低温甲醇洗吸收塔流体力学计算及优化

100化工机械2009年低温甲醇洗吸收塔流体力学计算及优化马洪光·张林华孙绪军(兖州煤业榆林能化有限公司甲醇厂)摘要介绍了低温甲醇洗吸收塔的流体力学计算,对于设计中通到的瓶颈问题提出了相应的解决方关键词浮阀塔低温甲醇洗工艺设计优化中图分类号TQ0535文献标识码A文章编号02546094(2009)02010004低温甲醇洗是一种气体净化工艺。该工艺以变换气中的CO2在此两段脱除至规定指标。冷甲醇为吸收溶剂,利用甲醇在低温下对酸性气净化气体溶解度极大的优良特性,脱除原料气中的酸性气体。在低温甲醇洗中,原料气在吸收塔内一次脱除酸性气,使产品气达到规定指标,因而其关键设备吸收塔的设计直接关系到气体的净化度。根据低温甲醇洗的工艺特点和浮阀塔的特性,选用浮阀塔作为该工艺中的吸收塔。为检验吸收塔设计的合理性,需进行流体力学验算。浮原料气来自变换阀塔的流体力学计算包括塔径及塔板上主要部件工艺尺寸的计算。笔者针对某甲醇项目低温甲醇洗装置中的吸收塔,指出设计中遇到的问题,并提图1吸收塔物流示意图出相应的优化方法,对类似装置的设计具有重要2吸收塔设计的意义。因该塔分3段,而每段的气液相负荷都不同,1工艺简介故3段应分别设计,具体的设计条件见表1。低温甲醇洗工艺是将上游来的原料气(温度由表1可见,塔B段气液相负荷相对较大19.95℃、压力527MPa、流量468032Nm3/h),经故先进行塔B段的设计计算。吸收塔中的吸收剂—一甲醇溶液吸收洗涤达到规2.1流体力学计算定含量指标后的净化气(温度-5539℃、压力522.1.1塔径MPa流量35040Nm3/h)被送出塔外。欲求塔径需先求出空塔气速u。吸收塔的物流如图1所示,根据吸收任务,该根据表1中的数据,由史密斯关联图查得,塔应脱除非变换气中的H2S和CO2。H2S和CO2Cn=0.,372,校正后的负荷系数为:在低温甲醇中的溶解度都很大,而H2S的溶解度约是CO2的6倍。根据此特点,将该塔从下至上C=C2()02=0.0395分A、B、C3段:A段为脱硫段,脱除非变换气中的硫化物,吸收液为富甲醇;B、C段为脱碳段,非=0.1577m/8马洪光,男,1976年1月生,工程师机电部部长。陕西省榆林市,719000。第36卷第2期化工机被表1吸收塔分段设计条件液相流量气相密度部位气相流量液相密度物系表面张力Pg·m3A段58.3089898.899026.39400.16970.0277887.205028.1264取安全系数为0.6,则空塔气速为:A H=6.488由空塔气速u求得塔径为:停留时间θ>3~58,故降液管尺寸可用。2.1.2.4降液管底隙高度h。=1.68m降液管底隙高度h。按下式计算按标准塔径圆整取D=1.8m。h.=h-0.006=0.034m塔截面积为:2.1.2.5塔板布置及浮阀数目排列选取F1型重阀,孔径为d=0.039m。初取A,=TD2=2.54m2阀孔动能因子F。=9.5(一般在9-12之间),则反推空塔气速为:阀孔气速为:0.2099/2.54=0.0826m/8u=-°=1.304m/2.1.2溢流装置P该吸收塔选用双溢流弓形降液管,不设进口阀孔数N=135堰2.1.2.1堰长l取边缘区宽度W。=0.06m,破沫区宽度W取堰长l=0.7D,即L=0.7×1.8=1.26m。=0.1m,计算塔板上的鼓泡区面积A2.1.2.2出口堰高h浮阀排列方式采用等腰三角形又排。取同一横排采用平直堰,堰上液层高度h可按下式计的孔心距t=0.075m,则可估算排间距即:算t'=A,/(Nt)=0.122m2.84,Q1考虑到塔直径较大,必须采用分块式塔板,而1000各分块的支承与衔接也要占去一部分鼓泡区面式中E为流体收缩系数,可借用液流收缩系积因此取排间距t=0.065m。按文献[3]作图,数计算图2求取,E值为1.06,则求出实际浮阀数N=138。并按N=138重新核算2848(g2y=0.0598孔速u。=1.273m/8、阀孔动能因数F。