吳利彥

(石家莊天人化工設備集團有限公司，河北石家莊 052160)

專論與綜述

一種分步碳化變換氣制堿工藝探索

吳利彥

(石家莊天人化工設備集團有限公司，河北石家莊 052160)

主要介紹了一種分步碳化變換氣制堿工藝，它用分步碳化塔完成碳化過程，利用碳化塔中部高溫取出液顯熱增量的方式移走碳化反應熱，通過添加氨母液Ⅰ使母液冷卻器運行在碳酸氫鈉結晶區(qū)以外，用比循環(huán)水冷卻溫度低3～5 ℃的蒸發(fā)式冷卻器冷卻母液。此種工藝在降低生產(chǎn)裝置投資的同時，提高了產(chǎn)品質量，減少了能耗。

分步碳化；變換氣制堿工藝；蒸發(fā)式冷卻器；能耗

1 變換氣制堿概述

變換氣制堿工藝是變換氣直接碳酸化制取碳酸氫鈉的新工藝。它是將合成氨裝置的變換氣送至碳酸化塔，在碳酸化塔內脫除了變換氣中的二氧化碳的同時又進行了聯(lián)堿的碳酸化過程(制取了重堿)，脫除了CO2的氣體送回合成氨系統(tǒng)。這樣聯(lián)堿法的生產(chǎn)，不僅利用了合成氨生產(chǎn)的NH3和CO2用以生產(chǎn)純堿和氯化銨，而且聯(lián)堿裝置的碳酸化工序也是合成氨裝置的脫碳工序。從而使合成氨、純堿、氯化銨的生產(chǎn)實現(xiàn)了真正的聯(lián)合，使合成氨和聯(lián)堿的工藝流程大為簡化。變換氣制堿在合成純堿生產(chǎn)工藝中能耗最低，生產(chǎn)成本在亞洲純堿市場唯一能夠抗衡美國天然堿。

目前我國變換氣制堿的碳化工段主要采用成達化學工程公司上世紀70年代開發(fā)的使用自然循環(huán)外冷碳化塔的外冷工藝(簡稱外冷工藝)和80年代后化工部大連化工研究設計院研究開發(fā)的使用不冷碳酸化塔的不冷碳化制堿工藝(簡稱不冷工藝)。

外冷工藝存在的主要缺點是：1)重堿結晶顆粒比不冷工藝小，產(chǎn)品質量不如不冷工藝。2)外冷塔的外冷器及配套檢修平臺、角閥造價高。

不冷工藝的主要缺點是：1)不冷碳酸化塔操作液位高，造成系統(tǒng)壓差大、合成氨電耗高。2)因不冷工藝的需要，取消了母液換熱器，使夏季聯(lián)堿Ⅱ過程冷量消耗增加一倍，冷凍能耗增加。3)不冷碳化塔高達40多米，運輸、制造、安裝困難。

2 分步碳化變換氣制堿工藝的介紹

為了在提高變換氣制堿產(chǎn)品質量的同時，進一步降低能耗及降低工程造價，吸收了外冷工藝與不冷工藝兩者的優(yōu)點，提出了分步碳化變換氣制堿工藝。其工藝在系統(tǒng)壓差比外冷塔還小的情況下，實現(xiàn)不冷碳化，而且不增加Ⅱ過程冷量消耗。

2.1 分步碳化變換氣制堿工藝

一是分步碳化塔中部高溫區(qū)增加晶漿旋流分離器，取出高溫母液，并通過增加母液循環(huán)量和提高中部取出液溫度用母液顯熱增量方式帶走碳化反應熱，實現(xiàn)塔內不冷卻碳化。二是在分步碳化塔高溫取出液進入冷卻器前加入氨母液Ⅰ，使蒸發(fā)式冷卻器工作在碳酸氫鈉結晶區(qū)以外，冷卻后母液返回分步碳化塔，降低塔底取出晶漿溫度。三是采用蒸發(fā)式冷卻器冷卻母液，使用高效波節(jié)管換熱管，與傳統(tǒng)冷卻器相比可降低溫度3～5 ℃(參見圖1)。

圖1 分步碳化變換氣制堿工藝流程

氣體流程：分離器來的變換氣進入各分步混合碳化塔底部，出塔氣匯合一起經(jīng)回收清洗塔進一步凈化，以確保本系統(tǒng)送出的氣體能滿足合成氨系統(tǒng)對脫碳氣中微量NH3和CO2的要求(含CO2為<0.5%，NH3<0.2 g/Nm3)，出碳化系統(tǒng)的凈化氣回至合成氨的壓縮工段。

液體流程：母液Ⅰ一部分吸氨后，與分步碳化塔中部高溫取出液混合，使蒸發(fā)式冷卻器工作在碳酸氫鈉結晶區(qū)以外，經(jīng)蒸發(fā)式冷卻器冷卻后母液返回分步碳化塔下部；母液Ⅰ另一部分吸氨后送Ⅱ過程生產(chǎn)氯化銨，而后用泵送分步碳化塔頂部，自上而下地吸收從塔底通入的變換氣中的CO2，使塔內母液逐步形成過飽和并析出NaHCO3,進一步使結晶長大。制成的懸浮液再從塔底取出，至堿液槽并流至濾堿工序經(jīng)真空過濾機過濾即得重堿和母液Ⅰ。

