低温甲醇洗吸收塔模拟及内件优化设计

山东化工12SHANDONG CHEMICAL INDUSTRY015年第44卷低温甲醇洗吸收塔模拟及内件优化设计蒋燕,马炯(中石化南京工程有限公司,江苏南京211100要:吸收塔是低温甲醇洗工艺中的核心设备,内件对吸收塔性能至关重要。本文采用规整填料替代以往设计中四溢流塔盘降低塔径和塔高以优化设计、节省投资;采用 Aspen Plug和DRP软件分别对低温甲醇洗吸收塔工艺参数和塔内件进行模拟和对比在流程工艺模拟基础上对吸收塔进行水力学计算。模拟计算结果表明,采用规整填料比四溢流塔盘具有优势。关键词:低温甲醇洗;塔内件; ASPEN;过程模拟;吸收塔;规整填料中图分类号:TQ015.9文献标识码:A文章编号:1008-021X(2015)11-0122-03Simulation of Rectisol Aabsorber and Internals Optimal DesignJiang Yan, Ma jiongSINOPEC Nanjing Engineering Construction Inc ., Nanjing 211100, China)Abstract: The absorber is the key equipment and the column intemals is important for the absorber performance. The paperintroduce that use the structured packing to substitute the four low tray, to decrease the column diameter and the height, tooptimize deign and save investment. With the aid of software Aspen Plus and DRP, the rectisol unit was simulatedaccording to the process and the column intemals. The hydraulic performance of the absorber was calculated base onprocess simulation result. The simulation results indicated that, the structured packing is better than four flow tray.ey words: rectisol; column internals; ASPEN; process simulation; absorber; structured packing低温甲醇洗( Rectisol)能够有效脱除原料气的H2S、CO2方程为基础物性方法进行计算,SRK方程描述如下:和C0s等组分,与其它吸收技术相比有一定的优越性RT采用低温甲醇洗技术,净化气中总的硫含量可脱至1.0-b v(v+b)10-以下,CO2可脱至10×10-3以下。其中:a=+B1本文通过工艺模拟和内件水力学计算,分析采用规整填是标准态混合二次函数立阿(4料后的优势和设计中需注意的问题,为吸收塔内件工程设计提供依据。1吸收塔工艺模拟B1是极性附加函数,1.1樸拟模型b=∑功本文采用 Aspen Plus软件中的严格精馏模块 RadFrac对a=fen(T, T, Pa, D,)低温甲醇洗吸收塔进行工艺模拟,因低温甲醇洗吸收塔是脱b=知n(T,p)碳和脱硫分段吸收,虽采用一个塔壳体,但内件设计时采用集液箱对各段液相进行隔离,气相通过升气管进行连通,模=+9+HT+R/T拟时其每段可以视作独立的吸收塔,每段均为独立的传质和气液平衡过程。V=4+T+4/T在模拟过程中,为顺利模拟并贴合吸收塔实际操作过通常:4=ln:b=l=0,程,吸收塔共采用4个模拟塔进行计算,对低温甲醇洗吸收其中RK状态方程中纯物质的性质系数a、b1根据下列塔模拟的现有文献也均采用此种方法2-3。方程由软件给定参数进行计算得出:1.2基础物性数据(热力学方法和气液相平衡)低温甲醇洗物系主要含有CH3OH、CO、CO2、H2、H2S、q=a,0.42747-,H2O、CH4和N2等,该物系为极性物系,同时又含有非极性b=008664和极性缔合组分的体系,如完全采用活度系数方程NRTL,其模拟计算结果与实际情况会有较大的偏离,本系统采用状态在采用状态方程法计算此体系的相平衡时,组分极性和方程作为基础物性进行模拟计算较为合适,系统模拟以SRK体积大小差别很大,采用常用线性混合规则就不适合。体系收稿日期:2015-04-17作者简介:蒋燕(1981—),女,江苏宜兴人,硕士,工程师从事化学工程与工艺设计第11期蒋燕等:低温甲醇洗吸收塔模拟及内件优化设计123中甲醇和水都是强极性组分,另有CO2、H2等轻组分必须采方法。