CN105731500A - 一种碳酸化塔、碳酸化系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种碳酸化塔、碳酸化系统和方法，包括塔壳、冷却水箱、设置在塔壳上的进气口、出气口、进料口和出料口，设置在塔壳内部的搅拌轴、和搅拌轴连接的电机、固定在搅拌轴上的搅拌叶片，所述塔壳内侧固定有挡板，碳酸化系统包括多个碳酸化塔连接而成；碳酸化塔的出气口与单个或多个碳酸化塔的进气口通过气体连接管连通，或者碳酸化塔的进气口单独进气，碳酸化塔的出气口直接排气，上述两种连接方式自由组合；碳酸化塔的出料口与单个或多个碳酸化塔的进料口通过料液连接管连通，本发明碳酸化塔内的结构简单，不会结垢堵塞，控制简单，制备得到的产品结晶颗粒粗，含氯量低。

Description

一种碳酸化塔、碳酸化系统和方法

技术领域

本发明涉及一种纯碱工业产品的制备装置及方法，具体是涉及到一种碳酸化塔、碳酸化系统和方法。

背景技术

纯碱工业从1865年诞生至目前，已历时150余年，纯碱工业产品包括纯碱、小苏打、碳酸氢铵等。碳酸化工艺是制碱工业（含纯碱、小苏打、碳酸氢铵生产等）最关键的步骤，它要求有较快的吸收速度和较高的碳酸化完成度。

《纯碱工学》第二版，化学工业出版社，P181页介绍了碳酸化塔，重点介绍了索尔维碳酸化塔、筛板式碳酸化塔和复合筛板式碳酸化塔。索尔维碳酸化塔是比利时人索尔维建厂时使用，至今仍被作为标准塔型沿用至今，尽管制碱行业曾提出几种改进塔型，但是只局限控制塔高的变化，或者菌帽大小、形状变化，也有人提出用筛板和菌帽塔混合组成塔型加强应用，但是这些碳酸化塔仍有以下缺点。

1、塔内结构极为复杂，索尔维碳酸化塔是一种铸铁塔，由圆圈、菌帽和斗底组成，塔的上段是空圈，各空圈等高，下端的各冷却水箱用许多根冷却管在长方形铸铁管板固而成。中段为圆圈加菌帽构成，除上段空圈外，中下两端塔体内均装有倒锥形开口的下盘和菌帽组成。塔高一般25-28米，塔径最大处为3.2米，这种塔内交叉进行着多种过程，迄今未能导出反应速率的关联式，并据此进行设计，而只能依据一些经验。

2、结疤堆积堵塞，塔体内壁及菌帽，以及冷却水管外壁，很容易遇上碳酸氢钠结疤，使得各塔圈中的通道缩小，在塔内各处形成空腔，只有依靠停止生产，进行清洗，所以缩短设备使用时间，塔的生产效率较低。

3、产品结晶颗粒细，比重轻，多为针形结晶。由于塔的反应机理是依据液相和气相的接触，靠进入的气相鼓泡和菌帽浸润的液膜进行传质反应产生晶体。这种情况下，液膜表面更新较慢，其反应进行的方式是液态的，故结晶颗粒增长很难，没有成长粗大的条件，长时间生产实践证明，这种碳酸化塔只能生产出颗粒少于100μm，比重0.8，针形晶体。

4、很难控制。由于塔体内几乎被菌帽与倒锥形充满，气体二氧化碳进入后，生成固相碳酸氢钠，塔体高达26米以上，气体又是多段进入塔体内，由三个人控制各自的进气阀门，稍有失误就易出现堵塔或者空塔，如不及时处理妥当，生产就无法进行，各碱厂碳酸化工段的操作工，需要有数年以上经验工人操作。

近年来，世界各国制碱企业对碳酸化塔结构进行不断改进，如大孔径筛板塔已被少数厂家采用，收到一些成效，但是并没有得到根本改变。

《纯碱工学》第二版，化学工业出版社，碳酸氢钠的结晶动力学分析中，介绍了晶体粒度大小对于产品的重要性。要制得粗粒晶体，就应该严格控制过量晶核的形成。降低过饱和度和减慢溶液的搅拌速度是减慢晶核生成速度的有效办法。

