98.低温甲醇洗吸收塔流体力学计算及优化

l 0 0 化工机械 2 0 0 9年 低温 甲醇洗吸收塔流体力学计算及优化 马洪光 张林 华 孙 绪 军 ( 兖州煤业榆林能化有限公 司甲醇厂 ) 摘要介 绍了低温 甲醇洗吸收塔的流体力学计算， 对 于设计 中遇 到的瓶颈 问题提 出了相 应的解 决方 案 。 关键词 浮阀塔低 温甲醇洗工艺 设计 优化 中图分类号T Q 0 5 3 5 文献标识码 A 文章编号0 2 5 4 0 9 4 ( 2 0 0 9 ) O 2 1 0 0 4 低温甲醇洗是一种气体净化工艺。该工艺以 冷甲醇为吸收溶剂 ， 利用甲醇在低温下对酸性气 体溶解度极大的优 良特性 ， 脱除原料气 中的酸性 气体 。在低温甲醇洗 中， 原料气在吸收塔 内一次 脱除酸性气， 使产品气达到规定指标 ， 因而其关键 设备吸收塔的设计直接关系到气体的净化度。 根据低温 甲醇洗 的工艺特点和浮 阀塔 的特 性 ， 选用浮阀塔作为该工艺中的吸收塔 。为检验 吸收塔设计的合理性， 需进行流体力学验算。浮 阀塔的流体力学计算包括塔径及塔板上主要部件 工艺尺寸的计算 。笔者针对某甲醇项 目低温甲醇 洗 装置 中 的吸收塔 ， 指 出设 计 中遇到 的问题 ， 并提 出相应的优化方法， 对类似装置的设计具有 重要 的意 义 。 1 工艺简 介 低温 甲醇 洗工 艺是 将 上 游 来 的原 料 气 ( 温 度 一 1 9 9 5 、 压力 5 2 7 MP a 、 流量 4 6 8 0 3 2 N m h ) ， 经 吸收塔中的吸收剂甲醇溶液吸收洗涤， 达到规 定 含量指标 后 的净化气 ( 温度 一 5 5 3 9 、 压 力5 2 MP a 、 流量 3 5 0 4 0 N m h ) 被送 出塔外。 吸收塔 的物流如图 1 所示 ， 根据吸收任务 ， 该 塔应脱除非变换气中的 H s和 C O 。H ： S和 C O ： 在低温甲醇中的溶解度都很大， 而 H s的溶解度 约 是 C O ， 的 6倍 。根据 此 特 点 ， 将 该 塔从 下 至 上 分 A、 B 、 c 3段 ： A段为脱硫段 ， 脱 除非变换气 中 的硫化物 ， 吸收液为富甲醇 ； B、 C段为脱碳段， 非 变换气 中的 C O 在此两段脱除至规定指标。 原 图 1 吸 收塔 物流 示意 图 2吸收塔 设计 因该塔分 3段 ， 而每段的气液相负荷都不同， 故 3段应分别设计 ， 具体的设计条件见表 1 。 由表 1可见 ， 塔 B段 气液相负荷相对较大 ， 故先进行塔 B段的设计计算。 2 1 流体力学计算 2 1 1 塔 径 欲求塔径需先求出空塔气速 。 根据表 1中的数据 ， 由史密斯关联图 查得， C 。 = 0 3 7 2 ， 校正后的负荷系数为 ： c=C z o ( ) = 0 0 3 9 5 u ： c ： 0 1 5 7 7 m s 马洪光 ， 男 ， 1 9 7 6年 1 月生 ， 工程师 ， 机 电部部长 。陕西省榆林市 ， 7 1 9 0 0 0 。 第 3 6卷第 2期 化工 机械 1 0 1 表 1 吸 收塔 分段设 计 条件 取安全系数为 0 6 ， 则空塔气速为 ： “=0 6u ：0 0 9 46ms 由空塔气速 u求得塔径为： D ： ： 1 6 8 m “ITU 按标准塔径圆整取 D=1 8 m。 塔截面积为 ： = 孚D = 2 5 4 m 反推空塔气速为 ： “=0 2 0 9 9 2 5 4=0 0 8 2 6 ms 2 1 2 溢流 装置 该吸收塔选用双溢流 弓形降液管， 不设进 口 堰 。 