外冷器换热效率监测在碳化塔热煮中的应用

李丹丹，王胜伟，王亮亮，蒋建红，张志强

(中盐昆山有限公司，江苏 昆山 215300)

中盐昆山有限公司是以纯碱为主要产品的化工生产企业，外冷式碳化塔作为重要的生产设备，共有10座塔，分二个塔组，每组四制碱一清洗，制碱96 h后转入24 h清洗，目前年生产能力可达80万t。在制碱过程中，碳氨Ⅱ与CO2在塔内反应后自然循环至外冷器产生过饱和溶液，通过调整外冷器出水阀开度控制塔内温降梯度，实现调控一次晶核生成速度及晶核生长速度，从而制得晶粒粗大NaHCO3晶体及其他成分的母液悬浊液，从塔底取出后经真空带滤机过滤、洗涤后，形成厚度均匀的滤饼进入煅烧炉高温热解为纯碱(Na2CO3)，分解出的CO2经压缩送入制碱塔，滤液经冷却结晶、分离干燥后制得氯化铵(NH4Cl)。在NaHCO3晶体的析出过程中，外冷器起到不可替代的作用，影响NaHCO3晶粒的大小及分布，进一步影响重碱水分以及煅烧蒸汽能耗[1]。

本公司外冷器冷却管采用钛材制作，结疤不易在冷却管内部聚集，但行业内普遍采用的是四制碱一清洗作业的生产模式，即72 h制碱24 h清洗，而本公司采用96 h制碱24 h清洗，制碱时间较长且清洗时间并未同步延长。因制碱作业时间的延长，黏晶以及单晶在塔内壁、筛板以及管壁上不断聚集，在倒塔操作时，清洗条件以及塔况的不同，致使清洗效果变差。因此，在运行一段时间后，碳化塔内壁以及冷却管内结疤现象屡见不鲜，使得碳化塔以及外冷器内部有效面积减少，造成碳化产量降低以及细晶增多，缩短制碱作业周期。

1 碳化塔清洗工艺存在的问题及解决措施

在制碱过程中，有结晶的析出，必然伴随着黏晶、单晶等结晶物质向塔内壁以及冷却管表面析出而产生结疤。如表1所示，碳化塔内部结疤以NaHCO3为主要成分，约占84.6%。结疤腐蚀碳化塔内壁、筛板以及外冷器冷却管，导致制碱效率下降，同时加剧了母液的湍流，促使二次晶核的生长，影响碳化结晶，进一步影响纯碱成品粒度，降低客户满意度。

表1 碳化塔内部结疤成分含量

本公司碳化塔常规采用的清洗介质为吸氨后的热氨Ⅱ母液，温度控制在30～35 ℃，清洗过程为热氨Ⅱ在氮气的鼓动下清洗碳化塔后进入中和水桶，形成碳氨Ⅱ母液，经过滤及换热后进入制碱塔制碱。在生产中有时为了控制进入制碱塔的碳氨Ⅱ温度在合理的工艺指标范围内，清洗作业时将外冷器出水阀开度控制在20%～50% ，热氨Ⅱ不能充分溶解塔壁以及冷却管结疤，清洗效果变差，外冷器换热面积减少，换热效率相应地下降。冷却管结疤易导致局部过冷或者过饱和[2]，对碳化结晶极为不利，因此必须采用热煮碳化塔的手段来解决结疤问题。本文通过监测外冷器换热效率，判断碳化塔是否需要热煮，从而增加外冷器换热面积，改善碳化结晶。

外冷器换热效率是评价其传热性能好坏的一项重要指标，一些文章[3,4,5]对换热器换热效率进行了大量的基础研究验证，并对换热效率η定义为实际传热Q实际与理论上的最大传热量Q最大之比，即：

(1)

其中，Q实际为外冷器实际可传递热量；Q最大为理想最大可传递热量；W为母液流量；Cp为母液比热容；T1/T2分别为母液进出外冷器的温度；t1/t2分别为循环冷却水进出外冷器的温度。

根据换热器换热效率公式(1)，在综控DCS操作画面上进行了组态设计，实时显示外冷器换热效率，便于监测外冷器的换热性能，从而判断碳化塔以及外冷器的工作性能。实施案例如图1所示，在制碱作业后期，换热效率不断下降，说明冷却管内部产生较多的结疤，需要及时进行热煮，改善外冷器换热性能。

