泡罩式蒸氨塔精餾段的改造

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(中鹽吉鹽化集團內蒙古吉蘭泰堿業(yè)有限公司，內蒙古 阿拉善盟 750333)

1 蒸氨塔運行原理介紹

蒸氨塔是純堿(Na2CO3)生產過程中回收氨的關鍵設備。泡罩式蒸氨塔為三段汽提塔。塔內最上一段是對下層兩段蒸出的氣起到冷卻作用，故稱為冷凝段(又稱為精餾段)。在塔中部，也就是蒸氨塔的第二段，被蒸餾母液與最下層蒸餾段上來的氣相逆流接觸，使被蒸餾母液迅速加熱升溫。在此過程中，被蒸餾母液中所含的酸性氣體CO2和游離氨(以氫氧化銨形式存在的含氨分子)也應當被全部蒸發(fā)干凈。因此，雖然蒸氨塔中部這一段稱為預熱段，但它實際上含有重要的傳質過程。最下面一段是加灰蒸餾段，被預熱后的蒸餾母液所含的固定銨(兩種含銨化合物：氯化銨和硫酸銨)與氧化鈣反應生成氯化鈣和硫酸鈣，并釋放出氨氣，與由蒸氨塔底部引入的水蒸汽直接接觸，一邊被加熱，一邊使得游離氨不斷地蒸發(fā)出母液，最終使得由蒸氨塔底部流出的母液含氨趨近0 tt。

表1 蒸氨塔母液及廢液成分

注：*單位為mg/L。

表2 蒸餾段結垢組分(數(shù)據(jù)來自《純堿工學》)

目前廣泛使用的泡罩式蒸氨塔的結構是冷凝段(精餾段)含有3塊泡罩塔板，加灰蒸餾段含有 12塊泡罩塔板。這些泡罩塔板有兩大重要特征。一是泡罩均為單個直徑為1 450 mm的泡罩，二是塔板上沒有供液體自上而下流動的降液管，液體由建在塔外的矩形導流管由上一層塔板流至下一層塔板(見圖1)。

圖1 蒸氨塔溢流槽

蒸氨塔中部的預熱段為高度為8 000 mm的填料床，內有直徑為100 mm的鮑爾環(huán)，填料段下部還有一塊泡罩。

2 蒸氨塔的現(xiàn)行運行操作

3 蒸氨塔精餾段的操作溫度與壓力的關系

蒸氨塔在操作過程中溫度與壓力密切相關，這就說明真空操作與壓力操作對溫度指標會產生很大的差異。低壓操作溫度(中部溫度)要低很多，溫度高低對蒸氨過程是有著很大的影響，關系到氣、液相氨的分壓，預熱母液CO2驅凈率，加灰蒸餾段、預灰桶結疤速度和能源的消耗。

在壓力蒸餾情況下操作，溫度的升高，對預熱母液中CO2驅出有利。溶液中CO2殘留是不希望的，它在加灰時會生成碳酸鈣，造成浪費。因此，由真空蒸餾到壓力蒸餾，預熱母液溫度可由90 ℃到103 ℃之間變化，CO2含量亦相應地由2 tt降低到0.2～0.3 tt。

在一定的操作壓力下，蒸餾出氣溫度是通過塔底部加入的新鮮蒸汽來調節(jié)控制的。

預熱母液溫度接近100 ℃左右，此時，該溶液中的碳酸鹽類因溫度升高而分解，促使CO2基本驅盡。

4 我廠蒸氨塔運行中存在的問題

泡罩式蒸氨塔精餾段有三個泡罩，從預熱段和加灰蒸餾段上來的大量蒸汽、氨氣和CO2通過精餾段，冷卻后進入吸收塔。實際操作中，泡罩式蒸氨塔正常控制中部溫度為95～98 ℃，如果低于這個溫度范圍，不能有效蒸發(fā)驅出母液中CO2。通過多次實驗和研究發(fā)現(xiàn)，雖然母液中CO2蒸發(fā)(理論)溫度在90 ℃左右，但泡罩式蒸氨塔精餾段CO2分壓過高而在這個溫度狀態(tài)下不能充分蒸發(fā)母液中CO2。CO2分壓高主要原因是，每一圈塔盤液面高，汽阻力大，壓降大。如果要有效蒸發(fā)驅出母液中CO2，必須克服泡罩阻力，即提高蒸汽溫度和壓力。

精餾段的溫度和壓力的控制，對回收氨和促使CO2驅出至關重要。精餾段壓差大，引起蒸氨塔中部和頂部壓差大，預熱段CO2氣相分壓增加，不利于預熱母液中CO2驅出，耗費大量蒸汽。如果，精餾段壓差小，蒸氨塔中部和頂部壓差降低，預熱段CO2氣相分壓下降，有利于預熱母液中CO2驅出，減少能耗，節(jié)約蒸汽。

