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1、碱厂碳化塔结构设计综述第.第3捌综述与专论解匀;.f),l碱厂碳化塔结构设计综述化炯心调研组徽t致匀,I【摘要指出丁碳化塔结构设计的改进对制碱工业技术经济效益的五点重大影响.强调今后碳化塔构改进应考虑的四项主攻方向.并介绍了国内外纯碱厂现行的各种大型笠帽型及筛板型碳化塔的技术经济性能,同时还对开发研究中的环流塔及外冷式碳化塔作了评论.1纯碱生产工艺中最关键的工序现今纯碱商品的工艺制造方法,以传统的氨碱法或联合制碱法工艺生产的纯碱占该纯碱商品72%以上,确切地说,19901991年度全世界约3500吨纯碱商品中,其中就有2500碱是从氨碱法或联合制碱法工艺制造过程中生产出来的.而贯穿整个氨碱法或
2、联合制碱法工艺,影响纯碱商品生产成本和商品质量的最关键的工序莫过于碳化过程整个生产工序.该工序的碳化塔是碳化工序主体设备,其结构特征直接影响着纯碱生产的经济效益,各国制碱工作者都注重于碳化塔结构的设计和改进,从而获得最好的经济效益.碳化塔结构究竟涉及哪些纯碱生产过程中的技术经济指标呢,影响什么样经济效益呢?碳化塔结构优良与否反映出食盐变化率,良好的氨碱法纯碱生产过程中碳化变化率应在76%以上;碳化完成液中形成的再制品重碱结晶NaHCO.,其颗粒是粗大的,从而可保证固液分离所得的再制品重碱烧成率应在53%以上;保证碳化塔长期正常运转,腐蚀与泄漏率降低到最小限度是制碱工作者努力追求的技术改进目标之
3、一,这就要求制碱工作者力争改良冷却箱和冷却列管材质;减少碳化塔轮换清洗所造成的作业波动,减少轮换清洗作业劳动强度也是改进碳化塔结构的特征之一,最大限度地抑制塔顶尾气中NH.和CO.逸散损失量无疑也是反映改进碳化塔结构的一个非常明确的技术经济指标.,以上五项技术经济指标或控制条件是碳化塔结构先进与否的评判标准,基于以上五项技术经济指标和控制条件,立即反映纯碱商品成本结构变化:食盐消耗定额,氨耗,石灰石消耗,煅烧燃料消耗,综合能耗等,仅此五项原材料及能耗成本占纯碱商品成本70%,如加上控制条件腐蚀与泄漏造成设备折旧费或大,中,小修费用增加,那么凡因涉及碳化塔结构变化而牵涉到商品成本影响的成本组成部
4、分将扩大至8O%.简言之,碳化塔结构的变化将反映在商品纯碱企业成本变化量级达至80%,碳化塔结构的任何一点改进都将明显地提高企业经济效益,增加企业利润.所以现今制碱工作者,都将碳化塔视为制碱过程中最关键性设备.本文将以我公司现有情报信息为综述基础,综述了国内外碳化塔结构进展,为制碱玉作者提供改进碳化塔结构的依据.技科7H凌匕化,2大化科技2碳化过程机理和作业过程2.1碳化过程机理在纯碱制造过程中,将食盐(NaCI)转化成纯碱的中间产品重碱(NaHC0.)是在碳化工序的碳化塔设备中完成的.然而重碱在碳化塔中的形成却是极其复杂的化学与物理综合科学,确切地说NaCI碳化过程中是在氨盐水介质中完成的,
5、NaCI通过NH.HCO.媒介才能转化为重碱中间盐产品,为最终商品纯碱奠定决定性化学反应工序.NaC1在氨盐水介质中完成重碱的结晶体现化学热力学过程和结晶NaHCO.物理化学结晶动力学过程,前者是纯化学反应过程,后者是物理化学,相变化,结晶动力学过程.因此,碳化过程生成中间盐产品NaHCO.是极其复杂的工序,本文将简要分析此等理论问题,为碳化塔设备结构改良捉供工艺条件的依据.2.1.1NaCI转变成NaHC0.的化学热力学过程完成NaCI转变成NaHC0.中间盐,必须经过以下四个化学热力学过程:(1)CO2(气)+H2O(液)一H2CO3(液)+20200kJ/kgmol(2)2NH4OH(液
