2011,21(5)張信等低溫甲醇洗工藝CO2嗄收塔塔板的設(shè)計選型低溫甲醇洗工藝CO2吸收塔塔板的設(shè)計選型張信·北京航天萬源煤化工工程技術(shù)有限公司蘭州分公司蘭州730050龔麒錦上海安諾其紡織化工股份有限公司上海201703摘要利用熱力學(xué)模型和通用流程模擬軟件,分三段模擬CO2吸收塔,并結(jié)合水力學(xué)計算軟件確定各段采用的塔板型式關(guān)鍵詞低溫甲醇洗CO2吸收塔 BDH MVG隨著石化裝置朝著大型化和精細化方向發(fā)展,CO2和殘留的H2S,并控制入塔甲醇與變換氣流量節(jié)能和滿足產(chǎn)品純度的要求已成為衡量塔設(shè)備性比例。由于在吸收CO2過程中要釋放熱量,使甲能的主要因素,而塔板的性能直接關(guān)系到裝置的醇溫度升高,因此甲醇在沿塔流下時需要冷卻:處理能力和產(chǎn)品的純度。基于這種情況,近年來,塔下部經(jīng)EA2204被來自氣提塔的低溫甲醇冷卻;國內(nèi)外對新型塔盤的研究非?；钴S。圍繞節(jié)能和塔中部經(jīng)EC2202被氨冷劑冷卻。脫除CO2和H1S高效的要求,研究者在擴大操作彈性、改善液氣后的凈化氣由塔頂排出。分布、提高板效率、降低壓降和增加塔盤穩(wěn)定性利用熱力學(xué)模型以及通用的流程模擬軟件模等方面做了大量研究工作并取得了一系列進展,擬CO2吸收塔,工藝流程見圖1。相繼推出一些綜合性能較好的浮閥和固閥塔板,并得到工業(yè)化的應(yīng)用。這些塔板主要有利用導(dǎo)向氣量作用降低液面梯度和壓降的導(dǎo)向浮閥塔板、順排導(dǎo)向的條形塔板、大通量的Nye塔板、改進降液管和增設(shè)鼓泡器的 Triton塔板、Bi-frac塔板,以及國內(nèi)開發(fā)的ADVr微分浮閥塔板(2和HrV船型浮閥塔板等。低溫甲醇洗工藝是由德國林德公司和魯奇公司在20世紀50年代共同開發(fā)的氣體凈化方法。該工藝采用低溫甲醇為吸收劑的物理吸收方法將原料氣C-2202Th中的H2S和CO2等高濃度酸性氣體除去,適用于以還小以C-220煤、重油或瀝青等重質(zhì)烴類為原料的合成氨、合成EC=2298甲醇、煤制油和城市煤氣等氣體凈化3,。圖1CO2吸收塔工藝流程圖某工程為國內(nèi)第一套以煤為原料,單套裝置在模擬時,把CO2吸收塔分成三段:C能力為600k/a合成氨。CO2吸收塔是低溫甲醇洗2202A、C2202B、C2202C。冷的貧甲醇經(jīng)塔頂自工藝流程中的核心設(shè)備,設(shè)計合理可靠的吸收塔上往下,脫硫氣經(jīng)塔底進入吸收塔。主要物料流關(guān)系到凈化裝置的節(jié)能和效率。由于項目變換氣量及物理性質(zhì)見表l。氣量大、CO2含量高、塔的操作工況波動較大,因2高效BDH條形塔板此,必需選擇處理能力強、操作彈性大和塔板壓降低的高效塔板。獨特的矩形閥設(shè)計使BDH條形浮閥塔盤不同1工藝流程及設(shè)計數(shù)據(jù)于傳統(tǒng)的浮閥塔盤。其閥與液流方向平行,使液流無障礙地通過塔板,并降低液漏,其結(jié)構(gòu)示意脫硫氣在CO2吸收塔中被低溫甲醇洗滌除去見圖2。·張信:助理工程師。2009年畢業(yè)于大連理工大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè)獲碩士學(xué)位。主要從事煤化工工程設(shè)計工作。