CN112694105B - 高效碳化反应系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了高效碳化反应系统，其包括管式预碳化反应器和全混碳化反应器，所述管式预碳化反应器的第二物料出口与所述全混碳化反应器的第三物料进口通过管线连接。本发明碳化反应系统采用管式预碳化反应器和全混碳化反应器组成，利用本发明系统生产的小苏打半成品经干燥、煅烧后得到纯碱产品，产品达到优级纯碱产品质量要求；且系统运行周期长，运行稳定，生产效率高，设备维护成本低；制作和安装简易，操作运行稳定，便于大型化、自动化，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域：
本发明涉及碳化反应系统，特别是涉及一种高效碳化反应系统。
背景技术：
目前，在纯碱生产系统中，碳化塔普遍采用传统立式塔结构，包括菌帽塔、筛板塔等，传统碳化塔存在以下不足：
1、塔体材质主要为铸铁，设备质量重、安装困难，且不耐压，不耐氨、铵、盐腐蚀，使用寿命较短，单台设备生产能力较小；
2、在生产过程中，由于设备腐蚀，容易造成产品中铁含量超标，影响产品质量；为提高碳化塔的耐腐蚀性，常采用的方式为利用硫化物钝化，该处理方式一方面增加生产成本，另一方面不利于生产操作上的稳定运行，影响生产效率；
3、传统碳化塔的塔壁和底部冷却水箱，因温度低，碳酸氢钠结晶容易在内壁结疤，尤其在北方冬季时碳化塔内壁结疤更为严重，一般运行2-3天就需要倒换一次塔，进行煮塔清洗，运行周期短，频繁倒塔，降低了碳化塔的生产效率，同时增加碳化塔运行维护成本，不利于生产操作上的稳定运行；
4、设备属于常压设备不承压，不能进行加压碳化，碳化效率低。
发明内容：
为解决以上技术问题，本发明的目的在于提供一种设备质量轻、耐压、耐氨、铵、盐腐蚀、操作运行稳定，且碳化效率高、生产能力大、不需要频繁清洗碳化塔的高效碳化反应系统。
本发明的目的由如下技术方案实施：高效碳化反应系统，其包括管式预碳化反应器和全混碳化反应器，所述管式预碳化反应器的第二物料出口与所述全混碳化反应器的第三物料进口通过管线连接。
进一步，所述管式预碳化反应器和所述全混碳化反应器均为不锈钢材质，耐氨、铵、盐腐蚀；不需要加硫化钠进行钝化。
进一步，所述管式预碳化反应器为两端密封的管状结构体，所述管状结构体的一端设有第一二氧化碳气进口和第一物料进口，所述管状结构体的另一端设有所述第二物料出口。物料经管式预碳化反应器底部进入，二氧化碳气体经底部进入，二者在管道内混合，二氧化碳气体溶解到物料中反应，由于二氧化碳气相分压高，增大了二氧化碳的液相溶解度，从而提高物料的碳化度，促进反应进行。
进一步，所述管状结构体的一端还设有冲洗水进口，所述管状结构体的另一端设有冲洗水出口。设置冲洗水进口和冲洗水出口用于停产时冲洗所述管状结构体，冲洗水为凝结水。
进一步，所述管状结构体为直管、弯管或倒置的U型管结构体中的任意一种。
进一步，所述U型管结构体包括两端密封的预碳化上升管和两端密封的预碳化下降管，所述预碳化上升管的底部设有所述第一二氧化碳气进口和所述第一物料进口，所述预碳化上升管的顶部设有第一物料出口；所述预碳化下降管的顶部设有第二物料进口，所述预碳化下降管的底部设有所述第二物料出口；所述第一物料出口与所述第二物料进口通过管线连接。U型管结构体在管体总长度相同的情况下，便于加工和安装，且节省空间。