泡罩式蒸氨塔有兩個重要特征明顯能增加硫酸鈣在塔內沉淀析出的速率和碳酸鈣結疤和生成。一是現(xiàn)有的精餾段泡罩塔板壓降大，在只有3塊塔板壓降已達15 kPa。如果采用其他常用的塔板，壓降可能不到現(xiàn)有泡罩塔板的三分之一。塔壓降增大，必然導致塔底溫度升高，而在100 ℃左右，硫酸鈣在水中的溶解度隨溫度升高而下降，這就增加了硫酸鈣在塔內沉淀析出的速率。二是CO2氣相分壓高，不能在低溫下有效蒸發(fā)CO2。如果二氧化碳不能在預熱段蒸發(fā)干凈，就將隨蒸餾母液進入預灰桶與氧化鈣產生反應，生成碳酸鈣。眾所周知，碳酸鈣在水中的溶解度大大低于硫酸鈣。含有碳酸鈣的母液由預灰桶進入蒸氨塔下部的蒸餾段后就極易沉淀析出，附著在塔板上。

5 改造方案介紹

本次泡罩式蒸氨塔精餾段改造的目的就是要在干凈徹底回收氨的前提條件下，促使CO2基本驅盡，降低蒸汽消耗，減少硫酸鈣結疤在塔內的形成，從而明顯增加蒸氨塔的連續(xù)操作周期，降低生產成本。因此從以下兩點進行改造：

將蒸氨塔冷凝段的泡罩塔板改為固定閥塔板。所謂的固定閥塔板(見圖2)就是在塔板上直接沖壓出供氣體流動的閥體。這種固定閥塔板的壓降大大低于蒸氨塔內現(xiàn)有的泡罩塔板。更為重要的是，由于由固定閥流出的氣相有一定程度的緊靠塔板表面的橫向流動，形成強烈的在塔板表面的水平?jīng)_刷作用，使得液相中的固體沉積物不易停留在塔板上，堵塞塔板。這一點已經(jīng)在石油化工許多易堵塞塔器中得到了證明。

圖2 固定閥塔盤

第二，要極力注意改善冷液在新塔板上的液體流動分布，消除任何液體流動的死角。

圖3 液體流向顯示圖Ⅰ

圖4 液體流向顯示圖Ⅱ

圖5 固定閥塔盤盒式降液管

圖6 固定閥塔盤盒式降液管

為此，應在蒸氨塔的新塔板上采取兩項措施。其一是放棄使用蒸氨塔外的液體導流管，而是在新的固定閥塔板上設置盒式降液管(見圖5)。與一般的降液管不同，這種盒式降液管利用其底部面積的大小來控制液體在降液管內的停留時間和流出速度，降液管內沒有任何液體流動的死區(qū)。其二是將新固定閥塔板降液管兩側的圓弧塔盤部分封死，使得流出降液管的液體只在和降液管弦線長度相等寬度的矩形區(qū)域內流動，形成近乎完美的活塞流(見圖6)。

6 改造后的效果

蒸氨塔中部壓力從原來的25～30 kPa降至15～18 kPa，改造后的蒸氨塔運行周期比未改造過的蒸氨塔運行周期延長10～13天，并且運行時各項工藝參數(shù)更穩(wěn)定，操作更穩(wěn)定。淡液塔壓力從原來的16～20 kPa降至10 kPa左右，閃發(fā)器總管壓力從原來的16～18 kPa降至10 kPa左右，廢液溫度從105～106 ℃降到102 ℃左右,蒸氨塔底部壓力：原來新開的蒸氨塔底部壓力45～50 kPa，蒸量110 m3/h?，F(xiàn)在新開的蒸氨塔底部壓力35～40 kPa，蒸量110 m3/h。

將蒸氨塔中部溫度從95～98 ℃逐步降至90 ℃ 左右。通過多次試驗，確定中部溫度控制在89～91 ℃時最適合。而且，預熱母液CO2控制也在規(guī)定范圍之內(4 tt以下)，廢液溫度從106 ℃降到102 ℃。CaSO4疤厚度降到1.5～2 cm。

通過一年的努力，將蒸氨塔蒸汽消耗降到1 450 kg/t堿以下，每噸堿節(jié)約蒸汽200 kg左右，使我廠噸堿成本降了19.6元左右(一噸蒸汽98元計算)。全年純堿產量按32.5萬t計算，全年節(jié)約純堿成本637萬元左右。并緩解了蒸氨塔結疤速度(蒸氨塔運行到8～12天，CaSO4疤厚度有4～5 cm；現(xiàn)在蒸氨塔運行到20～25天，CaSO4疤厚度有1～2 cm)，清理勞務費用大大縮減。下一步，繼續(xù)進行高低真空改造，進一步改善蒸氨塔運行狀況，在成本節(jié)約方面做出更大的貢獻。