第35卷第3期化學(xué)工程Vol 35 No. 32007年3月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)Mar.2007導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板在低溫甲醇洗裝置中開發(fā)應(yīng)用劉繼東!,張競平,李春利,呂建華,王志英(1.河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,天津300130;2.天津市普萊特科技發(fā)展有限公司,天津300384摘要:根據(jù)合成氨變換氣脫硫塔擴產(chǎn)50%的要求開發(fā)出一種導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板( CTST8)。對導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板的流體力學(xué)性能研究表明新塔板具有板壓降低、氣液二相通量大、抗堵塞能消泡等技術(shù)特點。對擴產(chǎn)50%的低溫甲醇洗脫硫塔內(nèi)的水力學(xué)參數(shù)進行了核算,結(jié)果表明,擴產(chǎn)后的操作參數(shù)均處于導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板正常操作范圍之內(nèi)。將導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板應(yīng)用于山西天脊集團變換氣脫硫塔的擴產(chǎn)改造,達到了擴產(chǎn)50%的要求,取得了良的效果。塔頂出口氣相中(H2S)≤2x10°,q(CH2OH)≤3×10-4,全塔阻力小于0.08MPa關(guān)鍵詞:導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板;流體力學(xué);甲醇洗;脫硫中圖分類號:TQ053.5文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1005-9954(2007)0300100Development and application of combined trapezoid spray trayin the Rectisol purification systemLIU Ji-dong', ZHANG Jing-ping, LI Chun-li, LU Jian-hua, WANG Zhi-ying(1. School of Chemical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China2. Tianjin Plate Science and Technology Development Co. Ltd, Tianjin 300384, China)Abstract: A new type of the combined trapezoid spray tray CtST-8)was developed for desulphurization inRectisol purification system. Some hydrodynamics of the new tray were concerned. The results show that the nevtray has some advantages such as lower pressure drop, higher flux, anti-blocking and better anti-foaming, etcHydraulics parameters of the desulfurization column expanded by 50% were simulated. It shows that all theoperation parameters after expansion are within the limit of normal operation of CTST-8. When the new tray wasused in the desulfurization column of Rectisol purification system in Shanxi Tianji Coal Chemical Industrial CoLtd, the aim of enlarging the production scale (expanded by 50%)was achieved. In the overhead gas phaseφ(H2S)i≤2×10-6,(CH1OH)is≤3×10-‘, and the pressure drop of total column is less than0.08MPaKey words: CTST-8; hydrodynamics; Rectisol; desulphurization在合成氨生產(chǎn)中,變換氣脫硫是必不可少的凈低、吸收劑用量高、操作不穩(wěn)定以及帶液、硫堵現(xiàn)象化工序。脫硫塔是凈化系統(tǒng)中的一個重要設(shè)備,它嚴(yán)重等一系列問題。已經(jīng)嚴(yán)重影響企業(yè)的擴產(chǎn)、節(jié)的主要作用是將原料氣中的H2S和有機硫脫除,使能、環(huán)保和降低成本,成為提高生產(chǎn)能力的瓶出口氣體中含硫體積分?jǐn)?shù)滿足工藝條件的要求。低頸。急需開發(fā)出新型大通量高效、節(jié)能塔器。溫甲醇洗脫硫凈化技術(shù)因其氣體凈化度高、選擇性好而廣泛應(yīng)用于合成氨、合成甲醇和其他羰基合成、1導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板的開發(fā)制氫、城市煤氣和天然氣等氣體凈化裝置中-3)。1.1導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板的結(jié)構(gòu)特點目前應(yīng)用的變換氣脫硫塔型式較多,有空塔、半在立體傳質(zhì)塔板(CTST)的理論研究和應(yīng)用基空塔、泡罩塔、浮閥塔、旋流板塔、散裝填料塔、規(guī)整礎(chǔ)上,針對脫硫塔壓降低、易堵塞、易發(fā)泡的特點填料塔、湍球填料塔、復(fù)合塔等,但大多數(shù)處于20世和擴能改造的需要,開發(fā)出導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板紀(jì)50-60年代水平,存在阻力大、處理量小、效率(CTST8)。