泡罩式蒸氨塔精馏段的改造

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(中盐吉盐化集团内蒙古吉兰泰碱业有限公司，内蒙古 阿拉善盟 750333)

1 蒸氨塔运行原理介绍

蒸氨塔是纯碱(Na2CO3)生产过程中回收氨的关键设备。泡罩式蒸氨塔为三段汽提塔。塔内最上一段是对下层两段蒸出的气起到冷却作用，故称为冷凝段(又称为精馏段)。在塔中部，也就是蒸氨塔的第二段，被蒸馏母液与最下层蒸馏段上来的气相逆流接触，使被蒸馏母液迅速加热升温。在此过程中，被蒸馏母液中所含的酸性气体CO2和游离氨(以氢氧化铵形式存在的含氨分子)也应当被全部蒸发干净。因此，虽然蒸氨塔中部这一段称为预热段，但它实际上含有重要的传质过程。最下面一段是加灰蒸馏段，被预热后的蒸馏母液所含的固定铵(两种含铵化合物：氯化铵和硫酸铵)与氧化钙反应生成氯化钙和硫酸钙，并释放出氨气，与由蒸氨塔底部引入的水蒸汽直接接触，一边被加热，一边使得游离氨不断地蒸发出母液，最终使得由蒸氨塔底部流出的母液含氨趋近0 tt。

表1 蒸氨塔母液及废液成分

注：*单位为mg/L。

表2 蒸馏段结垢组分(数据来自《纯碱工学》)

目前广泛使用的泡罩式蒸氨塔的结构是冷凝段(精馏段)含有3块泡罩塔板，加灰蒸馏段含有 12块泡罩塔板。这些泡罩塔板有两大重要特征。一是泡罩均为单个直径为1 450 mm的泡罩，二是塔板上没有供液体自上而下流动的降液管，液体由建在塔外的矩形导流管由上一层塔板流至下一层塔板(见图1)。

图1 蒸氨塔溢流槽

蒸氨塔中部的预热段为高度为8 000 mm的填料床，内有直径为100 mm的鲍尔环，填料段下部还有一块泡罩。

2 蒸氨塔的现行运行操作

3 蒸氨塔精馏段的操作温度与压力的关系

蒸氨塔在操作过程中温度与压力密切相关，这就说明真空操作与压力操作对温度指标会产生很大的差异。低压操作温度(中部温度)要低很多，温度高低对蒸氨过程是有着很大的影响，关系到气、液相氨的分压，预热母液CO2驱净率，加灰蒸馏段、预灰桶结疤速度和能源的消耗。

在压力蒸馏情况下操作，温度的升高，对预热母液中CO2驱出有利。溶液中CO2残留是不希望的，它在加灰时会生成碳酸钙，造成浪费。因此，由真空蒸馏到压力蒸馏，预热母液温度可由90 ℃到103 ℃之间变化，CO2含量亦相应地由2 tt降低到0.2～0.3 tt。

在一定的操作压力下，蒸馏出气温度是通过塔底部加入的新鲜蒸汽来调节控制的。

预热母液温度接近100 ℃左右，此时，该溶液中的碳酸盐类因温度升高而分解，促使CO2基本驱尽。

4 我厂蒸氨塔运行中存在的问题

泡罩式蒸氨塔精馏段有三个泡罩，从预热段和加灰蒸馏段上来的大量蒸汽、氨气和CO2通过精馏段，冷却后进入吸收塔。实际操作中，泡罩式蒸氨塔正常控制中部温度为95～98 ℃，如果低于这个温度范围，不能有效蒸发驱出母液中CO2。通过多次实验和研究发现，虽然母液中CO2蒸发(理论)温度在90 ℃左右，但泡罩式蒸氨塔精馏段CO2分压过高而在这个温度状态下不能充分蒸发母液中CO2。CO2分压高主要原因是，每一圈塔盘液面高，汽阻力大，压降大。如果要有效蒸发驱出母液中CO2，必须克服泡罩阻力，即提高蒸汽温度和压力。

精馏段的温度和压力的控制，对回收氨和促使CO2驱出至关重要。精馏段压差大，引起蒸氨塔中部和顶部压差大，预热段CO2气相分压增加，不利于预热母液中CO2驱出，耗费大量蒸汽。如果，精馏段压差小，蒸氨塔中部和顶部压差降低，预热段CO2气相分压下降，有利于预热母液中CO2驱出，减少能耗，节约蒸汽。