氨盐水碳酸化的主要阻力是在液膜上，气膜的阻力与液膜阻力相比是可以忽略的，正因为碳酸化速度是由液膜控制的，所有使液膜表面不断更新就能加快二氧化碳的吸收，气体鼓泡通过液体，能促进液膜不断更新。沿袭已久，迄今仍广泛采用的菌帽碳酸化塔，正好能满足这种要求。

在进行具体控制时，其一般原则是：第一不能只顾反应速度而不管晶核正常成长需要的时间，从而减小结晶的粒度，导致过滤、煅烧条件恶化；第二不能只顾加快出碱而不管碳酸化氨盐水必要的停留时间，从而降低氯化钠的转化率，同时增加各种物料和能源的消耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种碳酸化塔、碳酸化系统和方法，塔内结构简单，不会结垢堵塞，控制简单，制备得到的产品结晶颗粒粗，含氯量低。

本发明的碳酸化塔包括塔壳、冷却水箱、设置在塔壳上的进气口、出气口、进料口和出料口，设置在塔壳内部的搅拌轴、和搅拌轴连接的电机、固定在搅拌轴上的搅拌叶片，所述塔壳内侧固定有挡板。

优选的，所述塔壳包括塔壁，所述挡板通过挡板固定件固定在塔壁内侧。

优选的，所述挡板的数目为3-4个，均匀分布在塔壁内侧。

优选的，所述冷却水箱包括固定在塔壳的塔壁外部的夹套，以及分别设置在夹套上下两端的上密封件和下密封件，所述夹套、塔壁、上密封件和下密封件组成冷却腔，冷却腔的上下部分别连接有冷却水出口和冷却水进口。

优选的，所述塔壳下部设置有进气口，进气口出口上方设置有分气盘。

优选的，所述分气盘为圆形或多边形，其边缘为锯齿状。

优选的，所述搅拌叶片为螺旋桨叶片。

本发明还提供一种碳酸化系统，包括多个碳酸化塔连接而成；碳酸化塔的出气口与单个或多个碳酸化塔的进气口通过气体连接管连通，或者碳酸化塔的进气口单独进气，碳酸化塔的出气口直接排气，上述两种连接方式自由组合；碳酸化塔的出料口与单个或多个碳酸化塔的进料口通过料液连接管连通。

所述料液连接管上安装有泵。

本发明还提供一种碳酸化方法，步骤为，将碳酸化系统中的每个碳酸化塔的电机打开，启动搅拌，将每个碳酸化塔的冷却水箱进行冷却水循环，将二氧化碳气体通过进气口通入碳酸化塔中，二氧化碳和碳酸化塔中的料液混合，反应后，从出气口排出，或者进入下一个碳酸化塔的进气口，依次进行，二氧化碳尾气从最后一个碳酸化塔中排出；同时，料液从碳酸化塔的进料口进入碳酸化塔，从出料口排出，进入单个或多个碳酸化塔的进料口，依次进行，最后从碳酸化塔的出料口排出，进入下一步工序，二氧化碳气体的前进方向和料液的前进方向相反。

本发明的有益效果是，本发明依靠搅拌，气液得到良好的传质条件，形成晶体后，晶体能迅速分布扩散到液相中，整个过程均处于动态化，造成液膜不断更新，加快二氧化碳的吸收过程，反应速率与塔型静态化相比，效能高出很多，晶体粗大且均匀，粗径大于150mm，比重在1.20以上，晶体为六面正方形。

本发明容积利用效率高，整个装置内部只有一套搅拌装置，并没有其他附件，几乎为空体容器，因此结疤生产的条件不复存在，不会存在堵塔空塔的现象，设备使用周期长，清洗频率低。

本发明传热条件好，热能随着气液混合流动得到迅速扩散，换热器上不会轻易结疤。

本发明的二氧化碳和料液得到充分且彻底的利用，排出的尾气中二氧化碳的含量低至接近0，操作控制简单方便，几分钟就能学会，料液的进入方向和二氧化碳的进入方向相反，二氧化碳依靠本身压力为4kg/cm²压力，顺利通过碳酸化塔，液体则依靠泵按反向通过碳酸化塔，可以实现无人操作，完全依靠程控仪表，实现自动控制。