導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板保留了立體傳質(zhì)塔作者簡介:劉繼東(1973-),男副教授,研究方向為傳質(zhì)與分離過程、流體力學(xué),E-mail:liy@163.com;李春利,通訊聯(lián)系人,Emalcletst@163.com劉繼東等導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板在低溫甲醇洗裝置中開發(fā)應(yīng)用11板的梯形罩體結(jié)構(gòu)對罩頂部分作了改進,在原分離超過20(m/s)(kg/m3)2,而CTST8空塔動能因板上開孔并增加了導(dǎo)向板,其結(jié)構(gòu)示意見圖1。子可達3.0(m/s)(kg/m3)2以上。這就為提高脫硫塔凈化氣處理能力和有效控制帶液提供了保障。0.150.06圖1CTT8帽罩結(jié)構(gòu)示意圖I Schematic diagram of CTST-8 structure2.63.0343.81.2導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板的流體力學(xué)性能導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板的流體力學(xué)性能實驗在直徑圖3導(dǎo)向噴射塔板霧沫夾帶變化曲線為600mm的有機玻璃實驗塔內(nèi)進行。實驗塔溢流Fig 3 Entrainment curve of CTST-8堰長420mm,堰高30mm,塔內(nèi)設(shè)氣體分布板和霧沫捕集器。實驗板上排列3個帽罩,塔板開孔率將實驗數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到下列關(guān)系式:e,=7.156×10"2F1叫h26(2)10%。實驗研究了塔板的以下幾項流體力學(xué)性能。(3)漏液Q1(1)濕板壓降A(chǔ)p從圖4可以看出,導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板的漏液點由于導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板將立體傳質(zhì)塔板頂部分比立體傳質(zhì)塔板又有所降低。其主要原因是分離板開孔,使罩內(nèi)氣液二相出罩阻力有所減小,所以離板開孔后,有效降低了罩內(nèi)壓力更有利于液體提板壓降降低,有利于節(jié)約能耗。圖2是CTST8的板升,減小了漏液的可能性(因為罩內(nèi)壓力是造成漏壓降變化情況。與其他類型塔板壓降變化趨勢相液的一個重要原因)。漏液點的降低進一步增大了近,濕板壓降隨板孔動能因子F和板上液層高度塔板的操作彈性,有利于塔的穩(wěn)定操作。hL的增加而增大,變化趨勢也比較平穩(wěn)。2圖4導(dǎo)向噴射塔板漏液量變化曲線圖2導(dǎo)向噴射塔板板壓降變化曲線Fig. 4 Weeping curve of CTST-8Fig 2 Total pressure drop of CTST-8從以上導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板的流體力學(xué)性能可以將實驗數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)得到看出,CTST8不僅保留了立體傳質(zhì)塔板具有自沖刷A.=259×1op+910n.(1)能力(抗堵)和消泡能力外,其他流體力學(xué)性能也有所改善。(2)霧沫夾帶e圖3給出了導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板的霧沫夾帶e的2導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板在低溫甲醇洗脫硫塔中的應(yīng)變化情況?？梢?在空塔動能因子F低于2.2時霧用沫夾帶量幾乎為0。一般情況下CTST8的氣相操山西天脊煤化工集團(原山西化肥廠)由于合作上限由霧沫夾帶控制,其上限與CTNT相近?。成氨擴產(chǎn)的需要,計劃低溫甲醇洗裝置中的脫硫塔與F1型浮閥板相比,若以1kg氣體夾帶0.1kg液在原塔徑及塔內(nèi)固定件不變的前提下,采用先進的體作為氣相操作上限,F1型浮閥空塔動能因子不會塔盤技術(shù)達到擴產(chǎn)50%目的。化學(xué)工程200年第35卷第3期2.1原塔基本結(jié)構(gòu)尺寸及改造工藝條件變換氣脫硫塔塔徑2350mm,裝有81層浮閥塔板塔板間距為40m,液流型式為雙溢流。操作壓力2.5MPa,操作溫度-30℃。變換氣經(jīng)預(yù)洗y(脫除粗煤氣中的輕油、氫氰酸、水等雜質(zhì))后進入上下限E脫硫塔,用-30℃的甲醇1.69×103kg/h吸收脫除硫化氫和有機硫。原設(shè)計處理變換氣量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下約120000m3/h。要求改造后變換氣的處理量增加圖5板孔/空塔動能因子核算結(jié)果到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下180000m3/h,同時要求塔出口氣相5 Simulated results of Fr and Fo中p(H1S)≤2×10-6,p(CH3OH)≤3×10-,全塔壓降小于0.08MPa。此外該塔是在高壓、低溫狀態(tài)下運行,改造過程中塔內(nèi)不允許有任何焊接操作。霧連夾帶2.2擴產(chǎn)后塔內(nèi)水力學(xué)模擬計算根據(jù)山西天脊集團提出的改造要求及工藝條800001沫夾帶或漏液限件,對擴能前后脫硫塔內(nèi)的塔板水力學(xué)進行了計算機模擬,見表1。