6、)+H2CO3(液)一一(NH4)2CO3(液)+2H2O(液)+74200kJ/kgmol(3)(NH4)2CO3(液)+H2CO3(液)一2NH.HCO3(液)+57600kJ/kgmol(4)NaCIU)+NHHC03(液)一NaHCO3(液)+NH.Cl(ff)+5540kJ/kgmol以上四个化学反应可以用一个总代表公式表示:(5)NaCI()+CO2(气)+NH4OH(液)NH.Cl(液)+NaHCO3(液)+91100kJ/kgmolNaHCO3(液)制碱工作者都知道,要完成最佳的NaCI转化率,必须将系统中CO及NHs最大限度地吸收转化并将上述化学反应热尽快地移出,以便利上述化
7、学反应顺利进行.上述的各化学反应公式都显示化学热力学概念,并受化学热力学节制.如何保证CO,NH.最大限度地吸收,如何移出那些巨量化学反应热,这都是碳化塔新型结构所正视的技术条件.上述(1),(2),(3),(4)四个化学反应最终形成液相NaHCO.,同时释放出大量热能,整个生产过程到此远远没有结束,因为中间盐产品固相NaHCO.还没有析出来,只说明通过(1),(2),(3),(4)四个化学反系统中已经积累相当量的液相NaHCO.,而纯碱生产中碳化工序的最终目的,要使食盐NaCI最大限度地向(5)化学总成公式右端进行,从而获取最大限度的中间盐产量,这时NaC便得到充分利用,这才姓碳化工序的生产
8、目的.欲使化学总成公式(5)顺利向右进行,必须遵循物理化学的相变化规律,在此有结晶动力学和相律控制着碳化工序重碱结晶进程.此相互承上启下的化学和物理综合科学严格地指导着碳化工序食盐(NaC1)转变成固体结晶物重碱(NaHCO.),缺少其中任何一个过程都不能完成纯碱生产任务.2.1.2NaHCO.结晶动力学过程及相律指导因素NaHCO.液相状态转变成NaHCO.固相状态是有相变化热释放出来的,尽管此相变化热远比上述化学反应的热量小,但它是不可忽视的相变化.NaHCO3(液)一一NaHCO3(固)+16400kJ/kgNaHCO3tool同样如何移出这部分相变化热,这是让食盐(NaCI)转变成更多
9、的重碱(NaHCO.)结晶极其重要的技术条件,它除涉及热量移出总容量之外还涉及移出热的速率问题,任何释放出或移出热量不平衡都将会导致食盐(NaCI)变化率损失且结晶NaHCO.细小不能进行生产上固液分离的实际问题.所以必须强调NaHCO.结晶动力学,即反应过程释放或移出热量的速率问题及其相律问题.纯憾生产践提示,人量吸收COz且迅速移出化学反应热并非难事,这并不会给碳化塔塔型结构设计造成巨大的嘛烦事,而在NaCO.结舳上程;i,欲按理沦相律控制结晶,得到较大且粗硬的NaHCOs结晶体却非容易,这是制碱:作者最为关心的技术工作,也是碳化塔塔型设计最为复杂的工作,迄至目前,没有任何-+捌碱工作者研
10、究或设计碳化塔按照结晶动力学控制技术参数提出某个品量级NaHCO.J</i(颗粒微米NaHCO.,一般在90140I11)及结晶析出速度,并按此结晶析出速渡给出碳化塔结晶NaHCO.长人时间与纯碱产率,一般只能从热量移出速率平衡碳化塔冷却箱冷却面积并给出一个经验碳化完成液在碳化塔中留滞时间(-N3小时).虽然碳化完成液在碳化塔中留滞时间愈多,可能会得到粗大的NaHCO.结晶,且NaC1转化率会高一点,但却牺牲了碳化塔制碱生产能力,纯碱产量出不来,两者有个折中的选择,这里没有严格的科学研究论文足以指导生产,都是经验公式或定性数据.就相律而论,只是说在”互换的二对盐”复分解过程析出其中一种盐
