CN108862332B - 碳酸化结晶设备及其用途与碳酸氢钠的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种碳酸化结晶设备及其用途与碳酸氢钠的制备方法，涉及化工设备领域，该碳酸化结晶设备包括结晶筒和碳化反应器，碳化反应器设置于所述结晶筒外部并与所述结晶筒连通的碳化反应器，所述碳化反应器内的反应终液能够进入所述结晶筒进行结晶化处理。利用该碳酸化结晶设备能够缓解现有的碳酸化塔生产效率低以及由于清理造成的能量损失大的技术问题，达到了提高设备运转效率和生产效率及降低能耗的技术效果。

Description

碳酸化结晶设备及其用途与碳酸氢钠的制备方法

技术领域

本发明涉及化工设备领域，尤其是涉及一种碳酸化结晶设备及其用途与碳酸氢钠的制备方法。

背景技术

以CO₂气体或者部分含有(如40％)CO₂的气体对碳酸钠进行碳酸化是生产食品级或医药级碳酸氢钠的重要方法，而碳酸化反应的进行通常是在碳酸化塔内进行的。

目前工业上主要使用的碳酸化塔为菌帽塔和筛板塔，在塔内，传质、结晶和传热三种过程同时进行，典型的碳酸化塔是索尔维碳酸化塔，即圆圈、菌帽、底斗和冷却水箱，叠装为基本形式。CO₂气体从碳酸化塔底部进入，形成气泡后在多层菌帽间成Z型流动，碳酸化液则逆向流动，从塔顶进入，从塔底流出。在该种结构的碳酸化塔内存在着气液固三相，影响工作质量和生产能力的因素很多。由于碳酸化塔内存在较多的零部件，如菌冒、塔板、筛板及各种工艺管道等，在设备碳酸化的过程中，结晶体常会堵塞设备内的零部件造成零部件的结疤，进而造成碳酸化塔的运行周期较短，运行1天左右碳酸化塔内就有出现严重的结疤现象，需要停车进行清理，进而降低了碳酸化塔的生产效率。由于结疤情况的发生，因此，传统的碳酸化塔不能大型化，只能由4-8个小塔轮流交替工作。同时，在清理中还会使用大量的蒸汽对碳酸化塔内进行蒸煮，造成能量损失。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种碳酸化结晶设备，以缓解现有技术的碳酸化塔生产效率低以及由于清理造成的能量损失大的技术问题。

本发明的第二目的在于提供一种碳酸化结晶设备在制备碳酸氢钠中的用途。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种碳酸化结晶设备，包括：

结晶筒，和

碳化反应器，设置于所述结晶筒外部并与所述结晶筒连通；

所述碳化反应器内的反应终液能够进入所述结晶筒内。

进一步的，所述结晶筒包括第一筒体和设置于所述第一筒体上的进料管，所述结晶筒与所述碳化反应器通过所述进料管连通；

优选地，所述进料管包括第一进料管段和第二进料管段，所述第一进料管段位于所述第一筒体内部且与所述第一筒体共轴线设置，所述第一进料管段的出料口朝上；所述第二进料管段贯穿所述第一筒体与所述碳化反应器连通，例如与所述碳化反应器的顶部连通；

优选地，所述第一筒体内且在所述进料管下方设有集料斗，所述集料斗底部设有物料出口，所述物料出口分别与外部物料处理装置和所述碳化反应器连通，例如与所述碳化反应器的底部连通；

优选地，所述碳酸化结晶设备进一步包括反应气体进气管，所述反应气体进气管与所述碳化反应器连通，例如与所述碳化反应器的底部连通，优选设置在所述物料出口与所述碳化反应器之间；

优选地，所述物料出口下方设有筛分元件，所述物料出口通过所述筛分元件分别与外部物料处理装置和所述碳化反应器连通；

优选地，所述物料出口与所述碳化反应器之间设有循环泵。

进一步的，所述结晶筒顶部连接预碳化装置，所述预碳化装置与所述碳化反应器连接；所述结晶筒中的反应气体能够进入所述预碳化装置，所述预碳化装置中的预处理液能够进入碳化反应器。

