(中國(guó)成達(dá)工程有限公司，四川 成都 610041)

我在純堿工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域工作了64年。業(yè)內(nèi)人士都知道碳化塔是純堿生產(chǎn)的核心設(shè)備，因?yàn)榧儔A生產(chǎn)的主要化學(xué)反應(yīng)——碳酸化，在碳化塔內(nèi)進(jìn)行。碳化塔性能及其作業(yè)狀況對(duì)整個(gè)生產(chǎn)有很大影響。我從事純堿工程設(shè)計(jì)工作多年，為提高純堿生產(chǎn)的工程技術(shù)水平，自然會(huì)對(duì)純堿生產(chǎn)的核心設(shè)備—碳化塔的設(shè)計(jì)進(jìn)行一些研究探索。

我是在設(shè)計(jì)部門工作的，不具備科研條件，如沒(méi)有試驗(yàn)所需的儀器、設(shè)備，沒(méi)有研究隊(duì)伍，更沒(méi)有研究資金。為了堤高工程技術(shù)水平，我只能請(qǐng)我公司制作設(shè)計(jì)模型的模型組，制作小型試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，並利用生產(chǎn)廠中的物料和分析力量，通過(guò)冷模和熱模試驗(yàn)獲得分析數(shù)據(jù)，從而推導(dǎo)出碳酸化過(guò)程吸收動(dòng)力學(xué)方程式、塔內(nèi)空塔氣速與持氣率關(guān)系式、驗(yàn)證了以液相為連續(xù)相的篩板塔板在塔板下產(chǎn)生氣墊層的關(guān)系式等等。

由于沒(méi)有專業(yè)的研究團(tuán)隊(duì)，再加上試驗(yàn)的設(shè)備和測(cè)量?jī)x器都很簡(jiǎn)陋，因此推導(dǎo)出的關(guān)系式不會(huì)很精準(zhǔn)。但是我覺(jué)得對(duì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)創(chuàng)新還是有很大作用。沒(méi)有這些理論研究，要突破使用多年的傳統(tǒng)碳化塔結(jié)構(gòu)是不可能的。對(duì)于與原有塔型作重大改變的結(jié)構(gòu)，通常與生產(chǎn)廠結(jié)合，進(jìn)行中間試驗(yàn)后再在工程設(shè)計(jì)中采用。更多局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)，都是在新工程設(shè)計(jì)中直接試用。

近幾年我又將這些技術(shù)綜合起來(lái)，設(shè)計(jì)出幾種大型、性能好、造價(jià)低的碳化塔，我想這對(duì)我國(guó)純堿工業(yè)的發(fā)展會(huì)有一定作用?，F(xiàn)在我已退休，將多年來(lái)我對(duì)碳化塔設(shè)計(jì)的研究與實(shí)踐整理出來(lái)，供后來(lái)的業(yè)內(nèi)人士參考。

1 碳酸化過(guò)程的重要性

純堿生產(chǎn)的主要化學(xué)反應(yīng)是碳酸化反應(yīng)，它關(guān)系到NaCl的轉(zhuǎn)化率，CO2吸收效率，重堿的結(jié)晶質(zhì)量。NaCl的轉(zhuǎn)化率和CO2吸收效率關(guān)系到兩者的消耗定額。重堿結(jié)晶質(zhì)量對(duì)后續(xù)的過(guò)濾，煅燒過(guò)程有重大影響，如對(duì)濾堿機(jī)能力、重堿水分、重堿鹽分、洗水耗量、煅燒爐能力、煅燒汽耗等一系列指標(biāo)都有很大影響。概括起來(lái)它對(duì)好幾項(xiàng)消耗定額，產(chǎn)品質(zhì)量，設(shè)備的生產(chǎn)能力以及聯(lián)堿的水平衡都有很大影響。因此碳酸化過(guò)程是純堿生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。要提高純堿生產(chǎn)的技術(shù)水平，首先應(yīng)對(duì)碳酸化過(guò)程進(jìn)行研究。