聯(lián)系電話:(0931)2662129,E-mail;xinzhangnanogmail.comCHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工設(shè)計2011,21(5)表1物料流量和物理性質(zhì)物料號氣體流量,kg/h287548354010.0000.000氣相密度,kg/m330.37396.67810.00000.0000MVG粘度,10-Pa·s134020.97590.000.000液體流量,kgh0.0000.00008697156175680.00000.0000925.859892.0270液相圖3MVG固閥結(jié)構(gòu)示意圖表面張力,mN/m0.00000.000026.916330.2215粘度,×105Pa·s0.00000.00001.3706250.1310MVG固閥有以下優(yōu)點:①由于氣體向兩側(cè)釋放,霧沫夾帶量更低,并降低了泡沫層的高度②有效改善氣液兩相的接觸,具有很高的機械穩(wěn)定性,且沒有活動部件,避免磨損;③具備良好的抗堵特性。與BDH條形浮閥相比,MVG固閥的處理能力大,塔板壓降低,但是操作彈性較小。4計算結(jié)果與討論4.1C2202C塔段塔板結(jié)構(gòu)及水力學(xué)計算圖2BDH條形浮閥結(jié)構(gòu)示意圖在低溫甲醇洗工藝系統(tǒng)中,貧甲醇溫度越低,與傳統(tǒng)的圓形浮閥比較,BDH條形浮閥塔盤對CO2等酸性氣體的吸收能力越大。根據(jù)通用軟不僅可以提高分離效率和處理能力,而且還有更件流程模擬結(jié)果可以看出,CO2吸收塔的C段的貧多的優(yōu)點:①由于氣液向兩側(cè)釋放,使液流無障甲醇溫度是最低的。因此,C段是整個塔主要的吸礙地通過塔板,提高了操作彈性;②在閥的穩(wěn)定收位置,此段脫硫氣中CO2濃度變化最大,也就性方面,寬浮閥支腳和閥位方向的固定,可減少是說C段的操作工況的變化最大,需要操作彈性安裝和操作中的損壞。更好的塔板。而A、B段的氣體流量和液體流量比3MvG固閥塔板C段高,因此需要處理能力更大的塔板。利用塔盤專利商的流體力學(xué)計算軟件,分別MVG固閥一般是由塔板整體沖壓而成,結(jié)構(gòu)對C段采用高效BDH條形浮閥塔板和MVG固閥簡單,制造方便,特別適用于物系較臟、易堵塞塔板進行了模擬。BDH條形浮閥塔板的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和易結(jié)焦的場合,其結(jié)構(gòu)示意見圖3。見表2,其流體力學(xué)數(shù)據(jù)見表3。表2BDH條形浮閥塔板結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表溢流塔板間距塔板開孔率降液管面積側(cè)堰總長出口堰高降液管底隙程數(shù)(mm)(%)閥升程mm6.1423.9.52479表3BDH條形浮閥塔板流體力學(xué)數(shù)據(jù)表負荷范圍,%11040C段上部C段下部C段上部C段下部C段上部C段下部有效容量26.529.215.4噴射液泛率,%降液管液泛率,%66.2865.78干板壓降,mmH2O塔板壓降,mbar7.318.692011,21(5)張信等低溫甲醇洗工藝CO2吸收塔塔板的設(shè)計選型MⅤG固閥塔盤的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見表4,其流體力學(xué)數(shù)據(jù)見表5。表4MvG固閥塔板結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表塔徑塔板間距塔板開孔率降液管面積閥升程側(cè)壩總長出口堰高降液管底隙mm42003046.1423.149.555表5MVG固閿塔板流體力學(xué)數(shù)據(jù)表負荷范圍,%110塔段C段上部C段下部C段上部C段下部C段上部C段下部有效容量37.3噴射液泛率,26降液管液泛率,%34堰溢流強,m3′(h·m)88.3597.9297.18107.7I35.3439.17干板壓降,mmH2O18.270.932.42塔板壓降8.14表3和表5中的有效容量是 Nutter Engineering不能保證良好的塔板效率。公司提出的參數(shù):伴隨著塔氣相速率的增加,會從以上分析可以看出,MVG塔盤雖然在塔盤出現(xiàn)拐點,當(dāng)氣相速率超過此拐點后,由于霧沫壓降以及處理能力方面比較好,但是由于它的操夾帶的不利影響,塔板效率會快速降低。