11、,本文指NaHCO.结晶时,加上水只能认定为四组分系统棉变化物质,该系统中相变态数是一个气相,一个液相,而我们假设生产过程中允许出现二个固相组分即NaHCO.加NH.HC0.少量互存,那么相律为:生产控制条件F=C一书+2=4._4+2自由度即生产控制条件,我们说只能是温燮和操作总压力(或称为CO分压),任何塔型结构都涉及”互换的二对盐”复分解平衡状态所应具备的生产控制条件t保证恒定温度;CO分压恒定,否则该相变系统会失掉平衡,更谈不到结晶好坏.相律只谈平衡控制条件,而如何获得一定数量晶核,并在此品核上长大形成工业NaI-fCO.结晶体这才是结晶动力学所肩负的任务,然而目前没有任何论计算可在实
12、践中具体应用指导生产.显然,考核优良的重碱结晶所面临结晶动力学任务,即如何控制成核速率,理论设J=粒数/米.?秒.:那么定性公式有:J,ToJ=一=KAC式中:I<一重碱(NaHC0.),成核速率常数C最大允i=,=浓度差或允许过饱和度,也可以用过冷却度表示t碳化塔结晶和冷却箱设计应为恒定的过饱和度和恒定的过冷却度提供条件,从而保证成核速率J恒定不变,方能得到粗大的重碱结晶体.如果过冷却速度很大,会带来甚多的细小晶核,它必然不能长大到生长所需的粒度,而导致中间产品重碱质量低劣.结晶动力学和相律所研究的冷却速度,平衡温度,COz分压事实上都由碳化塔结构所尽可能考虑到最佳状态,C0分压由塔高
13、度及中下段进气浓度所控制,这些在制碱工作中都十分熟悉的,但没有严格公式指导生产与设计.关系到优良重碱结晶诸自由度,我们说从相平衡理论上只有温度和CO.分压了,但实际过程另一些概念如氨盐水杂质诱导结晶,分子引力,外界搅动强度等,我们一律视为恒定的常量,它们也超越碳化塔塔型设计的理论基础,这里不予论述.总结碳化过程化学反应,它是化学与物理变化综合过程,其平衡公式是:大NH.HCO.(液)+NaCl(液)一NaHCO3(1ift)+NH4Cl(m)严格说是NaCI()+CO2(气)+NH3(液)+H20一NH.Cl(液)+NaHCO3(圆)+106200kJ/kg?mol?NaHCO3(固)每公斤分
14、子NaHCO.结晶物析出总碳化工序化学释放热量是106200千焦耳,但它有1O%热量是进入碳化塔之前被中和塔移走,所以在碳化塔塔型设计考虑冷却器的冷却强度时,只需按106200千焦耳0.9=95500kJ/kg?mol?NaHC0.足够安全了,此热量相当每吨纯碱产品碳化塔冷却箱必须移出的热量,或相当18620O0千焦耳/吨纯碱.任何碳化塔结构设计都必须保证将此1862000千焦耳热均衡地移出方能制得一吨结晶良好的纯碱产品,由于碳化塔包括制碱与清洗两个统一作业程序,虽然大部分反应热由制碱塔负担,但该两个作业程序是在同一类型结构中完成,只是轮流制碱作业和清洗作业.2.2碳化工序制碱和清洗作业过程简介整个制碱的碳化工序,无论是氨碱法或联合制碱法工艺过程,都由图1碳化塔及壬图1碳化塔/中和塔(单一塔)联合作业示意图和水泵组成,只是碳化塔塔型大小及冷却水箱水流方式,碳化塔气液接触笠帽形式或改变成筛板塔板等,亦或许冷却水箱采用外冷却器式碳化塔塔型不同而已.每个塔化塔在制碱过程生成中间体产品NaHCO.时都必须将1062O0kJ/kgmolNaHC0.热量移走,并努力制取结晶体粗大易于固体分离过滤的产品重碱.目前大部分氨碱法依然使用索尔维型笠帽
