低温甲醇洗工艺CO2吸收塔塔板的设计选型

2011,21(5)张信等低温甲醇洗工艺CO2嗄收塔塔板的设计选型低温甲醇洗工艺CO2吸收塔塔板的设计选型张信·北京航天万源煤化工工程技术有限公司兰州分公司兰州730050龚麒锦上海安诺其纺织化工股份有限公司上海201703摘要利用热力学模型和通用流程模拟软件,分三段模拟CO2吸收塔,并结合水力学计算软件确定各段采用的塔板型式关键词低温甲醇洗CO2吸收塔 BDH MVG随着石化装置朝着大型化和精细化方向发展,CO2和残留的H2S,并控制入塔甲醇与变换气流量节能和满足产品纯度的要求已成为衡量塔设备性比例。由于在吸收CO2过程中要释放热量,使甲能的主要因素,而塔板的性能直接关系到装置的醇温度升高,因此甲醇在沿塔流下时需要冷却:处理能力和产品的纯度。基于这种情况,近年来,塔下部经EA2204被来自气提塔的低温甲醇冷却;国内外对新型塔盘的研究非常活跃。围绕节能和塔中部经EC2202被氨冷剂冷却。脱除CO2和H1S高效的要求,研究者在扩大操作弹性、改善液气后的净化气由塔顶排出。分布、提高板效率、降低压降和增加塔盘稳定性利用热力学模型以及通用的流程模拟软件模等方面做了大量研究工作并取得了一系列进展,拟CO2吸收塔,工艺流程见图1。相继推出一些综合性能较好的浮阀和固阀塔板,并得到工业化的应用。这些塔板主要有利用导向气量作用降低液面梯度和压降的导向浮阀塔板、顺排导向的条形塔板、大通量的Nye塔板、改进降液管和增设鼓泡器的 Triton塔板、Bi-frac塔板,以及国内开发的ADVr微分浮阀塔板(2和HrV船型浮阀塔板等。低温甲醇洗工艺是由德国林德公司和鲁奇公司在20世纪50年代共同开发的气体净化方法。该工艺采用低温甲醇为吸收剂的物理吸收方法将原料气C-2202Th中的H2S和CO2等高浓度酸性气体除去,适用于以还小以C-220煤、重油或沥青等重质烃类为原料的合成氨、合成EC=2298甲醇、煤制油和城市煤气等气体净化3,。图1CO2吸收塔工艺流程图某工程为国内第一套以煤为原料,单套装置在模拟时,把CO2吸收塔分成三段:C能力为600k/a合成氨。CO2吸收塔是低温甲醇洗2202A、C2202B、C2202C。冷的贫甲醇经塔顶自工艺流程中的核心设备,设计合理可靠的吸收塔上往下,脱硫气经塔底进入吸收塔。主要物料流关系到净化装置的节能和效率。由于项目变换气量及物理性质见表l。气量大、CO2含量高、塔的操作工况波动较大,因2高效BDH条形塔板此,必需选择处理能力强、操作弹性大和塔板压降低的高效塔板。独特的矩形阀设计使BDH条形浮阀塔盘不同1工艺流程及设计数据于传统的浮阀塔盘。其阀与液流方向平行,使液流无障碍地通过塔板,并降低液漏,其结构示意脱硫气在CO2吸收塔中被低温甲醇洗涤除去见图2。·张信:助理工程师。2009年毕业于大连理工大学化学工艺专业获硕士学位。主要从事煤化工工程设计工作。联系电话:(0931)2662129,E-mail;xinzhangnanogmail.comCHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工设计2011,21(5)表1物料流量和物理性质物料号气体流量,kg/h287548354010.0000.000气相密度,kg/m330.37396.67810.00000.0000MVG粘度,10-Pa·s134020.97590.000.000液体流量,kgh0.0000.00008697156175680.00000.0000925.859892.0270液相图3MVG固阀结构示意图表面张力,mN/m0.00000.000026.916330.2215粘度,×105Pa·s0.00000.00001.3706250.1310MVG固阀有以下优点:①由于气体向两侧释放,雾沫夹带量更低,并降低了泡沫层的高度②有效改善气液两相的接触,具有很高的机械稳定性,且没有活动部件,避免磨损;③具备良好的抗堵特性。与BDH条形浮阀相比,MVG固阀的处理能力大,塔板压降低,但是操作弹性较小。4计算结果与讨论4.1C2202C塔段塔板结构及水力学计算图2BDH条形浮阀结构示意图在低温甲醇洗工艺系统中,贫甲醇温度越低,与传统的圆形浮阀比较,BDH条形浮阀塔盘对CO2等酸性气体的吸收能力越大。