进一步的，所述预碳化装置包括第二筒体，所述第二筒体上部设有液体入口，所述第二筒体下部设有液体出口，所述第二筒体内部且在所述液体入口与所述液体出口之间从上到下依次设有第一液体分布器、第一填料段和第一塔板段；

优选地，所述第一塔板段中塔板层层数为2-8层；

优选地，所述液体出口通过循环泵连接至所述碳化反应器的进料口。

进一步的，所述预碳化装置顶部连接尾气净化装置。

进一步的，所述尾气净化装置包括第三筒体，所述第三筒体上部设有净化液入口，所述第三筒体下部设有净化液出口；所述第三筒体内部且在所述净化液入口与所述净化液出口之间从上到下依次设有第二塔板段、第二液体分布器、第二填料段和气体分布器；

优选地，所述第二塔板段中塔板层层数为3-4层；

优选地，所述尾气净化装置顶部设有气液分离器。

进一步的，所述结晶筒顶部连接尾气净化装置；

优选地，所述尾气净化装置包括第三筒体，所述第三筒体上部设有净化液入口，所述第三筒体下部设有净化液出口；所述第三筒体内部且在所述净化液入口与所述净化液出口之间从上到下依次设有第二塔板段、第二液体分布器、第二填料段和气体分布器；

优选地，所述第二塔板段中塔板层层数为3-4层；

优选地，所述尾气净化装置顶部设有气液分离器。

进一步的，所述碳化反应器包括管体和设置于所述管体外的冷却系统。

本发明还涉及本文的碳酸化结晶设备在制备碳酸氢钠中的用途。

本发明还涉及一种碳酸氢钠的制备方法，利用本文的碳酸化结晶设备进行碳酸氢钠的制备。

进一步的，反应气体与反应原液在所述碳化反应器内进行碳酸化反应后得到反应终液，所述反应终液进入所述结晶筒进行结晶化处理，例如所述反应终液在液体输送控制装置的作用下进入结晶筒进行结晶化处理，优选在循环泵的作用下进入结晶筒进行结晶化处理；

优选地，反应原液先经预碳酸化处理得到预处理液，再将所得预处理液通入所述碳化反应器内与所述反应气体进行碳酸化反应；

优选地，从结晶筒排出的反应气体与预碳化装置中的反应原液进行预碳酸化处理后得到预处理液，将所得预处理液通入所述碳化反应器内与所述反应气体进行碳酸化反应；

优选地，从结晶筒排出的反应气体或从预碳化装置中排出的反应气体经尾气净化装置进行净化处理后对外排放。

进一步的，碳酸化反应进行的同时对所述碳化反应器进行冷却处理，冷却介质的温度比所述碳化反应器中反应介质的温度低1-10℃。

与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的碳酸化结晶设备，包括结晶筒和碳化反应器，碳化反应器设置于结晶筒外部。碳酸化的反应过程在碳化反应器内进行，而结晶化的过程在结晶筒内进行，由于结晶筒内没有设置碳酸化反应过程中传质传热所需要的零部件，因此结晶化过程不会造成结晶设备即结晶筒的堵塞。同时，通过控制碳化反应器中的溶质的浓度和碳酸化反应温度，可以避免碳化反应器内出现结晶，进而避免碳化反应器的堵塞。通过将碳酸化反应和结晶化反应分别于碳化反应器和结晶筒内进行，有效避免了碳酸化结晶设备结疤堵塞现象的发生，提高了设备的运转效率及生产效率，可实现碳酸化设备的大型化发展；同时，减少了蒸汽清理的次数，降低了能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据一种实施方式的碳酸化结晶设备的结构示意图。