进一步，所述U型管结构体为U型管，所述U型管的一端设有所述第一二氧化碳气进口和所述第一物料进口，所述U型管的另一端设有所述第二物料出口。
进一步，所述全混碳化反应器包括第一反应管、固液分离器、集料锥、第二反应管、碳化塔换热器、第三反应管和碳化塔循环泵；所述第一反应管上设有第二二氧化碳气进口和所述第三物料进口；所述第一反应管的一端与所述固液分离器的循环物料出口连接，所述第一反应管的另一端与所述碳化塔循环泵的进料口连接，所述碳化塔循环泵的出料口与所述第二反应管的一端连接，所述第二反应管的另一端与所述碳化塔换热器的物料进口连接，所述碳化塔换热器的物料出口与所述第三反应管的一端连接，所述第三反应管的另一端与所述固液分离器的循环物料进口连接；所述固液分离器的下部设有所述集料锥；所述固液分离器的结晶物料出口与所述集料锥的进口连接。
进一步，所述第一反应管、所述第二反应管和所述第三反应管的外壁均包覆有保温层。保温层采用矿物棉保温层。通过增加保温层，降低了管壁内外温差，降低了管内壁结疤速率，延长了作业周期。
进一步，所述固液分离器包括罐体，所述罐体的底部设有所述结晶物料出口，所述罐体的下部一侧设有所述循环物料出口，所述罐体的下部另侧设有所述循环物料进口；所述罐体内部沿所述罐体的轴向设有进料管，所述进料管的进口端与所述循环物料进口连接；所述进料管的出口端高于所述循环物料出口。
进一步，所述的高效碳化反应系统还包括有氨母液Ⅱ桶、氨母液Ⅱ泵、碳化塔出料稠厚器、重碱带滤机、母液Ⅰ桶、母液Ⅰ泵和二氧化碳气体进气管线；所述氨母液Ⅱ桶的出料口与所述氨母液Ⅱ泵的进料口连接；所述氨母液Ⅱ泵的出料口与所述管式预碳化反应器的第一物料进口连接；所述二氧化碳气体进气管线分别与所述管式预碳化反应器的第一二氧化碳气进口和所述全混碳化反应器的第二二氧化碳气进口连接；所述全混碳化反应器的集料锥出口与所述碳化塔出料稠厚器的进料口连接；所述碳化塔出料稠厚器的物料出口与所述重碱带滤机的进料口连接；所述碳化塔出料稠厚器的母液出口与所述母液Ⅰ桶的进料口连接，所述母液Ⅰ桶的出料口与所述母液Ⅰ泵的进料口连接，所述母液Ⅰ泵的出料口与所述全混碳化反应器的第三物料进口通过管线连接。
二氧化气体与物料在管式预碳化反应器内经预碳化反应后进入全混碳化反应器的第一反应管，二氧化碳气体从全混碳化反应器的第一反应管进入，二氧化碳气体与预碳化后物料在全混碳化反应器中，经碳化塔循环泵提供动力混合反应，反应物料流经碳化塔换热器，与碳化塔换热器内冷却水换热，反应放出的热量被冷却水带出碳化塔换热器，以满足全混碳化反应器内的反应温度要求。
物料经碳化塔循环泵加压后由第三反应管出口端喷出，并沿进料管进入固液分离器，结晶的固体颗粒向下沉降至集料锥中，由集料锥底部出口排出，液体物料由固液分离器的循环物料出口返回第一反应管中继续参与碳化反应。
物料经碳化反应后生成碳酸氢钠结晶，经集料锥送至碳化塔出料稠厚器，碳化塔出料稠厚器内分离出的母液经母液Ⅰ桶和母液Ⅰ泵返回全混碳化反应器循环碳化反应。
本发明的优点：
本发明碳化反应系统采用管式预碳化反应器和全混碳化反应器组成，推广应用在联碱、氨碱及天然碱碳化反应系统中，具有以下显著优点：
