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[摘 要]在氨碱法生产工艺中， 氨盐水碳酸化过程是一个很重要的工序，它的操作状况和工艺指标不仅反映了技术和管理水平，而且对纯碱生产实现高产、 优质、 低耗及长周期平稳运行起重要作用。本文主要探讨了氨盐水碳酸化过程的工艺流程，同时分析了温度、压力、 氨盐比等因素对碳化过程的影响，为优化操作碳化塔提供了相关的参考，以供广大同仁学习交流。
[关键词]碳化塔 氨盐水 清洗塔 工艺流程
中图分类号：R540 41 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0014-02
引 言：在基本的化工原料中， 纯碱的用途十分广泛。它广泛应用于轻工、化工、国防、建材、冶金、纺织、造纸、等工业行业， 广泛应用于国民经济的各个方面， 一个国家的工业的发达程度， 往往以纯碱的产量和用量作为一个标志。
1.氨盐水碳酸化工艺流程
氨盐水的碳酸化一般分为 2步，在碳化塔内进行。第一步是伴随着清洗作业的氨盐水的预碳化；第二步是用碳化氨盐水制备碳酸氢钠晶浆。因此，碳化塔的作业因时间变化而有所不同。处于制碱期的碳化塔叫作制碱塔， 处于预碳化期的碳化塔叫作清洗塔。清洗塔具有清除制碱期积存的碱疤，同时使氨盐水溶解积碱并吸收清洗气 （窑气） 中的二氧化碳而起到预碳化的双重作用。具体工艺流程主要可以分为 3 步：
第一步清洗：由吸氨工段来的氨盐水通过成品氨盐水泵进入塔组中的清洗塔顶部 （27 圈），在塔内与清洗塔底圈来自压缩工段含 CO2 37%～40%的清洗气 （窑气） 逆流接触。一方面是将塔内的积碱和 NaHCO3 疤垢溶解，另一方面起到预碳酸化作用。氨盐水中的 CO2 含量因而逐渐增加， 从底圈出来的溶液称为预碳酸化液（中和水），温度在 45 ℃左右， CO2 含量在 55～65 tt 之间。用中和水制碱可以提高制碱塔的生产能力 5%～10%， 还可以使成品产量增加 2%～2.5%。
第二步制碱：由清洗塔塔底流进联络总管的中和水，通过中和水泵分别进入塔组中的制碱塔顶部（28圈），同时来自压缩工段含 CO2 37%～40%，温度 35～45 ℃的中段气 （窑气）和含 CO2 80%左右，温度28～35℃的下段气 （炉气） 分别进入碳化塔的中部 （5 圈） 和下部（底圈）。中和水在碳化塔中自上而下流动过程中，与上升的气体逆流接触， 逐渐吸收气体中的 CO2，达到过饱和后析出 NaHCO3 结晶，同时由于化学反应放热使得中部温度逐渐升高到 60～68 ℃，在碳化塔下部有 8 个冷却水箱， 用冷却水（循环水） 移走反应热。塔内液体下流过程中继续吸收 CO2， 同时生成较大的结晶。当塔内悬浮液到达塔底时，被冷却到 30 ℃左右，然后通过塔下出碱管自压至出碱槽后送入过滤工段进行固液分离。
第三步尾气洗涤：为了回收碳化塔顶和清洗塔顶出来的尾气中的 NH3 和 CO2，将来自碳化塔和清洗塔的尾气，通过塔顶进入尾气总管，进而流入碳化尾气净氨塔底部，同时来自盐水工段的精盐水进入碳化尾气净氨塔洗涤段顶部，在塔内向下流动， 与由塔底上升的碳化尾气逆流接触， 吸收碳化尾气中的 NH3 和 CO2。吸收后的溶液称为淡氨盐水，碳化尾气净氨塔底部出来的淡氨盐水送往吸氨工序，从净氨塔顶部出来的净氨尾气直接放空。
2.影响产率、效率和产品质量的因素
（1）碳化度：碳化度的理论值可以达到 200%，但受多种因素和条件的限制，实际生产中的碳化度一般只能达到 180%～190%。
