提高NHD脱硫脱碳装置塔处理能力技术改造方案的探讨

1、提高 N HD 脱硫脱碳装置塔处理能力技术改造方案的探讨胡宗贵(江苏索普集团公司 ,镇江丹徒212006)摘要 :通过对 N HD 溶液对煤气中杂质气体的吸收特性和现有工艺条件进行分析 ,从填料对系统的适应性 、传质系数 、传质面积 、塔内件等 方 面 对 塔 的 扩 能 进 行 分 析 和 计 算 , 确 定 了 以 规 整 填 料 代 替 目 前 的 散 堆 填 料 , 把 塔 的 煤 气 处 理 能 力 从18000m3 / h 提高到 43000m3 / h 的技术改造方案 。关键词 : N HD 溶液 ;传质系数 ;传质面积 ;规整填料 ;散堆填料 ;填料适应性中图分类号 : TQ

2、21文献标识码 :B文章编号 :100129219 (2006) 05249206N HD 法脱硫脱碳净化技术是一种高效节能的物理吸收方法 ,广泛用于合成气 、天然气 、燃料气和 城市煤气等混合气体中 H2 S 、CO2 、CO S 、烃 、醇等的 吸收 ,目前已在众多合成氨厂 、甲醇厂 、醋酸厂等的 脱硫脱碳装置上得到成功应用 。江苏索普集团于1996 年和 2004 年分别应用 N HD 脱硫脱碳技术建 成了两套处理 8000 m3 / h 和 18000 m3 / h 粗煤气的装 置 ,为甲醇羰基合成醋酸装置提供精制的 CO 。近 年 ,随着集团醋酸产量的大幅提高 , N HD 脱硫脱碳

3、 装置 的 煤 气 处 理 能 力 已 不 能 满 足 需 求 。因 此 , 对N HD 脱硫脱碳装置进行技术改造 ,提高其处理能力 迫在眉睫 。其中对装置中的塔技术改造尤为关键 。由于 H2 、N2 、CH4 、CO 等气体在 N HD 溶剂中的溶解度与 CO2 、H2 S 、CO S 等气体的溶解度相比要小 得多 (表 2) ,因此该溶剂有良好的选择吸收性 。表 2 各种气体在 NHD 溶剂中的相对溶解度 Ta ble 2 Sol ubil ity of var ious ga ses in NHD solvent 组 分H2 CH4 CO2 COS H2S CH3SH CS2 H2OCO

4、相对溶解度( m3 ( 气) / m3 ( 液) )113 218 617 100 233 893 2270 2400 73300N HD 吸收 CO2 和 H2 S 等酸性气体的过程具有典型的物理吸收特征 ,这些气体在工艺气体中的分 压较低时 , 它们在 N HD 溶剂中的平衡浓度能较好地服从亨利定律 :Ci = Hi 3 P总 3 yi = Hi 3 piH2 S 在 N HD 溶剂中溶解度可用下列数学式描 述 :1N HD 法简介N HD 法是杭州化工研究所 、南京化学工业集团公司研究院与鲁南化学工业集团 20 世纪 80 年代共同开发的 ,所用溶剂主要成分是平均分子量为 260280

5、的聚乙二醇二甲醚 。溶剂性质见表 1 。3174log Ci = log Pi + - aT对 CO2 在 N HD 系统的平衡 ,在 CO2 分压低于1M Pa 时也可以用于上式相似的数学模型计算平衡 溶解度 :表 1 NHD 溶液的物理性质Physical properties of NHD solventTa ble 1项 目性 质项 目性质log Ci = log Pi + 3117 - a密度/ kg/ m3蒸气压/ Pa表面张力/ 4N/ m 燃点/ 粘度/ Cp1027010930103157413比热容/ kJ / ( kg·k)CO2 溶解热/ kJ / kg冰点/

