MDEA脱碳改造CO吸收塔主要参数的确定.pdf

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1、櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 参考文献 1 刘仁生，刘应书，金龙哲，等 . 贫煤、贫瘦煤喷吹技术研 发及应用 M 北京:冶金工业出版社，2006 2 沈峰满，彭雪飞，赵庆杰 . MnO2对煤粉燃烧的助燃作用 及机理 J 钢铁，1998，33 ( 9) :1 3，8 3 徐万仁，杜鹤桂 . 催化剂对煤粉燃烧特性的影响 J 燃 料化学学报，1995，23 ( 3) :272 277 4 陈海峰，沙兴中，徐依青，等 . 催化剂对煤着火特性的影 响不同催化剂对煤催化着火的影响 J 燃料化学学 报，1993，21 ( 2) :180 184 5

2、 陈晟，刘应书 . 硝酸铁对贫瘦煤燃烧反应的动力学影响 J 燃料化学学报，2007，32 ( 10) :1084 1087 6 徐万仁，杜鹤桂 . 煤粉性状对残炭颗粒微结构及其燃烧特 性的影响 J 钢铁研究学报，1994，6 ( 3) :1 5 7 武增华，许玲，陈忠周，等 . 催化剂对煤着火特性影响规 律的计算机辅助研究 ( ) 碱金属、碱土金属盐对煤 的催化着火规律 J 计算机与应用化学，1996，13 ( 4) : 270 273 8 武增华，许玲，陈忠周，等 . 催化剂对煤着火特性影响规 律的计算机辅助研究 ( ) 过渡金属盐及不同阴离子 盐对煤的催化着火规律 J 计算机与应用化学，1

3、997， 14 ( 2) :115 118 9 马振兴，赵洪宾，董振强 . 燃煤催化剂 J锅炉技术， 2000，31 ( 4) : 欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋 欋欋 欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋 欋欋 氠 氠 氠 氠 5 7 设备管理与改造 收稿日期2013-09-22 作者简介王国华( 1969) ， 男， 四川青神人， 主要从事化 肥生产管理及技术工作。 MDEA 脱碳改造 CO2吸收塔主要参数的确定 王国华 ( 四川美丰化肥分公司，四川 德阳618000 ) 摘要 介绍了四川美丰化肥分公司 100 kt/a 合成氨装置搬迁 MDEA 脱碳工序改造整体更换 CO 2吸 收塔实例，并对新的 CO2吸收

4、塔的塔径、填料压降、填料高度、贫液段填料高度等主要参数进行了确认 计算。 关键词CO2吸收塔;塔径;填料压降;填料高度 中图分类号TQ 053. 5 文献标志码 B 文章编号1004 9932( 2014) 03 0040 05 Determination of Main Parameters of CO2Absorber with MDEA Decarbonization evamp WANG Guohua ( Sichuan Meifeng Chemical Fertilizer Company，Deyang 618000，China) Abstract:This paper introd

5、uces the situation of 100 kt/a ammonia plant relocating and replacing CO2absorb- er with MDEA Decarbonization revamp，and reconfirms the diameter of new CO2absorber，pressure drop of packing，packing height，packing height of lean liquor section，etc. Key Words:CO2absorber;tower diameter;pressure drop of

6、 packing;packing height 1概况 2011 年 4 月，四川美丰化肥分公司 100 kt/a 合成氨装置由四川德阳搬迁至新疆阿拉尔市重 建，在重建过程中，针对原装置脱碳工序 CO2 吸收塔贫液段内壁、贫液与半贫液过渡段、塔内 件及填料腐蚀严重的情况，进行了优化改造。 改造前脱碳工序的情况:配套美丰化肥分公 司 100 kt/a 合成氨装置，2000 年 3 月投产，采 第 3 期 2014 年 5 月 中氮肥 M- Sized Nitrogenous Fertilizer Progress No. 3 May 2014 用活化 MDEA 脱碳工艺，2 段吸收，2 段再生流

7、 程。CO2吸收塔参数:2 200 mm/3 200 mm 51 713 mm 28 mm ( 裙厚) 32 mm 44 mm， 半贫液与贫液段填料均分为 2 层，每层 8 m，采 用散堆的阶梯环增强聚丙烯塑料填料。 改造后脱碳工序的情况:配套合成氨装置设 计产能不变，仍采用活化 MDEA 脱碳工艺，即 MDEA 贫液、半贫液 2 段吸收，MDEA 富液减 压、加热 2 段再生流程。 改造后脱碳工序的技术指标须满足: ( 1)处理低变气流量 50 000 m3/h; ( 2)处理低变气中 CO2含量 18%; ( 3)贫液用量 175 190 m3/h; ( 4)半贫液用量 265 360 m