=9.3,由此可见阀孔动能因数变化不大,仍在9~12范围内。又取板上液层高度h1=0.1m,则22设计中存在的问题及优化方案h=h1-h。=0.0402用同样的方法计算A段和C段,发现A、C两出口堰高圆整取h=0.04m段塔径D=1.6m即可。问题就由此产生,即塔的2.123弓形降液管宽度W和面积A上下两段直径为1.6m,而中间为1.8m。这样的因为=0.7,由堰长与塔径之比查图查结构形式不利于设备的焊接制造,成本太大。因此,该塔B段的设计就成了整个塔设计的瓶W颈。为使吸收塔的设计更优化,经分析有两个方A.=0.0878,D=0.143。则:案可供选择A1=2x0.0878×2.54=0.4463m2a.优化方案1——把A、C两段的直径也改W4=0.143D=0.2573m为1.8m。因为A、C两段理论板数相对较多(分验算液体在降液管中停留时间,即:别为9块),而B段相对较少(3块)。如果仅仅化工机械09年为了B段而将A、C两段塔径变大,有些不太合△P。=bpg=709.69Pa)。理。A、B两段如果增大塔径,则相应的塔盘及内2.3.2淹塔件也要增大。由于该塔的操作温度(-55.39℃)为了防止淹塔现象的发生,要求控制降液管很低,压力(5.2MPa)又较高,设备材料为昂贵的中清液层高度H4≤中(H,+H)。气体通过塔板的低温钢,若采取该方案,整个塔的造价就会增加很压降所相当的液柱高度h2前已算出为0.0805m多,因此从经济上不太合理。液柱;前已选定板上液层高度h1为0.1m液柱;液b.优化方案2——提高塔B段的板间距,减体通过降液管的压头损失h因不设进口堰,h4=小直径。提高塔B段的板间距,可使直径相应地减小。通过计算,发现适当地提高塔B段的板0153()2=0.1394m液柱。为此H=b+间距(将H=0.45m提高到H=0.6m),可h1+h=0.3199m液柱。取发泡系数=0.55,又使塔B段的塔径减小至与A、B两段塔径相同已选定H,=0.6m,h。=0.035m,则φ(H,+h)(将D=1.8m减小至D=1.6m)。板间距的提=0.34925m液柱。高虽然会使塔高有所增加,但因为塔B段的理由此可见,H<φ(H,+H),符合防止淹塔的论板数相对较少(工艺包中提供为3块),因此要求增加的塔高不会太多2.3.3雾沫夹带23塔板流体力学验算按下面两式分别计算泛点率,即:采用改变B段塔板间距的方案计算B段的各项数据如下:P+1.36QZ1塔径D1.6mKCA板间距H10.6m塔板型式双溢流弓形降液管空塔气速u0.1044m/s堰长l1.12m板上液体流经长度(z1=1/2(D-2W。一堰高h。0.035mW。)=0.4608m,板上液流面积A=A板上液层高度h10.1m=1.3044m2,甲醇可按正常系统取物性系数K=降液管底隙高度h。0.029m1.0,查泛点负荷系数C=0.12,代入数据得1浮阀数N128个(等腰三角形叉排)46%、T2=27.96%。阀孔气速u。1.3725m/s对于大塔,为避免过量雾沫夹带,应控制泛点阀孔动能因数F。10率不超过80%。上两式计算出的泛点率都在这些数据是否合理,即塔能否正常操作,需通80%以下,故可知雾沫夹带量能够满足c,<0.1kg过流体力学验算来证明。(液)/kg(气)的要求。23.1气相通过浮阀塔板的压强降2.4塔板负荷性能图因n=125.11=1.197m<,故干根据数据整理出雾沫夹带线(Q-0492502Q)液泛线(Q2=0.431-210.7402-板阻力h=5.34=0.0303m液柱;本设备1.46Q20)、液相负荷上限线(Qm=0.0423液相为甲醇取充气系数c=0.5,则板上充气液m3/s)、液相负荷下限线(Qm=0.0005m7s)以层阻力A==0.05m液柱;液体表面张力所及漏液线(Qm=0.1049m/),绘出B段塔板负荷性能图(图2)。造成的阻力,==0.00m.柱。因此气由图2可看出,操作点处在适宜操作区内的体流经一层浮阀塔板的压强降所相当的液柱高度适中位置,故此方案在操作上是合理可行的。