（2）碳化塔的编组： 清洗时间长，换塔次数少，可以减少劳动力投入及因换塔带来的产量及原料损失；制碱时间长，塔的利用率就高，但易发生堵塞。每组中有一塔作为清洗塔，并将预碳化液分配给几个制碱塔碳化制碱。塔的编组有多种形式，最多的有八塔组合。塔组合数的多少和方法原则：清洗塔能清垢干净，换塔次数少，碳化制碱时间长。当塔的数量一定时，塔的制碱时间和清洗时间比例不变。
（3）反应温度： 碳化过程是一个复杂的物理化学过程，温度对其的影响是一个充满矛盾的综合因素。温度高虽然有利于二氧化碳与氨和氯化钠的反应速度，但是不利于氨盐水吸收二氧化碳，综合考虑，在开始时（即由塔的顶部往下） 液相反应温度逐步升高，中部 （约塔高的2/3 处）温度达到最高，再往下温度开始降低，但降温速度不易太快，以保持过饱和度的稳定，在塔的下部至接连底部的一段塔高内，降温速度可以稍快一些。因为此时反应速度已经很慢，过饱和度不大，降低温度可以提高产率。从保证质量，提高产量的角度出发， 塔内的温度分布应为上中下依次为低高低为宜。
（4）CO2 分压：为了适应生产过程和反应历程的需要，碳化进气为 2 段进气，即从塔底送入 CO2 质量分数为 80%左右的下段气，从塔的冷却段中部送入质量分数 40%左右 CO2 的中段气。这种进气排布更符合逆流原理，可以强化和提高吸收 CO2 的能力，提高碳化度和钠的转化率。实践证明，下段不宜采用 90%以上的纯炉气，应适当配以 40%左右 CO2 的窑气，使下段进气中CO2 的质量分数在 80%较为合适。因为进气中，CO2 质量分数降低，使进气量增大，塔板效率增加，碳化周期增长，转化率高而稳定。但下段进气量过大会使反应区下移，冷却水管结疤增多，反而缩短了碳化周期。因此维持进气中 CO2 质量分数在 80%左右可以提高转化率，保证产量稳定。
（5）氨盐比：氨盐水中含 NaCl 及自由氨浓度越高，则化学反应进行越完全，生成的 NaHCO3 越多，但 NH3与 Cl- 应有一定比例，出碱液中 NH3 与 Cl- 理论比例为1∶1。在碳化反应过程中，氨盐水中约有 10%～13.5%的氨被塔顶排出的尾气所带出（塔顶排气温度低， 被带出的 NH3 较少；反之则被带出的 NH3 较多）。故氨盐水中含 NH3 与 Cl- 之比应保持较高，正常在 1.13～1.19，同时要保持氨盐水温度在 38～42 ℃，才能达到较高的转化率。氨盐水中含游离氨 99～103 tt，含 Cl- 88～90 tt，含游離氨过低则 NaCl 转化率低，如果含游离氨过高则不但降低了 Cl- 的浓度及使 NH3 的转化率降低，而且会造成碳酸化制碱塔的 “堵塔”现象发生，因有大量的过剩NH4HCO3 生成结晶，使塔的内壁、菌帽和冷却管等堵塞。 （6）过饱和度及 NaHCO3 结晶：过饱和度对结晶过程起着重要作用，是晶核生长和长大的推动力，而碳化液在制碱塔中部之前极易形成 NaHCO3 的过饱和溶液，这里需要指出的是， 过饱和溶液是不稳定的，当温度降低时极易析出结晶，特别是过饱和溶液冷却过快时，极易产生大量的细晶体，在碳化过程必须极力避免。因此在实际生产中， 要将制碱塔内开始生成结晶时的温度（即中部温度）控制在 65 ℃左右，在塔中部以下，以调整冷却水量和控制适宜的中段气温度为重要手段，对碳化液进行较为平缓的冷却，以获得粗大均匀的结晶。只有制得颗粒粗大均匀的 NaHCO3 结晶，才能具有良好的过滤性能，减少洗水用量，降低溶解和穿透损失，而且能使煅烧处理能力增大，节省能源，便于包装和运输。如果结晶不好，往往难以过滤，导致物料损失大，能源消耗高，设备效率利用低，从而影响生产过程的顺利进行。