本领域技术人员认为大型碳化塔不能使用搅拌方式，本发明克服了这种技术偏见，得到的产品的粒度和含氯量远低于市场最好水平，取得了意想不到的技术效果。

附图说明

图1为碳酸化塔的结构示意图。

图2为碳酸化系统的结构示意图。

图3为实施例3的碳酸化系统的结构示意图。

图4为实施例4的碳酸化系统的结构示意图。

图5为实施例5的碳酸化系统的结构示意图。

在图中，1支座、2塔壁、21下封头、22上封头、3夹套、31下密封件、32上密封件、33冷却水进口、34冷却水出口、4挡板、41挡板固定件、5进气口、51分气盘固定件、52分气盘、53排污口、6搅拌轴、61搅拌叶片、62电机、7进料口、8出料口、9出气口、10进人孔、11视镜、12碳酸化塔、13料液连接管、14泵、15气体连接管。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明的碳酸化塔包括塔壳、冷却水箱、设置在塔壳上的进气口5、出气口9、进料口7和出料口8，设置在塔壳内部的搅拌轴6、和搅拌轴6连接的电机62、固定在搅拌轴6上的搅拌叶片61，所述塔壳内侧固定有挡板4。

碳酸化塔是一套用于气液混合的设备，为了得到颗粒较大的晶体，需要在晶粒生长和反应速率之间做出平衡，降低过饱和度和减慢溶液的搅拌速度是减慢晶核生成速度的有效办法。因此，在实际生产当中，一直采用菌帽式碳酸化塔，能满足生产的需求。索尔维碳酸化塔是最通用的塔型，其它各种碳酸化塔也只是在索尔维碳酸化塔的基础上做的各种改型。目前的碳酸化塔都是静态传质结晶的塔。各种文献也表明，搅拌溶液不利于晶核的生长，造成晶体粒度细小。比如：碰撞成核过程形成的破碎晶核粒度分布特征，天津科技大学学报，第24卷，第1期，2009年2月，结论第三条中强调，搅拌速率的改变对大颗粒晶体碰撞成核的影响较为明显。结合相关文献和实际生产当中使用静态传质碳化塔的情况，基本可以确定搅拌不利于碳化过程中晶体的生长，造成晶体粒度不高。

本发明采用搅拌方式混合碳酸化塔的气相和液相，晶体的粒度较大，氯离子含量显著低于市场最好水平，克服了技术偏见，取得意想不到的技术效果。

所述塔壳包括塔壁2、下封头21和上封头22，塔壁2、下封头21和上封头22组成密封容器。优选的，挡板4固定在塔壁2内侧。

所述挡板4通过挡板固定件41固定在塔壳的塔壁2内侧。所述挡板4的数目为3-4个，均匀分布在塔壁2内侧。

挡板4为长条形，其高度基本和塔内料液所处的高度相当，宽度为10-20cm，优选15cm。料液在搅拌叶片61的搅拌下，进行旋转，形成涡流，挡板4分散液流对塔壁2的冲击力，使料液的液面不会形成漩涡，有效增大料液的有效容积，提高碳酸化的效率。另外，挡板4可有效减少整体碳酸化塔的摇晃幅度，减少固定碳酸化塔的设施，使生产更安全。

所述冷却水箱包括固定在塔壳的塔壁2外部的夹套3，以及分别设置在夹套3上下两端的上密封件32和下密封件31，所述夹套3、塔壁2、上密封件32和下密封件31组成冷却腔，冷却腔的上下部分别连接有冷却水出口34和冷却水进口33。本发明采用在塔壁2的外部设置冷却水箱，而不是设置在塔壳内部，防止晶体堆积。

所述塔壳下部设置有进气口5，进气口5出口上方设置有分气盘52。分气盘52用于分散气体，加大气液混合力度，加快反应速率。分气盘52通过分气盘固定件51固定在塔壳上。

所述分气盘52为圆形或多边形，其边缘为锯齿状，更有利于气体的分散。

所述搅拌叶片61为螺旋桨叶片，其形成的混合流体的运动方向和搅拌轴平行，混合流体向上流动，延长气液混合的时间。

塔壳安装在支座1上，通过视镜11观察塔内情况。在需要清理时，通过进人孔10进人，清理完成后，污水通过排污口53排出。

本发明的进料口7进入的液体为料液，即碳酸化液，如铵盐卤水（生产纯碱）、纯碱液（生产小苏打）或氨水（生产碳酸氢铵），料液进入塔壳内，充满塔壳内部空间，最后从出料口8排出，进入下一步工序。本发明进气口5进入的气体为二氧化碳气体，在料液进入塔壳内的同时，二氧化碳气体进入到塔壳内部，其被分气盘52阻挡，气体分散开，和料液充分混合，同时，搅拌轴6在电机62进行旋转，搅拌叶片61对气液混合相进行搅拌，二氧化碳气体流过整个料液后，从出气口9排出，进入下一步工序。