位于此作彈性小,不適宜在C段采用,故采用性能較好拐點時氣相速率和液相速率的數(shù)學(xué)函數(shù)定義為的BDH條形浮閥塔板。100%有效容量。在塔盤設(shè)計時,有效容量一般在4.2c2202AB塔段塔板結(jié)構(gòu)及水力學(xué)計算10%~95%。有效容量低于10%,說明塔盤的操作氣速較低,塔盤處于泄漏狀態(tài),氣液接觸不充與C段相比,AB段氣相和液相流量明顯增分,傳質(zhì)相際界面較低,從而使塔盤效率受到嚴加,且酸性氣體的濃度變化不大,適合采用干板重影響。而有效容量值高于95%,塔板上的返混壓降更小,具有較高機械穩(wěn)定性和處理能力的和塔板間的霧沫夾帶造成塔板效率明顯降低。另MYG固閥塔盤。外,根據(jù)以往的工程經(jīng)驗,在操作的干板壓降為水力學(xué)計算顯示,A段MVG塔板結(jié)構(gòu)完全可762-80.12mbar,壓降低于7.62mbar容易漏液。以同時滿足氣液相40%~110%的操作彈性范圍。(1)C段采用BDH塔板的水力學(xué)計算結(jié)果顯對于氣相鼓泡區(qū)內(nèi)最大噴射液泛值為54%,滿足示,在40%-10%的操作負荷變化范圍內(nèi),鼓泡霧沫夾帶不超過10%的塔設(shè)備設(shè)計上限。降液管區(qū)內(nèi)最大噴射液泛值為29%,降液管液泛率最大液泛率最大值為50%,亦能實現(xiàn)降液管氣液相的值為31%,塔板壓降最大值為8.6mar,結(jié)果滿分離,防止降液管氣相夾帶。塔板壓降最大值為足設(shè)計要求。有效容量的變化值為10.6%8.10mbar,在允許的壓降范圍內(nèi)。42.2%,說明BDH塔盤的操作彈性較好,在很大相對于A段,B段氣相和液相流量都相對較的負荷區(qū)間內(nèi)都能保持良好的塔板效率。低,為了使閥孔動能因子保持在合理的數(shù)值,盡2)C段釆用MvG塔盤,并且塔盤的結(jié)構(gòu)與量使浮閥在操作工況下處于剛剛?cè)_狀態(tài),適當(dāng)BDH塔板一致,水力學(xué)計算結(jié)果顯示,在40%~降低B段的開孔率為8.4%,其余塔板結(jié)構(gòu)不變。110%的操作負荷變化范圍內(nèi),鼓泡區(qū)以及降液管水力學(xué)計算顯示,B段鼓泡區(qū)內(nèi)最大噴射液泛值為內(nèi)的液泛值在合理的范圍內(nèi)。從干板壓降可以看38%,降液管液泛率最大值為40%,塔板壓降最出,MvG塔板比BDH塔板的壓降小,從而可以節(jié)大值為7.71mbar,結(jié)果滿足設(shè)計要求。省操作費用;但是在40%操作工況下,MVG的干5結(jié)語板壓降低于7.62mbar會使液相發(fā)生泄漏。另外從表3和表5可以看出,MVG塔板的有效容量比(1)根據(jù)該工程CO2吸收塔處理量大、負荷與之對應(yīng)工況下BDH塔板的有效容量低,但是在變化大的特點,選擇兩種高效專利塔板。40%操作工況下,MVG塔板有效容量為94%,也(下轉(zhuǎn)第6頁6CHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工設(shè)計2011,21(5)響,本文對天然氣、煤、氣煤聯(lián)產(chǎn)三種原料路線從表6可以看出,天然氣生產(chǎn)甲醇的運行成本的空分裝置和甲醇工藝裝置進行了投資的比較,最高,氣煤聯(lián)產(chǎn)裝置和純煤頭的運行成本基本見表5。相當(dāng)。表5天然氣、煤、氣煤聯(lián)產(chǎn)甲醇的投資估算(萬元)天然氣氣煤聯(lián)產(chǎn)5結(jié)語天然氣轉(zhuǎn)化工序149000煤氣化工序154000綜上所述,氣煤聯(lián)合生產(chǎn)甲醇無疑是一種較變換/脫硫脫碳工序48500優(yōu)的甲醇合成路線,在本文的比較前提下具有如硫回收工序5750甲醇合成+精餾工序91500下優(yōu)勢:空分1)氣煤聯(lián)產(chǎn)很好地實現(xiàn)了氫碳互補,用天244500489000然氣轉(zhuǎn)化更多的氫來補充水煤氣中碳之過量。