酸性水汽提塔由直接蒸汽汽提改造為重沸器間接汽提的設(shè)計(jì)

劉成軍 邱立波 葉淑珍 溫世昌

中國(guó)石油華東設(shè)計(jì)院 青島 266071

該酸性水汽提裝置始建于上世紀(jì)90年代初期，用于處理常減壓、重油催化裂化裝置產(chǎn)生的酸性水。該裝置公稱規(guī)模為25t/h，采用單塔加壓側(cè)線抽出汽提工藝將硫、氨等有害物質(zhì)除去。由于污水處理場(chǎng)的現(xiàn)有規(guī)模已不能滿足日益增長(zhǎng)的生產(chǎn)污水、生活污水的處理要求，迫切需要將酸性水汽提塔由直接蒸汽汽提改造為重沸器間接汽提，以減少進(jìn)入污水處理場(chǎng)的水量，同時(shí)對(duì)重沸器蒸汽凝結(jié)水進(jìn)行回收利用。

改造的難點(diǎn)在于酸性水汽提塔裙座高度(2m)，重沸器系統(tǒng)水汽循環(huán)受限，對(duì)重沸器布置高度有嚴(yán)格要求。通過(guò)精心分析和計(jì)算，在現(xiàn)有條件下對(duì)裝置實(shí)施了改造并一次開車成功。

1 工藝流程調(diào)整

常減壓、重油催化裂化裝置的酸性水進(jìn)裝置后經(jīng)脫氣、除油進(jìn)原料水罐，經(jīng)沉降除油后由泵抽出，分兩路進(jìn)酸性水汽提塔：一路冷卻至40℃以下，作為冷進(jìn)料進(jìn)塔頂；另一路經(jīng)換熱升溫至150℃以上作為熱進(jìn)料進(jìn)汽提塔中部。塔內(nèi)酸性水通過(guò)1.0MPa、250℃過(guò)熱蒸汽汽提將H2S和CO2自塔頂吹出，然后經(jīng)過(guò)冷卻、分液后送出裝置。酸性水中的NH3在蒸汽汽提和塔頂回流的雙重作用下被分離出來(lái)并富集于24#塔板附近，經(jīng)側(cè)線抽出并經(jīng)三級(jí)分凝逐級(jí)降溫、降壓、分水、固硫后進(jìn)氨水配置部分；汽提裝置產(chǎn)生的凈化水(要求NH3≤100ppm、H2S≤50ppm)送污水處理場(chǎng)。

該工藝流程改造主要集中在塔釜部分，見圖1。

圖1 改造前后塔釜部位工藝流程簡(jiǎn)圖

圖1(a)為改造前的工藝流程，采取直接蒸汽汽提，汽提蒸汽在汽提過(guò)程中被冷凝，并作為塔底凈化水的一部分送出裝置。

圖1(b)為改造后工藝流程，采用間接汽提，增設(shè)一臺(tái)熱虹吸式重沸器，產(chǎn)生的蒸汽凝結(jié)水被回收利用。

1.1 安全閥設(shè)置

改造前，安全閥設(shè)置在調(diào)節(jié)閥FV6204之后的汽提蒸汽管線上，泄放介質(zhì)主要為蒸汽。改造后將該閥設(shè)置在塔釜?dú)庀嗫臻g，并利用原蒸汽汽提口作為安全閥入口管嘴。

分別從閥門誤關(guān)閉、控制閥故障、不正常的熱量或蒸汽輸入、換熱管破裂及外部火災(zāi)等工況分別計(jì)算泄放量，最終確定控制閥故障時(shí)需要的泄放量4486kg/h為安全閥所需排放量，這與改造前的泄放量4196kg/h差別不大，經(jīng)核算安全閥可利舊。

1.2 選擇重沸器

由于改造前采用蒸汽直接汽提，原汽提塔裙座高度為2m，經(jīng)核算，采用常規(guī)循環(huán)式熱虹吸式重沸器時(shí)，其進(jìn)、出口物料的密度差所產(chǎn)生的“驅(qū)動(dòng)力”不能克服物料循環(huán)過(guò)程中的阻力，重沸器系統(tǒng)不能自行循環(huán)，故只能選用一次通過(guò)式熱虹吸式重沸器，該類型重沸器的入口側(cè)液體自1#板降液管抽出，其產(chǎn)生的額外壓差可彌補(bǔ)汽提塔裙座高度過(guò)低的缺陷。為防止工藝介質(zhì)在重沸器內(nèi)呈霧狀流而導(dǎo)致傳熱系數(shù)大幅度下降，在設(shè)計(jì)時(shí)控制重沸器循環(huán)物料的汽化率不超過(guò)30%。