实施例2

本发明的碳酸化系统包括多个碳酸化塔连接而成；碳酸化塔12的出气口9与单个或多个碳酸化塔12的进气口5通过气体连接管15连通，或者碳酸化塔12的进气口5单独进气，碳酸化塔12的出气口9直接排气，上述两种连接方式自由组合；碳酸化塔的出料口8与单个或多个碳酸化塔的进料口7通过料液连接管13连通。

如图2所示，本发明的碳酸化系统包括多个碳酸化塔12连接而成，每个碳酸化塔的出气口9和相邻碳酸化塔的进气口5通过气体连接管15连通，每个碳酸化塔的出料口8和相邻碳酸化塔的进料口7通过料液连接管13连通。

实施例3

如图3所示，本发明的碳酸化系统包括多个碳酸化塔12连接而成，碳酸化塔12的进气口5单独进气，碳酸化塔12的出气口9直接排气，每个碳酸化塔的出料口8和相邻碳酸化塔的进料口7通过料液连接管13连通，所述料液连接管13上安装有泵14，进料口7位于碳酸化塔12的上部。

碳酸化塔12的进气口5单独进气，即碳酸化塔12的进气口5进入的二氧化碳气体为外源二氧化碳，而不是气体碳酸化塔12的出气口9排出的二氧化碳气体。碳酸化塔12的出气口9直接排气，是指出气口9排出的气体直接排空或者进入回收塔，而不是进入其他碳酸化塔的进气口5。

实施例4

如图4所示，本发明的碳酸化系统包括多个碳酸化塔12连接而成，碳酸化塔12的进气口5单独进气，碳酸化塔12的出气口9直接排气，碳酸化塔的出料口8与单个碳酸化塔的进料口7通过料液连接管13连通，碳酸化塔的出料口8和进料口7处于基本相同的高度。

实施例5

如图5所示，碳酸化系统中的部分碳酸化塔12的进气口5单独进气，碳酸化塔12的出气口9直接排气，如C塔，部分碳酸化塔12的出气口9与单个碳酸化塔12的进气口5通过气体连接管15连通，如A塔和B塔，以及D塔和E塔。

碳酸化塔的数量为3-7个，优选为5个，如图2所述。本发明采用多个碳酸化塔串联的方式组成，属于多次碳酸化。目前的索尔维碳酸化塔采用一次碳酸化工艺，塔高通常在25-30米之间，《纯碱工学》第二版，P436页中，分析了联合法生产纯碱和氯化铵中一次碳酸化和两次碳酸化的比较，其结论为：一次碳酸化不仅生产流程简单，控制比较溶液，而且母液Ⅰ吸氨量较少，氨母液Ⅰ在加盐、冷冻以及将母液Ⅱ和氯化铵分离的过程中，由于溶液中氨的蒸汽压交底，氨的挥发损失较少，操作条件较好。一次碳酸化中碳酸氢钠的产品较高。但是采用本发明的碳酸化塔之后，经过多次碳酸化，其结果明显较索尔维碳酸化塔的一次性碳酸化的结果要好。

实施例6

本发明的碳酸化方法，步骤为，将碳酸化系统中的每个碳酸化塔的电机打开，启动搅拌，将每个碳酸化塔的冷却水箱进行冷却水循环，将二氧化碳气体通过进气口5通入碳酸化塔中，二氧化碳和碳酸化塔中的料液混合，反应后，从出气口9排出，或者进入下一个碳酸化塔的进气口5，依次进行，二氧化碳尾气从最后一个碳酸化塔中排出；同时，料液从碳酸化塔的进料口7进入碳酸化塔，从出料口8排出，进入单个或多个碳酸化塔的进料口7，依次进行，最后从碳酸化塔的出料口8排出，进入下一步工序，二氧化碳气体的前进方向和料液的前进方向相反。