(1)采用管式预碳化反应器，可以在短时间、短距离、有限空间、较高二氧化碳分压的环境内气、液激烈混合，显著提高液相中二氧化碳的溶解度，提高反应速率；
(2)采用全混碳化反应器，碳化操作稳定，反应温度可控，产品粒度均匀适中；
(3)全混碳化反应器和管式预碳化反应器采用不锈钢材质，耐氨、铵、盐腐蚀；不需要加硫化钠进行钝化，保证产品质量的同时，提高了生产效率，降低生产成本及运行维护成本，有利于生产操作上的稳定运行；
(4)利用本发明系统生产的小苏打半成品经干燥、煅烧后达到优级纯碱产品质量要求；
(5)本发明所用全混碳化反应器的外壁采用矿物棉保温，同时，在全混碳化反应器循环泵的作用下，全混碳化反应器内物料快速流动冲刷反应器内壁，避免了反应器内壁结垢，运行15天以上未结垢，不需要停车清洗全混碳化反应器，与传统碳化塔运行2天后需要倒塔清洗相比，大大延长了生产周期；且有利于生产操作上的稳定运行，同时，提高了生产效率，降低设备维护成本；
(6)本发明系统制作和安装简易，操作运行稳定，便于大型化、自动化，具有广阔的应用前景。
附图说明：
图1为实施例1高效碳化反应系统示意图。
图2为实施例2高效碳化反应系统示意图。
图3为实施例3高效碳化反应系统示意图。
图4为实施例4高效碳化反应系统示意图。
管式预碳化反应器1、第二物料出口1-1、第一二氧化碳气进口1-2、第一物料进口1-3、冲洗水进口1-4、冲洗水出口1-5、预碳化上升管1-6、预碳化下降管1-7、第一物料出口1-8、第二物料进口1-9、全混碳化反应器2、第三物料进口2-1、第一反应管2-2、固液分离器2-3、集料锥2-4、第二反应管2-5、碳化塔换热器2-6、第三反应管2-7、碳化塔循环泵2-8、第二二氧化碳气进口2-9、罐体2-10、进料管2-11、氨母液Ⅱ桶3、氨母液Ⅱ泵4、碳化塔出料稠厚器5、重碱带滤机6、母液Ⅰ桶7、母液Ⅰ泵8、二氧化碳气体进气管线9。
具体实施方式：
实施例1：如图1所示，高效碳化反应系统，其包括管式预碳化反应器1和全混碳化反应器2，管式预碳化反应器1的第二物料出口1-1与全混碳化反应器2的第三物料进口2-1通过管线连接。本实施例中，管式预碳化反应器1和全混碳化反应器2均为不锈钢材质，耐氨、铵、盐腐蚀；不需要加硫化钠进行钝化。
本实施例中，管式预碳化反应器1为两端密封的直管，直管的一端设有第一二氧化碳气进口1-2和第一物料进口1-3，直管的另一端设有第二物料出口1-1。物料经管式预碳化反应器1底部进入，二氧化碳气体经底部进入，二者在管道内混合，二氧化碳气体溶解到物料中反应，由于二氧化碳气相分压高，增大了二氧化碳的液相溶解度，从而提高物料的碳化度，促进反应进行。
本实施例中，直管的一端还设有冲洗水进口1-4，直管的另一端设有冲洗水出口1-5。设置冲洗水进口1-4和冲洗水出口1-5用于停产时冲洗直管，冲洗水为凝结水。
本实施例中，全混碳化反应器2包括第一反应管2-2、固液分离器2-3、集料锥2-4、第二反应管2-5、碳化塔换热器2-6、第三反应管2-7和碳化塔循环泵2-8；第一反应管2-2上设有第二二氧化碳气进口2-9和第三物料进口2-1；第一反应管2-2的一端与固液分离器2-3的循环物料出口连接，第一反应管2-2的另一端与碳化塔循环泵2-8的进料口连接，碳化塔循环泵2-8的出料口与第二反应管2-5的一端连接，第二反应管2-5的另一端与碳化塔换热器2-6的物料进口连接，碳化塔换热器2-6的物料出口与第三反应管2-7的一端连接，第三反应管2-7的另一端与固液分离器2-3的循环物料进口连接；固液分离器2-3的下部设有集料锥2-4；固液分离器2-3的结晶物料出口与集料锥2-4的进口连接。
