解吸塔及蒸氨塔的改造與計(jì)算

1、解吸塔及蒸氨塔的改造與計(jì)算唐伯國林長青張振歐黃潔(天津博隆塔器新技術(shù)開發(fā)有限公司)我國目前尿素裝置多采用水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)工藝。在生產(chǎn)過程中會形成一定數(shù)量的含NH35%8%的稀碳銨液,濃度太低不能利用,直接排放既污染環(huán)境又損失氨。國家廢液排放標(biāo)準(zhǔn)中要求含NH30.07%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù),下同),隨著人們對環(huán)保要求的重視,有些地方排放廢水中含氨量要求指標(biāo)更低。利用解吸塔將碳銨液中殘余的氨和CO2解吸出來,返回吸收系統(tǒng),既提高氨的利用率,又可使排放廢水達(dá)到排污標(biāo)準(zhǔn)。這樣對解吸塔的基本要求是:(1)解吸后的排放廢液應(yīng)盡量少地含氨,降低氨耗,減小污染。(2)解吸后塔頂?shù)慕馕鼩庖祷叵到y(tǒng),含水量應(yīng)盡量少,有

2、利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)水平衡。近年來,世界能源供應(yīng)日益緊張,節(jié)能降耗已成為主要發(fā)展方向,從合成氨尾氣中回收有價(jià)值的氣體并加以綜合利用,已成為人們普遍關(guān)心的問題。合成尾氣主要由兩部分氣體組成:合成放空氣和液氨貯槽弛放氣,其組分與生產(chǎn)操作有關(guān)。合成氨廠將其中的氨清洗后制成稀氨水,氨水濃度一般在15%,再利用蒸氨塔將稀氨水汽提得到99%以上的濃氨,使氨得到充分回收。同時(shí)蒸氨塔塔底排放液也要達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),不會影響環(huán)境。多年來我公司與各合成氨生產(chǎn)廠協(xié)作,完成了多項(xiàng)解吸塔與蒸氨塔的技改工作。本文將以解吸塔和蒸氨塔的各一個(gè)改造實(shí)例,介紹它們的模擬計(jì)算工作,并對相關(guān)的問題提出分析意見。1解吸塔某生產(chǎn)廠家原解吸塔為DN8

3、00,操作壓力為0.35MPa,處理量較小,塔釜液出口含NH3指標(biāo)為0.08%,不能達(dá)到國家的廢液排放標(biāo)準(zhǔn)。為了增大處理量并能夠達(dá)到國家的排放標(biāo)準(zhǔn),該廠決定新增1臺解吸塔,委托我公司進(jìn)行設(shè)計(jì)。解吸液組分為:NH36.0%、CO20.99%、尿素0.94%,要求處理量為2025m3/h、排放廢液中含NH30.03%。對該塔進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算,最終確定設(shè)計(jì)方案,塔徑為1000、所選用的填料為規(guī)整填料。開車后操作穩(wěn)定,解吸塔塔頂解吸氣中含NH3為35%,返回系統(tǒng),塔底排放廢液中含NH3為0.023%,滿足設(shè)計(jì)要求。1.1工藝流程(1)較早期的解吸塔工藝流程如圖1所示。圖1較早期的碳銨解吸塔工藝流程示意圖

4、 圖2經(jīng)改進(jìn)的碳銨解吸塔工藝流程示意解吸液在解吸換熱器與塔底的廢液換熱后進(jìn)入解吸塔塔頂,底部通入汽提用蒸汽,此蒸汽多由再沸器提供,塔底達(dá)標(biāo)廢液排放,塔頂出來的解吸氣進(jìn)入解吸冷凝器,出冷凝器的氣相返回系統(tǒng),液相去貯槽。(2)經(jīng)改進(jìn)的解吸塔工藝流程如圖2所示,解吸液仍由塔頂加入。圖2和圖1的區(qū)別主要是塔頂冷凝出來的液相不去貯槽,而是作為塔的回流進(jìn)入塔頂。(3)目前還有1種流程,它的碳銨解吸液進(jìn)塔位置與流程圖2不同,改塔頂進(jìn)料為塔中部進(jìn)料,將精餾原理應(yīng)用到解吸塔中,增加一段精餾段。為了對以上3種不同的解吸塔流程作出比較,本文運(yùn)用多級模擬計(jì)算方法對它們分別給出計(jì)算結(jié)果,并進(jìn)行討論。1.2模擬計(jì)算結(jié)果對