1.3 增加重沸器入口與塔底出料口旁通線

開工時(shí)，重沸器進(jìn)料抽出斗中無(wú)液體，相應(yīng)地重沸器中也就沒有進(jìn)料被加熱蒸發(fā)。為方便開工，增設(shè)了一條自塔底出料口至重沸器入口的旁通線。開工時(shí)，打開旁通閥，使預(yù)存在塔釜中的液體在重力作用下自流進(jìn)重沸器，在重沸器中被加熱并返回塔，直至重沸器進(jìn)料抽出斗中產(chǎn)生液位并達(dá)到一定高度后關(guān)閉旁通閥。旁通線的管徑與塔底出料線相同。

1.4 設(shè)置調(diào)節(jié)閥位置

重沸器上的調(diào)節(jié)閥可設(shè)在出口凝結(jié)水管線上，也可設(shè)在入口蒸汽管線上。

調(diào)節(jié)閥設(shè)在出口凝結(jié)水管線，可降低調(diào)節(jié)閥尺寸，且由于在蒸汽入口管線上沒有調(diào)節(jié)閥的壓降損失，蒸汽總是在供氣壓力下冷凝，故重沸器的傳熱溫差較大，傳熱速率較大。但其傳熱速率是通過(guò)改變重沸器內(nèi)冷凝液液位來(lái)調(diào)節(jié)的，存在開和關(guān)的特性不相同的缺陷，閥開時(shí)傳熱面積改變較快，而閥關(guān)時(shí)傳熱面積改變較慢，因此給調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定帶來(lái)一定的困難，控制品質(zhì)也較差。

調(diào)節(jié)閥設(shè)在入口蒸汽管線上可通過(guò)改變閥的開度，立即改變加熱蒸汽的流量和閥后蒸汽壓力，進(jìn)而改變蒸汽冷凝溫度來(lái)調(diào)節(jié)傳熱速率。當(dāng)調(diào)節(jié)閥開大時(shí)，閥后蒸汽壓力增高，飽和蒸汽的平衡溫度上升，重沸器的傳熱溫差增大，傳熱速率增大，蒸發(fā)速率加大；反之當(dāng)調(diào)節(jié)閥關(guān)小時(shí)，傳熱速率降低。該控制具有調(diào)節(jié)品質(zhì)好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)靈敏的優(yōu)點(diǎn)。

經(jīng)核算原蒸汽調(diào)節(jié)閥可利舊，故改造將調(diào)節(jié)閥設(shè)置在加熱蒸汽管線上。

2 汽提塔的改造

酸性水汽提塔全塔總高為37638mm，共有40層浮閥塔盤和兩段金屬鮑爾環(huán)填料。改造前酸性水汽提塔塔釜部分尺寸見圖2。

圖2 改造前酸性水汽提塔塔釜部分尺寸簡(jiǎn)圖

2.1 塔釜液位儀表

改造將塔內(nèi)汽提蒸汽的管排式液體分布器拆除，并將最底層塔盤(1#塔板)與其降液管密封盤間的距離由原來(lái)的500mm增加到850mm，目的是增加降液管中氣、液相的分離空間，使重沸器進(jìn)料抽出斗中的液體盡量不含氣體。

酸性水汽提塔釜液(凈化水)經(jīng)換熱、冷卻后采用液位和流量串級(jí)控制出裝置，根據(jù)文獻(xiàn)[1]，按釜液出料流量計(jì)算的最小停留時(shí)間可為5min。裝置釜液出料流量為26.02m3/h，取正常液位距塔底封頭切線3.5m，據(jù)此計(jì)算的停留時(shí)間為t：

t=(3.5×1×1×0.785)/26.02=0.105h=6.3 min

滿足最小停留時(shí)間為5min的要求。若按在最高液位時(shí)的停留時(shí)間比在正常液位時(shí)的停留時(shí)間多1min設(shè)計(jì)，則經(jīng)計(jì)算最高液位距塔底封頭切線距離為4.03m，該液位也在原液位變送器和磁浮子液位計(jì)的量程范圍內(nèi)，故原塔釜液位計(jì)位置和數(shù)量可保持不變。

2.2 重沸器進(jìn)料抽出斗

為防止液體越過(guò)抽出斗出口堰直接流入塔釜，抽出斗出口堰應(yīng)比降液管底密封盤出口堰高100～200mm。兩堰間的水平距離為2倍降液管底隙高度或等于100mm(取兩者之間的較大值)，以使液體從密封盤順暢地流入抽出斗[1,2]。

抽出斗底部與密封盤底部的垂直高度一般為重沸器進(jìn)料抽出口直徑+50mm或重沸器進(jìn)料抽出口直徑的1.5～2.0倍。該抽出口應(yīng)盡量與抽出斗底部齊平。重沸器進(jìn)料抽出斗簡(jiǎn)圖見圖3。