本实施例中，第一反应管2-2、第二反应管2-5和第三反应管2-7的外壁均包覆有保温层。保温层采用矿物棉保温层。通过增加保温层，降低了管壁内外温差，降低了管内壁结疤速率，延长了作业周期。
本实施例中，碳化塔换热器2-6为管壳式换热器，物料走管程，冷却水走壳程，反应热量通过换热器壳程冷却水移出，管壳式换热器耐腐蚀、不易结疤、维修方便。
本实施例中，固液分离器2-3包括罐体2-10，罐体2-10的底部设有结晶物料出口，罐体2-10的下部一侧设有循环物料出口，罐体2-10的下部另侧设有循环物料进口；罐体2-10内部沿罐体2-10的轴向设有进料管2-11，进料管2-11的进口端与循环物料进口连接；进料管2-11的出口端高于循环物料出口。
二氧化气体与物料在管式预碳化反应器1内经预碳化反应后进入全混碳化反应器2的第一反应管2-2，二氧化碳气体从全混碳化反应器2的第一反应管2-2进入，二氧化碳气体与预碳化后物料在全混碳化反应器2中，经碳化塔循环泵2-8提供动力混合反应，反应物料流经碳化塔换热器2-6，与碳化塔换热器2-6内冷却水换热，反应放出的热量被冷却水带出全混碳化反应器2，以满足全混碳化反应器2内的反应温度要求。
物料经碳化塔循环泵2-8加压后由第三反应管2-7出口端喷出，并沿进料管2-11进入固液分离器2-3，结晶的固体颗粒向下沉降至集料锥2-4中，由集料锥2-4底部出口排出，液体物料由固液分离器2-3的循环物料出口返回第一反应管2-2中继续参与碳化反应。
在管式预碳化反应器1内完成预碳化反应，管式预碳化反应器1内标况下二氧化碳气体与物料的体积比为8-23，二氧化碳气体进气温度为20-40℃，进气压力为0.2-0.6MPa，二氧化碳气体与物料在管式预碳化反应器1中充分混合，较高的二氧化碳气相分压，有利于二氧化碳气向液相扩散，提高溶液的碳化度，从而促进碳化反应；
在全混碳化反应器2内完成碳化反应，全混碳化反应器2内标况下二氧化碳气体与物料的体积比为26-61，二氧化碳气体进气温度为20-40℃，进气压力为0.2-0.6MPa，标况下循环倍率为10～30倍，全混碳化反应器2的固液分离器顶部操作压力为0-0.2MPa。全混碳化反应器2采用加压碳化，能够促进二氧化碳的吸收，提高反应效率。物料在全混碳化反应器2内停留时间约为2h，与传统碳化塔物料平均停留时间3.5h相比，在转化率相当的情况下，反应时间明显缩短，生产效率显著提高，反应温度稳定可控。
实施例2：如图2所示，高效碳化反应系统，其与实施例1不同之处在于：管式预碳化反应器1包括两端密封的预碳化上升管1-6和两端密封的预碳化下降管1-7，预碳化上升管1-6的底部设有第一二氧化碳气进口1-2、第一物料进口1-3和冲洗水进口1-4，预碳化上升管1-6的顶部设有第一物料出口1-8；预碳化下降管1-7的顶部设有第二物料进口1-9，预碳化下降管1-7的底部设有第二物料出口1-1和冲洗水出口1-5；第一物料出口1-8与第二物料进口1-9通过管线连接。U型管结构体在管体总长度相同的情况下，便于加工和安装，且节省空间。设置冲洗水进口1-4和冲洗水出口1-5用于停产时冲洗管式预碳化反应器1，冲洗水为凝结水。本实施例其余部分与实施例1完全相同。