2.2 變換氣制堿的工藝條件

變換氣 CO220%～28%，H2S <50 mg/m3

凈化氣 CO2≤0.5%，NH3≤0.2 g/m3

母液Ⅰ TCl 108～110 tt，CO2≤25 tt

母液Ⅱ TCl 108～110 tt，CNH380～90 tt

變換氣 溫度25～40 ℃，壓力2.1 MPa

凈化氣 溫度25～40 ℃，壓力1.9 MPa

碳化塔中部出液 溫度45～50 ℃

碳化塔底部出液 溫度38～40 ℃

母液Ⅱ 溫度28～30 ℃

3 分步碳化變換氣制堿工藝主要設備

3.1 分步碳化塔結構

分步碳化塔包括塔體和內件組成，由上至下設置5塊帶降液管的噴射塔盤、8塊帶降液管的低開孔率篩板、旋流分離器、8塊環(huán)形篩板。

3.2 分步碳化塔工作原理

1)碳化塔中環(huán)流區(qū)氣固液三相流動狀況

二氧化碳氣體進入塔底環(huán)形氣體分布器，旋轉向下沖向球底并由球底和環(huán)形氣體分布器之間的環(huán)隙沿球面的圓弧方向上升，起到懸浮和活化向球底沉積的重堿結晶的作用。上升的二氧化碳氣體被上部環(huán)形塔板的喇叭形集氣口收集進入并通過8層低開孔率環(huán)形篩板。氣體在篩板上上升膨脹的過程中釋放能量并傳遞給碳化液晶漿(重堿結晶+碳化液)，帶動其一起上升。在上層塔板喇叭形集氣口內氣體和碳化液晶漿被分離，氣體進入上部氣室到上一層塔板，碳化液晶漿沿喇叭形集氣口分別向內流向塔心和向外流向塔板與塔壁間的環(huán)形區(qū)下降，形成環(huán)流(循環(huán))。

2)環(huán)流段中碳酸化重堿結晶過程

氨鹽溶液進入環(huán)流反應結晶段的環(huán)流物料中，被大量循環(huán)的碳化液晶漿充分混合，并在環(huán)流過程中吸收二氧化碳氣體，生成氨基甲酸銨，氨基甲酸銨水解以及在液相碳酸氫銨和氯化鈉復分解反應生成碳酸氫鈉。復分解反應產(chǎn)生了碳酸氫鈉結晶的過飽和度，并在大量循環(huán)的物料中消失過飽和度，進行碳酸氫鈉晶核的析出和晶核成長過程。

3)碳化塔中部重堿結晶分離過程

最上層一塊環(huán)形塔板中部安裝旋流分離器，利用離心力作用將液相中的重堿結晶顆粒分離并留在塔內，使中部取出母液少含重堿顆粒。

3.3 循環(huán)液蒸發(fā)式冷卻器

蒸發(fā)式冷卻器是一種比較成熟而且應用較廣的冷卻設備，在聯(lián)堿生產(chǎn)中主要應用于冰機系統(tǒng)氨冷凝，在這里利用其替代傳統(tǒng)列管換熱器，具有節(jié)水、節(jié)電、冷卻效果好等優(yōu)點，可將氨母液溫度降到接近空氣濕球溫度，比循環(huán)水冷卻降低溫度3～5 ℃，降低聯(lián)堿Ⅱ過程冷析氨冷負荷和碳化塔母液循環(huán)量。

4 分步碳化變換氣制堿工藝技術特點

4.1 產(chǎn)品質量高

由于加大了碳酸化塔重堿結晶空間、溶液過飽和度降低、結晶時間延長，所以重堿結晶顆粒大可用離心機分離重堿，產(chǎn)品純堿氯化鈉含量降低、純堿質量提高。

4.2 新建廠投資省

1)分步碳酸化塔由于采用了高效塔盤，塔高可比現(xiàn)不冷塔降低三分之一，和外冷塔比沒有了外冷器和外冷器檢修平臺，其制造、運輸、安裝難度均降低。

2)由于氨母液Ⅰ的分流，出碳酸化塔尾氣氨含量降低，可取消氨母液Ⅱ凈化塔。

3)循環(huán)液蒸發(fā)式冷卻器將傳統(tǒng)列管冷卻器與涼水塔合二為一，降低了工程投資，也提高了冷卻效果。循環(huán)液蒸發(fā)式冷卻器冷卻效果好，可將氨母液溫度降到接近空氣濕球溫度，降低聯(lián)堿Ⅱ過程冷析氨冷負荷。

4.3 能耗低

1)由于分步碳化塔高度降低，又取消了氨母液Ⅱ凈化塔，使系統(tǒng)壓差減小，合成氨電耗降低。

2)循環(huán)液蒸發(fā)冷冷卻效果好，可將氨母液溫度降到接近空氣濕球溫度，降低聯(lián)堿Ⅱ過程冷析氨冷負荷，降低了冷凍負荷。

3)分步碳化變換氣制堿工藝在實現(xiàn)不冷碳化的同時不增加Ⅱ過程冷量消耗。

5 結 語

分步碳化變換氣制堿工藝及設備，是在外冷工藝和不冷工藝及設備的基礎上提出來的，在降低生產(chǎn)裝置投資的同時，提高了產(chǎn)品質量，減少了能耗。但其工藝及設備在運行中可能存在一些問題，還有待完善和改進。

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[3] 王楚.純堿生產(chǎn)工藝與設備計算[M].北京：化學工業(yè)出版社，1995

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1005-8370(2017)04-03-03

2017-04-26

吳利彥(1983—)，本科，化學工程與工藝專業(yè)，現(xiàn)任石家莊天人化工設備集團有限公司產(chǎn)品開發(fā)處處長，工程師。