8、3/h; ( 5)净化气中 CO2含量0. 05%; ( 6)系统操作弹性为 50% 110%; ( 7)系统操作压力 2. 25 MPa。 2新 CO2吸收塔主要参数的确定 2. 1半贫液段塔径 已知条件如下。 ( 1)进吸收塔低变气流量为 50 000 m3/h， 压力 2. 25 MPa，温度 40 ，成分组成:CO2 18. 00%、CO 0. 20%、H260. 53%、N220. 70%、 CH40. 32%、Ar 0. 25%。 ( 2)出半贫液段的粗脱气中的 CO2含量为 9. 6%，压力 2. 25 MPa。 ( 3)进吸收塔的半贫液段的溶液流量为 440 m3/h，温度为

9、70 ，成分组成:MDEA 4. 186 kmol/h、PZ ( 哌嗪)0. 352 kmol/h、H2O 6. 003 kmol/h、CO20. 98 kmol/h 。 ( 4)复合填料选用 304 规整填料，规格为 250Y 孔板波纹。 查 化学工程实用专题设计手册等文献 得到如下数据。 ( 1)半贫液的密度 L为 1 030 kg/m 3，黏度 L为 2. 096 mPas。 ( 2)CO2在气相中的扩散系数 DG为1. 568 10 6 m2/s，在液相中的扩散系数 DL为8. 658 10 10 m2/s。 ( 3)温度70 、MDEA 浓度为 4.20 kmol/m3 时，CO2的

10、气液平衡数据如表 1;温度 55 、 MDEA 浓度为 4. 20 kmol/m3时，CO2的气液平 衡数据如表 2。 表 170 、c( MDEA)=4. 20 kmol/m3 时 CO2的气液平衡数据 CO2分压/kPa234. 9253. 8272. 7291. 6310. 5329. 4348. 3367. 2386. 1405 CO2/MDEA 0. 3340. 3500. 3820. 3970. 4130. 4290. 4440. 4600. 4760. 491 表 255 、c( MDEA)=4. 20 kmol/m3 时 CO2的气液平衡数据 CO2分压/kPa 2. 2423

11、. 544. 866. 187. 6108. 9130. 2151. 5172. 9194. 2215. 5 CO2/MDEA 0. 073 10. 2500. 3780. 4150. 4440. 4720. 4890. 5050. 5200. 5360. 551 查 工业塔新型规整填料应用手册等文 献得到填料参数 A = 0. 291，B = 1. 75 ( A、B 为 与填料相关的常数) ，比表面积 a = 250 m2/m3， 空隙率 =0. 97。计算过程如下。 ( 1)进塔半贫液质量流量 L = 1030 440 = 453 200 kg/h。 ( 2)进塔低变气各组分摩尔流量计算结

12、果 如表 3。 表 3低变气组分摩尔流量 组分 CO2 COH2 N2CH4 Ar合计 流量/kmolh 1 401. 7864. 4641 351. 116462. 0547. 1435. 5802 232. 143 低变气质量流量 G = 44 401. 786 + 28 4. 464 +2 1351. 116 +28 462. 054 +16 7. 143 + 40 5. 580 =33 780. 808 kg/h。 ( 3)低变气体积 V混= ( 2232. 143 8. 314 313. 15) 2250 = 2 582. 866 m3/h，低变气的密 度 G=33780. 808

13、2582. 866 =13. 079 kg/m3。 对于国产规整填料，其泛点气速宜采用 Bain- Hougen 公式: log ( uF2/g) ( a/3)( G / L ) L 0. 2= A B( L/G) 0. 25 ( G / L) 0. 125 ( 1) 式中uF 泛点气速，m/s; g 重力加速度，9. 81 m/s2; 14 第 3 期王国华: MDEA 脱碳改造 CO2吸收塔主要参数的确定 a/ 3 干填料因子，1/m; G 气相密度，kg/m3; L 液相密度，kg/m3; L 液相黏度，mPas; A、B 与填料相关的常数; L 液体质量流量，kg/h; G 气体质量流

14、量，kg/h。 将已知数据带入 ( 1)式，可解出 泛点气速 uF=0. 235 m/s。 一般载点气速 uV= ( 0. 5 0. 8) uF，考虑较 大的安全系数，取系统因子为 0. 65，则载点气 速 uV=0. 235 0. 65 =0. 153 m/s。 因此 可 得:吸 收 塔 半 贫 液 段 塔 径 D = ( 2582. 866 3600) ( 0. 153 0. 785) 0. 5 = 2. 444 m，圆整取 D =2. 50 m。 2. 2贫液段塔径 已知进吸收塔的贫液段的溶液流量为 175 m3/h，温 度 55 ，成 分 组 成:MDEA 4. 186 kmol/h、