（7）碳化塔液面高度：碳酸化塔上部的液面應保持较高，距塔顶 0.8～1.5 m，出气温度应保持在 52 ℃以下，尾气 CO2 保持在 2%～8%。液面过高，会造成出气带液现象严重， 氨盐水损失增大，会使气液分离器液面过满，氨盐水进入尾气总管，会造成尾气总管生成NaHCO3 结晶，堵塞尾气总管。液面过低则出气 CO2 浓度高，使 CO2 损失加大，并使碳酸化塔容积利用系数降低，降低了碳酸化塔的生产能力。出气温度过高，则出气含 NH3高，塔顶氨损失大，造成 NaCl 转化率低。塔顶出气含 CO2 浓度应低于 8%，否则 CO2 损失大， 浪费了压缩机的生产能力； 出气含 CO2 浓度过低， 则碳酸化塔的生产能力不能充分发挥，并可使制碱塔的中部温度降低，不但降低了产量，而且使 NaCl 转化率降低。
（8）出碱温度： 碳化出碱温度一般维持在 28～30 ℃为宜，在这样一个合适的温度下， 可以在允许析出少量NH4HCO3 时析出较多较粗的 NaHCO3 晶体，氯化钠转化率得到提高， 产量也会相应增加；但温度过低会导致冷却水量大大增加，引起堵塔，缩短制碱周期，同时出碱温度主要由调节冷却水量来控制，调节时增减不宜过快过猛，特别是当冷却过快时会造成结晶细、多而堵塔。
3.结语
总之，碳化工序作为纯碱生产的关键工段之一，在纯碱生产过程中对产品的质量、消耗影响较大， 因此必须逐一优化工艺过程控制， 加强操作管理，消除生产工艺中存在的缺陷， 采用新设备、新技术，以稳定质量，降低消耗和能耗，提高企业在市场中的竞争力。
参考文献：
[1] 张海雄.试析纯碱生产蒸氨过程先进性控制策略[J].科技创业家.2014（06）.
[2] 范慧敏.浅析纯碱生产中的氨耗分布[J].内蒙古石油化工.2015（11）.
[3] 王晓冬.降低纯碱蒸氨废液浊度的试验研究[J].青海大学学报.2015（05）.
[关键词]碳化塔 氨盐水 清洗塔 工艺流程
中图分类号：R540 41 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0014-02
引 言：在基本的化工原料中， 纯碱的用途十分广泛。它广泛应用于轻工、化工、国防、建材、冶金、纺织、造纸、等工业行业， 广泛应用于国民经济的各个方面， 一个国家的工业的发达程度， 往往以纯碱的产量和用量作为一个标志。
1.氨盐水碳酸化工艺流程
氨盐水的碳酸化一般分为 2步，在碳化塔内进行。第一步是伴随着清洗作业的氨盐水的预碳化；第二步是用碳化氨盐水制备碳酸氢钠晶浆。因此，碳化塔的作业因时间变化而有所不同。处于制碱期的碳化塔叫作制碱塔， 处于预碳化期的碳化塔叫作清洗塔。清洗塔具有清除制碱期积存的碱疤，同时使氨盐水溶解积碱并吸收清洗气 （窑气） 中的二氧化碳而起到预碳化的双重作用。具体工艺流程主要可以分为 3 步：
第一步清洗：由吸氨工段来的氨盐水通过成品氨盐水泵进入塔组中的清洗塔顶部 （27 圈），在塔内与清洗塔底圈来自压缩工段含 CO2 37%～40%的清洗气 （窑气） 逆流接触。一方面是将塔内的积碱和 NaHCO3 疤垢溶解，另一方面起到预碳酸化作用。氨盐水中的 CO2 含量因而逐渐增加， 从底圈出来的溶液称为预碳酸化液（中和水），温度在 45 ℃左右， CO2 含量在 55～65 tt 之间。用中和水制碱可以提高制碱塔的生产能力 5%～10%， 还可以使成品产量增加 2%～2.5%。