6、 闪点/ 2100374- 22 - 29151T式中 : Ci 为酸性气体 ( H S 、CO ) 在溶剂中的溶2233解度 ( m 气体/ m N HD) ; P 为 气 体 分 压 ( M Pa) ; T为温度 ( K) ; a 为常数 。2脱硫脱碳流程简述索普集团采用的虽是江苏南化集团研究院的专修改日期 :2006 - 08 - 15 ;作者简介 :胡宗贵 ( 1971 - ) ,男 ,在读 博 士 生 , 副 总 经 理 , 电 话 0511 - 8995588 , 电 邮 huz sopo1co m1cn 。天然气化工2006 年第 31 卷50利技术 ,但在用 N HD 脱除有机

7、硫方面取得了成功 ,具有独创性 ,经 N HD 脱硫脱碳工序后 ,CO S < 011 ×10 - 6 ,而 CO2 也可 < 014 % 。 粗煤气经预脱硫工序处理后 ,再通过压缩机压缩至 314M Pa ,在与经闪压机压缩后输送来的高闪气汇合后 ,作为原料气进入脱硫脱碳工序 。原料气 首先进入气体换热器与净化气进行冷热交换 ,然后 经气体水冷器冷却 ,经进塔分离器分离后进入脱硫 塔底部 ,与塔顶的来自精脱塔 N HD 溶液逆流接触 , 塔内装有高效扁环填料 , 使气体中 的 H2 S 、CO2 和 CO S 在填料表面被经热再生的 N HD 贫液吸收 , 出 脱硫塔的

8、工艺气 ( 脱硫气) 继续进入脱碳塔底部 ,与经气提再生后的 N HD 贫液逆流接触 , 脱碳塔内也 装有高效 扁 环 填 料 , 脱 硫 气 中 的 CO2 进 一 步 被 吸 收 ,出脱碳塔的工艺气 ( 脱碳气) 进入精脱塔与再生 塔过来的贫液进行逆流接触 ,进一步脱除其中的微 量杂质后成为净化气 。净化气经气体分离器 、气体 交换器后 ,温度升至 30 左右送至精脱硫工序 。脱 硫塔的富液经高压和低压两级闪蒸后 ,再经贫 、富液 交换器升温后进入中压闪蒸槽 ,经中压闪蒸后送至 再生塔 ,再生塔将富液通过蒸汽加热再生 , 形成贫 液 ,经贫富液交换器 、氨冷器将贫液温度降至 < 0

9、, 贫液进入精脱塔吸收微量杂质气体后再进入脱硫塔 ,形成为脱硫塔贫液 ,再循环至精脱塔 ; 出脱碳塔的富液经高压闪蒸后进入气提塔 ,气提塔用氮气将 富液气提再生 ,形成脱碳贫液 ,经氨冷器后 ,将脱碳 贫液温度降至 < 0 左右 ,再输送至脱碳塔 ,形成循 环 。3塔的扩能分析通常可通过改造塔内件的方式来提高塔的处理能力 。由于规整填料相对散堆填料具有更大的比表面积和空隙率 ,一般来说规整填料的性能要优于散 堆填料 ,规整填料具有传质效率高 、阻力低 、持液量小 、通量大 、操作弹性范围广 、放大效应小等优点 。据文献介绍当规整填料用于中等以上操作压力 (017114M Pa) 或较大液

10、体负荷> 25 m3 / ( m2 ·h) 的精馏 ,不仅其处理能力有所下降 ( 因 <p 增大 , 当 液体负荷超过 50 m3 / ( m2 ·h) 后其填料因子是液体 负荷的函数) ,而且其效率也出现问题 ,至少对于分 布器等内件的要求更高 ,以防止效率明显下降 。目 前对于高压下效率下降的原因尚未完全搞清楚 ,更无可靠的预测办法 ,在高压下应用成功与不成功的 实例均有报道 ,因此在这种条件下选用规整填料必须十分谨慎 。此次改造的 5 只塔在目标负荷下的压力和液体负荷如表 3 所示 。表 3 此次改造的 5 只塔在目标负荷下的压力和液体负荷Ta ble 3