2 1 2 1 堰长 l 取堰 长 Z =0 7 D， 即 Z = 0 71 8=1 2 6 m。 2 1 2 2 出 E l 堰高 h 采用平直堰 ， 堰 上液层高 度 h 。 可按下 式计 算 ， 即 ： h ow = c 而 式 中 为流体收缩系数 ， 可借用液流收缩系 数计算图 求取 ， E值为 1 0 6 ， 则 ： = E c = 0 0 5 9 8 m 又取板上液层高度 h = 0 1 m， 则 ： h ：hl h。 =0 0 40 2m 出口堰高圆整取 h =0 ， 0 4 m 。 2 1 2 3 弓形降液管宽度 和面积 A ， 因 为 号= 0 7 ， 由 堰 长 与 塔 径 之 比 查 图 查 得 ： A f _ 0 0 8 7 8 ， -01 4 3 ： Af =20 0 8 782 5 4 =0 4 46 3m d=0 1 43 D =0 2 5 7 3m 验算液体在降液管 中停留时间 ， 即： = 48 s 停留时间 35 s ， 故降液管尺寸可用。 2 1 2 4 降液管底隙高度 。 降液管底隙高度 h 按下式计算 ： h。=h 一0 0 06=0 0 3 4m 2 1 2 5塔板布置及浮阀数 目排列 选取 F 型重 阀， 孔 径为 d 。 = 0 0 3 9 m。初取 阀孔动能 因子 F = 9 5 ( 一般在 91 2之 间) ， 则 阀孔气速为 ： F 3 s 阀孑 L 数 、 r = r r 4d od ou o =1 3 5 取边缘 区宽度 =0 0 6 m， 破沫 区宽度 =0 1 m， 计算塔板上的鼓泡区面积 A =1 2 4 r l 。 浮阀排列方式采用等腰三角形叉排。取同一横排 的孑 L 心距 t= 0 0 7 5 m， 则可估算排间距 t ， 即： f =A。 ( N f )： 0 1 2 2 m 考虑到塔直径较大 ， 必须采用分块式塔板 ， 而 各分块的支承与衔接 也要 占去 一部分鼓泡 区面 积 ， 因此取排间距 f = 0 0 6 5 m。按文献 3 作 图， 求 出实际浮阀数 =1 3 8 。并按 、 r =1 3 8重新核算 孔速 u 。 =1 2 7 3 m s 、 阀孔动能因数 F 。 = 9 3 ， 由此 可见阀孔动能因数变化不大 ， 仍在 91 2范围内。 2 2 设计中存在的问题及优化方案 用同样的方法计算 A段和 C段 ， 发现 A、 c两 段塔径 D=1 6 m即可。问题就 由此产生 ， 即塔的 上下两段直径 为 1 6 m， 而 中间为 1 8 m。这样 的 尺寸结构形式不利于设备的焊接制造 ， 成本太大。 因此， 该 塔 B段 的设计 就成 了整个 塔设 计的瓶 颈。为使吸收塔 的设计更优化 ， 经分析有两个方 案可供选择 ： a 优化方案 1 把 A、 C两段的直径也改 为 1 8 m。因为 A、 C两段理论板数相对较 多( 分 别为 9块) ， 而 B段相对较少 ( 3块 ) 。如果仅仅 1 0 2 化工 机械 2 0 0 9钜 为了 B段 而将 A、 C两段塔径变大 ， 有 些不太合 理。A、 B两段如果增大塔径 ， 则相应的塔盘及 内 件也要增大。由于该塔的操作温度(一 5 5 3 9 ) 很低， 压力( 5 2 MP a ) 又较高， 设备材料为 昂贵的 低温钢 ， 若采取该方案， 整个塔的造价就会增加很 多， 因此从经济上不太合理 。 b 优化方案 2 提高塔 B段的板间距 ， 减 小直径。提高塔 B段的板间距 ， 可使直径相应地 减小。