2 碳酸化過(guò)程的特殊性

純堿生產(chǎn)中對(duì)碳酸化過(guò)程，一般都簡(jiǎn)稱“碳化”，下面也以“碳化”代替“碳酸化”。純堿生產(chǎn)的碳化過(guò)程在碳化塔內(nèi)進(jìn)行，塔內(nèi)包括傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)、傳熱和結(jié)晶等多種過(guò)程。又是一個(gè)氣、液、固三相的多相體系。塔內(nèi)有過(guò)飽和溶液和大量固體結(jié)晶，不可避免出現(xiàn)塔內(nèi)件和換熱表面結(jié)疤，同時(shí)很容易發(fā)生結(jié)晶堆積堵塞流體通道等問(wèn)題。

因此一般化學(xué)工程中典型的各種吸收設(shè)備都不適用于純堿生產(chǎn)的碳化作業(yè)。索爾維塔是能適應(yīng)純堿碳化作業(yè)的傳統(tǒng)設(shè)備，已有百余年歷史，這種碳化塔主要在實(shí)踐基礎(chǔ)上形成的，所以碳化塔的設(shè)計(jì)主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，有時(shí)稍作改動(dòng)就出問(wèn)題，因此這種塔型已使用多年，沒(méi)有重大改動(dòng)。

我認(rèn)為為了進(jìn)一步提高純堿生產(chǎn)的技術(shù)水平，有必要對(duì)碳化過(guò)程的理論作進(jìn)一步的研究。

3 對(duì)碳化理論的一些探索

3.1 反應(yīng)類別

要研究碳化過(guò)程，首先要搞清碳化反應(yīng)屬于哪一類反應(yīng)。碳化塔內(nèi)是一種堿性溶液吸收酸性氣體，即是化學(xué)反應(yīng)吸收。化學(xué)反應(yīng)吸收可分為：①化學(xué)反應(yīng)可忽略的吸收(即可視為物理吸收)；②在液流主體中進(jìn)行的緩慢反應(yīng)過(guò)程；③在液膜中進(jìn)行完畢的快速反應(yīng)；④在液膜中瞬間進(jìn)行的飛速反應(yīng)吸收過(guò)程。

反應(yīng)類別的判別式有多種，下面選擇其中一種判別式。當(dāng)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行緩慢，化學(xué)反應(yīng)主要在液流本體中進(jìn)行時(shí)，則液膜中反應(yīng)的量<通過(guò)液膜擴(kuò)散所傳遞1的量。

DL——被吸收氣體在液相中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

K1——一級(jí)不可逆化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)，s-1；

KL——液相傳遞系數(shù)，m/s。

當(dāng)化學(xué)反應(yīng)主要在液流主體中進(jìn)行時(shí)M?1，碳化反應(yīng)可用下式表達(dá)：

CO2(g)+OH-(l)—產(chǎn)物

反應(yīng)速率:r=KOH-·COH-·CCO2

根據(jù)文獻(xiàn)DLCO2=1.4×10-9/s，KL=10-4m/s，KOH-在常溫下為104m3/kg-mol·s，塔頂部COH-濃度最高，即反應(yīng)速度最快，先以塔頂條件進(jìn)行計(jì)算。

在聯(lián)堿法中塔頂碳氨Ⅱ pH=8.8，COH-=10-14+8.8=10-5.2kg-mol/m3

一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)K1=KOH-·COH-=104×10-5.2=10-1.2/s

M=1.4×10-9×10-1.2/10-8=1.4×10-2.2=0.00883?1

結(jié)晶析出前的臨介點(diǎn)pH=7.9～8，M=0.372×10-4，塔底部pH=7.3～7.5，M=9.34×10-6。

所以碳化塔內(nèi)進(jìn)行的化學(xué)吸收過(guò)程屬于緩慢化學(xué)吸收過(guò)程，塔下部則為極慢反應(yīng)。

用另外兩種判別式計(jì)算，得到的結(jié)論是相同的。對(duì)于主要在液相本體中進(jìn)行的緩慢反應(yīng)，只要有適當(dāng)?shù)南嘟槊媸蛊鋫髻|(zhì)速度能滿足液相中緩慢進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)速度就可以了，對(duì)這類反應(yīng)，主要是增大液相容積。這是碳化塔設(shè)計(jì)的一條基本原則。

索爾維塔內(nèi)充滿了液體，是以液相為連續(xù)相的鼓泡塔，是符合這一原則的。任何新型碳化塔的開(kāi)發(fā)都應(yīng)遵循這一原則。

從反應(yīng)速度判別式得到另一條結(jié)論，塔上部反應(yīng)速度相對(duì)較快，塔板距離應(yīng)該較小，塔中部，尤其是塔下部，反應(yīng)緩慢，板距應(yīng)該增大。

