1、经 验 交 流筛板塔在真空蒸氨中的应用与优化张远方(广东南方碱业股份有限公司,广东 广州 5 1 0 7 6 0)摘要:介绍了氨碱法真空蒸氨系统的主要工艺流程,并对筛板塔和泡罩塔的蒸氨运行效果进行了对比和讨论。分析探讨了筛板塔存在的问题,并从筛板塔结构、操作、物料状态三个方面提出了相应的优化方案。关键词:氨碱法;真空蒸氨系统;筛板塔;泡罩塔;优化方案中图分类号:T Q 1 1 4.1 5 文献标识码:B 文章编号:1 0 0 5-8 3 7 0(2 0 2 3)0 3-2 5-0 4 广东南方碱业股份有限公司在挖潜改造中,提升产能达到每年6 0万t纯碱。新增一套筛板塔真空蒸氨系统,工艺流程如图
2、1所示。与原有泡罩塔真空蒸氨系统相比,主要区别在于所用蒸氨塔内部结构、形式不同,工艺流程、其它设备与泡罩塔真空蒸氨系统基本一致。图1 蒸氨工艺流程图1 流程简介来自滤过岗位的母液进入氨冷凝器与来自加热器的热气体进行换热后,再进入加热器被蒸氨塔上升的热气体进一步加热,蒸出C O2和部分游离氨后,进入预灰桶上部与石灰车间来的石灰乳进行反应,使母液中的固定铵变成游离氨。调和液从预灰桶下部利用液位差压入蒸氨塔上部,预灰桶底部砂液用砂泵也送到蒸氨塔上部,与塔底进入的低压蒸汽进行热量、质量传递,蒸出NH3。蒸馏废液从塔底出来先后进入第一闪发器和第二闪发器,经闪发回收蒸汽后,用废液泵送至石灰车间净化工序。一
3、闪蒸汽回到蒸馏塔上部,二闪蒸汽去淡液蒸馏塔。由蒸氨塔和预灰桶上部蒸出的NH3和H2O蒸汽,都进入加热器,从加热器出来的NH3、C O2和H2O蒸汽先后进入氨冷凝器和氨冷却器,在氨冷却器中用循环水进行冷却,冷却至所需温度后进入吸氨塔。氨冷凝器中产生的冷凝液送至淡液蒸馏塔,蒸馏回收其中的NH3和C O2。2 筛板塔的优缺点2.1 筛板塔与泡罩塔的运行效果对比新增筛板塔真空蒸氨系统投入使用以来,与旧蒸氨系统的泡罩塔共同运行,对新旧蒸氨系统的运行效果和主要工艺技术指标进行对比,见表1。522 0 2 3年第3期 张远方:筛板塔在真空蒸氨中的应用与优化表1 筛板塔与泡罩塔的主要工艺技术指标比较泡罩蒸氨塔
4、筛板蒸氨塔直径,m3.53.5生产能力,t/(m2h)1.9 32.6 43.0 03.6 9母液蒸量,m3/(m2h)1 1.41 5.61 7.72 1.8蒸汽消耗,t/t1.3 11.3 90.9 91.0 5灰乳消耗,m3/t2.52.62.42.5废液含NH3,t t0.0 30.1 20.0 30.1 2废液C a O,t t1.52.51.83.0塔顶出气温度,7 27 56 76 9塔底温度,9 6.89 9.59 7.91 0 0.1塔顶塔底压力差,k P a371 62 0 注:灰乳C a O浓度1 5 01 6 0 t t,按理论计算灰乳消耗应为2.3 62.5 2 m3
5、/t,未考虑C O32-和S O42-的影响,实际灰乳消耗大于理论值。2.2 筛板塔的优缺点分析由表1可以看出,与泡罩塔相比,筛板塔具有以下优点:生产能力大。以平均生产能力计,筛板塔的生产能力超过泡罩塔约3+3.6 92-1.9 3+2.6 42 /1.9 3+2.6 42 1 0 0%=4 6.4%。在废液含NH3值相同的情况下,蒸汽消耗远远低于泡罩塔,降低的比例约为1.3 1+1.3 92-0.9 9+1.0 52 /1.3 1+1.3 92 =2 4.4%。除此之外,筛板塔还具有造价低、容易清理等优点。筛板塔的缺点在于:容易结疤堵塞,运行周期短,运行过程中波动较大,工艺指标不稳定。自投料
6、以来停车检修多次,初始投料试车时,经常是作业几天就停车清扫、检修,目前最长运行周期仅6 0天,常规运行天数约为2 0天左右,与泡罩塔最长达1 5 0天的运行周期相比差距甚大;灰乳消耗高,比泡罩塔高约0.1 m3/t;塔顶塔底压差大,阻力降高于泡罩塔;操作弹性小,超出负荷范围(1 8 02 1 0 m3/h)操作不稳定,之前母液蒸量仅能维持约1 7 01 8 0 m3/h。3 筛板塔的优化及效果3.1 筛板塔存在问题的分析蒸馏塔的良好操作状态是由蒸馏段的塔底压力多少来决定,也就相应决定了整个蒸馏系统的气、液相的温度指标,而筛板塔塔压的变化与入塔的蒸汽加减极为敏感。其存在的主要问题是容易结疤堵塞、