通过计算 ，发现适 当地提高塔 B段 的板 间距 ( 将 H 。 = 0 4 5 m提高到 H 。 =0 6 m) ，可 使塔 B段的塔径减小至与 A、B两段塔径相 同 ( 将 D=1 8 m减小至 D=1 6 m) 。板间距 的提 高虽然会使塔高有所增加 ，但 因为塔 B段的理 论板数相对较少 ( 工艺包 中提供为 3块 ) ，因此 增加的塔高不会太多。 2 3塔板 流体力 学验算 采用改变 B段塔板间距的方 案计 算 B段的 各项数据如下 ： 塔径 D 1 6 m 板 间距 H ， 0 6 m 塔板型式双溢流弓形降液管 空塔气速 “ 0 1 0 4 4 m s 堰 长 Z 1 1 2 m 堰高 h 0 0 3 5 m 板上液层高度 h 0 1 m 降液管底隙高度 h 0 0 2 9 m 浮阀数 N 1 2 8 个 ( 等腰三角形叉排 ) 阀孔气 速 “ 1 3 7 2 5 m s 阀孔动能因数 F 1 O 这些数据是否合理 ， 即塔能否正常操作， 需通 过流体力学验算来证明。 2 3 1 气相通过浮阀塔板的压强降 因 ： 1 8 2 5 ： 1 1 9 1 7 m s M 。 ， 故 干 P 板 阻力 h ： 5 3 4 P g U o U o ：0 0 3 0 3 m液柱 ； 本设备 p、 g 液相为甲醇 ， 取充气系数 占 。 = 0 5 ， 则板上充气液 层阻力 h ， =E o h 。 ： 0 0 5 m液柱 ； 液体表 面张力所 造成的阻力 h = =0 0 0 0 2 m液柱 。因此 ， 气 1 g 体流经一层浮阀塔板的压强降所相当的液柱高度 为 h 。 =h 。 十h 。 +h =0 0 8 0 5 m液柱 ( 单板压降为 Ap 。 =h p p l g= 7 0 9 6 9 P a ) 。 2 3 2 淹 塔 为了防止淹塔现象 的发生， 要求控制降液管 中清液层高度 H 咖( H +H ) 。气体通过塔板的 压降所相当的液柱高度 h 前已算出为0 0 8 0 5 m 液柱 ； 前已选定板上液层高度 h 为0 1 m液柱 ； 液 体通过降液管的压头损失 h 因不设进 口堰， h = 。 1 5 ( ) =。 i 3 9 4 m 液 柱 。为 此 ， =h p + h l +h ： 0 3 1 9 9 m液柱。取发泡系数 咖： 0 5 5 ， 又 已选定 H =0 6 m， h =0 0 3 5 m， 则 ( H 。 + h ) = 0 3 4 9 2 5 m液柱 。 由此可见， H ( H + 日 ) ， 符合防止淹塔的 要求 。 2 3 3 雾沫夹带 按下面两式分别计算泛点率 ， 即： 。 ： 。 。 t 一川 ， 7 2= 0 78 KCf A l 0 0 板上液体流经长度 Z 。 ：1 2 (D一2 V d一 d )= 0 4 6 0 8 m， 板 上 液流 面积 A ：A 一 f A f = 1 3 0 4 4 m ， 甲醇可按正常系统取物性系数 K= 1 0， 查泛点负荷系数 C = 0 1 2 ， 代人数据得 叼 = 4 6 、 2=2 7 9 6 。 对于大塔， 为避免过量雾沫夹带 ， 应控制泛点 率不超过 8 0 。上两 式 计 算 出 的泛 点率 都在 8 0 以下 ， 故可知雾沫夹带量能够满足 e 0 1 k g ( 液) k g ( 气) 的要求。 2 4塔板负荷性能图 根据数据整理出雾沫夹带线 ( Q =0 4 9 9 9 2 5 o ： q ) 、 液 泛线 ( Q =0 4 3 12 1