15、PZ ( 哌嗪)0. 352 kmol/h、H2O 7. 178 kmol/h、CO20. 041 kmol/h。 同理，查得贫液密度 L为 1 020 kg/m3，黏 度 L为 3. 658 mPas。 计算过程与半贫液段相同，计算结果为: ( 1)泛点气速 uF=0. 354 m/s; ( 2)载点气速 uV= 0. 354 0. 65 = 0. 230 m/s; ( 3)吸收塔贫液段塔径 D = 2348. 083 3600) ( 0. 2320 0. 785) 0. 5 =1. 901 m，圆整取 D =2. 00 m。 2. 3半贫液段填料压降 对于国产规整填料，查文献知湿填料压降关

16、 联式: P =72. 3810( 4. 46 10 3 U1)( u G0. 5) ( 1. 72 +3. 8 10 3 U1) ( 2) 式中P 每米填料压降，Pa/m; u 空塔操作气速，m/s; G 气体密度，kg/m3; U1 液体喷淋密度，m3/( m2h) 。 空塔气速 u = ( 2582. 866 3600) ( 0. 785 2. 52)=0. 146 m/s; 半贫液喷淋密度 U1= ( 457600 1040) ( 0. 785 2. 52)=89. 68 m3/( m2h) ; 将以上数据带入 ( 2)式，计算出半贫液段 填料压降 P =48. 754 Pa/m。 2

17、. 4贫液段填料压降 空塔气速 u = ( 2348. 083/3600) ( 0. 785 2. 02)=0. 208 m/s; 贫液喷淋密度 U1=175/( 0. 785 2. 02)= 55. 73 m3/( m2h) ; 同理，将以上数据带入 ( 2)式，计算出贫 液段填料压降 P =60. 951 Pa/m。 2. 5半贫液段填料高度 吸收填料层高度 Z 的计算用图解积分求得， 计算过程如下。 ( 1)将半贫液段气相组成的变化范围 y = 0. 18 0. 096 分成 10 等分，各节点的气相含量 计入表 4 第 2 列。 ( 2)进塔低变气中的惰性气体流量 GB= ( 5000

18、0 22. 4) ( 1 0. 18) 3600 = 0. 508 kmol/s;半 贫 液 流 量 LB= ( 4. 196 + 0. 35 + 26. 003)440 3600 = 3. 734 kmol/s。由操作线 方程 GB yn/( 1 yn) yn 1/( 1 yn 1) = LB x n/ ( 1 xn) xn 1/( 1 xn 1) 从半贫液段顶部依次 计算各节点的液相含量 x，并入表 4 第 3 列。 ( 3)由 混= M混/V混，M混= Mjyj，V混 = n混 T混依次计算各节点的混合气密度，从下至上 分 别 为13. 079、 12. 823、 12. 528、 12

19、. 312、 12. 057、 11. 801、 11. 546、 11. 290、 11. 034、 10. 779、10. 523 kg/m3。 ( 4)各节点混合气浓度 cm气相从下至上均为 0. 864 2 kmol/m3;各节点液相浓度 cm液相从下到 上分别为:31. 991、31. 939、31. 889、31. 791、 31. 744、 31. 697、 31. 651、 31. 606、 31. 562、 31. 519 kmol/m3。 ( 5)各节点气相传质系数 ky( 即 kG) 、液 相传质系数 kx( 即 kL)的计算过程如下，其结 果分别计入表 4 第 4 列、

20、第 5 列。 第 1 步，计算 ge=0. 5g ( L G ) / L ; 第 2 步，计 算 ht= ( 4Ft/dh)( 3LuL/ L g esin) 1/3; 第 3 步，计算 UGe= uG/( 1 ht) sin; 第 4 步，计算 ULe= uL/htsin; 第 5 步，计算 ky= ( 0. 054DG/S) ( UGe+ ULe ) G S/ G 0. 8 G/ ( DGG) 0. 33; 第 6 步，计算 kx=2( DLULe/SCE) 0. 5。 24中 氮 肥第 3 期 式中ge 有效加速度，m/s2; ht 持液量，% ; Ft 填料有效面积对持液量的修正，取