如图2所示，二氧化碳气体从A塔的进气口5进入，反应后的二氧化碳从出气口9进入B塔的进气口5，依次进行，最后舱从E塔的出气口9排出，E塔的出气口9排出的气体中含有的二氧化碳气体少，可以直接排空。料液从E塔的进料口7进入，其和二氧化碳反应后从出料口8排出，通过泵14泵入D塔的进料口7，依次进行，最后从A塔的出料口8排出，进入浓缩器，然后离心，得到成品。在此过程中，料液中的晶体浓度从E塔到A塔越来越高，而二氧化碳的浓度从A塔到E塔越来越低。

如图4所示，二氧化碳气体分别从A、B、C、D和E塔的进气口5进入，反应后的二氧化碳分别从A、B、C、D和E塔出气口9排出。料液从E塔的进料口7进入，其和二氧化碳反应后从出料口8排出，进入下一个碳酸化塔12的进料口7，依次进行，最后从A塔的出料口8排出，进入浓缩器，然后离心，得到成品。在此过程中，料液中的晶体浓度从E塔到A塔越来越高。本发明的碳酸化方法显著区别于索尔维碳酸化塔。通过本发明方法制备得到的小苏打产物和世界知名品牌厂商的产物的具体参数和相关比较值见表1。

表1小苏打的比较分析

从表1分析得知，本发明小苏打产物的氯离子含量显著低于市场最好水平，相比标准规格低2个数量级。本发明产品的比重普遍大于市场最好水平，更显著高于医药规格。流动性较好。

Claims (10)

1.一种碳酸化塔，包括塔壳、冷却水箱、设置在塔壳上的进气口（5）、出气口（9）、进料口（7）和出料口（8），其特征是，还包括设置在塔壳内部的搅拌轴（6）、和搅拌轴（6）连接的电机（62）、固定在搅拌轴（6）上的搅拌叶片（61），所述塔壳内侧固定有挡板（4）。

2.如权利要求1所述的碳酸化塔，其特征是，所述塔壳包括塔壁（2），所述挡板（4）通过挡板固定件（41）固定在塔壁（2）内侧。

3.如权利要求1所述的碳酸化塔，其特征是，所述挡板（4）的数目为3-4个，均匀分布在塔壁（2）内侧。

4.如权利要求1-3任一项所述的碳酸化塔，其特征是，所述冷却水箱包括固定在塔壳的塔壁（2）外部的夹套（3），以及分别设置在夹套（3）上下两端的上密封件（32）和下密封件（31），所述夹套（3）、塔壁（2）、上密封件（32）和下密封件（31）组成冷却腔，冷却腔的上下部分别连接有冷却水出口（34）和冷却水进口（33）。

5.如权利要求1-3任一项所述的碳酸化塔，其特征是，所述塔壳下部设置有进气口（5），进气口（5）出口上方设置有分气盘（52）。

6.如权利要求5所述的碳酸化塔，其特征是，所述分气盘（52）为圆形或多边形，其边缘为锯齿状。

7.如权利要求1-3任一项所述的碳酸化塔，其特征是，所述搅拌叶片（61）为螺旋桨叶片。

8.一种包括有权利要求1-7任一项所述碳酸化塔的碳酸化系统，其特征是，包括多个碳酸化塔连接而成；碳酸化塔的出气口（9）与单个或多个碳酸化塔的进气口（5）通过气体连接管（15）连通，或者碳酸化塔的进气口（5）单独进气，碳酸化塔的出气口（9）直接排气，上述两种连接方式自由组合；碳酸化塔的出料口（8）与单个或多个碳酸化塔的进料口（7）通过料液连接管（13）连通。

9.如权利要求8所述的碳酸化系统，其特征是，所述料液连接管（13）上安装有泵。

10.一种使用权利要求1-7任一项碳酸化塔或权利要求8-9任一项的碳酸化系统的碳酸化方法，其特征是，步骤为，将碳酸化系统中的每个碳酸化塔的电机打开，启动搅拌，将每个碳酸化塔的冷却水箱进行冷却水循环，将二氧化碳气体通过进气口（5）通入碳酸化塔中，二氧化碳和碳酸化塔中的料液混合，反应后，从出气口（9）排出，或者进入下一个碳酸化塔的进气口（5），依次进行，二氧化碳尾气从最后一个碳酸化塔中排出；同时，料液从碳酸化塔的进料口（7）进入碳酸化塔，从出料口（8）排出，进入单个或多个碳酸化塔的进料口（7），依次进行，最后从碳酸化塔的出料口（8）排出，进入下一步工序，二氧化碳气体的前进方向和料液的前进方向相反。