实施例3：如图3所示，高效碳化反应系统，其与实施例1不同之处在于：管式预碳化反应器1为倒置的U型管，U型管的一端设有第一二氧化碳气进口1-2、第一物料进口1-3和冲洗水进口1-4，U型管的另一端设有第二物料出口1-1和冲洗水出口1-5。U型管在管体总长度相同的情况下，便于加工和安装，且节省空间。设置冲洗水进口1-4和冲洗水出口1-5用于停产时冲洗管式预碳化反应器1，冲洗水为凝结水。本实施例其余部分与实施例1完全相同。
实施例4：如图4所示，高效碳化反应系统，其与实施例2不同之处在于：本实施例还包括有氨母液Ⅱ桶3、氨母液Ⅱ泵4、碳化塔出料稠厚器5、重碱带滤机6、母液Ⅰ桶7、母液Ⅰ泵8和二氧化碳气体进气管线9；氨母液Ⅱ桶3的出料口与氨母液Ⅱ泵4的进料口连接；氨母液Ⅱ泵4的出料口与管式预碳化反应器1的第一物料进口1-3连接；二氧化碳气体进气管线9分别与管式预碳化反应器1的第一二氧化碳气进口1-2和全混碳化反应器2的第二二氧化碳气进口2-9连接；全混碳化反应器2的集料锥2-4出口与碳化塔出料稠厚器5的进料口连接；碳化塔出料稠厚器5的物料出口与重碱带滤机6的进料口连接；碳化塔出料稠厚器5的母液出口与母液Ⅰ桶7的进料口连接，母液Ⅰ桶7的出料口与母液Ⅰ泵8的进料口连接，母液Ⅰ泵8的出料口与全混碳化反应器2的第三物料进口2-1通过管线连接。
物料在全混碳化反应器2内经碳化反应后生成碳酸氢钠结晶，经集料锥2-4送至碳化塔出料稠厚器5，碳化塔出料稠厚器5内分离出的母液经母液Ⅰ桶7和母液Ⅰ泵8返回全混碳化反应器1循环碳化反应。本实施例其余部分与实施例2完全相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.高效碳化反应系统，其特征在于，其包括管式预碳化反应器和全混碳化反应器，所述管式预碳化反应器的第二物料出口与所述全混碳化反应器的第三物料进口通过管线连接；
所述全混碳化反应器包括第一反应管、固液分离器、集料锥、第二反应管、碳化塔换热器、第三反应管和碳化塔循环泵；所述第一反应管上设有第二二氧化碳气进口和所述第三物料进口；所述第一反应管的一端与所述固液分离器的循环物料出口连接，所述第一反应管的另一端与所述碳化塔循环泵的进料口连接，所述碳化塔循环泵的出料口与所述第二反应管的一端连接，所述第二反应管的另一端与所述碳化塔换热器的物料进口连接，所述碳化塔换热器的物料出口与所述第三反应管的一端连接，所述第三反应管的另一端与所述固液分离器的循环物料进口连接；所述固液分离器的下部设有所述集料锥；所述固液分离器的结晶物料出口与所述集料锥的进口连接；在管式预碳化反应器内完成预碳化反应，二氧化碳气体进气温度为20-40℃，进气压力为0.2-0.6MPa。
2.根据权利要求1所述的高效碳化反应系统，其特征在于，所述管式预碳化反应器和所述全混碳化反应器均为不锈钢材质。
3.根据权利要求1所述的高效碳化反应系统，其特征在于，所述管式预碳化反应器为两端密封的管状结构体，所述管状结构体的一端设有第一二氧化碳气进口和第一物料进口，所述管状结构体的另一端设有所述第二物料出口。
