导向立体传质塔板在低温甲醇洗装置中开发应用

第35卷第3期化学工程Vol 35 No. 32007年3月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)Mar.2007导向立体传质塔板在低温甲醇洗装置中开发应用刘继东!,张竞平,李春利,吕建华,王志英(1.河北工业大学化工学院,天津300130;2.天津市普莱特科技发展有限公司,天津300384摘要:根据合成氨变换气脱硫塔扩产50%的要求开发出一种导向立体传质塔板( CTST8)。对导向立体传质塔板的流体力学性能研究表明新塔板具有板压降低、气液二相通量大、抗堵塞能消泡等技术特点。对扩产50%的低温甲醇洗脱硫塔内的水力学参数进行了核算,结果表明,扩产后的操作参数均处于导向立体传质塔板正常操作范围之内。将导向立体传质塔板应用于山西天脊集团变换气脱硫塔的扩产改造,达到了扩产50%的要求,取得了良的效果。塔顶出口气相中(H2S)≤2x10°,q(CH2OH)≤3×10-4,全塔阻力小于0.08MPa关键词:导向立体传质塔板;流体力学;甲醇洗;脱硫中图分类号:TQ053.5文献标识码:A文章编号: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在合成氨生产中,变换气脱硫是必不可少的净低、吸收剂用量高、操作不稳定以及带液、硫堵现象化工序。脱硫塔是净化系统中的一个重要设备,它严重等一系列问题。已经严重影响企业的扩产、节的主要作用是将原料气中的H2S和有机硫脱除,使能、环保和降低成本,成为提高生产能力的瓶出口气体中含硫体积分数满足工艺条件的要求。低颈。急需开发出新型大通量高效、节能塔器。温甲醇洗脱硫净化技术因其气体净化度高、选择性好而广泛应用于合成氨、合成甲醇和其他羰基合成、1导向立体传质塔板的开发制氢、城市煤气和天然气等气体净化装置中-3)。1.1导向立体传质塔板的结构特点目前应用的变换气脱硫塔型式较多,有空塔、半在立体传质塔板(CTST)的理论研究和应用基空塔、泡罩塔、浮阀塔、旋流板塔、散装填料塔、规整础上,针对脱硫塔压降低、易堵塞、易发泡的特点填料塔、湍球填料塔、复合塔等,但大多数处于20世和扩能改造的需要,开发出导向立体传质塔板纪50-60年代水平,存在阻力大、处理量小、效率(CTST8)。导向立体传质塔板保留了立体传质塔作者简介:刘继东(1973-),男副教授,研究方向为传质与分离过程、流体力学,E-mail:liy@163.com;李春利,通讯联系人,Emalcletst@163.com刘继东等导向立体传质塔板在低温甲醇洗装置中开发应用11板的梯形罩体结构对罩顶部分作了改进,在原分离超过20(m/s)(kg/m3)2,而CTST8空塔动能因板上开孔并增加了导向板,其结构示意见图1。子可达3.0(m/s)(kg/m3)2以上。这就为提高脱硫塔净化气处理能力和有效控制带液提供了保障。0.150.06图1CTT8帽罩结构示意图I Schematic diagram of CTST-8 structure2.63.0343.81.2导向立体传质塔板的流体力学性能导向立体传质塔板的流体力学性能实验在直径图3导向喷射塔板雾沫夹带变化曲线为600mm的有机玻璃实验塔内进行。实验塔溢流Fig 3 Entrainment curve of CTST-8堰长420mm,堰高30mm,塔内设气体分布板和雾沫捕集器。实验板上排列3个帽罩,塔板开孔率将实验数据关联得到下列关系式:e,=7.156×10"2F1叫h26(2)10%。实验研究了塔板的以下几项流体力学性能。