11、 The operation pressures and l iquid loa ds at the target treating a mounts of the f ive to wers needng retrof it气提塔项 目脱硫塔脱碳塔再生塔精脱塔常解段真解段气提段操作压力/ M Pa液体负荷/ m3/ ( m2·h)气体动能因子315559173159515115783145781109515015951511195151113601641123019701732/F = 1G流动参数Fp = ( L / G) (G/ L ) 01501471133201535017

12、211171/由表 3 可见 ,脱硫塔 、脱碳塔 、精脱塔这 3 只塔的操作压力和液体负荷 、流动参数都很高 ,因此 ,选 用规整填料必须十分小心 。经过对国内规整填料用于脱硫 、脱碳工艺的文 献进行检索 ,发现近年来 ,有越来越多的规整填料用 于合成氨厂的技术改造中 ,无论是脱硫塔 、脱碳塔 、气提塔 、铜洗塔等都取得了令人满意的结果 。其操作压力有 118 310M Pa ( 合 成 氨 丙 碳 塔) , 218M Pa (MD EA 脱碳塔) , 1210M Pa ( 合成氨铜洗塔) 。国内 规整填料尚未见用于 N HD 脱硫脱碳工艺 , 但已成 功用于碳酸丙烯酯脱碳 , 压力直至 31

13、0M Pa 。碳酸 丙烯酯与 N HD 都是物理溶剂 , 都是液膜控制吸收第 5 期胡宗贵 :提高 N HD 脱硫脱碳装置塔处理能力技术改造方案的探讨510129655 (lgFlg) 2的系统 ,而且两者的物理性质基本相似 ,因此规整填料也应能适用 N HD 工艺 。250 Y 板波纹规整填料等板高度约为 360 mm ;200 Y 板波纹规整填料等板高度约为 450 mm ; 扁环 填料的等板高度约为 450 mm ; 可以看出 200 Y 与扁环差不多 ,250 Y 则要优于扁环 。当然 ,在高压条件 下操作 ,较高的液体喷淋密度使得填料对液体的自 分布能力减弱 ,液体易产生偏流沟流等不

14、均匀流动 , 同时 其 效 率 也 会 因 返 混 的 加 剧 而 下 降 。250 Y、200 Y、<38 mm 扁 环 的 比 表 面 积 分 别 是 250 、200 、150 m2 / m3 ,很明显前两者的比表面积要大大高于扁 环填料 。通过上述的分析决定采用 250 Y、或 200 Y 的板波纹规整填料来代替现有的扁环填料以求获得 更大的通量和等同的吸收效果 。塔内件包括液体分布装置 、床层固定装置或床层压紧装置 、填料支承装置 、液体收集在分布装置以 及气体分布装置等 。一座性能良好的大型填料塔 , 填料本身的高性能固然重要 ,但与之匹配的塔内件 , 尤其是液体分布器和气体

15、分布器也是至关重要的 。 否则填料的高性能就不能发挥 ,特别是对于大直径 、 多侧线 、浅床层塔器 ,气液分布往往是成败的关键 。 不良的液体分布可使填料的性能下降 50 %70 % , 因此这次塔内件的设计均采用华东理工大学的发明 专利技术 。散堆填料泛点气速计算公式 :GL其中流动参数 Flg = ( G),0101 < Flg < 10 。L散堆填料的压降计算参照“Eckert ( 埃克特) 通用 关 联 图”1 , 规 整 填 料 泛 点 气 速 计 算 根 据 Bain2Ho ugen 通用关联式 :2 GU Gf1 ( a ) 1 ( G ) 1 2= A - 1175

16、 ( L ) 0125 () 01125lgL3LLgG式中 A 对孔板波纹填料为 01291 。2规整填料压降计算参照文献的规整填 料 通用压降关联图 。4 改造方案411脱硫塔41111原有内件结构分析液体分配盘上开孔数量 (176 ×<15) 不能满足将 来扩产的需要 ,分配盘上的液位已经超过升气管 ( H= 135 mm) 顶部 ,且布液孔的布置不够均匀 ; 多孔排管式液体和气体分布器不能使液体和气体分布均 匀 ;塔底富液出料由于旋涡作用会出现气体夹带 。41112填料扩产适应性目前填料采用两种规格 ,上部 4 层 (每层 6 m) 用Q H23 聚丙烯扁环填料 ( &