CO2在甲醇液中的溶解热是模拟正确与否的重要参用更为精确的超额自由能CE型混合规则,Huon-idl混数,对甲醇循环量有重要影响;另外甲醇液在高压低温下的合规则是考虑了组分间强烈的非理想性的混合规则,如下述热焓也是吸收塔热量平衡计算的重要基础参数;因高压低温方程所示:甲醇洗体系的特殊性,软件模拟有一定的偏离,这就需要参GF=Rln-∑xRTl考文献数据-5),对软件中的物性进行回归、修正,其中调整计算CO2蒸发焙值公式中的 DHVVLWT(汽化热)参数之第Aspen Plus中的FSRK模型是经Hurn- Vidal混合规则项,以使模拟结果更贴近实测结果。修正的纯物质物性基于SRK方程描述的状态方程物性方1.3模拟结果分析法,该模型可用于计算高温高压、接近临界点等操作条件下粗原料气输人参数净化气计算结果具体参数如表1。的极性和非极性混合物。本文模拟以PSRK为基础的物性表1粗原料气输入及净化气计算结果参数气体种类操作压力操作温流量组分MPa BU/c (kmol/h) H, N CO AR CH CO2 H,s cos H,0 NH, HCN CH40粗原料气4.22-23.810477.4255.430.220.40906×10-250×10-243.420.153.0×1040.2495×10-5净化气4.057-48.65827.75986750.3820.7030.15384×10-23.00x1029×10-31.4吸收塔计算根据低温甲醇洗吸收塔的操作工况特点,上段液相负荷以流程平衡模拟数据为基础采用 ASPEN软件对塔的大,为解决溢流强度和降液管液泛问题,采用四溢流塔盘。水力学数据进行模拟,以 ASPEN模拟数据为基础采用DRP四溢流塔盘因有4个溢流堰溢流堰长增大,降低溢流强度;软件对吸收塔上段进行内件性能计算,以判断不同内件型同时降液管增多(2-3个),降液管内清液层高度下降。图式吸收塔设计的影响。1~2为四溢流塔盘示意图。Column DiameterF..DTDC- WTOPDC. WTOPIR.HTPanel A BHIDC.WBOTOC- WB0TeArtSIDE DCA Panel A BCTRDC图1四溢流塔盘平面示意图图2四溢流塔盘剖面图现为提高吸收塔上段气液相交换效率缩小塔径和塔高优化设计吸收塔上段采用高效规整填料。图3为规整填料示意图及等板高度曲线。23分图3规整填料示意图及等板高度曲线山东化工124SHANDONG CHEMICAL INDUSTRY015年第44卷表2塔水力学计算数据对比表吸收塔水力学模拟结果,就理论板两段塔内件计算数据工艺模拟结果进行对比,数据见表2。塔盘数从表2可以看出因吸收塔主洗甲醇在39块塔盘进人,所以38块与39块塔盘的数据有较大差别;另,此吸收段气液相从塔盘/(kg/hr)3089195447196382614液负荷最大在底部,底部塔盘53块板是塔径及内件规格的liquid from/(m/hr) 478. 45812.84912.12确定性参数内件设计时对此段进行四溢流塔盘和规整填料气相到塔盘/(kg/hm)285812801224.6的对比,对塔盘间距( tray spacing)取450mm值时进行计算,vapor to/(m/hr)802984.994282.02规整填料取M250X型塔径等相关设计结果见表3。表3规整填料与塔盘设计结果对比(塔盘间距450m)结合表23中的计算结果进行分析,可知(1)吸收塔此段以液相负荷决定塔径等水力学计算结参数规整填料(M250X)塔盘(四溢流)果。第53块塔盘气相负荷428202m3/hx,液相负荷9212理论塔盘数39m3/h,采用四溢流浮阀塔盘进行塔径模拟计算得出第53塔直径/m2.842.583.23块塔盘处所需塔径363m(450mm塔盘间距),塔径的大小塔盘(填料)趋势与液相负荷大小趋势相同液相负荷为此段塔操作的限5.248.1910.32截面积/m2制条件。(2)塔盘间距对塔径有明显影响增大间距可缩小塔径比表面积/(m2/m3)256在工程设计时要综合评价塔高与塔径的相对关系对设备造有效面积/m20.570.791.17价的影响。原因是,液相负荷作为操作的限制条件,增大塔侧降液管面积m20.370.630.70盘间距可提高操作时降液管中的存液高度,在同样的溢流强填料高度/m度条件下,就可降低降液管面积进而可以缩小塔径。塔盘塔盘高度/m6.75间距与系统喷射液泛和降液管液泛的关系见图5。907060000480510540570600630660690720750780810840870900LIquid: Volumetric Rate, mc% of System umit图4液相流量与液泛关系图元∞EE下00040041042043044045046047048049000Tray Spacing, mm一snUm图5塔盘间距与系统噴射液泛和降液管液泛的关系(3)采用规整填料比四溢流塔盘更优化。采用规整填料1.5规整填料设计计算所需塔径为284m塔盘计算所需塔径为363m(450在 ASPEN模拟结果的基础上进行圆整因要求塔的操mm塔盘间距),差距明显;另规整填料高度为6m,按照450作弹性范围为50%-110%,塔径取29m进行半贫液流程mm的塔盘间距塔盘塔高为675m,差距也明显。