4.根据权利要求3所述的高效碳化反应系统，其特征在于，所述管状结构体的一端还设有冲洗水进口，所述管状结构体的另一端设有冲洗水出口。
5.根据权利要求3或4所述的高效碳化反应系统，其特征在于，所述管状结构体为直管、弯管或倒置的U型管结构体中的任意一种。
6.根据权利要求5所述的高效碳化反应系统，其特征在于，所述U型管结构体包括两端密封的预碳化上升管和两端密封的预碳化下降管，所述预碳化上升管的底部设有所述第一二氧化碳气进口和所述第一物料进口，所述预碳化上升管的顶部设有第一物料出口；所述预碳化下降管的顶部设有第二物料进口，所述预碳化下降管的底部设有所述第二物料出口；所述第一物料出口与所述第二物料进口通过管线连接。
7.根据权利要求5所述的高效碳化反应系统，其特征在于，所述U型管结构体为U型管，所述U型管的一端设有所述第一二氧化碳气进口和所述第一物料进口，所述U型管的另一端设有所述第二物料出口。
8.根据权利要求1所述的高效碳化反应系统，其特征在于，所述第一反应管、所述第二反应管和所述第三反应管的外壁均包覆有保温层。
9.根据权利要求1所述的高效碳化反应系统，其特征在于，所述固液分离器包括罐体，所述罐体的底部设有所述结晶物料出口，所述罐体的下部一侧设有所述循环物料出口，所述罐体的下部另侧设有所述循环物料进口；所述罐体内部沿所述罐体的轴向设有进料管，所述进料管的进口端与所述循环物料进口连接；所述进料管的出口端高于所述循环物料出口。
10.根据权利要求1-4、6、7、8或9 任一所述的高效碳化反应系统，其特征在于，其还包括有氨母液Ⅱ桶、氨母液Ⅱ泵、碳化塔出料稠厚器、重碱带滤机、母液Ⅰ桶、母液Ⅰ泵和二氧化碳气体进气管线；所述氨母液Ⅱ桶的出料口与所述氨母液Ⅱ泵的进料口连接；所述氨母液Ⅱ泵的出料口与所述管式预碳化反应器的第一物料进口连接；所述二氧化碳气体进气管线分别与所述管式预碳化反应器的第一二氧化碳气进口和所述全混碳化反应器的第二二氧化碳气进口连接；所述全混碳化反应器的集料锥出口与所述碳化塔出料稠厚器的进料口连接；所述碳化塔出料稠厚器的物料出口与所述重碱带滤机的进料口连接；所述碳化塔出料稠厚器的母液出口与所述母液Ⅰ桶的进料口连接，所述母液Ⅰ桶的出料口与所述母液Ⅰ泵的进料口连接，所述母液Ⅰ泵的出料口与所述全混碳化反应器的第三物料进口通过管线连接。
11.根据权利要求5所述的高效碳化反应系统，其特征在于，其还包括有氨母液Ⅱ桶、氨母液Ⅱ泵、碳化塔出料稠厚器、重碱带滤机、母液Ⅰ桶、母液Ⅰ泵和二氧化碳气体进气管线；所述氨母液Ⅱ桶的出料口与所述氨母液Ⅱ泵的进料口连接；所述氨母液Ⅱ泵的出料口与所述第一物料进口连接；所述二氧化碳气体进气管线分别与所述第一二氧化碳气进口和所述全混碳化反应器的第二二氧化碳气进口连接；所述全混碳化反应器的集料锥出口与所述碳化塔出料稠厚器的进料口连接；所述碳化塔出料稠厚器的物料出口与所述重碱带滤机的进料口连接；所述碳化塔出料稠厚器的母液出口与所述母液Ⅰ桶的进料口连接，所述母液Ⅰ桶的出料口与所述母液Ⅰ泵的进料口连接，所述母液Ⅰ泵的出料口与所述全混碳化反应器的第三物料进口通过管线连接。
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