图标：1-结晶筒；11-第一筒体；12-进料管；121-第一进料管段；122-第二进料管段；13-集料斗；14-物料出口；15-含固液体出管；16-循环液管道；17-锥体连接件；2-预碳化装置；21-第二筒体；22-液体入口；23-第一液体分布器；24-第一填料段；25-第一塔板段；26-液体出口；3-尾气净化装置；31-第三筒体；32-净化液入口；33-气液分离器；34-第二塔板段；35-第二液体分布器；36-第二填料段；37-气体分布器；38-净化液出口；39-尾气出口；4-碳化反应器；40-管体；41-循环泵；42-冷却系统；43-反应气体进气管；44-预处理液管道。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1是一种碳酸化结晶设备，如图1所示，本实施方式中的碳酸化结晶设备包括结晶筒1和碳化反应器4，碳化反应器4设置于结晶筒1外部并与结晶筒1连通，碳化反应器4内的反应终液能够进入结晶筒1内。

本实施方式提供的碳酸化结晶设备，包括结晶筒1和碳化反应器4，碳化反应器4设置于结晶筒1外部。碳酸化的反应过程在碳化反应器4内进行，而结晶化的过程在结晶筒1内进行，由于结晶筒1内没有设置碳酸化反应过程中传质传热所需要的零部件，因此结晶化过程不会造成结晶设备即结晶筒1的堵塞。同时，通过控制碳化反应器4中的溶质的浓度和碳酸化反应温度，可以避免碳化反应器4内出现结晶，进而避免碳化反应器4的堵塞。通过将碳酸化反应和结晶化反应分别于碳化反应器4和结晶筒1内进行，有效避免了碳酸化结晶设备结疤堵塞现象的发生，提高了设备的运转效率及生产效率；同时，减少了蒸汽清理的次数，降低了能耗。

本实施方式中并未对结晶筒1和碳化反应器4的连接结构做出具体的限定。结晶筒1和碳化反应器4连通，反应终液可以采用多种方式进入结晶筒1进行结晶化处理。例如，可以设置液体输送控制装置驱动反应终液从碳化反应器4流入结晶筒1内。其中液体输送控制装置可以为增压泵。增压泵可以设置在碳化反应器4一侧或设置于碳化反应器4与结晶筒之间，以对碳化反应器4内的液体施加压力，使其进入结晶筒。

碳化反应器4内的反应终液在液体输送控制装置的作用下进入结晶筒1进行结晶化处理。图1中，液体输送控制装置为循环泵41，反应原液经循环泵41进入碳化反应器4。反应原液与反应气体在碳化反应器4内进行碳酸化反应后得到反应终液。碳酸化反应所用的反应气体可以为二氧化碳或含有二氧化碳(体积分数在40％以上)的气体。

在碳化反应器4中反应得到的反应终液从碳化反应器4中流出，进入结晶筒1，可以采用冷凝结晶或蒸发结晶的方式对反应终液进行结晶化处理。结晶筒1中的结晶化处理可以有多种方式，例如，冷凝结晶或蒸发结晶。

例如，冷凝结晶的方式可以为反应终液从高温环境的碳化反应器4中流出后进入低温环境的结晶筒1中，温度降低后溶质从反应终液中析出，从而得到结晶体；又如，冷凝结晶的方式还可以为，当反应终液从碳化反应器4中流入结晶筒1后，对结晶筒1进行降温处理，从而使溶质从反应终液中析出得到结晶体。蒸发结晶的方式可以为反应终液进入结晶筒1后，结晶筒1处于高温环境中，通过对反应终液的溶剂进行蒸发从而得到结晶体。为了节约能量，本发明中的结晶化处理方式可以优选采用冷凝结晶，反应终液从高温环境的碳化反应器4中进入低温环境的结晶筒1进行结晶化处理。

继续参照图1，结晶筒1包括第一筒体11和设置于第一筒体11上的进料管12，结晶筒1与碳化反应器4通过进料管12连通。其中，进料管12包括第一进料管段121和第二进料管段122，第一进料管段121位于第一筒体11内部且与第一筒体11共轴线设置，第一进料管段121的出料口朝上；第二进料管段122贯穿第一筒体11与碳化反应器4连通，例如与碳化反应器4的顶部连通。在一些实施方式中，第一进料管段121的出料口高于碳化反应器4的顶部。