根据通用软不仅可以提高分离效率和处理能力,而且还有更件流程模拟结果可以看出,CO2吸收塔的C段的贫多的优点:①由于气液向两側释放,使液流无障甲醇温度是最低的。因此,C段是整个塔主要的吸碍地通过塔板,提高了操作弹性;②在阀的稳定收位置,此段脱硫气中CO2浓度变化最大,也就性方面,宽浮阀支脚和阀位方向的固定,可减少是说C段的操作工况的变化最大,需要操作弹性安装和操作中的损坏。更好的塔板。而A、B段的气体流量和液体流量比3MvG固阀塔板C段高,因此需要处理能力更大的塔板。利用塔盘专利商的流体力学计算软件,分别MVG固阀一般是由塔板整体冲压而成,结构对C段采用高效BDH条形浮阀塔板和MVG固阀简单,制造方便,特別适用于物系较脏、易堵塞塔板进行了模拟。BDH条形浮阀塔板的结构数据和易结焦的场合,其结构示意见图3。见表2,其流体力学数据见表3。表2BDH条形浮阀塔板结构数据表溢流塔板间距塔板开孔率降液管面积侧堰总长出口堰高降液管底隙程数(mm)(%)阀升程mm6.1423.9.52479表3BDH条形浮阀塔板流体力学数据表负荷范围,%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喷射液泛率,%降液管液泛率,%66.2865.78干板压降,mmH2O塔板压降,mbar7.318.692011,21(5)张信等低温甲醇洗工艺CO2吸收塔塔板的设计选型MⅤG固阀塔盘的结构数据见表4,其流体力学数据见表5。表4MvG固阀塔板结构数据表塔径塔板间距塔板开孔率降液管面积阀升程侧坝总长出口堰高降液管底隙mm42003046.1423.149.555表5MVG固阌塔板流体力学数据表负荷范围,%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喷射液泛率,26降液管液泛率,%34堰溢流强,m3′(h·m)88.3597.9297.18107.7I35.3439.17干板压降,mmH2O18.270.932.42塔板压降8.14表3和表5中的有效容量是 Nutter Engineering不能保证良好的塔板效率。公司提出的参数:伴随着塔气相速率的增加,会从以上分析可以看出,MVG塔盘虽然在塔盘出现拐点,当气相速率超过此拐点后,由于雾沫压降以及处理能力方面比较好,但是由于它的操夹带的不利影响,塔板效率会快速降低。位于此作弹性小,不适宜在C段采用,故采用性能较好拐点时气相速率和液相速率的数学函数定义为的BDH条形浮阀塔板。100%有效容量。在塔盘设计时,有效容量一般在4.2c2202AB塔段塔板结构及水力学计算10%~95%。有效容量低于10%,说明塔盘的操作气速较低,塔盘处于泄漏状态,气液接触不充与C段相比,AB段气相和液相流量明显增分,传质相际界面较低,从而使塔盘效率受到严加,且酸性气体的浓度变化不大,适合采用干板重影响。而有效容量值高于95%,塔板上的返混压降更小,具有较高机械稳定性和处理能力的和塔板间的雾沫夹带造成塔板效率明显降低。另MYG固阀塔盘。外,根据以往的工程经验,在操作的干板压降为水力学计算显示,A段MVG塔板结构完全可762-80.12mbar,压降低于7.62mbar容易漏液。以同时满足气液相40%~110%的操作弹性范围。(1)C段采用BDH塔板的水力学计算结果显对于气相鼓泡区内最大喷射液泛值为54%,满足示,在40%-10%的操作负荷变化范围内,鼓泡雾沫夹带不超过10%的塔设备设计上限。降液管区内最大喷射液泛值为29%,降液管液泛率最大液泛率最大值为50%,亦能实现降液管气液相的值为31%,塔板压降最大值为8.6mar,结果满分离,防止降液管气相夹带。塔板压降最大值为足设计要求。有效容量的变化值为10.6%8.10mbar,在允许的压降范围内。42.2%,说明BDH塔盘的操作弹性较好,在很大相对于A段,B段气相和液相流量都相对较的负荷区间内都能保持良好的塔板效率。低,为了使阀孔动能因子保持在合理的数值,尽2)C段釆用MvG塔盘,并且塔盘的结构与量使浮阀在操作工况下处于刚刚全开状态,适当BDH塔板一致,水力学计算结果显示,在40%~降低B段的开孔率为8.4%,其余塔板结构不变。110%的操作负荷变化范围内,鼓泡区以及降液管水力学计算显示,B段鼓泡区内最大喷射液泛值为内的液泛值在合理的范围内。