3.2 碳酸化過(guò)程吸收動(dòng)力學(xué)的研究

在外冷塔開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)外部冷卻，必須對(duì)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)作重大改變。在塔下部必然存在一個(gè)液體循環(huán)，這樣，整個(gè)塔下部液體成分接近取出液成分，破壞了塔下部液體的濃度梯度，這對(duì)CO2吸收極為不利。

因此首先對(duì)碳酸化過(guò)程的吸收動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究?；瘜W(xué)吸收過(guò)程的動(dòng)力學(xué)方程式以往文獻(xiàn)都有報(bào)導(dǎo)，但由于在通常條件下對(duì)于方程式中的某些參數(shù)，如氣、液膜有效厚度，比相介面等數(shù)據(jù)無(wú)法獲得，因此不能在實(shí)際中應(yīng)用。作者采用模擬試驗(yàn)方法測(cè)定碳酸化過(guò)程CO2的吸收速度。

通過(guò)試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，在一定的塔板結(jié)構(gòu)形式下，當(dāng)空塔氣速提高時(shí)，塔內(nèi)持氣率、氣液相湍動(dòng)程度、比相介面都隨之增加。

因此在試驗(yàn)中固定塔板結(jié)構(gòu)的條件下，可以用空塔氣速總括比相介面、氣液膜厚度諸影響因素。這樣就簡(jiǎn)化了方程式，且可通過(guò)一般的流量計(jì)及化學(xué)分析獲得所需數(shù)據(jù)。試驗(yàn)表明溶劑中“自由氨”的濃度對(duì)CO2吸收速度有很大影響。碳化塔內(nèi)溶液中的氨一旦吸收CO2后，被碳酸化的這一部分氨，則成為(NH4)2CO3、NH4COONH2、NH4HCO3等形式的碳酸鹽，能與CO2起反應(yīng)的則是剩下的未被碳酸化部分氨，因此稱這部分氨為“自由氨”——(NH3)自由。工業(yè)生產(chǎn)分析中的“游離氨”——(NH3)游離，實(shí)際上是直接滴定的總堿度，它包括不同形式的碳酸鹽和未反應(yīng)的氨，因此它和“自由氨”是不同的。“自由氨”的關(guān)系可用下式表達(dá)：

C(NH3)自由=C(NH3)游離-CCO2

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理發(fā)現(xiàn)，在一定空塔氣速下，lnCB與△PA·t成良好的線性關(guān)系。

(1)

式中：t——時(shí)間，min；

CB——液相中(NH3)自由的濃度，mol；

ΔPA=Pg-P*

Pg——?dú)庀嘀黧wCO2分壓，MPa；

P*——液相主體CO2平衡分壓，MPa；

KC——吸收速度系數(shù)。

式(1)可改寫成吸收速度方程式：

(2)

rA——CO2的吸收速度，mol/min;

rB——CB的變化速度，mol/min。

溫度對(duì)KC的影響，通過(guò)阿倫紐斯式得到如下關(guān)系式：

(3)

式中：T——溫度，K；

B——系數(shù)。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，不同空塔氣速U與b的關(guān)系可用下式表達(dá)：

b=2.489+0.341 lnU

(4)

將(4)式代入(3)得:

(5)

在上述吸收動(dòng)力學(xué)方程式的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算表明，外冷塔只要采取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，控制好有關(guān)條件，可以實(shí)現(xiàn)與索爾維塔相同甚至更好的吸收效果。

