們開發(fā)的計(jì)算程序，計(jì)算各段塔體的二氧化碳吸收量，尾氣排放的二氧化碳濃度及傳熱系數(shù)。通過計(jì)算表明，冷卻面未結(jié)疤時(shí)，K=600 kcal/m2·h·℃，當(dāng)冷卻面結(jié)疤后，平均傳熱系數(shù)K=484 kcal/m2·h·℃，此時(shí)傳熱溫差為7.8 ℃，符合外冷器傳熱溫差<10 ℃要求。

此外通過計(jì)算塔內(nèi)各段吸收CO2量發(fā)現(xiàn)，如中段氣全部從上冷卻段進(jìn)入，該處塔液的吸收速度高達(dá)1 tt/min，此處是冷卻開始區(qū)，這樣高的吸收速度，會(huì)產(chǎn)生高的過飽和度，容易產(chǎn)生二次晶核，通過試算調(diào)整，上冷卻段只進(jìn)約20%的中段氣，余下約80%的中段氣從上冷卻段以上的中段塔體進(jìn)入。

4 單塔布置面積

單塔布置面積：9 m×9 m。

5 運(yùn)行情況及優(yōu)點(diǎn)

實(shí)現(xiàn)了純堿生產(chǎn)碳化塔大型化要求。目前國內(nèi)純堿廠普遍采用的是3 m/3.4 m笠帽塔板、鑄鐵碳化塔，該塔用于氨堿法生產(chǎn)，單塔能力為250～300 t/d，本次設(shè)計(jì)的三段外冷氨堿碳化塔，單塔能力為500～600 t/d，一組塔即可達(dá)到100萬t/a產(chǎn)能。是目前世界上能力最大的碳化塔。

由于全塔均采用高效篩板塔板，塔的吸收效率高，塔的生產(chǎn)強(qiáng)度比索爾維塔高。且在高生產(chǎn)強(qiáng)度運(yùn)行狀況下，制堿塔尾氣CO2濃度<3%，降低二氧化碳消耗量和排空量。

碳化轉(zhuǎn)化率達(dá)到內(nèi)冷笠帽塔水平，本次設(shè)計(jì)又在昆山塔基礎(chǔ)上對(duì)塔下部稍作改進(jìn)，碳化轉(zhuǎn)化率有望達(dá)到新開發(fā)的內(nèi)冷篩板塔板碳化塔水平。

冷卻面結(jié)疤輕，傳熱效率高，傳熱系數(shù)超過索爾維塔一倍以上。內(nèi)冷塔作業(yè)后期由于冷卻面結(jié)疤厚，傳熱溫差大，冷卻水出水溫度低，冷卻水耗量大。本塔即使到作業(yè)后期，冷卻水出水溫度仍可達(dá)45 ℃以上，冷卻水耗量少。

表1及圖1是中鹽昆山塔取出液粒度測定數(shù)據(jù)及粒度分布曲線。采用激光粒度分析儀測定。結(jié)晶平均粒徑約120 μm，粒度優(yōu)于索爾維塔。需要說明的是取出液粒度分析是送到外地分析的，取出時(shí)溫度約40 ℃(聯(lián)堿法取出溫度高) ，裝瓶送到外地分析時(shí)溫度降低20 ℃以上。取出液裝瓶后結(jié)晶很快下沉到底部，上部清液降溫20 ℃左右，其所產(chǎn)生的過飽和度，必然只能通過析出新晶核消除，從而增加了細(xì)晶量，所以分析時(shí)細(xì)晶含量高于實(shí)際生產(chǎn)。

表1 中鹽昆山塔取出液粒度測定數(shù)據(jù)

塔內(nèi)與工藝介質(zhì)接觸部分都是316L或鈦材，其耐蝕性能比鑄鐵塔好得多，建成投產(chǎn)后日常沒有維修工作量，生產(chǎn)時(shí)也不必加硫防腐。產(chǎn)品鐵分低，白度高，純堿含鐵(以Fe2O3計(jì))<10 ppm。

冷卻管與管板連接采用焊接結(jié)構(gòu)，工藝介質(zhì)不可能漏入冷卻水中，所以冷卻水排放不會(huì)有氨氮，有利環(huán)境保護(hù)。

圖1 中鹽昆山塔取出液粒度分布曲線

本塔的設(shè)備材質(zhì)提升，設(shè)備制造費(fèi)略有增加，但由于大型化，設(shè)備臺(tái)數(shù)少，廠房建設(shè)面積小，管道、閥門、儀表等數(shù)量大幅度減少，所以建設(shè)總費(fèi)用不會(huì)比現(xiàn)有塔型高。

6 結(jié) 語

綜上所述，本設(shè)計(jì)的三段外冷碳化塔，無論是生產(chǎn)能力、吸收效率、冷卻效率、產(chǎn)品質(zhì)量等技術(shù)指標(biāo)均全面超越有一百多年歷史的索爾維碳化塔。再加上日常維護(hù)工作少，冷卻水耗量低，排放冷卻水無氨氮污染可能，尾氣排放二氧化碳少，有利環(huán)境保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，所以本塔的技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。建議今后新建大型純堿廠采用該塔型，老廠碳化塔更新改造時(shí)，如有條件也可采用該型塔。中鹽昆山公司已大膽邁出了關(guān)鍵性一步，希望我國純堿行業(yè)能積極推廣，為我國純堿工業(yè)技術(shù)進(jìn)步發(fā)揮作用。