从干板压降可以看38%,降液管液泛率最大值为40%,塔板压降最出,MvG塔板比BDH塔板的压降小,从而可以节大值为7.71mbar,结果满足设计要求。省操作费用;但是在40%操作工况下,MVG的干5结语板压降低于7.62mbar会使液相发生泄漏。另外从表3和表5可以看出,MVG塔板的有效容量比(1)根据该工程CO2吸收塔处理量大、负荷与之对应工况下BDH塔板的有效容量低,但是在变化大的特点,选择两种高效专利塔板。40%操作工况下,MVG塔板有效容量为94%,也(下转第6页6CHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工设计2011,21(5)响,本文对天然气、煤、气煤联产三种原料路线从表6可以看出,天然气生产甲醇的运行成本的空分装置和甲醇工艺装置进行了投资的比较,最高,气煤联产装置和纯煤头的运行成本基本见表5。相当。表5天然气、煤、气煤联产甲醇的投资估算(万元)天然气气煤联产5结语天然气转化工序149000煤气化工序154000综上所述,气煤联合生产甲醇无疑是一种较变换/脱硫脱碳工序48500优的甲醇合成路线,在本文的比较前提下具有如硫回收工序5750甲醇合成+精馏工序91500下优势:空分1)气煤联产很好地实现了氢碳互补,用天244500489000然气转化更多的氢来补充水煤气中碳之过量。从表5可知,气煤联产装置的投资居中。2)气煤联产可以节省原料,最大限度地多4经济性产甲醇。在12.4%的煤气CO变换率下,可以多产17%的甲醇。对天然气、煤、气煤联产三种原料路线的空(3)气煤联产较纯煤头在动力消耗和CO2排分和甲醇工艺装置进行了经济性比较,见表6。放上均具有明显的优势,可以节约81086kW的动表6天然气、煤、气煤联产甲醇的经济性比较力消耗,每年可以减少2800kt的CO2排放量。项目价格(元)天然气煤气煤联产(4)气煤联产较纯煤头投资更节省,至少节省原料煤621.8216.0天然气,Nm31.21065.9621.5约14.6亿元。燃料尾气,Nm30.8226.7(5)气煤联产较纯气头每年节约原料成本约0.4410.0脱盐水,t1026.441.930.72.52亿元。冷却水(△t=10℃),t8.(6)气煤联产可使水煤气的变换率为最低,气,Nm31.3-15.9-15.9-15.9硫磺kg0.8使碳的利用率为最高,煤气CO在12.4%的变换率冷凝液,t4.5-30.2-14.6下,碳的利用率为64.5%。高压蒸汽( 11MPa),kg0.1226.2283.0119.0中压过热蒸汽(2.45MPa320℃)kg88.6-53.7参考文献低压蒸汽(L.1MPa),kg-61.5-33.51曾纪龙.天然气制甲醇补碳的探讨[J].化工设计,低压蒸汽(0.5MPa),kg0.084.52004,14(4):42-43投资,元90.6181.1127.1合计1233.41039.81093.42周芳等.气煤联产甲醇天然气转化工艺方案选择[J]煤化工,2011,39(2);17.注:①以上为静态成本,投资成本分摊到15年;②以上成本不包括催化剂的消耗、工艺烧嘴维修和耐火砖更换等运行成本;3贺永德等.现代煤化工技术手册[M].北京:化学工业出版社,2003:562③以上成本不包括人工费、财务费用、管理费、维修费、销售费及其它制造费用等(收稿日期201-07-15)(上第9頁)(2)CO2吸收塔A、B段气液相流量大,优先稳定可靠的CO2吸收塔。选择干板压降更小,具有更高处理能力的MVC固参考文献阀塔板。I兰州石油机械研究所.现代塔器技术[M].北京:中国石(3)CO2吸收塔C段气液相流量变化大,组化出版社,2005分浓度变化明显,优先选择具有更强操作弹性的2王雪梅,张洪达.ADV(r)微分浮阀塔盘在气体分馏装BDH条形浮阀塔板。置中的应用[J].当代化工,2005,34(2):99-102(4)水力学计算表明:两种塔板型式完全满3孙津生,李燕.低温甲醇洗工艺流程模拟-甲醇洗涤塔的模拟[J].甘肃科学学报,2007,19(2):50-53足40%~110%的操作负荷范围,工艺能耗较低。4刘健,张述伟,孙道青.低温甲醇法净化天然气工艺流在设计施工过程中还应优化调整塔内件的结构布程的研究[刀].天然气化工,2007,32(5):47-50置,从而设计出脱碳效率较高、能耗较低、运行(收稿日期2011-03-15)