表1改造前后操作參數(shù)比較0.0001Table 1 Comparison of hydraulics parameters圖6霧沫夾帶、■液、板壓降核算結(jié)果數(shù)改造前①改造后Fig 6 Simulated results of e,. QL and Apw變換氣量/(m3h)120975l83243甲醇量/(kg·h-1)1.69×1031.69×105F1/(m·s-1kg"2·m2)1.43降液管內(nèi)清液層高度☆降液管液體停留時間48/7348/73(中間兩側(cè))o000a112帶液情況較輕嚴(yán)重帶液板壓降/Pa750-950970-1180①表中改造前后數(shù)據(jù)均是針對于浮閥板;②標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下。10152025根據(jù)表1的水力學(xué)數(shù)據(jù)計算結(jié)果可以看出,在圖7降液管核算結(jié)果處理量提高50%的情況下,塔內(nèi)氣相空塔動能因子Fig. 7 Simulated results of ha and td達到215左右,已經(jīng)超出了浮閥塔板的正常操作上限,板壓降也大幅度增加。由于板壓降增加,降液管ooooO液體下流阻力增大,使降液管液層高度已經(jīng)超過了塔板間距,造成淹塔。所以在保持原有浮閥塔板不變的基礎(chǔ)上進行擴能是不可能的,必須選用性能更為優(yōu)越的塔板才能完成擴改任務(wù)?！鳌鳌鳌鳌鳌鳌鳌鳌鳌鳌鳌鳌鳌鳌鳌鳌鳌鳌鳌鳌鳌鳌鞲鶕?jù)上述操作條件,開發(fā)出了CIST8型塔板在大量塔板流體力學(xué)實驗的基礎(chǔ)上,為天脊集團提10152025供了切實可行的改造方案。在脫硫塔外殼、塔板數(shù)、圖8塔板溢流強度核算結(jié)果支撐件和降液管均不變的條件下,僅用CTST8型塔Fig8 Simulated results of q.板替代原浮閥塔板,實現(xiàn)脫硫塔擴產(chǎn)50%的目標(biāo)應(yīng)用CTsT8型塔板改造后塔內(nèi)的水力學(xué)數(shù)據(jù)見圖從以上水力學(xué)數(shù)據(jù)可以看出,改造后脫硫塔內(nèi)的各項指標(biāo)均在CTsT8的正常操作范圍之內(nèi),使用劉繼東等導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板在低溫甲醇洗裝置中開發(fā)應(yīng)用13CTST代替原浮閥塔板完全可以在不改變塔體的體中p(H2S)≤2×106,p(CH3OH)≤3×10-,全情況下達到變換氣處理量提高50%的能力。塔壓降小于0.08MPa的指標(biāo)。2.3實際應(yīng)用結(jié)果經(jīng)過技術(shù)改造后的合成氨變換氣低溫甲醇洗脫符號說明:硫塔一次開車成功已通過改造所要求的氣量。經(jīng)g重力加速度,m/檢測分析,塔出口氣相中φ(H2S)<2×10°,h4降液管液層高度,mmp(CH3OH)<3×104,全塔壓降小于0.08MPa,完h1板上清液層高度,mm全滿足了擴產(chǎn)要求的指標(biāo)。調(diào)試過程中,脫硫塔在N-理論板變換氣處理量增加到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下19000m3/h時Q漏液量m3/h仍能穩(wěn)定運行,充分顯示了CTsT8塔板的優(yōu)越性q溢流強度,m3/(m·h)能t4降液管停留時間,s山西天脊集團的擴產(chǎn),是國內(nèi)大化肥裝置首次pe氣相密度,kg/m3對引進低溫甲醇洗脫硫塔進行改造。實踐證明,p液相密度kg/m3CTST8型塔板完全可替代國外技術(shù)及產(chǎn)品。低溫甲醇脫硫塔的改造成功,充分體現(xiàn)出 CTST塔板處參考文獻理能力大塔板效率高、阻力低霧沫夾帶小等特點。[1謝倫宏填料旋流板復(fù)合脫硫塔的設(shè)計與應(yīng)用[J中同時該塔板還可應(yīng)用于脫碳塔、再生塔等設(shè)備中,為氮肥,1999,(6):48-50以后同類型裝置的擴產(chǎn)及新建裝置的國產(chǎn)化奠定了[2]張振歐合理改造合成氨廠的傳質(zhì)設(shè)備[J]化肥設(shè)基礎(chǔ)。計,2005,43(2):51-52[3]陳立包宗宏低溫甲醇洗裝置的擴能改造設(shè)計[刀]3結(jié)論煤炭轉(zhuǎn)化,2005,28(2):92-96根據(jù)山西天脊集團低溫甲醇洗系統(tǒng)脫硫塔增加[4]亢萬忠,唐宏青低溫甲醇洗工藝技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展處理量50%的要求開發(fā)出一種新型導(dǎo)向立體傳質(zhì)[J].大氮肥,199,2(4):259-262.塔板(CTST8)。對導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板的流體力學(xué)51劉寶菊,目惠生化肥廠氣體凈化裝置擴產(chǎn)改造的研究[J].天津化工,2002,16(6):32性能研究表明,新塔板的壓降比傳統(tǒng)立體傳質(zhì)塔板(CIST)有所降低;漏液點也比傳統(tǒng)立體傳質(zhì)塔板6]劉寶彥,劉金江孫慶軍鼓泡式脫硫塔在合成氨生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].中氮肥,2001,(1):24-25低。通過實驗數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到了計算導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔]劉繼東呂建華,張競平,等新型立體傳質(zhì)塔板及其板的濕板壓降和霧沫夾帶的關(guān)聯(lián)方程。流體力學(xué)性能[J].化工學(xué)報,2005,56(6):1144將導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板用于山西天脊集團低溫甲1149醇洗系統(tǒng)脫硫塔的擴產(chǎn)改造,順利完成了脫硫塔中[8]李春利,于文奎李柏春等CIST塔板的性能與工業(yè)變換氣處理量提高50%的要求,而且滿足了出塔氣應(yīng)用[J].煉油,2000,5(1):51-57