葉大松 郭瑞英

(河南煤業(yè)化工集團(tuán)濮陽(yáng)中原大化公司,河南濮陽(yáng) 457000)

0 引 言

河南煤業(yè)化工集團(tuán)濮陽(yáng)中原大化公司尿素裝置是從意大利斯納姆公司成套引進(jìn)的,采用氨汽提法工藝技術(shù)的大型尿素生產(chǎn)裝置。在SNAM氨汽提尿素工藝中,中壓吸收塔(C101)的作用是回收未反應(yīng)的NH3和CO2,并將其送回合成塔。C101吸收效率的高低將直接影響整個(gè)生產(chǎn)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行及原料消耗。而吸收塔結(jié)構(gòu)及其合理操作是決定吸收效率的主要因素,因此C101的結(jié)構(gòu)合理化設(shè)計(jì)及優(yōu)化其操作是致關(guān)重要的。

1 C101的結(jié)構(gòu)及有關(guān)工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 C101的結(jié)構(gòu)

河南煤業(yè)化工集團(tuán)濮陽(yáng)中原大化公司尿素裝置采用SNAM氨汽提工藝,其C101結(jié)構(gòu)為:內(nèi)徑2m,全高9m,分為上下兩段。下段為鼓泡吸收段,在距底部0.5m處,有1個(gè)十字管分布器,十字管分布器的每支管在下側(cè)有3排φ12mm的小孔90個(gè)。在此段氣體中大部分CO2(95%以上)被吸收下來(lái)。上段為精餾吸收段,有4塊泡罩塔板,每塊塔盤上泡罩?jǐn)?shù)為192個(gè),板間距為600mm,塔板厚1.5mm,塔板堰高75mm,堰長(zhǎng)1 300mm,降液管底部至下一塔板的距離為25mm,泡罩直徑為80mm,升氣管直徑為48mm,每個(gè)泡罩齒縫數(shù)為19,齒縫為矩形齒縫,高度為25mm,寬度為6.3mm,塔板至齒縫頂距離為43mm。精餾吸收段是將氣體中剩余少量的CO2經(jīng)過(guò)稀氨水和回流氨的吸收并洗滌至百萬(wàn)分之幾。

1.2 C101工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

C101回收合成液中全部未反應(yīng)的NH3和CO2,移走反應(yīng)熱,制取高濃度的碳氨液返回合成塔,回收過(guò)剩氨時(shí)必須將氣體中CO2吸收完。C101的物料走向如圖1所示。各工藝設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

中壓吸收塔各工藝設(shè)計(jì)參數(shù)由物料組成決定。在一定負(fù)荷下,對(duì)吸收塔最直觀的控制是塔頂?shù)诇囟鹊目刂?實(shí)質(zhì)上是對(duì)氣液組成的控制。對(duì)于一定結(jié)構(gòu)的吸收塔,在一定負(fù)荷下,優(yōu)化操作的關(guān)鍵是控制工藝參數(shù)的最佳范圍。

圖1 C101物料流程

表1 C101各物料工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

2 C101負(fù)荷性能及吸收效率的論證

C101實(shí)質(zhì)上是由鼓泡塔和泡罩塔共同組成。吸收塔的吸收效率不僅與上下塔的結(jié)構(gòu)有關(guān),還與塔的負(fù)荷性能及塔的操作負(fù)荷有關(guān)。了解塔的設(shè)計(jì)負(fù)荷性能及操作彈性對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)、提高吸收效率有重要意義。

2.1 精餾吸收段氣液負(fù)荷

2.1.1 精餾吸收段物料平衡

根據(jù)全塔物料平衡可計(jì)算出精餾吸收段的設(shè)計(jì)氣液負(fù)荷,從而確定設(shè)計(jì)操作點(diǎn)。精餾吸收段出口氣相中NH329 515kg/h,精餾吸收段進(jìn)口氣相CO2:進(jìn)入中壓吸收塔的氣液混合物中95%以上CO2在鼓泡吸收段內(nèi)被吸收,進(jìn)入精餾吸收段的CO2按5%計(jì)算,70 718×14.13%×5%=499.7m3/h。NH3:進(jìn)入精餾吸收段的CO2被吸收生成甲銨,放出的熱量被頂部回流氨氣化帶走,剩余的回流氨在鼓泡吸收段內(nèi)全部氣化進(jìn)人精餾吸收段。精餾吸收段生成甲銨放出熱量為:

式中:136.33—?dú)鈶B(tài)CO2和液態(tài)NH3在恒壓下反應(yīng)生成1摩爾固體甲銨放出的熱,kJ/ kmol;

17.59 —氨基甲酸銨熔解熱,kJ/kmol。

這些熱量可氣化氨量:

