解吸塔及蒸氨塔的改造与计算

解吸塔及蒸氨塔的改造与计算唐伯国林长青张振欧黄洁(天津博隆塔器新技术开发有限公司300193)我国目前尿素装置多采用水溶液全循环法生产工艺。在生产过程中会形成一定数量的含NH35%～8%的稀碳铵液,浓度太低不能利用,直接排放既污染环境又损失氨。国家废液排放标准中要求含NH3≤0.07%(质量百分数,下同),随着人们对环保要求的重视,有些地方排放废水中含氨量要求指标更低。利用解吸塔将碳铵液中残余的氨和CO2解吸出来,返回吸收系统,既提高氨的利用率,又可使排放废水达到排污标准。这样对解吸塔的基本要求是:(1)解吸后的排放废液应尽量少地含氨,降低氨耗,减小污染。(2)解吸后塔顶的解吸气要返回系统,含水量应尽量少,有利于实现系统水平衡。近年来,世界能源供应日益紧张,节能降耗已成为主要发展方向,从合成氨尾气中回收有价值的气体并加以综合利用,已成为人们普遍关心的问题。合成尾气主要由两部分气体组成:合成放空气和液氨贮槽弛放气,其组分与生产操作有关。合成氨厂将其中的氨清洗后制成稀氨水,氨水浓度一般在15%,再利用蒸氨塔将稀氨水汽提得到99%以上的浓氨,使氨得到充分回收。同时蒸氨塔塔底排放液也要达到排放标准,不会影响环境。多年来我公司与各合成氨生产厂协作,完成了多项解吸塔与蒸氨塔的技改工作。本文将以解吸塔和蒸氨塔的各一个改造实例,介绍它们的模拟计算工作,并对相关的问题提出分析意见。1解吸塔某生产厂家原解吸塔为DN800,操作压力为0.35MPa,处理量较小,塔釜液出口含NH3指标为0.08%,不能达到国家的废液排放标准。为了增大处理量并能够达到国家的排放标准,该厂决定新增1台解吸塔,委托我公司进行设计。解吸液组分为:NH36.0%、CO20.99%、尿素0.94%,要求处理量为20～25m3/h、排放废液中含NH3≤0.03%。对该塔进行了详细计算,最终确定设计方案,塔径为1000、所选用的填料为规整填料。开车后操作稳定,解吸塔塔顶解吸气中含NH3为35%,返回系统,塔底排放废液中含NH3为0.023%,满足设计要求。1.1工艺流程(1)较早期的解吸塔工艺流程如图1所示。图1较早期的碳铵解吸塔工艺流程示意图图2经改进的碳铵解吸塔工艺流程示意解吸液在解吸换热器与塔底的废液换热后进入解吸塔塔顶,底部通入汽提用蒸汽,此蒸汽多由再沸器提供,塔底达标废液排放,塔顶出来的解吸气进入解吸冷凝器,出冷凝器的气相返回系统,液相去贮槽。(2)经改进的解吸塔工艺流程如图2所示,解吸液仍由塔顶加入。图2和图1的区别主要是塔顶冷凝出来的液相不去贮槽,而是作为塔的回流进入塔顶。(3)目前还有1种流程,它的碳铵解吸液进塔位置与流程图2不同,改塔顶进料为塔中部进料,将精馏原理应用到解吸塔中,增加一段精馏段。为了对以上3种不同的解吸塔流程作出比较,本文运用多级模拟计算方法对它们分别给出计算结果,并进行讨论。1.2模拟计算结果对于3种流程的计算条件都定为:解吸液组分:NH36.0%、CO20.99%、尿素0.94%,处理量为25m3/h,进料温度115℃,回流液温度120℃,要求废液含NH3为0.02%。均取理论塔板数17,对于有精馏段的计算,进料位置在顶数第四块板。计算结果见表1。表1解吸塔3种流程方案的比较由表1可见,在同样塔釜排液含NH3200×10-6的情况下:(1)无回流流程虽然能耗最小,但通过PRO-Ⅱ模拟计算,塔顶冷凝水中含NH3达5.28%,与进液含氨浓度相差不大。