第二步制碱：由清洗塔塔底流进联络总管的中和水，通过中和水泵分别进入塔组中的制碱塔顶部（28圈），同时来自压缩工段含 CO2 37%～40%，温度 35～45 ℃的中段气 （窑气）和含 CO2 80%左右，温度28～35℃的下段气 （炉气） 分别进入碳化塔的中部 （5 圈） 和下部（底圈）。中和水在碳化塔中自上而下流动过程中，与上升的气体逆流接触， 逐渐吸收气体中的 CO2，达到过饱和后析出 NaHCO3 结晶，同时由于化学反应放热使得中部温度逐渐升高到 60～68 ℃，在碳化塔下部有 8 个冷却水箱， 用冷却水（循环水） 移走反应热。塔内液体下流过程中继续吸收 CO2， 同时生成较大的结晶。当塔内悬浮液到达塔底时，被冷却到 30 ℃左右，然后通过塔下出碱管自压至出碱槽后送入过滤工段进行固液分离。
第三步尾气洗涤：为了回收碳化塔顶和清洗塔顶出来的尾气中的 NH3 和 CO2，将来自碳化塔和清洗塔的尾气，通过塔顶进入尾气总管，进而流入碳化尾气净氨塔底部，同时来自盐水工段的精盐水进入碳化尾气净氨塔洗涤段顶部，在塔内向下流动， 与由塔底上升的碳化尾气逆流接触， 吸收碳化尾气中的 NH3 和 CO2。吸收后的溶液称为淡氨盐水，碳化尾气净氨塔底部出来的淡氨盐水送往吸氨工序，从净氨塔顶部出来的净氨尾气直接放空。
2.影响产率、效率和产品质量的因素
（1）碳化度：碳化度的理论值可以达到 200%，但受多种因素和条件的限制，实际生产中的碳化度一般只能达到 180%～190%。
（2）碳化塔的编组： 清洗时间长，换塔次数少，可以减少劳动力投入及因换塔带来的产量及原料损失；制碱时间长，塔的利用率就高，但易发生堵塞。每组中有一塔作为清洗塔，并将预碳化液分配给几个制碱塔碳化制碱。塔的编组有多种形式，最多的有八塔组合。塔组合数的多少和方法原则：清洗塔能清垢干净，换塔次数少，碳化制碱时间长。当塔的数量一定时，塔的制碱时间和清洗时间比例不变。
（3）反应温度： 碳化过程是一个复杂的物理化学过程，温度对其的影响是一个充满矛盾的综合因素。温度高虽然有利于二氧化碳与氨和氯化钠的反应速度，但是不利于氨盐水吸收二氧化碳，综合考虑，在开始时（即由塔的顶部往下） 液相反应温度逐步升高，中部 （约塔高的2/3 处）温度达到最高，再往下温度开始降低，但降温速度不易太快，以保持过饱和度的稳定，在塔的下部至接连底部的一段塔高内，降温速度可以稍快一些。因为此时反应速度已经很慢，过饱和度不大，降低温度可以提高产率。从保证质量，提高产量的角度出发， 塔内的温度分布应为上中下依次为低高低为宜。
（4）CO2 分压：为了适应生产过程和反应历程的需要，碳化进气为 2 段进气，即从塔底送入 CO2 质量分数为 80%左右的下段气，从塔的冷却段中部送入质量分数 40%左右 CO2 的中段气。这种进气排布更符合逆流原理，可以强化和提高吸收 CO2 的能力，提高碳化度和钠的转化率。实践证明，下段不宜采用 90%以上的纯炉气，应适当配以 40%左右 CO2 的窑气，使下段进气中CO2 的质量分数在 80%较为合适。因为进气中，CO2 质量分数降低，使进气量增大，塔板效率增加，碳化周期增长，转化率高而稳定。但下段进气量过大会使反应区下移，冷却水管结疤增多，反而缩短了碳化周期。因此维持进气中 CO2 质量分数在 80%左右可以提高转化率，保证产量稳定。