用這一計(jì)算方法，分別對(duì)濃氣制堿直徑1.5 m和2.5 m的內(nèi)冷聯(lián)堿塔、氨堿塔，以及CO2濃度為27%～29%、17%，壓力為12 kg/cm2、17 kg/cm2、20 kg/cm2的變換氣制堿碳化塔進(jìn)了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果都與實(shí)際數(shù)據(jù)符合。變換氣制堿是我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的制堿工藝，節(jié)能效果顯著。該工藝用純堿生產(chǎn)中的碳化工序，兼作合成氨生產(chǎn)中的脫碳工序。合成氨生產(chǎn)中要求脫碳后變換氣中二氧化碳含量低于0.2%。原變換氣制堿工藝采用索爾維碳化塔，制堿塔尾氣二氧化碳遠(yuǎn)高于0.2%。為滿足合成氨生產(chǎn)要求，釆用制堿塔與清洗塔串聯(lián)流程，尾氣二氧化碳含量可以達(dá)到要求。但由于串塔作業(yè)變換氣通過(guò)碳化系統(tǒng)的壓力降增加了近一倍，能耗增加，降低了變換氣制堿節(jié)能的幅度。為此設(shè)想采用以液相為連續(xù)相的低開(kāi)孔率高效塔板，并通過(guò)上述碳酸化過(guò)程吸收動(dòng)力學(xué)方程式計(jì)算，表明制堿塔尾氣可以達(dá)到CO2<0.2% 的要求，不必采取串塔流程。這在以前經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的感性認(rèn)識(shí)認(rèn)為是不可能達(dá)到的。后來(lái)實(shí)踐證明了這一點(diǎn)，目前有多臺(tái)變換氣制堿塔，長(zhǎng)期運(yùn)行，尾氣濃度穩(wěn)定在<0.2% 以下。這證明了這種計(jì)算方法有一定的準(zhǔn)確性。

3.3 關(guān)于碳酸氫鈉結(jié)晶質(zhì)量的控制

眾所周知要獲得粒度大的結(jié)晶，首先要控制一次晶核的生成數(shù)量，并盡量避免或減少二次晶核的生成。其次要有較長(zhǎng)的結(jié)晶成長(zhǎng)時(shí)間和較高的結(jié)晶成長(zhǎng)速度。

碳化過(guò)程中一次晶核的析出數(shù)量，與臨介點(diǎn)的溫度和過(guò)飽和度有很大關(guān)系。

低溫碳化時(shí)，碳化液積累到很高的過(guò)飽和度后，暴發(fā)產(chǎn)生大量一次晶核。反之，高溫碳化臨界點(diǎn)溫度高，析出一次晶核的過(guò)飽和度低，析出的晶核數(shù)量就少。據(jù)研究，如果溫度是30 ℃，臨界點(diǎn)的過(guò)飽和度可達(dá)到17 tt，而當(dāng)溫度為60 ℃時(shí)，過(guò)飽和度只有9 tt。

結(jié)晶成長(zhǎng)速度與溶液的過(guò)飽和度及溫度有關(guān)。И.Н.щОкин 在“純堿生產(chǎn)中氨鹽水碳化過(guò)程的研究”一文中指出，碳酸氫鈉的結(jié)晶速度，基本上與過(guò)飽和度的一次方成正比。大連制堿研究所“關(guān)于新型碳化試驗(yàn)報(bào)告”中則認(rèn)為結(jié)晶成長(zhǎng)速度與過(guò)飽和度的1.47次方成正比。守山逸郎等在“純堿工業(yè)—碳化、結(jié)晶、分離、干燥的設(shè)計(jì)”一文中列出了碳酸氫鈉結(jié)晶成長(zhǎng)速度系數(shù)與溫度關(guān)系圖。

作者將此圖轉(zhuǎn)化為以下方程式:

式中，T——結(jié)晶溫度，K；

k——結(jié)晶成長(zhǎng)速度系數(shù)。

t=60 ℃，k=0.01531；t=50 ℃,k=0.00698；t=40 ℃,k=0.003028。60 ℃時(shí)結(jié)晶的成長(zhǎng)速度為40 ℃時(shí)的5倍。通過(guò)以上這些文獻(xiàn)可以看出，過(guò)飽和度大，結(jié)晶成長(zhǎng)速度高，溫度越高結(jié)晶成長(zhǎng)速度也越高。

索爾維塔的操作控制是符合上述原理的。在塔上部液體不斷吸收二氧化碳，溫度逐漸上升，并開(kāi)始形成過(guò)飽和度。到了中上部臨界點(diǎn)附近，過(guò)飽和度出現(xiàn)全塔最高峰值﹙在聯(lián)堿碳化塔中CO238～40 tt,過(guò)飽和度5～8 tt﹚，然后開(kāi)始析出一次晶核，在索爾維塔操作中要求盡量控制較高的中部溫度，一般控制在60 ℃以上。由于臨界點(diǎn)溫度較高，析出的一次晶核數(shù)量少。此后晶核在進(jìn)入冷卻前一直在高溫區(qū)以較快速度成長(zhǎng)。

