胡敕星

摘要：

碳化過程集化學(xué)反應(yīng)、能量轉(zhuǎn)化、物料溶質(zhì)傳輸與擴(kuò)散、過飽和溶液結(jié)晶等多種物理化學(xué)過程，同時又有固、液、氣三種物質(zhì)狀態(tài)共同存在并反應(yīng)，因此要實(shí)現(xiàn)碳化過程的優(yōu)化控制、改進(jìn)生產(chǎn)工藝流程難度大。筆者從碳化過程的反應(yīng)原理與控制要素方面入手，采用碳酸鈣碳化塔設(shè)備反應(yīng)裝置提出針對性的改進(jìn)措施，以期提高碳酸鈣碳化過程的轉(zhuǎn)化率以及產(chǎn)品的質(zhì)量。

關(guān)鍵字：碳化塔 內(nèi)部優(yōu)化運(yùn)行原理控制要素

引言

碳化生產(chǎn)工藝是整個碳酸鈣碳化生產(chǎn)工序的重中之重，因此碳化塔控制設(shè)備是化工企業(yè)的核心設(shè)備。碳酸鈣碳化工序處于樞紐地位，而碳化塔又是碳化工序的關(guān)鍵設(shè)備。國內(nèi)企業(yè)普遍采用的碳化塔是鑄鐵內(nèi)冷式索爾維塔或鋼制碳化塔，這種結(jié)構(gòu)的碳化塔內(nèi)部表面相對比較粗糙，而且冷卻系統(tǒng)的管道外壁工藝精度較低，易磨損和腐蝕，碳化塔工作二十個小時左右就必須進(jìn)行清潔維護(hù)工作，因此工作效率較低難以實(shí)現(xiàn)自動化、機(jī)械化生產(chǎn)。

1. 碳化過程的控制要素

科學(xué)控制碳化過程的主要目的是為保證整個碳化反應(yīng)過程中的化學(xué)能量與物質(zhì)的動態(tài)平衡，從而使碳化反應(yīng)能夠平穩(wěn)高效的進(jìn)行，最終使獲得反應(yīng)物質(zhì)具有較高的轉(zhuǎn)化率與產(chǎn)品質(zhì)量。碳化過程的主要控制要素包括：碳化制堿塔內(nèi)的物理參數(shù)如塔底氣壓、塔內(nèi)溫度場變化、反應(yīng)液結(jié)晶析出產(chǎn)品的溫度等。國內(nèi)目前在碳化過程中還沒有研發(fā)出先進(jìn)的監(jiān)測與控制裝置來實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程中對于核心元素元素在反應(yīng)物與生成物中所占比例，因此無法對于碳化過程提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率來提高產(chǎn)品產(chǎn)量。另一方面碳化塔塔底的氣壓是影響塔上部堿性氣體的輸入量的關(guān)鍵因素，所以要實(shí)現(xiàn)碳化過程中對塔底氣壓的控制；碳化塔內(nèi)溫度場主要受冷卻系統(tǒng)與內(nèi)部碳化反應(yīng)能量轉(zhuǎn)化的影響，由此可見通過對碳化塔內(nèi)氣壓與溫度場的實(shí)時控制能夠控制反應(yīng)過程，提高反應(yīng)物料的轉(zhuǎn)化率得到高質(zhì)量的產(chǎn)品。

2. 碳化過程化學(xué)反應(yīng)原理

由結(jié)晶的動力學(xué)與熱力學(xué)知識可知，液態(tài)物質(zhì)結(jié)晶主要分為結(jié)晶形核與晶核長大兩個過程。碳酸鈣碳化反應(yīng)中碳酸鈣晶體析出原理與此相同即碳酸鈣在過飽和狀態(tài)通過改變溫度等參數(shù)降低溶解度從而析出細(xì)小晶體，同時析出的大量細(xì)小晶體在有限空間內(nèi)相互接觸、結(jié)合成較大的晶體從而得到大量碳酸鈣晶體。碳化過程影響產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率的主要因素是碳化溶液的過飽和程度、碳化溶液的溫度、晶體形核率與晶核生長速度等，這其中碳化溶液的過飽和程度直接影響析出晶體的數(shù)量與晶體大小。因此可以對通過智能控制碳化溶液的過飽和程度與冷卻速度等使晶體的形成速度與生長速度達(dá)到動態(tài)平衡以獲得較大尺度的晶體，提高產(chǎn)品質(zhì)量與轉(zhuǎn)化率。

3. 碳化塔內(nèi)部改進(jìn)流程方式

3.1碳酸鈣碳化塔的內(nèi)部改進(jìn)