17、lt;38 ×13 ×112 , = 145 m2 /3)m;下部 2 层 ( 每层 6 m) 用 Q H23 不锈钢扁环填料(<38 ×1217 ×017 , = 150 m2 / m3 ) ; 对 上 述 填 料 和200 Y 不锈钢规整填料 ( 共 6 层 ,每层高 6 m) 的液泛 系数及填料层阻力进行测算 ,结果如表 4 所示 。U Gf 2 1G1<11L= - 116678 - 11085lgFlg-lgL 1g表 4 两种不同填料的液泛系数和填料层阻力计算结果The calculated f looding coeff ici

18、ents and bed resistances of t wo diff erent packingsTa ble 4负荷 ( 标态)m3/ h测算的液泛气速 U fm/ s液泛系数= U / U f空塔气速 Um/ s填料层阻力k Pa/ m全塔阻力降k Pa填料类型散堆填料 ( 下部不锈钢)规整填料 ( 不锈钢 200 Y)4000001161011610121401208017540177511001146364000051256按液泛系数的测算值 ,在目标负荷下 ,散堆填料的液泛系数和规整填料的液泛系数都在设计范围之 内 ,但是散堆填料的全塔阻力降很大 ,同时担心散堆 填料的传质表面

19、积增加比例不够 ,因此考虑将散堆填料更换为 200 Y 规整填料 。41113 改造方案全部更换本塔现有的两种 Q H23 扁环填料 , 采用不锈钢 200 Y 规整填料 ; 拆除现用的驼峰式填料支承 ,改为格栅式支承 ,并在各层填料上设置导液栅 板以取代目前的丝网式填料压板 ; 采用华东理工大 学一种液体和气体均匀分布的发明专利技术 ,改造现用的液体分布结构和气体分布器 ; 塔底加装防旋 涡装置 ,以免气液夹带 。412 脱碳塔天然气化工2006 年第 31 卷5241211原有内件结构分析液体分配盘上开孔数量 (264 ×<15) 不能满足将 来扩产的需要 ,分配盘上的液位

20、已经超过升气管 ( H= 130 mm) 顶部 ,且布液孔的布置不够均匀 ; 多孔排 管式液体和气体分布器不能使液体和气体分布均匀 ;塔底富液出料由于旋涡作用会出现气体夹带 。41212填料扩产适应性目前 采 用 Q H23 碳 钢 扁 环 填 料 ( <38 ×1217 ×017 , = 150 m2 / m3 ) ( 共 5 层 , 每层 6 m) 。对上述填 料和 200 Y 不锈钢规整填料 ( 下部 3 层 , 每层 6 m) ,250 Y 不锈钢规整填料 ( 上部 2 层 ,每层 6 m) 的液泛系数及填料层阻力进行测算 ,结果如表 5 所示 。表 5 两种

21、不同填料的液泛系数和填料层阻力计算结果The calculated f looding coeff icients and bed resistances of t wo diff erent packingsTa ble 5负荷 ( 标态)m3/ h空塔气速 Um/ s测算的液泛气速 U f/ m/ s液泛系数= U / U f填料层阻力k Pa/ m全塔阻力降k Pa填料类型塔上部 2 段碳钢扁环0108201109017601441832000散堆填料塔下部 3 段碳钢扁环36000010930111701800159塔上部 2 段不锈钢250 Y32000010820110701767