在索爾維塔中，塔的中部和中上部，對(duì)結(jié)晶的成長(zhǎng)起了很主要的作用。例如取出重堿的平均粒度為110 μm，在塔的中部大部分結(jié)晶已達(dá)到70～80 μm。多年來(lái)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)給人們形成一個(gè)概念，這就是要得到質(zhì)量好的結(jié)晶，碳化塔內(nèi)必須有一個(gè)高的中部溫度區(qū)。

碳化塔開(kāi)始冷卻時(shí)很容易產(chǎn)生二次晶核，是影響結(jié)晶質(zhì)量的重要原因。開(kāi)始冷卻的溶液過(guò)飽和度要低，過(guò)飽和度高的溶液冷卻時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量二次晶核。通常塔中部溫度高，反應(yīng)速度快，容易形成高的過(guò)飽和度，可通過(guò)加大塔板距，放大中部塔徑，增加塔液在中部停留時(shí)間來(lái)降低進(jìn)入冷卻前塔液的過(guò)飽和度。此外開(kāi)始冷卻時(shí)塔液與冷卻水的溫差要小，否則出現(xiàn)急冷，也會(huì)產(chǎn)生二次晶核，而且此處冷卻管結(jié)疤很快，因此要控制冷卻水的出水溫度，最好出水溫與塔液溫差在5～6 ℃，不得超過(guò)10 ℃，這可通過(guò)提高進(jìn)水溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.4 高效塔板的研究

碳酸化反應(yīng)為緩慢的化學(xué)吸收過(guò)程，因此它要求有足夠的液相容積。此外，從結(jié)晶過(guò)程考慮，也應(yīng)該有足夠的固液相停留時(shí)間，以滿足過(guò)飽和度消除和結(jié)晶成長(zhǎng)的需要。因此碳化塔的設(shè)計(jì)必須有足夠的液相容積。

現(xiàn)有碳化塔塔內(nèi)均充滿液體，是以液相為連續(xù)相的菌帽塔，是符合這一原則的。但是對(duì)于以液相為連續(xù)相的鼓泡塔板，由于氣液相在同一通道中混合上下流動(dòng)，因此不可避免地產(chǎn)生嚴(yán)重的塔液軸向反混，從而降低了塔板的效率，降低了塔的生產(chǎn)能力，造成尾氣CO2含量高，CO2利用率低等缺點(diǎn)。

我曾對(duì)不同開(kāi)孔率的笠帽塔板進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)開(kāi)孔率大，相鄰二塔板的液體濃度差小，開(kāi)孔率低，相鄰二塔板的液體濃度差大。這說(shuō)明開(kāi)孔率大，塔液軸向反混也大。但開(kāi)孔率過(guò)低時(shí)會(huì)發(fā)生氣頂，即塔液不能向下流動(dòng)，所以笠帽塔板的軸向返混是不可避免的。

在化學(xué)工程中有很多種高效率的塔板，但都是以氣相為連續(xù)相，而且多為較純凈的氣液二相，而制堿生產(chǎn)中的碳化塔不但以液相為連續(xù)相，而且塔內(nèi)為懸浮有大量固體結(jié)晶的過(guò)飽和溶液，塔板上極易堆積結(jié)晶和產(chǎn)生結(jié)疤。所以一般化學(xué)工程的高效塔板都不適用。

外冷塔下部由于外部冷卻，塔液在整個(gè)塔下部循環(huán)，塔下部液體的成分接近取出液的成分，整個(gè)塔下相當(dāng)于一塊塔板。這樣要求塔的中、上部應(yīng)該設(shè)計(jì)吸收效率高的塔板進(jìn)行彌補(bǔ)。

外冷塔設(shè)計(jì)中保持了液相為連續(xù)相的原則，同時(shí)研究開(kāi)發(fā)一種在液相為連續(xù)相的條件下，能最大限度減少液體軸向返混的高效塔板，而且還得具有在過(guò)飽和的晶漿溶液中能長(zhǎng)期作業(yè)的性能。