7、运行周期短、波动大、灰乳消耗高、阻力降大,而这些问题相互之间是有关联的。一方面,因为阻力降大,蒸馏塔下部压力高,导致温度高,容易析出结疤物C a S O41/2 H2O,堵塞气液通道,结疤堵塞使阻力降进一步增大,形成恶性循环,严重时造成雾沫夹带、液泛等现象,使工艺指标波动大,甚至出现“突然死亡”的情况,运行周期短。另一方面,阻力降大,阻碍了塔底部低压蒸汽的通入,使加气量不足,蒸馏塔出气温度低,导致从加热器出来的预热母液温度也低(7 98 1),其中的C O2和游离NH3难以分解蒸出完全(通过筛板塔与泡罩塔的预热母液分析结果可以反映出来,见表2),这些残余的C O2进入预灰桶与石灰乳反应,生成C
8、 a C O3,使灰乳消耗增大,并加重预灰桶的结疤,进而影响蒸氨塔的运行。当蒸馏塔顶部发生气顶现象时,会将部分调和液以液沫形式带入加热器中,因为预热母液中残余的C O2较多,与调和液带上的C a2+离子反应生成结疤,导致集液盘和加热器的堵塞。通过集液盘的疤块分析结果(见表3),也验证了以上结论。表2 筛板塔和泡罩塔的预热母液成分对比蒸氨塔类型C NH3,t tF NH3,t tT C l,t tC O2,t t筛板塔6 13 38 96.6 5泡罩塔6 2.82 28 91.6 2表3 筛板塔和泡罩塔的母液导流盘疤块成分对比成分C a S O42 H2OC a S O4C a C O3C a
9、ON a C lM g2+酸不溶物、铁铝氧化物泡罩塔疤块成分,%2 9.3 61 0.6 84 8.2 80.3 15.30.4 50.7 4筛板塔疤块成分,%06 6.2 22 1.3 101.5 662纯 碱 工 业 由上述分析可知,问题的根本原因在于筛板塔阻力降大,而阻力降与筛板塔的结构、操作、物料状态等有关,因此筛板塔的优化也应从这些方面入手。3.2 优化改造实施3.2.1 筛板塔结构方面在保证高通量、高分离效率、低消耗的前提下,减小阻力降、减轻结疤影响、保证气液通道的流畅,是对筛板塔结构的主要要求。3.2.1.1 液体通道优化改造液体通道方面,在以下几处尚有优化的余地:1)适当提高降
10、液管底隙高度(注意同时提高出口溢流堰高度,以保证降液管液封),以减小液体流出阻力,防止大块结疤掉落,在此出现严重的“搭桥”堵塞现象,造成液泛,而导致蒸馏塔运行周期的“突然死亡”。2)为解决蒸馏塔底部积砂问题,在塔内将蒸汽管下移1 0 7 0 mm,参考参照泡罩塔的圆形蒸汽帽结构,重新制作安装蒸汽帽,目的利用蒸汽的鼓动,塔内夹砂通过废液同步带走,达致避免蒸馏塔底部积砂,减少汽液近距离交汇加快孔板结浮泥堵孔机率。考虑维持现塔底部承载强度,保持蒸汽进口位置不变,在塔内制作斜管与蒸汽帽连接。在解决第2圈降液管积砂堵塞问题,在出口位置开口(长2 5 0 mm高5 0 mm),四面对称共四个孔,目的通过加
11、大出口,将塔上部带来的疤块、泥沙均匀带出降液管,避免慢慢於积,从而堵塞溢流口,其液封挡板维持不变。经过改造后几个作业周期的实践检验,塔内积砂极少,效果非常明显。3.2.1.2 气体通道优化改造气体通道方面,根据各层塔板上的气液流量变化情况,为降低阻力,可考虑适当增大筛孔直径和开孔率,各塔板采用梯级开孔率。首先分析筛板塔内的气液流量变化情况,为方便讨论,作如下理想化设定:根据实际运行统计结果,蒸汽消耗取固定值1.0 2 t/t,灰乳消耗取固定值2.6 m3/t;假设全塔1 5%(质量分数)的蒸汽冷凝。塔板采用自下而上的顺序编号,依次为1至1 5号塔板。绝大部分的氨在1 11 5号塔板,即最上面的