5、于3種流程的計(jì)算條件都定為:解吸液組分:NH36.0%、CO20.99%、尿素0.94%,處理量為25m3/h,進(jìn)料溫度115,回流液溫度120,要求廢液含NH3為0.02%。均取理論塔板數(shù)17,對于有精餾段的計(jì)算,進(jìn)料位置在頂數(shù)第四塊板。計(jì)算結(jié)果見表1。表1解吸塔3種流程方案的比較由表1可見,在同樣塔釜排液含NH320010-6的情況下:(1)無回流流程雖然能耗最小,但通過PRO-模擬計(jì)算,塔頂冷凝水中含NH3達(dá)5.28%,與進(jìn)液含氨濃度相差不大。這部分稀氨水在工藝流程中如何處理仍然是個(gè)問題,可見這個(gè)流程不盡合理。(2)流程2和流程3塔頂以氣相排出,大部分含氨冷凝水均回流入塔,但這又會導(dǎo)致塔

6、釜的蒸汽耗量有所增加。(3)流程3比流程2的能耗更大些,其主要原因是因?yàn)榱鞒?比流程2進(jìn)料點(diǎn)至塔釜的填料段較低,所以為保證塔釜液含NH3達(dá)到20010-6,只有加大汽提量,從而導(dǎo)致流程3能耗大。由此,推薦在解吸塔中采用流程2較好,沒有必要采用流程3設(shè)計(jì)。1.3解吸塔計(jì)算解吸過程是吸收的逆過程,除了溫度、壓力及物性的影響外,氣液間的接觸狀態(tài)也起著重要作用。加入的稀氨水與塔底上升的水蒸氣通過填料表面接觸,不斷進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱作用,使液相中的氨和CO2不斷進(jìn)入氣相,實(shí)現(xiàn)解吸,并使排放廢液達(dá)到環(huán)保要求。我們選比表面積較大的BL-3.5#Y規(guī)整填料,通過填料表面,使氣液在填料內(nèi)得到充分接觸,強(qiáng)化了傳熱和傳

7、質(zhì)。解吸塔的填料高度(即理論塔板數(shù))和塔徑直接相關(guān),可有不同的組合方案,這與設(shè)備費(fèi)(填料體積等)和操作費(fèi)(蒸汽消耗等)直接有關(guān),原則上可以找出較優(yōu)方案。方案的計(jì)算結(jié)果(塔徑計(jì)算中液泛率均取為60%)見表2。表2不同理論板數(shù)時(shí)流程2塔徑的比較由表2可見,當(dāng)理論塔板數(shù)控制在13至19時(shí),填料塔均能夠滿足設(shè)計(jì)要求,塔釜液中含NH3為0.02%。同時(shí)當(dāng)理論塔板數(shù)增加時(shí),塔徑減小,蒸汽消耗及塔頂冷凝負(fù)荷也明顯減小。計(jì)算還表明原塔徑DN800時(shí),欲達(dá)到塔底排放標(biāo)準(zhǔn),需要很多的理論塔板數(shù),原塔的高度無法滿足這一要求。經(jīng)綜合比較,此塔的改造方案定為填料高度取為17塊理論板,塔徑1000,塔的高度也為廠方所接受

8、。2蒸氨塔某廠對合成氨尾氣進(jìn)行凈化洗滌,為了回收洗滌液中的氨,并把回收的氨直接加以利用。委托我公司改造1臺蒸氨塔,塔徑DN600,稀氨水溫度75,含NH3為15.42%,經(jīng)進(jìn)、出物料換熱器后,溫度升至150,進(jìn)入蒸氨塔中部。操作壓力1.9MPa,蒸氨塔塔底部通入過熱蒸汽(壓力2.2MPa、溫度320)。要求蒸氨塔塔頂氣含NH399.8%,可直接作為其它產(chǎn)品的原料,塔底廢液中含NH321塊時(shí)變化較小,同時(shí)根據(jù)廠方對塔高的要求,理論塔板數(shù)取21塊板、精餾段8塊板、提餾段12塊板。填料選用比表面積較大的規(guī)整填料鞍環(huán)板波紋填料BLA-2#Y,DN600塔可以通過,液泛率為50%,仍有一定擴(kuò)產(chǎn)裕度。填料