21、为 0. 94; dh 填料的当量直径，250Y 型填料为 0. 015 52 m; 填料波纹倾角，250Y 型填料为45; Ue 有效空塔气速，m/s; DG 气相扩散系数，查文献为 1. 568 10 6 m2/s; DL 液相扩散系数，查文献为 8. 658 10 10 m2/s; G 气相黏度，视为空气，查文献为 1. 9 10 5 mPas; S 板波填料的波边长，250Y 型填料为 0. 014 74 m; CE 填料表面更新的修正因子，取为0.9。 ( 6)气、液相的传质系数分别为 ky = ky/ ( 1 y) m、kx = kx/( 1 x)m，因 x 很小，kx kx，则可

22、由 ky = ky/( 1 y) m ( 1 y) m= ( 1 y) ( 1 yi) /ln ( 1 y) / ( 1 yi) ( y yi) /( x xi)= kx/ky 根据平衡关系曲线 yi= f ( xi) ，用图解试差 法求出 yi， n与 xi， n，计算结果列入表4 第6 列、第 7 列。 ( 7)求出各节点的被积函数 f ( x)值，并 计算各等份所需塔高 Zn。 f( x)= LB/ ( kxae)( xi x) ( 1 x) 2 上式中:ae= a， = 0. 5 + 0. 0058f;f 为液 泛百分率，在0 85 间取值，考虑安全系数大些， 取为 70，则 ae=

23、( 0. 5 + 0. 0058 70) 250 = 226. 5 m2/m3。 Z n= f( xn)+ f( xn +1) /2 ( xn +1 xn) 计算结果列入表 4 第 8 列、第 9 列，填料层 计算总高 Z = Zn= 13. 667 m，圆整最终可考 虑取半贫液段填料层总高 Z = 14. 00 m，分为 2 段，每段高 7. 00 m。 表 4半贫液填料高度求解结果 nyxkykxyi， nxi， nf ( x) Z n 00. 096 00. 031 080. 004 6160. 005 8960. 094 50. 032 382 291. 11. 908 10. 104

24、 40. 032 040. 004 6810. 009 040. 102 40. 033 811 683. 82. 368 20. 112 80. 033 740. 004 7440. 005 9130. 109 80. 036 451 101. 91. 642 30. 121 20. 035 110. 004 8080. 005 9210. 118 70. 037 421 294. 61. 530 40. 129 60. 036 500. 004 8710. 005 9300. 126 10. 039 80907. 51. 189 50. 138 00. 037 910. 004 9330.

25、 005 9380. 134 00. 041 76779. 01. 001 60. 146 40. 039 350. 004 9960. 005 9470. 141 40. 044 26611. 81. 176 70. 154 80. 040 810. 005 0580. 005 9560. 151 80. 043 82999. 41. 175 80. 163 20. 042 290. 005 1200. 005 9590. 158 20. 047 41589. 10. 882 90. 171 60. 043 800. 005 1810. 005 9680. 166 60. 049 02578

26、. 80. 796 100. 180 00. 045 340. 005 2420. 005 9780. 176 00. 049 61455. 2 2. 6贫液段填料高度 因进贫液段气相 CO2含量为 9. 6%，出塔气 CO2含量为 0. 1%，其气、液相传质系数沿塔高 变化仍较大，考虑到图解积分误差大，所以其吸 收填料层高度 Z 的计算采用数值积分辛普森公 式求得，计算过程如下。 ( 1)将贫液段气相组成的变化范围 y = 0. 096 0. 001 分成 10 等分，塔填料从下至上从 气相 0. 096 为起点，定为 y2，则终点气相为 0. 010 5，定为 y1，( y2+ y1) /

27、2 =0. 053 25。 ( 2)进塔粗脱气中的惰性气体流量 GB= 0. 508 kmol/s，贫液流量 LB= ( 4. 196 + 0. 35 + 27. 112) 175 3600 = 1. 539 kmol/s。由操作线 方程 GByn/( 1 yn) yn 1/( 1 yn 1) = L B xn/( 1 xn) xn 1/( 1 xn 1) 依次计算 y2、 y1、( y2+ y1) /2 节点的液相含量 x2=0. 034 77、 x1=0. 004 447、( x2+ x1) /2 =0. 019 16。 ( 3)由 混= M混/V混，M混= Mjyj，V混 = n混 T混

28、依次计算三节点 ( 从下至上，下同)的混合 气密度，分别为10.523、9.202、7.905 kg/m3。 34 第 3 期王国华: MDEA 脱碳改造 CO2吸收塔主要参数的确定 ( 4) 三节点的混合气浓度 cm气相分别为: 0. 864 2、0. 862 3、0. 862 3 kmol/m3;三节点的 液 相 浓 度 cm液相分 别 为: 32. 779、 32. 258、 31. 780 kmol/m3。 ( 5)三节点气相传质系数 ky( 即 kG)分别 为:0.004 363、0.004 006、0.00 3664 kmol/m2s; 三节点液相传质系数 kx( 即 kL)分别为