碳化反应器4中的反应终液通过进料管12进入结晶筒1进而进行结晶化处理。利用该结晶筒1进行结晶时，进料管12始终处于液体表面之上。碳化反应器4中的反应终液通过进料管12进入结晶筒1。第一进料管段121的出料口朝上设置可以使反应终液形成从上到下的溢流流动，反应终液从第一进料管段121的出料口溢出后向下流动，整个反应终液在结晶筒1内处于低速层流的流动状态。结晶体从溶液中析出后在低速层流状态下不断长大，并在重量作用下逐渐沉积到结晶筒1底部。利用该结构的结晶筒1进行结晶处理后可以得到粒径40-80目的大颗粒结晶体，便于固液分离，避免小结晶体在系统中不断循环影响设备产能。

在第一筒体11内且在进料管12下方设有集料斗13，集料斗13底部设有物料出口14，物料出口14分别与外部物料处理装置和碳化反应器4连通，例如与碳化反应器4的底部连通。

集料斗13用于收集固液混合物，固液混合物从集料斗13底部的物料出口14流出后，一部分固液混合物作为循环液进入碳化反应器4继续参与碳酸化反应和结晶化反应，另一部分固液混合物通过含固液体出管15进入外部物料处理装置进行结晶体的分离。继续参与结晶化反应的晶粒可以作为晶种，以利于结晶化过程中结晶体的生长。

在一些实施方式中，碳酸化结晶设备进一步包括反应气体进气管43，反应气体进气管43与碳化反应器4连通，例如与碳化反应器4的底部连通，优选设置在物料出口14与碳化反应器4之间。

反应气体进气管43连通外部反应气体气源，用于对碳化反应器4提供反应气体。

为了将粒径较大的结晶体分离出来避免其作为晶种继续循环，在物料出口14下方设有筛分元件，物料出口14通过筛分元件分别与外部物料处理装置和碳化反应器4连通。该筛分元件可以为滚筛元件。

为了使固液混合物更容易进入碳化反应器4，物料出口14与碳化反应器4之间设有循环泵41。物料出口14通过循环液管道16连接至循环泵41的入口端，循环液在循环泵41的作用下进入预碳化装置2。

继续参照图1，结晶筒1顶部连接预碳化装置2，预碳化装置2与碳化反应器4连接；结晶筒1中的反应气体能够进入预碳化装置2，预碳化装置2中的预处理液能够进入碳化反应器4。

结晶筒1中排出的反应气体进入预碳化装置2并与预碳化装置2中的反应原液进行碳酸化反应，反应后得到的预处理液进入碳化反应器4。

结晶筒1顶部设置锥体连接件17，通过锥体连接件17与预碳化装置2连接。碳酸化反应中所用的反应气体往往是过量的，因此，反应终液中会含有一定量的反应气体，反应气体随反应终液进入结晶筒1内。反应气体从进料管12进入结晶筒1后向上运动，为了避免直接进行造成的环境污染同时提高反应气体的利用率，结晶筒1顶部连接预碳化装置2。反应气体在预碳化装置2中从下向上运动，而预碳化装置2中的反应原液从上到下运动，反应气体与反应原液在预碳化装置2中进行碳酸化反应后得到预处理液，之后预处理液再进入碳化反应器4进行进一步的碳酸化反应。预处理装置的设置既可以吸收一部分的二氧化碳，提高二氧化碳的利用率，还可以对反应原液进行一定的预碳酸化处理，使碳化反应器4中的碳酸化反应更容易达到饱和条件，提高反应速度和时间。需要说明的是，预碳化装置2中经预碳酸化后的预处理液并未达到饱和状态，此时并未有结晶体析出。

本实施方式中的预碳化装置2包括第二筒体21，第二筒体21上部设有液体入口22，第二筒体21下部设有液体出口26，第二筒体21内部且在液体入口22与液体出口26之间从上到下依次设有第一液体分布器23、第一填料段24和第一塔板段25。