（5）氨盐比：氨盐水中含 NaCl 及自由氨浓度越高，则化学反应进行越完全，生成的 NaHCO3 越多，但 NH3与 Cl- 应有一定比例，出碱液中 NH3 与 Cl- 理论比例为1∶1。在碳化反应过程中，氨盐水中约有 10%～13.5%的氨被塔顶排出的尾气所带出（塔顶排气温度低， 被带出的 NH3 较少；反之则被带出的 NH3 较多）。故氨盐水中含 NH3 与 Cl- 之比应保持较高，正常在 1.13～1.19，同时要保持氨盐水温度在 38～42 ℃，才能达到较高的转化率。氨盐水中含游离氨 99～103 tt，含 Cl- 88～90 tt，含游離氨过低则 NaCl 转化率低，如果含游离氨过高则不但降低了 Cl- 的浓度及使 NH3 的转化率降低，而且会造成碳酸化制碱塔的 “堵塔”现象发生，因有大量的过剩NH4HCO3 生成结晶，使塔的内壁、菌帽和冷却管等堵塞。 （6）过饱和度及 NaHCO3 结晶：过饱和度对结晶过程起着重要作用，是晶核生长和长大的推动力，而碳化液在制碱塔中部之前极易形成 NaHCO3 的过饱和溶液，这里需要指出的是， 过饱和溶液是不稳定的，当温度降低时极易析出结晶，特别是过饱和溶液冷却过快时，极易产生大量的细晶体，在碳化过程必须极力避免。因此在实际生产中， 要将制碱塔内开始生成结晶时的温度（即中部温度）控制在 65 ℃左右，在塔中部以下，以调整冷却水量和控制适宜的中段气温度为重要手段，对碳化液进行较为平缓的冷却，以获得粗大均匀的结晶。只有制得颗粒粗大均匀的 NaHCO3 结晶，才能具有良好的过滤性能，减少洗水用量，降低溶解和穿透损失，而且能使煅烧处理能力增大，节省能源，便于包装和运输。如果结晶不好，往往难以过滤，导致物料损失大，能源消耗高，设备效率利用低，从而影响生产过程的顺利进行。
（7）碳化塔液面高度：碳酸化塔上部的液面應保持较高，距塔顶 0.8～1.5 m，出气温度应保持在 52 ℃以下，尾气 CO2 保持在 2%～8%。液面过高，会造成出气带液现象严重， 氨盐水损失增大，会使气液分离器液面过满，氨盐水进入尾气总管，会造成尾气总管生成NaHCO3 结晶，堵塞尾气总管。液面过低则出气 CO2 浓度高，使 CO2 损失加大，并使碳酸化塔容积利用系数降低，降低了碳酸化塔的生产能力。出气温度过高，则出气含 NH3高，塔顶氨损失大，造成 NaCl 转化率低。塔顶出气含 CO2 浓度应低于 8%，否则 CO2 损失大， 浪费了压缩机的生产能力； 出气含 CO2 浓度过低， 则碳酸化塔的生产能力不能充分发挥，并可使制碱塔的中部温度降低，不但降低了产量，而且使 NaCl 转化率降低。
（8）出碱温度： 碳化出碱温度一般维持在 28～30 ℃为宜，在这样一个合适的温度下， 可以在允许析出少量NH4HCO3 时析出较多较粗的 NaHCO3 晶体，氯化钠转化率得到提高， 产量也会相应增加；但温度过低会导致冷却水量大大增加，引起堵塔，缩短制碱周期，同时出碱温度主要由调节冷却水量来控制，调节时增减不宜过快过猛，特别是当冷却过快时会造成结晶细、多而堵塔。
3.结语
总之，碳化工序作为纯碱生产的关键工段之一，在纯碱生产过程中对产品的质量、消耗影响较大， 因此必须逐一优化工艺过程控制， 加强操作管理，消除生产工艺中存在的缺陷， 采用新设备、新技术，以稳定质量，降低消耗和能耗，提高企业在市场中的竞争力。
参考文献：
[1] 张海雄.试析纯碱生产蒸氨过程先进性控制策略[J].科技创业家.2014（06）.
[2] 范慧敏.浅析纯碱生产中的氨耗分布[J].内蒙古石油化工.2015（11）.
[3] 王晓冬.降低纯碱蒸氨废液浊度的试验研究[J].青海大学学报.2015（05）.