29、: 0. 004 631、0. 004 557、0. 004 500 kmol/( m2 skPa) ，贫液进塔 kx为0. 004 489 kmol/m2s。 ( 6)试差求出三节点 xi， n分别为:0. 038 93、 0. 022 87、0. 006 912。 ( 7)ae= ( 0. 5 +0. 0058 70)250 = 226. 5 m2/m3。 ( 8)液相总传质单元高度 HOL=LB/( kxae) = 1. 539 ( 0. 004489 226. 5 0. 785 22)= 0. 482 m。 液相总传质单元数 NOL= 0. 5ln ( 1 x2) / ( 1 x1)

30、+ x1 x2 dx/( xi， n x)= 0. 5ln ( 1 0. 096) /( 1 0. 0105) + ( 0. 096 0. 0105)6 1 ( 0. 006912 0. 004447)+ 1 ( 0. 03893 0. 03477)+4 ( 0. 02287 0. 01916) =24. 53。 则贫液段填料总高度 Z = HOL NOL=0. 482 24. 53 =11. 82 m，圆整最终可考虑取贫液段填料 层总高 Z =12. 40 m，分为2 段，每段高6. 20 m。 2. 7新 CO2吸收塔最终设备参数 ( 1)贫液段筒体直径为 2 000 mm、厚 22 mm

31、 并内衬 3 mm 厚钢板，半贫液段筒体直径为 2 500 mm、厚28 mm 并内衬3 mm 厚钢板，总高 45 380 mm，筒体材料为 Q345，内衬材料为 0Cr18Ni9; ( 2)贫液段填料高度:总高 12. 40 m，分为 2 段，每段高 6. 20 m; ( 3)半贫液段填料高度:总高 14. 00 m，分 为 2 段，每段高 7. 00 m; ( 4)封头、变径段锥体材料为 Q345 + 0Cr18Ni9; ( 5)各接管、法兰、分布器支撑环、填料 支撑环材料为 0Cr18Ni9。 3填料及内件改造 经考察和多方论证，CO2吸收塔的填料及其 内件改造选型如下:选用上海江海化工

32、填料有限 公司 生 产 的 新 型 专 用 复 合 不 锈 钢 规 整 填 料 ( SHDC 系列)及其不锈钢塔内件，其核心仍为 250Y 不锈钢规整填料和槽式液体分布器。 新 CO2吸收塔塔顶除沫器仍为不锈钢丝网 除沫器。 4新 CO2吸收塔运行效果 在保证 MDEA 溶液各组分正确配方和原始 开车清洗彻底前提下，美丰100 kt/a 合成氨装置 MDEA 脱碳工序新 CO2吸收塔连续运行 0. 5 a 后，设备及溶液各项运行数据如下。 ( 1)低变气:压力 2. 27 MPa，温度 46 ， 流量50 100 m3/h，含 H260. 91%、N220. 94%、 CH40. 52%、 A

33、r0. 25%、 CO0. 02%、 CO2 17. 36%; ( 2)净化气:压力 2. 26 MPa，温度47. 5 ， CO2含量 0. 019%; ( 3)贫液:温度 47 ，流量 150 m3/h; ( 4)半贫液:温度 83 ，流量 260 m3/h; ( 5)吸收塔压差:11. 19 kPa; ( 6)常压解吸塔:顶部压力 21. 7 kPa，出 口再生气温度 71. 4 ，底部出口热贫液温度 104. 8 ; ( 7)再生塔:顶部压力 47. 8 kPa，出口再 生气温度94. 2 ，底部出口热贫液温度106 ; ( 8)富液温度:吸收塔出口 83. 6 ，进常 压解吸塔 79. 9 ; ( 9)出界区再生气:温度 28. 3 ，压力 12. 6 kPa，流量 8 700 m3/h; ( 10)脱碳液 ( 贫液)分析数据:铁 9. 0 mg/L，总胺 501 g/L，CO21. 1 L/L，泡高 6 cm， 消泡时间 10 s。 5结语 美丰100 kt/a 合成氨装置搬迁改造脱碳工序 经过 2012 年 10 月原始开车及其后的试生产，证 明搬迁改造的 CO2吸收塔各主要设备参数、内 件及填料的选型是符合实际要求的，能够满足装 置设计负荷要求，值得同类装置及设备技术改造 借鉴和参考。 44中 氮 肥第 3 期