经对比,填料水力学详细校核计算计算结果如表4所示。采用规整填料具有明显优势。(下转第127页)第11期逢永健,等:石油化工企业厂区内道路设计研究127·度应≥15m,半径应≥100m并且应该保持交叉点处铁轨顶面与道路路面的标高一致3.1.4竖向标高的确定5结论通常按照厂区出人口的标高与厂外公路的标高、坡度以本文探讨了石油化工企业厂区内道路设计的一些重要及平整场地的标高综合确定。一般情况下按照厂区内路面问题。总之,石油化工企业厂内道路应根据工艺需求及不同设计标高高于厂外道路路面标高为原则,如果厂区内的路面的功能分区进行布置并结合厂区周边的市政路网情况合理标高低于厂外道路标高可采用在厂区大门处增设雨水篦子确定人员及货物进出口位置同时考虑厂区的竖向进行综板避免厂外道路上的雨水倒灌至厂区内部。合分析使道路设计更加科学合理最大方便企业使用,为企3.2厂内道路横断面设计业创造更多的效益。厂区内道路横断面有城市型和公路型两种。参考文献城市型道路需设路缘石雨水口,通过雨水管或雨水沟[1]中华人民共和国建设部.cB50220-199城市道路交通排水横向坡度一般为1.5%-2%。这类横断面一般设在行规划设计规范[S]北京中国标准出版社,199人较多的地方和对整洁美观要求较高的生产区或办公场所。[2]中华人民共和国交通部.cB2-87厂矿道路设计规范公路型横断面没有路缘石,采用道路两侧的明沟排水,[S].北京:中国标准出版社,1988横向坡度一般采用1%-2%。雨水量较大地区经常采用,通[3]中国工程建设标准化协会化工分会CB50489-20化常设在人员较少的装置区,会加设透水盖板或在路边设置栏工企业总图运输设计规范[S].北京:中国计划出版社,杆。而在厂区边缘和靠近山体地段的道路可不设盖板。20094石油化工企业厂内道路交叉口设计[4]中华人民共和住房和城乡建设部GB0160-2008石油厂内道路交叉口主要有道路道路和道路铁路交叉两种。化工企业设计防火规范[S]北京:中国标准出版社,4.1道路道路交叉口的设计厂区内的道路道路交叉一般采用正交形式如需要斜交[5]雷明工业企业总平面设计[M]西安陕西科学技术出交叉角宜大于45°。且主要道路交叉口处应考虑停车视距,版社,1998距离不宜小于20m,视距范围内不能设妨碍视线的建构筑[6]井生瑞总图设计[M]北京:冶金工业出版社,1988物树木等。道路交叉口的纵坡一般小于2%,而且应保持主[7]张琦.工业企业总图运输优化设计理论方法与应用研道路在交叉处坡度不变。究[D]西安西安建筑科技大学,20084.2道路铁路交叉口的设计[8]龚建奎特大型工业区道路规划设计探讨[冂]钢铁技术厂区内道路铁路应尽量避免交叉过多。如有两处交叉2009(6):9-10间距不宜小于一列火车的长度或厂区内最长列车长度,避免在紧急情况时列车挡住道路救援车辆无法进出。道路铁路(本文文獻格式:违永健,吕学昌刘园园石油化工企业厂区交叉一般采用正交。当采用斜交时,交叉角不宜小于45°。内道路设计研究[J]山东化工,2015,44(1:125-127.)≯》》》》》》》》》2》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》2》》》2D》》》2》》》身》≯》》》身身》》》》》》》》(上接第124页)表4填料计算结果结构尺寸计算结果塔直径/mm填料高度/m填料类型液体喷淋密度/每米压降泛点率%F因子/Pa5气液流动参数持液量名床层压降(m3/(m2·h)(Pa/m)6M250X640.25711.1按上述水力学计算结果,选择的M250X填料可满足设艺技术经济指标对比[J].化工技术与开发,200,36计要求。塔径缩小塔高降低,可使吸收塔整体优化。(4):35-42结论[2]孙津生,李燕低温甲醇洗工艺流程模拟--甲醇洗涤根据流程模拟、塔盘及填料计算结果得出以下结论:塔的模拟[门]甘肃科学学报,2007,19(2):50-53(1)液相负荷是吸收塔设计的决定因素,此吸收塔塔径[3]张述伟曲平,胡乃平,等人工神经网络在低温甲醇洗取决于液相负荷大小,塔内件设计要考虑解决大液量负荷;系统优化中的应用[J].大连理工大学学报,2001,41(2)塔盘间距与塔径成反向关系,在设计时要综合考虑(1):50-55塔高与塔径关系,合理设计吸收塔;[4]皮银安低温甲醇洗相平衡模型和气液平衡计算(1)(3)吸收塔上段采用规整填料可有效缩小塔径和降低塔高;相平衡模型[J].湖南化工,1997,27(4):1-54)为更全面的了解规整填料的适用性下一步将对不[5]皮银安低温甲醇洗相平衡模型和气液平衡计算(2)同原料气组分和不同压力原料气使用状况进行跟踪分析,以气液平衡计算[J]湖南化工,1998,28(1):15-18.确定规整填料在高压吸收体系中实际运行效果。参考文献本文文献格式:蒋燕,马炯.低温甲醇洗吸收塔梴拟及[]秦旭东宋洪强吴锡章等浅谈低温甲醇洗和NHD工内件优化设计[门山东化工,2015,44(11):122-124,127.)