反应原液从液体入口22进入预碳化装置2内，从上到下流动依次经过第一液体分布器23、第一填料段24和第一塔板段25，然后从液体出口26流出。而反应气体从结晶筒1顶部流入预碳化装置2内，然后从下到上依次流经第一塔板段25、第一填料段24和第一液体分布器23，反应原液与反应气体在相对流动过程中发生碳酸化反应。为了避免预处理液进入结晶筒1，结晶筒1与预碳化装置2通过进气管连通，其他部位为密封连接。结晶筒1内的反应气体通过该进气管进入预碳化装置2，进气管出口位于预碳化装置2内，并且预处理液不能通过进气管流入结晶筒1，例如可以在进气管出口处设置挡流板。

由于在预碳化装置2中并未有晶体结晶出来，故可以采用吸收效率更高的填料和塔板的形式，例如，填料可以为规整填料，也可以为散装填料；塔板可以采用筛板、浮阀或泡罩。

该预碳化装置2中，第一液体分布器23、第一填料段24和第一塔板段25的组合设置抗堵能量较强，可以提高设备的稳定性。其中，第一塔板段25中塔板层层数为2-8层。

预碳化装置2中的液体出口26通过预处理液管道44连接至循环泵41的入口端，循环泵41的出口端连接至碳化反应器4的进料口。该连接结构可以将预处理液直接送至碳化反应器4中继续参与碳酸化反应。如图1所示，结晶筒1底部的物料出口14和预碳化装置2中的液体出口26均通过同一循环泵41连接至碳化反应器4，进而简化了设备的连接方式。

继续参照图1，预碳化装置2顶部连接尾气净化装置3。尾气净化装置3的作用是对反应气体的尾气进行彻底的净化，保证排放的气体基本不含CO₂或其他有害物质。

本实施方式中，尾气净化装置3包括第三筒体31，第三筒体31上部设有净化液入口32，第三筒体31下部设有净化液出口38；第三筒体31内部且在净化液入口32与净化液出口38之间从上到下依次设有第二塔板段34、第二液体分布器35、第二填料段36和气体分布器37。其中，第二塔板段34中塔板层层数为3-4层。

净化液入口32位于第三筒体31上部，第二塔板段34位于净化液入口32下方，第二液体分布器35位于第二塔板段34的下方，第二填料段36位于第二液体分布器35和气体分布器37的之间，气体分布器37用气体管道与预碳化装置2的顶部连接，该气体管道向上延伸至尾气净化装置3内部1-3米。第三筒体31的底部设置净化液出口38。

净化液可以采用含氨废水或含氨的工艺液体，对CO₂有非常高的吸收效率。尾气净化装置3中气液相均不易结疤，故该尾气净化装置3采用塔板和填料的形式对尾气进行洗涤处理效率非常高。第二填料段36中的填料可以为规整填料，也可以为散装填料。第二塔板段34中的塔板可以采用筛板、浮阀和泡罩。尾气净化装置3的底部应保留一定的液位，一般1-3米，保证液体的连续出料。反应气体的尾气从预碳化装置2的顶部通过气体管道接入到尾气净化装置3内，气体管道要伸出液位以降低气体阻力，然后再经气体分布器37，均匀分布在塔内的第二填料段36进行充分洗涤净化。

为了防止经尾气净化装置3排出的气体中含有液化雾滴，在尾气净化装置3顶部设置气液分离器33，气液分离器33位于净化液入口32的上方，以分离出气体中的液体雾滴。经净化处理后的洁净气体从尾气出口39排放至大气。

继续参照图1，碳化反应器4包括管体40和设置于管体40外的冷却系统42，管体40内反应介质的温度与冷却系统42内的冷却介质的温度差为1-10℃。管体40的进料端分别连接循环泵41和反应气体气源，结晶筒1的物料出口14和预碳化装置2的液体出口26分别连接至循环泵41的入口端。反应气体进气管43连接至循环泵41的出口端或预碳化装置2的进料口，管体40的出料端连接结晶筒1上的进料管12。

碳化反应器4采用的管式反应器，反应气体和反应液体(包括反应原液、从结晶筒1内流出的固液混合物和预处理液)并流同时进入管体40内进行碳酸化反应，管体40外利用水冷却系统42进行移热。管内外的温差控制在10℃以内。反应完的反应终液通过结晶筒1的进料管12送到结晶筒1的顶部进行继续结晶长大。