这部分稀氨水在工艺流程中如何处理仍然是个问题,可见这个流程不尽合理。(2)流程2和流程3塔顶以气相排出,大部分含氨冷凝水均回流入塔,但这又会导致塔釜的蒸汽耗量有所增加。(3)流程3比流程2的能耗更大些,其主要原因是因为流程3比流程2进料点至塔釜的填料段较低,所以为保证塔釜液含NH3达到200×10-6,只有加大汽提量,从而导致流程3能耗大。由此,推荐在解吸塔中采用流程2较好,没有必要采用流程3设计。1.3解吸塔计算解吸过程是吸收的逆过程,除了温度、压力及物性的影响外,气液间的接触状态也起着重要作用。加入的稀氨水与塔底上升的水蒸气通过填料表面接触,不断进行传质和传热作用,使液相中的氨和CO2不断进入气相,实现解吸,并使排放废液达到环保要求。我们选比表面积较大的BL-3.5#Y规整填料,通过填料表面,使气液在填料内得到充分接触,强化了传热和传质。解吸塔的填料高度(即理论塔板数)和塔径直接相关,可有不同的组合方案,这与设备费(填料体积等)和操作费(蒸汽消耗等)直接有关,原则上可以找出较优方案。方案的计算结果(塔径计算中液泛率均取为60%)见表2。表2不同理论板数时流程2塔径的比较由表2可见,当理论塔板数控制在13至19时,填料塔均能够满足设计要求,塔釜液中含NH3为0.02%。同时当理论塔板数增加时,塔径减小,蒸汽消耗及塔顶冷凝负荷也明显减小。计算还表明原塔径DN800时,欲达到塔底排放标准,需要很多的理论塔板数,原塔的高度无法满足这一要求。经综合比较,此塔的改造方案定为填料高度取为17块理论板,塔径1000,塔的高度也为厂方所接受。2蒸氨塔某厂对合成氨尾气进行净化洗涤,为了回收洗涤液中的氨,并把回收的氨直接加以利用。委托我公司改造1台蒸氨塔,塔径DN600,稀氨水温度75℃,含NH3为15.42%,经进、出物料换热器后,温度升至150℃,进入蒸氨塔中部。操作压力1.9MPa,蒸氨塔塔底部通入过热蒸汽(压力2.2MPa、温度320℃)。要求蒸氨塔塔顶气含NH3≥99.8%,可直接作为其它产品的原料,塔底废液中含NH3200×10-6,可直接排放。2.1工艺流程自清洗塔来的稀氨水经塔底蒸馏塔进、出料换热器与塔底排出的液体换热后,进入蒸氨塔中部,过热蒸汽自塔底吹入,塔釜液可达到排放标准直接排放,也可循环去吸收塔顶作为吸收液继续使用,从塔顶蒸出的高浓度氨出塔顶冷凝器后,温度67℃、达到含NH3≥99.8%的气氨去氨气总管,可作为其它产品的原料,液相回流入塔,原工艺流程示意图见图3。图3蒸氨塔流程示意图由图3可见,此即为以上讨论的3种流程中的流程3,它类似于精馏塔,中间进料,塔体分精馏和提馏两段,塔顶有回流。确定这一流程是因为蒸氨塔的塔顶和塔釜均有质量要求,上述之解吸塔并无塔顶质量要求,采用流程2就可以满足塔釜的排液标准了。2.2蒸氨塔的计算结果通过PRO-Ⅱ模拟计算,入料量一定时变化不同的理论塔板数,且保证塔顶出口气中含NH399.8%,塔底出口液含NH3≤200×10-6,可以发现,蒸汽用量在理论塔板数21块时变化较小,同时根据厂方对塔高的要求,理论塔板数取21块板、精馏段8块板、提馏段12块板。填料选用比表面积较大的规整填料———鞍环板波纹填料BLA-2#Y,DN600塔可以通过,液泛率为50%,仍有一定扩产裕度。填料高度定为20m。