(3)漏液Q1(1)湿板压降Ap从图4可以看出,导向立体传质塔板的漏液点由于导向立体传质塔板将立体传质塔板顶部分比立体传质塔板又有所降低。其主要原因是分离板开孔,使罩内气液二相出罩阻力有所减小,所以离板开孔后,有效降低了罩内压力更有利于液体提板压降降低,有利于节约能耗。图2是CTST8的板升,减小了漏液的可能性(因为罩内压力是造成漏压降变化情况。与其他类型塔板压降变化趋势相液的一个重要原因)。漏液点的降低进一步增大了近,湿板压降随板孔动能因子F和板上液层高度塔板的操作弹性,有利于塔的稳定操作。hL的增加而增大,变化趋势也比较平稳。2图4导向喷射塔板漏液量变化曲线图2导向喷射塔板板压降变化曲线Fig. 4 Weeping curve of CTST-8Fig 2 Total pressure drop of CTST-8从以上导向立体传质塔板的流体力学性能可以将实验数据进行关联得到看出,CTST8不仅保留了立体传质塔板具有自冲刷A.=259×1op+910n.(1)能力(抗堵)和消泡能力外,其他流体力学性能也有所改善。(2)雾沫夹带e图3给出了导向立体传质塔板的雾沫夹带e的2导向立体传质塔板在低温甲醇洗脱硫塔中的应变化情况。可见,在空塔动能因子F低于2.2时雾用沫夹带量几乎为0。一般情况下CTST8的气相操山西天脊煤化工集团(原山西化肥厂)由于合作上限由雾沫夹带控制,其上限与CTNT相近?。成氨扩产的需要,计划低温甲醇洗装置中的脱硫塔与F1型浮阀板相比,若以1kg气体夹带0.1kg液在原塔径及塔内固定件不变的前提下,采用先进的体作为气相操作上限,F1型浮阀空塔动能因子不会塔盘技术达到扩产50%目的。化学工程200年第35卷第3期2.1原塔基本结构尺寸及改造工艺条件变换气脱硫塔塔径2350mm,装有81层浮阀塔板塔板间距为40m,液流型式为双溢流。操作压力2.5MPa,操作温度-30℃。变换气经预洗y(脱除粗煤气中的轻油、氢氰酸、水等杂质)后进入上下限E脱硫塔,用-30℃的甲醇1.69×103kg/h吸收脱除硫化氢和有机硫。原设计处理变换气量标准状态下约120000m3/h。要求改造后变换气的处理量增加图5板孔/空塔动能因子核算结果到标准状态下180000m3/h,同时要求塔出口气相5 Simulated results of Fr and Fo中p(H1S)≤2×10-6,p(CH3OH)≤3×10-,全塔压降小于0.08MPa。此外该塔是在高压、低温状态下运行,改造过程中塔内不允许有任何焊接操作。雾连夹带2.2扩产后塔内水力学模拟计算根据山西天脊集团提出的改造要求及工艺条800001沫夹带或漏液限件,对扩能前后脱硫塔内的塔板水力学进行了计算机模拟,见表1。表1改造前后操作参数比较0.0001Table 1 Comparison of hydraulics parameters图6雾沫夹带、■液、板压降核算结果数改造前①改造后Fig 6 Simulated results of e,. QL and Apw变换气量/(m3h)120975l83243甲醇量/(kg·h-1)1.69×1031.69×105F1/(m·s-1kg"2·m2)1.43降液管内清液层高度☆降液管液体停留时间48/7348/73(中间两侧)o000a112带液情况较轻严重带液板压降/Pa750-950970-1180①表中改造前后数据均是针对于浮阀板;②标准状态下。10152025根据表1的水力学数据计算结果可以看出,在图7降液管核算结果处理量提高50%的情况下,塔内气相空塔动能因子Fig. 7 Simulated results of ha and td达到215左右,已经超出了浮阀塔板的正常操作上限,板压降也大幅度增加。