22、010810198规整填料塔下部 3 段不锈钢200 Y36000010930113301701075113541311按液泛系数的测算值 ,在目标负荷下 ,下部的散堆填料的液泛系数已较高 ,而规整填料的液泛系数 在设计范围之内 ,同时散堆填料的全塔阻力降较大 ,由于还担心散堆填料的传质表面积增加比例不够 ,因此考虑将散堆填料更换为规整填料 。41213 改造方案全部更换本塔现有的 Q H - 3 扁环填料 ,塔上部2 段采用不锈钢 250 Y 规整填料 ;塔下部 3 段采用不 锈钢 200 Y 规整填料 ;拆除现用的驼峰式填料支承 ,改为格栅式支承 ,并在各层填料支上设置导液栅板以取代目前的

23、丝网式填料压板 ; 采用华东理工大学 一种液体和气体均匀分布的发明专利技术 ,改造现 用的液体分布结构和气体分布器 ; 塔底加装防旋涡装置 ,以免气液夹带 。413 气提塔原有内件结构分析气提塔的气提段中 ,溶液入塔初级分布槽只有一条 ,且结构形式不利于液体均布 ;液体分配盘上开 孔数量 (280 ×<15) 不能满足将来扩产的需要 ,分配盘上的液位已经超过升气管 ( H = 130 mm) 顶部 ,且布液孔的布置不够均匀 ; 气提气的入塔管仅为斜辟 直管 ,无气体分布器 ,气体分布不良 ; 常解段和真空 段现各设置 3 块筛孔板 ,并采用大截面 ,无降液板的降液 、跑气结构

24、,气液分离效果不理想 。41312 填料扩产适应性气提塔 气 提 段 填 料 现 用 Q H23 碳 钢 扁 环 填 料(<38 ×1217 ×017 , = 150 m2 / m3 ) , 共 3 层 ( 每 层7 m) ;对上述填料和 200 Y 非标不锈钢规整填料 ( 共3 层 ,每层 7 m) 的液泛系数及填料层阻力进行测算 ,结果如表 6 所示 。表 6 两种不同填料的液泛系数和填料层阻力计算结果The calculated f looding coeff icients and bed resistances of t wo diff erent pack

25、ingsTa ble 6负荷 ( 标态)m3/ h测算的液泛气速 U fm/ s液泛系数= U / U f空塔气速 Um/ s填料层阻力k Pa/ m全塔阻力降k Pa填料类型散堆填料 ( 碳钢扁环)规整填料 ( 不锈钢 200 Y)733301629016290174601821018430176601750107515175115757333第 5 期胡宗贵 :提高 N HD 脱硫脱碳装置塔处理能力技术改造方案的探讨53按液泛系数的测算值 ,在目标负荷下 ,散堆填料的液 泛 系 数 已 远 超 过 吸 收 通 常 的 容 许 值 ( 016 018) ,而规整填料的液泛系数在设计范围之内

26、。常 解段和真空段改造为填料段 ,利用再生塔卸下的不 锈钢 ( <50 ×17 ×018 , = 120 m2 / m3 ) 扁环填料 ,各段 分别高 2 m ,常解段液泛系数 = 0172 , 真解段由于 解吸气量很少 ,液泛系数很低 。41313 改造方案改造溶液分布槽 、液体分配盘 , 增 设 气 体 分 布 器 ;常解段和真空段的 6 程筛板取消 ,都改为填料结构 ,共 2 段 ( 每段 2 m) ,利用再生塔卸下的 Q H23 不 锈钢填料 ; 气提段全部更换本塔现有的 Q H23 扁环 填料 ,采用非标不锈钢 200 Y 规整填料 ; 拆除现用的 驼峰式填

27、料支承 ,改为格栅式支承 ,并在各层填料上 设置导液栅板以取代目前的丝网式填料压板 ;414 再生塔41411原有内件结构分析 溶液入塔初级分布槽只有一条 ,且结构形式不利于液 体 的 均 布 ; 液 体 分 配 盘 上 开 孔 数 量 ( 280 ×<15) 不能满足将来扩产的需要 ,分配盘上的液位已 经超过升气管 ( H = 130 mm) 顶部 ,且布液孔的布置不够均匀 ;塔下部液相段上方的升气管只有一根 ,布气不均匀 ;塔上部 <1000 段所装的旋流除沫板 ,不适 应扩产后气相负荷增加的工况 。41412 填料适应性分析目前填料采用 Q H23 不锈钢扁环填料