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中我通過(guò)查閱文獻(xiàn)和進(jìn)行模擬試驗(yàn)，研究出一種在以液相為連續(xù)相的條件下，帶降液管的低開(kāi)孔率篩板，通過(guò)模型觀察，當(dāng)空塔氣速較低時(shí)，并非所有篩孔都有氣體通過(guò)，隨著氣量增加，出氣篩孔數(shù)增多，至達(dá)到某一氣量時(shí)，全部孔才都出氣，而且氣體經(jīng)過(guò)小孔進(jìn)入液層時(shí)，也不呈冒泡形式，而是呈噴射氣流進(jìn)入液層中，射流高達(dá)10～25 cm,然后才分散成氣泡，進(jìn)一步增加氣量時(shí)，篩板下就會(huì)出現(xiàn)一層氣墊，氣體都從篩孔自下往上流動(dòng)，塔液則從降液管自上往下流動(dòng)。氣液分道通過(guò)，避免了塔液軸向返混。從而大大提高了塔板的效率。在試驗(yàn)中觀察到，氨母液Ⅱ通過(guò)3～4塊這種塔板，塔液中CO2濃度即可達(dá)到析出NaHCO3結(jié)晶的程度。只要設(shè)計(jì)得當(dāng)，這種塔板可長(zhǎng)期作業(yè)。

當(dāng)氣體以噴射氣流形式通過(guò)篩孔進(jìn)入液層時(shí)，消耗的能量主要是氣流通過(guò)孔板的摩擦損耗，至于通過(guò)小孔后進(jìn)入液層的能量消耗，包括氣流和液體的摩擦，氣流分散為氣泡的能量，則由越過(guò)篩孔后氣流的動(dòng)能和氣泡在液層中藉浮力產(chǎn)生的動(dòng)能變化而來(lái)可不必進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)能量平衡，最后導(dǎo)出臨介氣速計(jì)算式。全部篩孔都出氣時(shí)的篩孔氣速稱為臨介氣速U0。

C0——流量系數(shù)，從有關(guān)圖表中查得；

бL——液體表面張力，dyn/cm；

ρL,ρg——分別為液、氣體的密度，g/cm3；

d0——篩孔直徑，cm；

U0——臨介氣速，cm/s。

考慮到操作過(guò)程中氣速可能有波動(dòng)，實(shí)際氣速應(yīng)大于臨介氣速，這樣在操作中可穩(wěn)定地在塔板下保持一個(gè)氣墊層。

關(guān)于降液管的流速：

通過(guò)模型試驗(yàn)觀察，當(dāng)降液管內(nèi)表觀流速大于0.35 m/s時(shí)，已超過(guò)了氣泡的上升速度，因此大量氣泡被夾帶流入下一級(jí)，當(dāng)降液管內(nèi)液體的流速處于0.15～0.35 m/s之間時(shí)，正好處在氣泡上升速度范圍內(nèi)，致使氣泡在降液管內(nèi)浮動(dòng)，并逐漸因互相碰撞而合并，形成炮彈形的氣塞，阻礙液體下流，造成一種不穩(wěn)定的狀態(tài)。如果降液管內(nèi)表觀液體流速低于0.15 m/s，進(jìn)入降液管內(nèi)的氣泡即能逸出。為使降液管基本不含氣泡，因此推薦降液管液體流速低于0.15 m/s。

有了上述試驗(yàn)和計(jì)算，就能準(zhǔn)確設(shè)計(jì)出各種不同工況下的碳化塔篩板結(jié)構(gòu)尺寸。

3.5 自然循環(huán)外部冷卻的研究

外冷碳化塔開(kāi)發(fā)中參照日本旭硝子公司NA塔，塔與外冷器之間用泵循環(huán)，開(kāi)始我們也是采用泵循環(huán)，但是很快發(fā)現(xiàn)由于泵葉輪粉碎晶體，產(chǎn)生很多通常稱為“浮堿“的細(xì)小晶體，很難過(guò)濾。很多關(guān)于結(jié)晶方面的文獻(xiàn)指出：泵或攪拌器是工業(yè)結(jié)晶中發(fā)生二次晶核的主要形式。

Gordon R.Youngquist & Alen Drandolph 在硫酸銨—水體系中二次晶核一文中提出;成核速率與攪拌器每分鐘轉(zhuǎn)速成7.84次方關(guān)系。Randolph & Cise 在研究K2SO4的二次成核時(shí)發(fā)現(xiàn)成核速率基本上與攪拌器每分鐘轉(zhuǎn)速成6次方關(guān)系。我們的試驗(yàn)也定性地證明了這一點(diǎn)。表1是外冷塔中試時(shí)循環(huán)泵轉(zhuǎn)速與結(jié)晶粒度關(guān)系數(shù)據(jù)。