液体及气体的分布采用与规整填料相匹配的槽盘式气液分布器及槽式分布器。工艺计算结果见表3。表3工艺计算参数2.3单塔蒸氨与双塔蒸氨的比较有些蒸氨塔的处理量比较小,塔径也就较小,但理论塔板数即填料高度较高,这样就形成一个又细又高的塔。厂方希望塔高能够矮一些,所以将单塔蒸馏流程改为双塔串联分离流程,见图4。我们就这一流程也进行了多级计算,双塔塔底、塔顶指标与单塔相同。图4蒸氨塔双塔流程示意图蒸氨塔双塔流程的特点不是简单地将1个高塔改为较矮的2个塔,然后串联起来,它是2个独立的蒸氨塔串联,两塔底部的排出液中氨含量均达到排放标准,当塔1顶部出气达到一定氨浓度,进入塔2继续蒸氨增浓至99.8%。由于塔2负荷减轻了,它的塔径较塔1要小。单塔和双塔两种流程的计算结果参见表4(其中各塔液泛率均为50%)。表4蒸氨塔单塔与双塔的比较由表4可见,要同时满足塔底排液和塔顶出气的质量要求,双塔的总理论板数比单塔的要多,但两塔高度可以降低,同时塔径也均较小些,这是这种双塔流程的特点。显然,双塔流程中的2个塔可以也有不同组合,如果适当调整回流比,原则上可使双塔的总体积(即塔径和理论板数的乘积)稍小于单塔流程。但它结构复杂,附属装置增加,热负荷上升,从投资上并不很合算。4结语(1)解吸塔和蒸氨塔均属氨水汽提的解吸过程,由于解吸塔只要求塔底排液质量,它可采用塔顶进料有回流的流程。而蒸氨塔塔顶和塔釜均有质量要求,它应采用中部进料有回流的流程。(2)通过以上两个改造实例的计算,分别对其塔径、理论板数进行比较,得出了较优的改造方案JR型合成塔内件长周期运行经验总结范银铃程桂花(河北省石油化工建设工程质量监督站石家庄050065)0前言石家庄正元化肥有限公司(原河北省灵寿县化肥厂)目前合成氨生产能力7万t/a,原800合成塔内件使用过程中压力高于30MPa,放空量大、能耗高、塔温不好控制。为此,1996年7月更换为石家庄正元高效塔器开发公司生产的JR型1000矮塔内件,其它保留原800配置,于1996年8月投入运行,内件触媒填充量为17.7t,合成氨最高日产为236t。自投入运行以来连续生产4年未更换过触媒,2000年5月更换一段触媒1次,更换触媒1.6t;2003年5月更换一段及少量二段触媒1次,更换触媒2.1t。内件自投入生产至今,三、四段触媒已连续运行7年,目前仍在高效运行,累计生产合成氨32万t,吨触媒已生产合成氨1.5万t。据有关专家预测,该合成塔内件及三、四段触媒仍可继续使用5年,为企业创造了较好的经济效益。1合成塔内件结构及合成系统工艺流程(1)JR型1000合成塔内件结构。触媒分为4段,一、二段间采用冷激方式,冷热气体直接混合换热;三、四段触媒采用列管换热器移走反应热,换热器可以整体吊出。合成塔内件气体流向:含NH32%～3%的入塔气首先经塔前预热器预热至100～120℃后,通过主线从塔顶入塔,经内件与外筒的环隙下行,同时保证外筒壁温度不超过180℃,然后进入下部换热器加热至360～400℃,经上中心管进一段触媒入口。另外3股气体分别经3条副线入塔,可分别调节各段触媒层的温度。2条副线在塔顶,其中一股由塔顶直接进入内件的小盖下部的气体分布器,调节零米温度;另一股从上部换热器的下降管进入该换热器的管间,用以冷却管内的一段出口气体,调节二段触媒温度,管间被加热的气体通过上升管返回一段入口。来自中心管的主气流与来自2个塔顶副线的