28、( <50 ×17×018 , = 120 m2 / m3 ) ,共 3 层 ( 每层 6 m) ,对上述填 料和 200 Y 非标不锈钢规整填料 ( 共 3 层 ,每层 6 m) 的液泛系数及填料层阻力进行测算 ,结果如表 7 所 示 。表 7 两种不同填料的液泛系数和填料层阻力计算结果The calculated f looding coeff icients and bed resistances of t wo diff erent packingsTa ble 7负荷 ( 标态)m3/ h测算的液泛气速 U fm/ s液泛系数= U / U f空塔气速 Um

29、/ s填料层阻力k Pa/ m全塔阻力降k Pa填料类型散堆填料 ( 不锈钢扁环)规整填料 ( 不锈钢 200 Y)5307530711109111091135111459018201762011536217按液泛系数的测算值 ,在目标负荷下 ,散堆填料的液泛系数已超过吸收通常的容许值 ( 016018) ,并 且全塔阻力降很大 ,工艺比允许 ;而规整填料的液泛系数在设计范围之内 ,压降也低 。41413改造方案 溶液入塔的初级分布液槽结构已改用均布性布液槽 ;塔下部液相段上方的升气管改为多管式升气管结构 ;更换本塔现有的 Q H - 3 扁环填料 ,采用非 标不锈钢 200 Y 规整填料 ;

30、 拆除现用的驼峰式填料 支承 ,改为格栅式支承 ,并在各层填料上设置导液栅 板以取代目前的丝网式填料压板 ; <1000 段所装的 旋流除沫板 ,改用适应性强的浮阀塔盘 。415 精脱塔41511 原有内件结构分析液体分配盘上开孔数量 (264 ×<15) 不能满足将 来扩产的需要 ,分配盘上的液位已经超过升气管 ( H= 130 mm) 顶部 ,且布液孔的布置不够均匀 ; 多孔排管式液体和气体分布器不能使液体和气体分布均匀 。41512 填料适应性分析目前 填 料 采 用 Q H23 不 锈 钢 扁 环 填 料 ( <38 ×1217 ×017

31、 , = 150 m2 / m3 ) 共 2 层 ( 每层 6 m) , 对上 述填料和 200 Y 非标不锈钢规整填料 ( 共 2 层 ,每层6 m) 的液泛系数及填料层阻力进行测算 ,结果如表 8所示 。41513改造方案 溶液入塔的初级多管液体分布器需重新设计和布置 ;采用华东理工大学一种液体和气体均匀分布 的发明专利技术 ,改造现用的液体分布结构和气体分布器 ;更换本塔现有的 Q H - 3 扁环填料 ,采用非 标不锈钢 200 Y 规整填料 ; 拆除现用的驼峰式填料 支承 ,改为格栅式支承 ,并在各层填料上设置导液栅 板以取代目前的丝网式填料压板 。天然气化工2006 年第 31 卷

32、54表 8 两种不同填料的液泛系数和填料层阻力计算结果The calculated f looding coeff icients and bed resistances of t wo diff erent packingsTa ble 8负荷 ( 标态)m3/ h空塔气速 Um/ s测算的液泛气速 U fm/ s液泛系数= U / U f填料层阻力k Pa/ m全塔阻力降k Pa填料类型散堆填料 ( 不锈钢扁环)规整填料 ( 不锈钢 200 Y)01150115011760 . 1920185201781150 . 125282232822318115换为规整填料以及与之相适应的分布器 ,在不更换塔体的情况下较大幅度地提高装置的处理能力 ,达 到扩产的目的 。改造目前正在实施之中 。5结语通过以上的计算数据可以明显的看出 : 散堆填料在目标 负 荷 的 情 况 下 液 泛 系 数 较 大 , 在 0180 0190 之