12、5块塔板即已被蒸出,11 0号塔板氨挥发对液体体积的影响可以忽略,而蒸汽冷凝在每一块塔板上基本均匀发生。根据C l平衡,有T C l母L母=T C l废L废,其中T C l母为滤过母液中全氯滴度,取9 0 t t,L母为滤过母液体积流量,T C l废为蒸馏废液中全氯滴度,取6 2 t t,L废为蒸馏废液体积流量,故有L废=1.4 5 L母。而进塔调和液体积流量L调=L母+L灰=V母+2.65.9 V母=1.4 4 V母V废,其中V灰为灰乳体积流量,2.6为灰乳消耗值,5.9为吨碱母液当量值。根据以上计算结果,可近似认为蒸汽冷凝和氨挥发对液体体积的影响相互抵消,即进塔调和液体积流量与出塔蒸馏废液
13、体积流量近似相等。因此,气液流量的变化情况是:11 0号塔板,液体体积流量自上而下增加,气体质量流量自下而上减小;1 11 5号塔板,液体体积流量自上而下减小,气体质量流量自下而上增加;从1 1号塔板下降到1 0号塔板的液体体积流量达到最小值,从1 0号塔板上升到1 1号塔板的气体质量流量也是达到最小值。由于尚处于摸索阶段,对设备本体改造不宜过大,因此筛孔直径没有改变。为解决加热器底部塔板的筛孔极易结疤堵塞问题,将底板均匀开数个大的出液口以作填料支撑格栅用,增加一段填料,减轻气体通行阻力,从而也保证了蒸馏段顶部的真空度,很好保持了蒸馏塔的良好作业工况。3.2.2 操作方面可以做的工作主要有以下
14、几点:1)日常操作中,将预热母液温度稳定控制在8 1 左右;并在一闪蒸汽管中增加补充低压蒸汽,使蒸馏塔出气温度升高,以提高预热母液温度,降低预热母液中残余C O2的含量,减少结疤和灰乳消耗,维持设计要求的工艺指标。但是此举的缺点在于会增加蒸汽消耗,塔底温度和压力升高,加剧蒸馏塔下段塔板与出塔废液管道的结疤速度。当筛板塔预热母液温度达到与泡罩蒸氨塔一致时,需加入0.3 MP a蒸汽量:m=C母母V(t泡-t筛)H=3.2 6 41.0 81 035.9(8 2.5-7 9)2 6 3 4.1=2 7.6 4 k g/t=0.0 2 8 t/t即蒸汽消耗增加0.0 2 8 t/t。灰乳消耗减少 V
15、=(C O2筛+CNH3筛)-(C O2泡+CNH3泡)VTC a O722 0 2 3年第3期 张远方:筛板塔在真空蒸氨中的应用与优化=(6.6 5+6 1)-(1.6 2+6 2.8)5.91 5 5=0.1 2 m3/t 即筛板蒸氨塔灰乳消耗会降到2.6-0.1 2=2.4 8 m3/t,少于泡罩蒸氨塔2.52.6 m3/t的灰乳消耗。2)在日常操作中,避免母液和蒸汽量的大幅波动,调节蒸汽量时,采取循序、微调的方法,以维持工艺指标的稳定,避免疤块脱落而堵塞降液管。3)对于废液含固定铵现象的处理:在预灰桶搅拌框中增加数根短槽钢,加强桶中心搅拌强度,并采用增加一台预灰液泵长期运行等辅助手段,
16、以缩短废液跑氨的时间。转变按泡罩塔真空度操作的习惯,筛板塔加热器可采用稍低的真空度来操作,真空差约为68 k P a。4)解决筛孔漏液与液泛的处理方法:维持筛板塔母液蒸量1 8 02 1 0 m3/h,操作时保持母液和蒸汽量的平稳,蒸量大幅加减以调节泡罩塔的生产负荷。5)筛板塔的真空差大:塔板结构所致,可采取增大筛板的孔径或再将底部的一层筛板改为填料分布。6)增设废淡液填入预灰桶的流程,以避免后续投入的调和液温度过低,缩短废液跑氨的时间。3.2.3 物料状态方面将所有进出塔物料维持在指定的理化状态,如保持一定的温度、压力、密度等。入塔低压蒸汽低于1 4 0,尤其是要尽量减少灰乳中的含砂量,以减少结晶核的形成,减缓塔内结疤速度。经过优化技改后,目前筛板蒸馏塔的生产负荷可维持在1 8 01 9 5 m3/h,作业运行周期可稳定在4 05 0天,废液含氨及过量灰指标均可控制达标。随着科技水平的提高,借下一步公司技术开发的契机,我们还要不断总结筛板蒸馏塔运行经验,摸索其规律,延长作业周期。并开拓思路,最终达到高效、长周期、平稳操作的目的。参考文献1 夏清,陈常贵.化工原理(修订版)(下册).M