式中:1711.6,624.24—壓力為1.72MPa(A),溫度為43℃下氣態(tài)和液態(tài)氨的熱焙,kJ/kg。

所以進(jìn)人精餾吸收段的氣氨為:29 515-1 240.2 =28 274.8kg/h。

精餾吸收段氣相進(jìn)口為:28 274.8+499.7= 28 774.5kg/h。

精餾吸收段進(jìn)口液相。回流氨和54.81%濃氨水,其量為5 853+7 073=12 926kg/h。其中NH3量:5 853×99.97%+7 073x54.87%=9 733kg/h。

精餾吸收段出口液相。NH3:28 274.8+9 733-29515=8492.8kg/h,H2O:3193kg/h,CO2:499.7kg/ h?？偭繛? 492.8+3193+499.7=12 185.9kg/h。

2.1.2 精餾吸收段氣相負(fù)荷

精餾吸收段氣相負(fù)荷取進(jìn)出口氣液相流量的平均值。

氣相質(zhì)量流量為:

氣相中NH3的摩爾組成99.67%,CO2摩爾組成0.33%。各組分臨界壓力及溫度見表2。

表2 各組分臨界壓力及溫度

式中:p—操作壓力,1.72MPa(A)。

對(duì)比溫度 Tr=T/Tc=(273+61.5)/(273+ 132.56)=0.824

式中:T—操作溫度,取進(jìn)出口溫度的平均值,(80+ 43)/2=61.5℃。

由“氣體的通用壓縮系數(shù)圖”查出壓縮因子Z= 0.900,由氣體狀態(tài)方程得:V=ZRT/P=0.9× 0.0821×334.5/17.2=1.437m3/kmol·h

氣相負(fù)荷 Va=1.437x(1 699.7+5.68)= 2 450.6m3/h=0.681m3/s。

氣相密度ρv=29 144.75/2 450.6=11.89kg/m3。

2.1.3 精餾吸收段液相負(fù)荷

精餾吸收段液相量取進(jìn)出口平均值GL=(12 926 +12 185.5)/2=12 555.7kg/h,含氨量為(9 733+ 8 492.8)/2=9 112.9kg/h,液氨濃度為 9 112.9/ 12 555.7=72.6%。查得50℃、72.6%的濃氨水的密度為ρL=712kg/m3。所以液相負(fù)荷為L(zhǎng)h=GL/ρL= 12 555.7/712=17.63m3/h。

泡罩塔氣相負(fù)荷設(shè)計(jì)值為0.681m3/s,液相負(fù)荷為17.63m3/h。目前裝置生產(chǎn)負(fù)荷在105%左右,同理可計(jì)算出C101氣相負(fù)荷為0.686m3/s,液相負(fù)荷為16.02m3/h。不同負(fù)荷下泡罩塔的操作點(diǎn)見表3。

表3 C101不同負(fù)荷下的操作參數(shù)

2.2 C101的負(fù)荷性能

對(duì)于一定的物系和一定結(jié)構(gòu)的塔,相應(yīng)有一個(gè)適宜的氣液流量范圍,此范圍為塔的負(fù)荷性能圖。當(dāng)物系一定時(shí),負(fù)荷性能圖由塔的結(jié)構(gòu)尺寸決定,對(duì)于一定結(jié)構(gòu)的塔,負(fù)荷性能圖一定。C101由上下兩塔組成,下塔鼓泡吸收段對(duì)于該物系(一定的合成工藝條件,相應(yīng)有一個(gè)適宜的回收工藝條件)也有一定的負(fù)荷范圍,對(duì)于上塔泡罩塔可計(jì)算出其塔板負(fù)荷性能圖,由下列幾條線組成:最小液量線,最小氣量線,最大氣量線,氣流不均線,降液管液泛線和理論操作線組成。

圖2 C101泡罩塔負(fù)荷性能圖

以上幾條線可構(gòu)成C101泡罩塔板的負(fù)荷性能圖,所得負(fù)荷性能圖如圖2所示。由圖2可知,最大氣相量為0.96m3/s,設(shè)計(jì)操作點(diǎn)p(17.63,0.681)在負(fù)荷性能圖的中間區(qū)域,連0p兩點(diǎn)作操作線,得最大氣相量為0.96m3/s,最小氣相量為(0.681/17.63)× 4=0.154m3/s,所以操作彈性為0.96/0.154=6.2。說(shuō)明此泡罩塔的操作彈性較大(一般泡罩塔的操作彈性為4～5)。且在液氣比為17.63/0.681的情況操作時(shí),此泡罩塔的生產(chǎn)能力由最大氣相量線控制。目前泡罩塔的生產(chǎn)操作點(diǎn)q(16.02,0.686)在負(fù)荷性能圖中的位置如圖2所示。只要保證物料的組成及物性一定,操作點(diǎn)在負(fù)荷性能圖范圍內(nèi),沒(méi)有漏液、液沫夾帶、降液管液泛現(xiàn)象發(fā)生,則泡罩塔就能達(dá)到良好的吸收效果。對(duì)于C101,鼓泡塔的負(fù)荷大小對(duì)吸收效率有直接的影響,吸收效率的大小可通過(guò)所控制的操作參數(shù)及吸收后的氣液組成的分析值來(lái)確定。