在一些实施方式中，提供了一种碳酸化结晶设备，包括：

(A)基本竖直设置的结晶装置，包括位于底部的结晶段或结晶筒1、位于中部的预碳化段或预碳化装置2和位于顶部的尾气净化段或尾气净化装置3，以及

(B)碳化反应器4，设置于结晶装置外部并与结晶段或结晶筒1连通，碳化反应器4内的反应终液能够进入结晶段或结晶筒内。

需要说明的是，本实施方式的碳酸化结晶设备中，结晶段或结晶筒1、预碳化段或预碳化装置2、尾气净化段或尾气净化装置3以及碳化反应器4的连接方式与之前实施方式中的结晶筒1、预碳化装置2、尾气净化装置3以及碳化反应器4的连接方式相同，在此不再赘述。

本发明还涉及一种碳酸氢钠的制备方法，利用本文的碳酸化结晶设备进行碳酸氢钠的制备。

其中，反应气体与反应原液在碳化反应器4内进行碳酸化反应后得到反应终液，反应终液进入结晶筒1进行结晶化处理，例如反应终液在液体输送控制装置的作用下进入结晶筒1进行结晶化处理，优选在循环泵41的作用下进入结晶筒1进行结晶化处理。

为了提高碳化反应器4中的反应效率和反应速度先对反应原液进行预处理，例如，反应原液先经预碳酸化处理得到预处理液，再将所得预处理液通入碳化反应器内与反应气体进行碳酸化反应。

为了提高反应气体的利用率，利用从结晶筒1中排出的未反应的反应气体对反应原液进行预处理，例如，从结晶筒1排出的反应气体与预碳化装置2中的反应原液进行预碳酸化处理后得到预处理液，将所得预处理液通入碳化反应器4内与反应气体进行碳酸化反应。

为了进一步降低尾气的污染性，从结晶筒1排出的反应气体或从预碳化装置2中排出的反应气体经尾气净化装置3进行净化处理后对外排放。

碳酸化反应中会产生大量的热量，为了降低碳化反应器4的温度，碳酸化反应进行的同时对碳化反应器4进行冷却处理，冷却介质的温度比碳化反应器中反应介质的温度低1-10℃。利用该方法进行冷却可防止在碳化反应器4内出现结晶，堵塞碳化反应器。

下面结合碳酸氢钠的生产过程说明本实施方式中的碳酸化结晶设备的工作过程以及碳酸氢钠的制备方法。

在碳酸氢钠生产工艺中，碱液的碳酸化是重要的工序。在一些实施方式中，反应原液包括碳酸钠、水和可选的碳酸氢钠。在一些实施方式中，反应原液为碱液，它的主要成分是碳酸钠，水和少量的碳酸氢钠的混合物。反应气体是来自石灰石煅烧产生的窑气，窑气中含40％体积分数左右的CO₂。碱液从预碳化装置2的液体入口22进入预碳化装置2内，经过第一液体分布器23后，均匀分布到下面的第一填料段24和第一塔板段25，对从结晶筒1中排出的未反应的CO₂气体(此时从结晶筒1排出的气体中CO₂气体分数约为22％左右)进行回收，同时对碱液进行预碳化，预碳化过程要控制溶液中碳酸氢钠没有达到饱和，不能有结晶体出现。第一填料段24和第一塔板段25的组合具有更高的吸收效率，且负荷的操作弹性大。

预碳化过的碱液(即预处理液)从液体出口26流出，经过液体管道进入到循环泵41的进口，与从结晶筒1内流出的循环液一起，被循环泵41送入到碳化反应器4当中进行碳酸化反应，碳酸化反应器采用管式反应器，具有很高的反应效率和反应速度，反应过程中会产生一定的热量，可以采用水冷却系统42对碳化反应器4进行适当冷却。含40％CO₂的反应气体从循环泵41的出口加入到循环系统，并进入到碳化反应器4中，未反应的反应气体随反应终液在循环泵41的作用下从碳化反应器4进入结晶筒1。