9、高度定為20m。液體及氣體的分布采用與規(guī)整填料相匹配的槽盤式氣液分布器及槽式分布器。工藝計(jì)算結(jié)果見表3。表3工藝計(jì)算參數(shù)2.3單塔蒸氨與雙塔蒸氨的比較有些蒸氨塔的處理量比較小,塔徑也就較小,但理論塔板數(shù)即填料高度較高,這樣就形成一個(gè)又細(xì)又高的塔。廠方希望塔高能夠矮一些,所以將單塔蒸餾流程改為雙塔串聯(lián)分離流程,見圖4。我們就這一流程也進(jìn)行了多級計(jì)算,雙塔塔底、塔頂指標(biāo)與單塔相同。圖4蒸氨塔雙塔流程示意圖蒸氨塔雙塔流程的特點(diǎn)不是簡單地將1個(gè)高塔改為較矮的2個(gè)塔,然后串聯(lián)起來,它是2個(gè)獨(dú)立的蒸氨塔串聯(lián),兩塔底部的排出液中氨含量均達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)塔1頂部出氣達(dá)到一定氨濃度,進(jìn)入塔2繼續(xù)蒸氨增濃至99.

10、8%。由于塔2負(fù)荷減輕了,它的塔徑較塔1要小。單塔和雙塔兩種流程的計(jì)算結(jié)果參見表4(其中各塔液泛率均為50%)。表4蒸氨塔單塔與雙塔的比較由表4可見,要同時(shí)滿足塔底排液和塔頂出氣的質(zhì)量要求,雙塔的總理論板數(shù)比單塔的要多,但兩塔高度可以降低,同時(shí)塔徑也均較小些,這是這種雙塔流程的特點(diǎn)。顯然,雙塔流程中的2個(gè)塔可以也有不同組合,如果適當(dāng)調(diào)整回流比,原則上可使雙塔的總體積(即塔徑和理論板數(shù)的乘積)稍小于單塔流程。但它結(jié)構(gòu)復(fù)雜,附屬裝置增加,熱負(fù)荷上升,從投資上并不很合算。4結(jié)語(1)解吸塔和蒸氨塔均屬氨水汽提的解吸過程,由于解吸塔只要求塔底排液質(zhì)量,它可采用塔頂進(jìn)料有回流的流程。而蒸氨塔塔頂和塔釜均

11、有質(zhì)量要求,它應(yīng)采用中部進(jìn)料有回流的流程。(2)通過以上兩個(gè)改造實(shí)例的計(jì)算,分別對其塔徑、理論板數(shù)進(jìn)行比較,得出了較優(yōu)的改造方案JR型合成塔內(nèi)件長周期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)范銀鈴程桂花(河北省石油化工建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站石家莊)0前言石家莊正元化肥有限公司(原河北省靈壽縣化肥廠)目前合成氨生產(chǎn)能力7萬t/a,原800合成塔內(nèi)件使用過程中壓力高于30MPa,放空量大、能耗高、塔溫不好控制。為此,1996年7月更換為石家莊正元高效塔器開發(fā)公司生產(chǎn)的JR型1000矮塔內(nèi)件,其它保留原800配置,于1996年8月投入運(yùn)行,內(nèi)件觸媒填充量為17.7t,合成氨最高日產(chǎn)為236t。自投入運(yùn)行以來連續(xù)生產(chǎn)4年未更換過觸媒

12、,2000年5月更換一段觸媒1次,更換觸媒1.6t;2003年5月更換一段及少量二段觸媒1次,更換觸媒2.1t。內(nèi)件自投入生產(chǎn)至今,三、四段觸媒已連續(xù)運(yùn)行7年,目前仍在高效運(yùn)行,累計(jì)生產(chǎn)合成氨32萬t,噸觸媒已生產(chǎn)合成氨1.5萬t。據(jù)有關(guān)專家預(yù)測,該合成塔內(nèi)件及三、四段觸媒仍可繼續(xù)使用5年,為企業(yè)創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益。1合成塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)及合成系統(tǒng)工藝流程(1)JR型1000合成塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)。觸媒分為4段,一、二段間采用冷激方式,冷熱氣體直接混合換熱;三、四段觸媒采用列管換熱器移走反應(yīng)熱,換熱器可以整體吊出。合成塔內(nèi)件氣體流向:含NH32%3%的入塔氣首先經(jīng)塔前預(yù)熱器預(yù)熱至100120后,通過主線從塔頂入塔,經(jīng)內(nèi)件與外筒的環(huán)隙下行,同時(shí)保證外筒壁溫度不超過