3 影響吸收效率的因素分析

對(duì)于一定結(jié)構(gòu)的吸收塔吸收效率的大小不僅與物料的組成及操作參數(shù)有關(guān),而且還與吸收塔氣液負(fù)荷的大小有關(guān)。且氣液負(fù)荷的大小與物料的組成及操作參數(shù)相互影響、相互制約。

3.1 負(fù)荷對(duì)吸收效率的影響

通過(guò)上述論證,對(duì)于泡罩塔,氣液負(fù)荷必須在負(fù)荷性能圖范圍內(nèi)操作,才能有較好的吸收效率;對(duì)于鼓泡塔,隨著負(fù)荷的增大,因在塔內(nèi)停留時(shí)間縮短,吸收效率相對(duì)偏低,所以中壓吸收塔負(fù)荷不能無(wú)限制增大。吸收效率不好最直接的體現(xiàn)是鼓泡段溫度升高。見表3不同負(fù)荷下的操作參數(shù),不同負(fù)荷下泡罩塔操作點(diǎn)均在負(fù)荷性能圖的范圍內(nèi)。其中,影響吸收塔負(fù)荷變化的因素很多,系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生變化,則中壓吸收塔負(fù)荷相對(duì)發(fā)生變化。在同一負(fù)荷下,合成塔溫度低于設(shè)計(jì)值,合成塔內(nèi)CO2轉(zhuǎn)化率降低,其它條件不變,中壓分解溫度升高等均能使吸收塔的負(fù)荷增大。當(dāng)負(fù)荷超過(guò)一定范圍時(shí),中壓吸收塔的操作參數(shù)將達(dá)不到設(shè)計(jì)值,吸收效率下降。對(duì)于此套裝置,受鼓泡段特性的限制,吸收塔的負(fù)荷不宜超過(guò)110%,最經(jīng)濟(jì)合理的生產(chǎn)操作負(fù)荷建議在105%左右。

3.2 物系的組分及操作參數(shù)對(duì)吸收效率的影響

在操作參數(shù)中,影響吸收效率的操作參數(shù)主要是塔頂和塔底溫度。塔頂、塔底溫度控制不好,吸收液組成將發(fā)生變化,吸收效率將發(fā)生變化。當(dāng)塔底溫度升高時(shí),吸收液氨碳比減小,吸收氣相中CO2的能力降低。當(dāng)塔底溫度為 96.7℃時(shí),則 NH3/CO2為1.49,H2O/CO2為 1.40;塔底溫度為 95℃時(shí),NH3/ CO2為 1.58,H2O/CO2為 1.01;當(dāng)塔底溫度為93.3℃時(shí),NH3/CO2為1.65,H2O/CO2為1.39。說(shuō)明溫度越高,NH3/CO2越小,越不利吸收CO2。使塔底溫度升高的原因很多,當(dāng)負(fù)荷的增大超過(guò)一定范圍時(shí),則塔底溫度必升高且超過(guò)設(shè)計(jì)范圍;當(dāng)中壓吸收塔負(fù)荷一定時(shí),回流氨量的減少、氨水水量的變化、吸收塔液位控制太低、中壓冷凝器冷卻水量的減少或結(jié)垢太嚴(yán)重等均使塔底溫度升高,相應(yīng)的吸收液的組成NH3/CO2、H2O/CO2發(fā)生變化,從而影響吸收效率。對(duì)于塔頂溫度,若溫度升高,平衡氣相中的CO2含量將升高,泡罩塔板的吸收效率必下降,其中塔頂溫度直接受塔底溫度及組分的影響,塔底溫度升高,塔頂溫度必升高。對(duì)中壓吸收塔溫度的控制,實(shí)質(zhì)上是對(duì)組分的控制,根據(jù)在一定溫度、壓力下NH3-CO2-H2O的氣液平衡關(guān)系知,其液相組成是決定吸收效率大小的關(guān)鍵因素。

4 結(jié) 論

根據(jù)對(duì)中壓吸收塔負(fù)荷性能的論證及影響吸收效率因素的分析,說(shuō)明此吸收塔的操作彈性較大。對(duì)于此套裝置,根據(jù)上述的分析論證及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié),吸收塔的最佳生產(chǎn)負(fù)荷控制在105%左右比較經(jīng)濟(jì)合理。優(yōu)化吸收塔的操作,提高吸收效率的關(guān)鍵是控制好塔頂、底溫度,由上述的理論論證及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)分析,塔底溫度高限不超過(guò)80℃,低限不低于67℃;塔頂溫度高限不超過(guò)44℃,低限不低于39℃。在此溫度范圍內(nèi)操作,吸收液的組成氨碳比才能接近設(shè)計(jì)值,此時(shí)吸收效率最佳。根據(jù)對(duì)中壓吸收塔結(jié)構(gòu)的理論論證及影響吸收效率因素的分析,優(yōu)化其操作,對(duì)整個(gè)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行、節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益等方面有著重要的意義。