圖3 重沸器進(jìn)料抽出斗簡(jiǎn)圖

圖3中管嘴20為重沸器進(jìn)料抽出口，管嘴21為重沸器出料返塔口，管嘴3原為汽提蒸汽口，現(xiàn)改為安全閥口。

應(yīng)注意的是，重沸器進(jìn)料抽出斗一定采用滿焊，并在開車前充水試漏，以防止漏液，否則會(huì)帶來(lái)重沸器供液不足、出口氣化率上升等問(wèn)題。

2.3 升氣管

升氣管指從重沸器出料口至返塔口的這段管線。氣、液兩相物流在升氣管內(nèi)垂直向上流動(dòng)時(shí)，其流動(dòng)形態(tài)可能為塊狀流。塊狀流是一種氣、液相交替脈動(dòng)的不穩(wěn)定流態(tài)，對(duì)操作不利，應(yīng)盡量避免。一般來(lái)說(shuō)，操作壓力越高或汽化率越大，就越不易產(chǎn)生塊狀流。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)升氣管內(nèi)流速大于4.5m/s時(shí)可保證氣、液混相在管內(nèi)均勻流動(dòng)。但升氣管內(nèi)流速也不應(yīng)過(guò)大，否則升氣管壓降過(guò)大，兩相循環(huán)流動(dòng)不暢，將使塔釜液面超過(guò)重沸器返塔口，導(dǎo)致汽提塔液泛。

升氣管最大流速可由式(1)和式(2)計(jì)算確定[1]：

umax=77.16(ρm)-0.5

(1)

ρm=100/[x/ρV+(100-x)/ρL]

(2)

式中，umax為升氣管內(nèi)介質(zhì)最大流速，m/s；ρm為升氣管內(nèi)氣、液兩相平均密度，kg/m3；ρL為管內(nèi)液相物料密度，kg/m3；ρV為管內(nèi)氣相物料密度，kg/m3；x為重沸器出口重量汽化分?jǐn)?shù)，%。

經(jīng)計(jì)算，升氣管公稱直徑選DN250mm，管內(nèi)介質(zhì)流速為10.86m/s，小于由式(1)和式(2)計(jì)算的最大流速19.46m/s，符合要求。

2.4 升氣管返塔口位置

一般要求升氣管返塔口底部與塔釜最高液面的距離≥150mm，以防止塔釜液面過(guò)高時(shí)產(chǎn)生過(guò)多的霧沫夾帶；返塔口頂部與最底層塔板的距離應(yīng)≥400mm，或該口中心線與最底層塔板的距離≥正常板間距+300mm，以防該段距離過(guò)小時(shí)氣體攜帶過(guò)多的液體返回最底層塔板引起液泛。

經(jīng)計(jì)算，將升氣管返塔口中心線設(shè)在距離塔釜最高液面420mm、距離最底層塔板1550mm處，可滿足要求。

升氣管返塔口應(yīng)與最底層塔板密封盤平行設(shè)置，盡量不沖擊塔底密封盤、塔底密封盤溢流物流和最底層塔板降液管，且應(yīng)避免內(nèi)彎向下或斜向下，否則重沸器返塔物流可能沖擊塔底密封盤溢流物流，使上升氣體夾帶過(guò)多液體而造成最底層塔板液泛，也可能直接沖擊降液管或密封盤，過(guò)熱的返塔物流會(huì)加熱降液管或密封盤的飽和液體，使其氣化，造成降液管液泛。如返塔口介質(zhì)向下或斜向下流動(dòng)，會(huì)破壞塔釜液面的穩(wěn)定。

3 改造后運(yùn)行情況

改造后裝置運(yùn)行平穩(wěn)，其主要運(yùn)行參數(shù)與改造前的對(duì)比見表1。

表1 改造前后裝置的主要運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

由表1可見，改造后凈化水中H2S含量<10ppm、NH3含量為70.1ppm，滿足污水處理場(chǎng)進(jìn)水水質(zhì)H2S含量≤50ppm、NH3含量≤100ppm的要求。去污水處理場(chǎng)的凈化水流量由19.75t/h降低至15.55t/h，噸原料能耗由643.79MJ降低至610.38MJ，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)改造后的裝置運(yùn)行平穩(wěn)，凈化水的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，重沸器進(jìn)料抽出斗等的合理設(shè)計(jì)是改造成功的關(guān)鍵。

(2)裝置改造成本低、工作量少，在塔裙座高度僅為2m的情況下改造成功，為同類裝置的改造提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

1 Kister, H. Z..Distillation Operation[M].New York: McGraw-Hill, 1989:83-110.

2 劉成軍. 熱虹吸式重沸器循環(huán)回路的設(shè)計(jì)探討[J].化工設(shè)計(jì),2008,18(6):24-26.