图1 换热效率曲线及

2 换热效率的监测

根据外冷器冷却管内外冷热流体之间的换热效率，判断冷却管内部析出结晶结疤的情况，为是否启用热循环水热煮碳化塔提供重要参考。如表1所示，通过调查A塔外冷器(a)月周期制碱作业换热效率发现，整个作业周期尤其是作业后期，A塔换热效率较低，应当及时进行通管冲洗恢复换热性能。此外，表1足以说明碳化塔在长期制碱作业下，使用常规的AⅡ清洗对于提高碳化塔外冷器换热效率的幅度有限，因此需要进行热煮清除冷却管内的结疤。实施热煮时，利用废淡液板式换热器加热洗塔水，提高水温，降低蒸汽能耗，增加塔内壁、筛板及冷却管结疤的溶解度，快速恢复外冷器换热效率，提高碳化结晶质量。

在外冷器换热效率得到保障下，常规的AⅡ清洗配合热煮碳化塔表现出较强的优势。在96 h制碱作业周期内，外冷器换热效率基本保持不变，且能够在多个制碱周期内稳定在90% 以上的换热效率。在连续多个制碱作业周期内换热效率基本保持不变，主要优势体现在以下几个方面。

1)安全环保上，碳化塔常规采用热AⅡ清洗，根据换热效率决定是否需要热煮，以改善碳化结晶。热煮后的洗塔水回收至联碱生产系统作为补液，既不破坏系统母液和水平衡，也避免了含氨等废液的排放等问题，实现环保与降本增效双赢。

2)能源消耗上，利用废淡液板式换热器加热洗塔水至50 ℃左右，通入少量1.4 MPa蒸汽维持水温在60 ℃，不需要消耗大量的蒸汽热能，便可提高洗塔水水温，大大降低了能耗，同时也能够节约洗水加热的时间，缩短煮塔时间，节约运行成本。

3)产品质量上，碳化塔进行热煮后，外冷器内部结疤得到有效地去除，提高了碳化塔以及外冷器内部有效面积，从而提升了外冷器换热效率，使得出碱温度可调控。原出碱温度一直保持在39 ℃以上。而由于换热效率可监测，将出碱温度调整至38 ℃以上，运行2～3个制碱周期。经连续试运行后，外冷器换热效率仍较高，碳化结晶质量以及产量在原有的基础上得到了提升，重碱水分以及煅烧汽耗进一步降低，纯碱日均产能得到提高，单塔纯碱日产量可达到300 t/d以上。

3 经济效益测算

煮塔洗水用量200 m3，水的比热4.18 kJ/(kg·℃)，1.4 MPa蒸汽焓值2 788.4 kJ/kg，蒸汽按目前市场价155元/吨计算。200 m3洗塔水温度由25 ℃升至60 ℃，需要的1.4 MPa蒸汽量为：200×4.18×(60-25) / (2788.4-4.18×60)=11.53 t；同理，200 m3洗塔水温度由50 ℃升至60 ℃，需要的1.4 MPa蒸汽量为3.29 t ，则实施一次洗塔可节约蒸汽成本为：(11.53-3.29)×155=1 277.2元/t。

4 结 论

换热效率的计算组态，能够较好地监控外冷器换热性能以及塔况，针对碳化生产中出现的问题及时调整工艺策略，如母液进液温度居高不下、循环冷却水进出口温差小等问题，结合效率曲线表可判断碳化塔及外冷器工作情况，适时进行热煮，为纯碱生产提供可行性操作，使碳化结晶粒度得到可控。虽热煮碳化塔能够有效去除塔内壁、筛板以及外冷器接管内结疤，但热煮不仅需要消耗蒸汽热能，而且造成系统水膨胀，故不能常用。因此，换热效率的监测能判断热煮是否需要投用，使热煮发挥最大的经济效益，做到既不破坏系统水平衡，又能达到环保要求，改善碳化塔塔况，提高碳化结晶，降低重碱水分以及煅烧蒸汽能耗，为公司降本增效提供有力保障。