表1 循環(huán)泵轉(zhuǎn)速與結(jié)晶粒度關(guān)系數(shù)據(jù)

此后，作者提出利用塔內(nèi)含氣液體與外冷器內(nèi)基本不含氣液體之間存在的重度差進(jìn)行自然循環(huán)冷卻的設(shè)想。一般來(lái)說(shuō)自然循環(huán)因流速低，傳熱系數(shù)低，是不可取的。為此對(duì)自然循環(huán)是否可行，進(jìn)行了一些模擬試驗(yàn)和計(jì)算論證工作。

自然循環(huán)靠重度差作為推動(dòng)力，而重度差是由于塔內(nèi)流體含氣量造成的，因此要計(jì)算自然循環(huán)的傳熱惰況，首先要測(cè)定塔內(nèi)液體的含氣率。

模擬試驗(yàn)表明，對(duì)于一定結(jié)構(gòu)的塔，含氣率與空塔氣速成正比，即：

ε=AU+B

ε—含氣率,%；

A,B—系數(shù)(與塔結(jié)構(gòu)形式有關(guān))；

U—空塔氣速，m/s。

通過(guò)模擬試驗(yàn)得到A，B兩個(gè)系數(shù)，然后可計(jì)算出各種空塔氣速下的含氣率。有了含氣率就可以計(jì)算出重度差，系統(tǒng)推動(dòng)力，然后可以推算出循環(huán)量及傳熱系數(shù)。通過(guò)分析、計(jì)算，認(rèn)為采用自然循環(huán)，仍有可能獲得比索爾維塔高的傳熱系數(shù)。

例如中鹽昆山項(xiàng)目外冷塔下部空塔氣速為0.055 m/s,計(jì)算得到含氣率約為ε=8%, 外冷器進(jìn)出口高差為10 m,由塔內(nèi)外介質(zhì)密度差產(chǎn)生的壓差為0.8 m, 此即外冷器液體循環(huán)的推動(dòng)力。

此后即可設(shè)定外冷器液體循環(huán)量并計(jì)算循環(huán)系統(tǒng)的阻力，用試差法進(jìn)行多次計(jì)算，當(dāng)系統(tǒng)阻力與塔內(nèi)外介質(zhì)密度差產(chǎn)生的壓差相符時(shí)，再用該循環(huán)量計(jì)算外冷器的傳熱系數(shù)K。通過(guò)試差法計(jì)算，本項(xiàng)目每臺(tái)外冷器的循環(huán)量約為會(huì)2 700 m3/h,K=700 kcal/(h·m2·℃),當(dāng)管壁平均疤厚0.7 mm時(shí)，K=500 kcal/(h·m2·℃)。

四川和邦化工的外冷塔與昆山外冷塔規(guī)格相同，該塔能力已達(dá)360 t/d，以此能力反算K值，與上述K值基本相符。索爾維塔作業(yè)初期K值在200～400，作業(yè)后期因冷卻管結(jié)疤，K值降至100左右。自然循環(huán)的K值比索爾維塔高，這是由于外冷塔有大量液體有序循環(huán)，同時(shí)將吸收與冷卻分開(kāi)，冷卻表面過(guò)飽和度低而且均勻，冷卻表面結(jié)疤輕，如外冷器作業(yè)48 h，結(jié)疤最厚的冷卻管液體出口端，疤厚只有1～1.5 mm, 疤的熱阻起控制作用，因此總傳熱系數(shù)還是提高了。

此外，外冷塔都是垂直的冷卻面，冷卻面上不會(huì)堆積重堿，而索爾維塔內(nèi)部分冷卻面上會(huì)堆積重堿。再則索爾維塔塔體是圓柱形的，而冷卻箱是立方形的，冷卻箱有一部分為氣液流動(dòng)死角區(qū)，也影響傳熱。

NA塔用泵循環(huán)，加入助劑，結(jié)晶平均粒徑為100 μm。自然循環(huán)外冷塔，不加助劑，結(jié)晶平均粒徑可達(dá)110～150 μm，因此我們選擇自然循環(huán)方案。