结晶筒1主要第一筒体11、集料斗13和中间的进料管12，内部基本没有多余零部件，进入到结晶筒1的气液两相介质从进料管12出来后，反应气体向上进入预碳化装置2，反应终液和反应终液中的固体颗粒向下流动，流动的过程中，晶体不断长大，大晶体最终沉积集料斗13底部，经筛分元件筛分后与一部分液体作为产品出料进入外部物料处理装置进行固液分离工序；另一部分含固液体作为循环液被循环泵41强制循环，进入碳化反应器4。外部物料处理装置分离后的固体碳酸氢钠的颗粒可以达到60目。

经过预碳化装置2后，尾气中仍然含有一定量的CO₂气体(此时尾气中CO₂气体分数约为12％左右)，尾气继续向上进入到尾气净化装置3。尾气净化装置3底部有一定液位，尾气通过中间的气体管道送入高于净化液液面的气体分布器37，然后均匀经过第二填料层和第二塔板层。净化液为含氨洗涤液，从尾气净化装置3顶部进入，依次经过第二塔板段34、第二气液分布器和第二填料段36对尾气进行洗涤，使洗涤后尾气基本不含CO₂(洗涤后的尾气中CO₂气体的含量在50ppm以下)，CO₂被全部回收利用。但洗涤后的气相中含有一定的洗涤液雾，含液雾的气体经过高效旋风气液分离器33除雾后，剩下的惰性气体可以外排或进入其它工序。洗涤后的液体为铵盐碳化液，可再次用于纯碱生产中，以实现原料的重复利用。

通过上述分析可知，本发明提供的碳酸化结晶设备具有如下优点：1)因结晶筒1内部没有零部件，结晶不会造成设备的堵塞，运行周期长；2)设备中未反应的CO₂被预碳化装置2和尾气净化装置3充分回收和洗涤，提高了CO₂的利用率，减少了碳排放；3)结晶颗粒大，能达到40-80目，大颗粒具有更高的经济价值。单套产能可以达到20万吨。

最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。

Claims (21)

1.一种碳酸化结晶设备，其特征在于，包括：

结晶筒（1）和碳化反应器（4），设置于所述结晶筒（1）外部并与所述结晶筒（1）连通；

所述碳化反应器（4）内的反应终液能够进入所述结晶筒（1）内；

所述结晶筒（1）包括第一筒体（11）和设置于所述第一筒体（11）上的进料管（12），所述结晶筒（1）与所述碳化反应器（4）通过所述进料管（12）连通；

所述进料管（12）包括第一进料管段（121）和第二进料管段（122），所述第一进料管段（121）位于所述第一筒体（11）内部且与所述第一筒体（11）共轴线设置，所述第一进料管段（121）的出料口朝上；所述第二进料管段（122）贯穿所述第一筒体（11）与所述碳化反应器（4）连通，例如与所述碳化反应器（4）的顶部连通；

所述第一筒体（11）内且在所述进料管（12）下方设有集料斗（13），所述集料斗（13）底部设有物料出口（14），所述物料出口（14）分别与外部物料处理装置和所述碳化反应器（4）连通，例如与所述碳化反应器（4）的底部连通；

所述碳酸化结晶设备进一步包括反应气体进气管（43），所述反应气体进气管（43）与所述碳化反应器（4）连通，例如与所述碳化反应器（4）的底部连通，设置在所述物料出口（14）与所述碳化反应器（4）之间；

所述物料出口（14）下方设有筛分元件，所述物料出口（14）通过所述筛分元件分别与外部物料处理装置和所述碳化反应器（4）连通；

所述物料出口（14）与所述碳化反应器（4）之间设有循环泵（41）。

2.根据权利要求1所述的碳酸化结晶设备，其特征在于，所述结晶筒（1）顶部连接预碳化装置（2），所述预碳化装置（2）与所述碳化反应器（4）连接；所述结晶筒（1）中的反应气体能够进入所述预碳化装置（2），所述预碳化装置（2）中的预处理液能够进入碳化反应器（4）。