查为h,=b。+h1+hn=0.0805m液柱(单板压降为图2可得气相负荷上限Qm=0.28m3/8,气相第36卷第2期化工机械103液相负荷下限线资不会有太大的影响。而优化方案1把A、C两0m寒法夹带线放泛线段直径都从1.6m扩大至1.8m,不仅壳体,这两段的塔盘也要加大,而该设备材料昂贵,就会增加很多投资。因此,方案2优于方案1。在低温甲漏液线醇洗过程中,吸收塔的中间段负荷较大是共性的问题,中间段是整个塔设计的瓶颈,本次设计对此0.0000探讨出了一种可行的方法,将对其他项目低温甲液相流量醇洗的吸收塔设计有参考意义。图2塔板负荷性能图参考文献负荷下限Q=0.1049m3/s,因此操作负荷上限Q/Q,×100%=133%,操作负荷下限Q=/Q姚玉英,陈常贵,曾敏静等.化工原理(下册).天津:天100%=49.9%,满足要求(要求弹性为50%津科学技术出版社,19922化学工程设计技术中心站.化工单元操作设计手册120%)。(上册).西安:化学工业部第六设计院,19873结束语3石油化学工业部石油化工规划设计院.塔的工艺计本文提出的优化方案2适当地加大B段的算.北京:石油工业出版社,1977塔板间距会使塔高增加,但由于B段相对于其他两段板数较少,因此塔高的增加对于整个塔的投(收稿日期:200808-14)Hydromechnical Calculation and optimum of the absorptionTowers of Low Temperature Cleaning by Methyl AlcoheMA Hongguang, ZHANG Linhua, SUN XujunMethy! Alcohol Plant, Yulin Energy Source and Chemicals Co ladYanzhou Coal Mining Company Limited, Yulin. 719000, Shaanxi, ChinaAbstract The hydromechanical calculation of the low temperature cleaning by methyl alcohol absorption tow-ers was presented, some corresponding countermeasures were proposed for the difficult problems in designKeywords Floating Distillation Tower, Low Temperature Cleaning Technology by Methyl Alcohol, Design, Optimum《化工机械》投稿须知1.用电子邮件直接投寄稿件(E-mail:hgjx@chemach.com);2.在稿件正文的第1页下方注明第1作者的姓名、性别、出生年月、职称和职务,课题资助情况(国家自然科学基金省、市、部委以上单位所设科研基金资助项目均应注明包括项目合同编号)同时禽附其资勳证明的复印件;3.来稿应有200字左右的中文摘要,摘要一般应说明研究工作的目的、实验方法、结果和最终结论,要求简明、概括,突出重点;4.在文摘后附上该文的关键词3~8个,来稿应附文题目及英丈丈摘;5.计量单位一律采用法定计量单位,并遵照《中华人民共和国法定计量单位使用方法》执行,单位的表示必须用规范的符号,不得用文字标注;6.丈后的参考文献著应符合GB771487《文后参考文献著录规则》,并须标在正文中引用之处,其中期刊、图书、学位论文类文献著录格式为:(1)期刊类[文献序号]作者,题目,原刊名,年,卷(期):页(2)图书类[文献序号]作者,书名,版本,出版地:出版者,出版年.页(3)论文类[文献序号]作者,题名:[学位论文].完成地:完成单位,年(4)专利类[文献序号]专利申请者、专利题名,专利国别,专利文献种类,专利号,出版日期7.编辑部对来稿有删改权,不同意修改的敬请说明。