由于板压降增加,降液管ooooO液体下流阻力增大,使降液管液层高度已经超过了塔板间距,造成淹塔。所以在保持原有浮阀塔板不变的基础上进行扩能是不可能的,必须选用性能更为优越的塔板才能完成扩改任务。△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△根据上述操作条件,开发出了CIST8型塔板在大量塔板流体力学实验的基础上,为天脊集团提10152025供了切实可行的改造方案。在脱硫塔外壳、塔板数、图8塔板溢流强度核算结果支撑件和降液管均不变的条件下,仅用CTST8型塔Fig8 Simulated results of q.板替代原浮阀塔板,实现脱硫塔扩产50%的目标应用CTsT8型塔板改造后塔内的水力学数据见图从以上水力学数据可以看出,改造后脱硫塔内的各项指标均在CTsT8的正常操作范围之内,使用刘继东等导向立体传质塔板在低温甲醇洗装置中开发应用13CTST代替原浮阀塔板完全可以在不改变塔体的体中p(H2S)≤2×106,p(CH3OH)≤3×10-,全情况下达到变换气处理量提高50%的能力。塔压降小于0.08MPa的指标。2.3实际应用结果经过技术改造后的合成氨变换气低温甲醇洗脱符号说明:硫塔一次开车成功已通过改造所要求的气量。经g重力加速度,m/检测分析,塔出口气相中φ(H2S)<2×10°,h4降液管液层高度,mmp(CH3OH)<3×104,全塔压降小于0.08MPa,完h1板上清液层高度,mm全满足了扩产要求的指标。调试过程中,脱硫塔在N-理论板变换气处理量增加到标准状态下19000m3/h时Q漏液量m3/h仍能稳定运行,充分显示了CTsT8塔板的优越性q溢流强度,m3/(m·h)能t4降液管停留时间,s山西天脊集团的扩产,是国内大化肥装置首次pe气相密度,kg/m3对引进低温甲醇洗脱硫塔进行改造。实践证明,p液相密度kg/m3CTST8型塔板完全可替代国外技术及产品。低温甲醇脱硫塔的改造成功,充分体现出 CTST塔板处参考文献理能力大塔板效率高、阻力低雾沫夹带小等特点。[1谢伦宏填料旋流板复合脱硫塔的设计与应用[J中同时该塔板还可应用于脱碳塔、再生塔等设备中,为氮肥,1999,(6):48-50以后同类型装置的扩产及新建装置的国产化奠定了[2]张振欧合理改造合成氨厂的传质设备[J]化肥设基础。计,2005,43(2):51-52[3]陈立包宗宏低温甲醇洗装置的扩能改造设计[刀]3结论煤炭转化,2005,28(2):92-96根据山西天脊集团低温甲醇洗系统脱硫塔增加[4]亢万忠,唐宏青低温甲醇洗工艺技术现状及发展处理量50%的要求开发出一种新型导向立体传质[J].大氮肥,199,2(4):259-262.塔板(CTST8)。对导向立体传质塔板的流体力学51刘宝菊,目惠生化肥厂气体净化装置扩产改造的研究[J].天津化工,2002,16(6):32性能研究表明,新塔板的压降比传统立体传质塔板(CIST)有所降低;漏液点也比传统立体传质塔板6]刘宝彦,刘金江孙庆军鼓泡式脱硫塔在合成氨生产中的应用[J].中氮肥,2001,(1):24-25低。通过实验数据关联得到了计算导向立体传质塔]刘继东吕建华,张竞平,等新型立体传质塔板及其板的湿板压降和雾沫夹带的关联方程。流体力学性能[J].化工学报,2005,56(6):1144将导向立体传质塔板用于山西天脊集团低温甲1149醇洗系统脱硫塔的扩产改造,顺利完成了脱硫塔中[8]李春利,于文奎李柏春等CIST塔板的性能与工业变换气处理量提高50%的要求,而且满足了出塔气应用[J].炼油,2000,5(1):51-57