3.根据权利要求2所述的碳酸化结晶设备，其特征在于，所述预碳化装置（2）包括第二筒体（21），所述第二筒体（21）上部设有液体入口（22），所述第二筒体（21）下部设有液体出口（26），所述第二筒体（21）内部且在所述液体入口（22）与所述液体出口（26）之间从上到下依次设有第一液体分布器（23）、第一填料段（24）和第一塔板段（25）。

4.根据权利要求3所述的碳酸化结晶设备，其特征在于，所述第一塔板段（25）中塔板层层数为2-8层。

5.根据权利要求3所述的碳酸化结晶设备，其特征在于，所述液体出口（26）通过循环泵（41）连接至所述碳化反应器（4）的进料口。

6.根据权利要求2所述的碳酸化结晶设备，其特征在于，所述预碳化装置（2）顶部连接尾气净化装置（3）。

7.根据权利要求6所述的碳酸化结晶设备，其特征在于，所述尾气净化装置（3）包括第三筒体（31），所述第三筒体（31）上部设有净化液入口（32），所述第三筒体（31）下部设有净化液出口（38）；所述第三筒体（31）内部且在所述净化液入口（32）与所述净化液出口（38）之间从上到下依次设有第二塔板段（34）、第二液体分布器（35）、第二填料段（36）和气体分布器（37）。

8.根据权利要求7所述的碳酸化结晶设备，其特征在于，所述第二塔板段（34）中塔板层层数为3-4层。

9.根据权利要求6所述的碳酸化结晶设备，其特征在于，所述尾气净化装置（3）顶部设有气液分离器（33）。

10.根据权利要求1所述的碳酸化结晶设备，其特征在于，所述结晶筒（1）顶部连接尾气净化装置（3）。

11.根据权利要求10所述的碳酸化结晶设备，其特征在于，所述尾气净化装置（3）包括第三筒体（31），所述第三筒体（31）上部设有净化液入口（32），所述第三筒体（31）下部设有净化液出口（38）；所述第三筒体（31）内部且在所述净化液入口（32）与所述净化液出口（38）之间从上到下依次设有第二塔板段（34）、第二液体分布器（35）、第二填料段（36）和气体分布器（37）。

12.根据权利要求11所述的碳酸化结晶设备，其特征在于，所述第二塔板段（34）中塔板层层数为3-4层。

13.根据权利要求10所述的碳酸化结晶设备，其特征在于，所述尾气净化装置（3）顶部设有气液分离器（33）。

14.根据权利要求1所述的碳酸化结晶设备，其特征在于，所述碳化反应器（4）包括管体（40）和设置于所述管体（40）外的冷却系统（42）。

15.一种权利要求1-14任一项所述的碳酸化结晶设备在制备碳酸氢钠中的用途。

16.一种碳酸氢钠的制备方法，其特征在于，利用权利要求1-14任一项所述的碳酸化结晶设备进行碳酸氢钠的制备。

17.根据权利要求16所述的制备方法，其特征在于，反应气体与反应原液在所述碳化反应器（4）内进行碳酸化反应后得到反应终液，所述反应终液进入所述结晶筒（1）进行结晶化处理，例如所述反应终液在液体输送控制装置的作用下进入结晶筒（1）进行结晶化处理，在循环泵的作用下进入结晶筒进行结晶化处理。

18.根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于，反应原液先经预碳酸化处理得到预处理液，再将所得预处理液通入所述碳化反应器（4）内与所述反应气体进行碳酸化反应。

19.根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于，从结晶筒（1）排出的反应气体与预碳化装置（2）中的反应原液进行预碳酸化处理后得到预处理液，将所得预处理液通入所述碳化反应器（4）内与所述反应气体进行碳酸化反应。

20.根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于，从结晶筒（1）排出的反应气体或从预碳化装置（2）中排出的反应气体经尾气净化装置（3）进行净化处理后对外排放。

21.根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于，碳酸化反应进行的同时对所述碳化反应器（4）进行冷却处理，冷却介质的温度比所述碳化反应器（4）中反应介质的温度低1-10℃。