從表5可知,氣煤聯(lián)產(chǎn)裝置的投資居中。2)氣煤聯(lián)產(chǎn)可以節(jié)省原料,最大限度地多4經(jīng)濟性產(chǎn)甲醇。在12.4%的煤氣CO變換率下,可以多產(chǎn)17%的甲醇。對天然氣、煤、氣煤聯(lián)產(chǎn)三種原料路線的空(3)氣煤聯(lián)產(chǎn)較純煤頭在動力消耗和CO2排分和甲醇工藝裝置進行了經(jīng)濟性比較,見表6。放上均具有明顯的優(yōu)勢,可以節(jié)約81086kW的動表6天然氣、煤、氣煤聯(lián)產(chǎn)甲醇的經(jīng)濟性比較力消耗,每年可以減少2800kt的CO2排放量。項目價格(元)天然氣煤氣煤聯(lián)產(chǎn)(4)氣煤聯(lián)產(chǎn)較純煤頭投資更節(jié)省,至少節(jié)省原料煤621.8216.0天然氣,Nm31.21065.9621.5約14.6億元。燃料尾氣,Nm30.8226.7(5)氣煤聯(lián)產(chǎn)較純氣頭每年節(jié)約原料成本約0.4410.0脫鹽水,t1026.441.930.72.52億元。冷卻水(△t=10℃),t8.(6)氣煤聯(lián)產(chǎn)可使水煤氣的變換率為最低,氣,Nm31.3-15.9-15.9-15.9硫磺kg0.8使碳的利用率為最高,煤氣CO在12.4%的變換率冷凝液,t4.5-30.2-14.6下,碳的利用率為64.5%。高壓蒸汽( 11MPa),kg0.1226.2283.0119.0中壓過熱蒸汽(2.45MPa320℃)kg88.6-53.7參考文獻低壓蒸汽(L.1MPa),kg-61.5-33.51曾紀龍.天然氣制甲醇補碳的探討[J].化工設(shè)計,低壓蒸汽(0.5MPa),kg0.084.52004,14(4):42-43投資,元90.6181.1127.1合計1233.41039.81093.42周芳等.氣煤聯(lián)產(chǎn)甲醇天然氣轉(zhuǎn)化工藝方案選擇[J]煤化工,2011,39(2);17.注:①以上為靜態(tài)成本,投資成本分攤到15年;②以上成本不包括催化劑的消耗、工藝燒嘴維修和耐火磚更換等運行成本;3賀永德等.現(xiàn)代煤化工技術(shù)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003:562③以上成本不包括人工費、財務(wù)費用、管理費、維修費、銷售費及其它制造費用等(收稿日期201-07-15)(上第9頁)(2)CO2吸收塔A、B段氣液相流量大,優(yōu)先穩(wěn)定可靠的CO2吸收塔。選擇干板壓降更小,具有更高處理能力的MVC固參考文獻閥塔板。I蘭州石油機械研究所.現(xiàn)代塔器技術(shù)[M].北京:中國石(3)CO2吸收塔C段氣液相流量變化大,組化出版社,2005分濃度變化明顯,優(yōu)先選擇具有更強操作彈性的2王雪梅,張洪達.ADV(r)微分浮閥塔盤在氣體分餾裝BDH條形浮閥塔板。置中的應(yīng)用[J].當(dāng)代化工,2005,34(2):99-102(4)水力學(xué)計算表明:兩種塔板型式完全滿3孫津生,李燕.低溫甲醇洗工藝流程模擬-甲醇洗滌塔的模擬[J].甘肅科學(xué)學(xué)報,2007,19(2):50-53足40%~110%的操作負荷范圍,工藝能耗較低。4劉健,張述偉,孫道青.低溫甲醇法凈化天然氣工藝流在設(shè)計施工過程中還應(yīng)優(yōu)化調(diào)整塔內(nèi)件的結(jié)構(gòu)布程的研究[刀].天然氣化工,2007,32(5):47-50置,從而設(shè)計出脫碳效率較高、能耗較低、運行(收稿日期2011-03-15)