根據(jù)圖1所示碳酸鈣碳化塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成部分可分為：窖氣進(jìn)管、分布器、內(nèi)膽、化工泵四個成部分。在改進(jìn)流程中增加了碳化塔的高度，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)的中的內(nèi)膽構(gòu)造，在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的循環(huán)系統(tǒng)中添加了（循環(huán)泵），其次改進(jìn)了二氧化碳的出口方式；其中在增加碳化塔外層高度上主要是為了提高產(chǎn)業(yè)效率，增加產(chǎn)值效益，利用同等的化工原料來擴(kuò)大生產(chǎn)的實(shí)際需要。碳化塔瘦身結(jié)構(gòu)，增加了內(nèi)膽，主要是為了提高設(shè)備內(nèi)的壓力，使得在單位面積內(nèi)，二氧化碳能夠與氫氧化鈉充分反應(yīng)，生成碳酸鈉和水，排出的氣體中不會危害大氣環(huán)境。循環(huán)泵主要是增加塔內(nèi)液體循環(huán)，使反應(yīng)物質(zhì)充分反應(yīng)，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。其次便是改進(jìn)二氧化碳的出口，使其降低溫室效應(yīng)。

內(nèi)膽

窖氣進(jìn)管

分布器

化工泵（將氣體循環(huán)）

圖1 碳酸鈣碳化塔結(jié)構(gòu)分配圖

3.2角閥的優(yōu)化設(shè)計改造（淺談變換氣制堿裝置中雙外冷碳化塔的運(yùn)行總結(jié)）

角閥是雙外冷工業(yè)制堿碳化塔的特殊裝置，設(shè)置在碳化塔外冷器的冷卻控制系統(tǒng)的上下閥門之間，是整個外冷器冷卻系統(tǒng)輪換工作并進(jìn)行清洗維護(hù)工作的特殊設(shè)計，角閥的進(jìn)氣孔與出氣孔的中軸線成90度角所以又叫直角閥。角閥的主要功能是通過調(diào)節(jié)角閥的角度來控制輸入與輸出空氣的壓力差來推動機(jī)器活塞與杠桿結(jié)構(gòu)運(yùn)動，特殊密封結(jié)構(gòu)的角閥功能與空氣截止閥作用類似，鑄鐵內(nèi)冷式索爾維塔或鋼制碳化塔的角閥設(shè)計不合理，工作運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)堵塞、卡死的現(xiàn)象。這是化工制堿碳化塔工作周期短、工作效率低的主要原因，通過對角閥的結(jié)構(gòu)與工作運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，改變角閥原本的工作路徑，使角閥的控制操作更加靈敏，顯著增加角閥的工作壽命，并且進(jìn)一步滿足現(xiàn)代化工企業(yè)碳化制堿高效率高轉(zhuǎn)化率的生產(chǎn)工藝要求。同時還降低了碳化塔整體的日常維護(hù)與維修成本，保障碳化制堿反應(yīng)的安全平穩(wěn)進(jìn)行，顯著提高化工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)語

現(xiàn)代碳酸鈣生產(chǎn)工藝與使用量等已經(jīng)成為衡量一個國家化工產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)程度的重要指標(biāo)，而碳化過程是碳化生產(chǎn)過程的核心工藝。國內(nèi)目前碳酸鈣碳化工業(yè)采用的碳化塔設(shè)備裝置還相對落后，因此從碳化工藝的反應(yīng)原理與影響碳化過程中的碳酸鈣產(chǎn)量的不同變量因素等方面入手，結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的智能控制系統(tǒng)等對碳化塔中各變量進(jìn)行實(shí)時的檢測與控制。另一方面不斷優(yōu)化改進(jìn)碳化塔的結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)工藝，對于提高碳酸鈣碳化過程中的原料轉(zhuǎn)化率以及產(chǎn)品質(zhì)量等具有非常重要的作用。

4. 參考文獻(xiàn)

[1]周光耀．外冷式碳化塔的開發(fā)及應(yīng)用[J]．純堿工業(yè)．2004，(5 ) ：3～7.

[2]王楚．純堿生產(chǎn)工藝與設(shè)備計算[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995.

[3]行治．聯(lián)合制堿法[M]．沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1989.

[4]王立國.先進(jìn)控制及優(yōu)化在海化純堿生產(chǎn)工藝中的應(yīng)用.2007-03-05.

[5]李希，葛育芳.氨鹽水碳酸化反應(yīng)的機(jī)理與反應(yīng)器模型I.碳酸化反應(yīng)的動力學(xué)模型.化學(xué)反應(yīng)工程與工藝.1999 V0l.15 No4.