泡罩式蒸氨塔有两个重要特征明显能增加硫酸钙在塔内沉淀析出的速率和碳酸钙结疤和生成。一是现有的精馏段泡罩塔板压降大，在只有3块塔板压降已达15 kPa。如果采用其他常用的塔板，压降可能不到现有泡罩塔板的三分之一。塔压降增大，必然导致塔底温度升高，而在100 ℃左右，硫酸钙在水中的溶解度随温度升高而下降，这就增加了硫酸钙在塔内沉淀析出的速率。二是CO2气相分压高，不能在低温下有效蒸发CO2。如果二氧化碳不能在预热段蒸发干净，就将随蒸馏母液进入预灰桶与氧化钙产生反应，生成碳酸钙。众所周知，碳酸钙在水中的溶解度大大低于硫酸钙。含有碳酸钙的母液由预灰桶进入蒸氨塔下部的蒸馏段后就极易沉淀析出，附着在塔板上。

5 改造方案介绍

本次泡罩式蒸氨塔精馏段改造的目的就是要在干净彻底回收氨的前提条件下，促使CO2基本驱尽，降低蒸汽消耗，减少硫酸钙结疤在塔内的形成，从而明显增加蒸氨塔的连续操作周期，降低生产成本。因此从以下两点进行改造：

将蒸氨塔冷凝段的泡罩塔板改为固定阀塔板。所谓的固定阀塔板(见图2)就是在塔板上直接冲压出供气体流动的阀体。这种固定阀塔板的压降大大低于蒸氨塔内现有的泡罩塔板。更为重要的是，由于由固定阀流出的气相有一定程度的紧靠塔板表面的横向流动，形成强烈的在塔板表面的水平冲刷作用，使得液相中的固体沉积物不易停留在塔板上，堵塞塔板。这一点已经在石油化工许多易堵塞塔器中得到了证明。

图2 固定阀塔盘

第二，要极力注意改善冷液在新塔板上的液体流动分布，消除任何液体流动的死角。

图3 液体流向显示图Ⅰ

图4 液体流向显示图Ⅱ

图5 固定阀塔盘盒式降液管

图6 固定阀塔盘盒式降液管

为此，应在蒸氨塔的新塔板上采取两项措施。其一是放弃使用蒸氨塔外的液体导流管，而是在新的固定阀塔板上设置盒式降液管(见图5)。与一般的降液管不同，这种盒式降液管利用其底部面积的大小来控制液体在降液管内的停留时间和流出速度，降液管内没有任何液体流动的死区。其二是将新固定阀塔板降液管两侧的圆弧塔盘部分封死，使得流出降液管的液体只在和降液管弦线长度相等宽度的矩形区域内流动，形成近乎完美的活塞流(见图6)。

6 改造后的效果

蒸氨塔中部压力从原来的25～30 kPa降至15～18 kPa，改造后的蒸氨塔运行周期比未改造过的蒸氨塔运行周期延长10～13天，并且运行时各项工艺参数更稳定，操作更稳定。淡液塔压力从原来的16～20 kPa降至10 kPa左右，闪发器总管压力从原来的16～18 kPa降至10 kPa左右，废液温度从105～106 ℃降到102 ℃左右,蒸氨塔底部压力：原来新开的蒸氨塔底部压力45～50 kPa，蒸量110 m3/h。现在新开的蒸氨塔底部压力35～40 kPa，蒸量110 m3/h。

将蒸氨塔中部温度从95～98 ℃逐步降至90 ℃ 左右。通过多次试验，确定中部温度控制在89～91 ℃时最适合。而且，预热母液CO2控制也在规定范围之内(4 tt以下)，废液温度从106 ℃降到102 ℃。CaSO4疤厚度降到1.5～2 cm。

通过一年的努力，将蒸氨塔蒸汽消耗降到1 450 kg/t碱以下，每吨碱节约蒸汽200 kg左右，使我厂吨碱成本降了19.6元左右(一吨蒸汽98元计算)。全年纯碱产量按32.5万t计算，全年节约纯碱成本637万元左右。并缓解了蒸氨塔结疤速度(蒸氨塔运行到8～12天，CaSO4疤厚度有4～5 cm；现在蒸氨塔运行到20～25天，CaSO4疤厚度有1～2 cm)，清理劳务费用大大缩减。下一步，继续进行高低真空改造，进一步改善蒸氨塔运行状况，在成本节约方面做出更大的贡献。