液化烃脱硫塔两种设计计算方法的比较与分析

液化烃脱硫塔两种设计计算方法的比较与分析 液化烃脱硫塔两种设计计算方法的比较与 分析 '石油化工设计 PetrochemicalDesign 液化烃脱硫塔两种设计计算 方法的比较与分析 李英王成富 (山东三维石化工程有限公司,山东省淄博市,255434) 摘要:笔者对液化烃脱硫塔的两种设计计算方法进行了理论探讨和实际操作比较, 对液化烃脱硫塔 的设计有一定的指导意义. 关键词:筛板塔板;升液管;降液管;设计;计算方法 根据原油的含硫量及加工深度不同,炼厂干 气和液化石油气都不同程度地含有一定量的I-bS, c0,及COS,cs2,RSH等杂质.为了提高产品质 量,满足后续装置需求,减少设备和管道腐蚀,降 低环境污染,除炼制低硫原油生产的干气和液化 石油气在作为燃料油时无需脱硫外,其余的干气 和液化石油气,无论是作为燃料还是作为化工装 置的原料,都需要先进行脱硫.尤其是作为化工 装置原料时,由于硫化物对催化剂的活性和寿命 影响很大,对硫含量的要求更为严格,必须对干气 和液化石油气进行脱硫,使硫含量控制在规定范 围内,才能满足后续加工装置的要求.因此,液化 烃脱硫是加工高硫原油的必备措施. 液化烃脱硫的主要设备为液化烃脱硫塔.目 前炼厂液化烃脱硫塔主要采用筛板塔,脱硫剂为 甲基二乙醇胺溶液.筛板塔的工作原理是:两相 逆流流动是依靠两相重度差,分散相通过筛板时 被粉碎成一定大小的液滴,连续相由溢流管流经 各板段与分散相液滴接触而实行传质. (1)为增大两相接触表面,一般选取流量较大 的一相为分散相.当两相粘度相差较大时,为了 使分散相易于聚合而增大通量,一般选取粘度大 的一相为分散相.当重相为分散相时,溢流管的 形式为升液管,当轻相为分散相时则为降液管. (2)分散相在通过筛孔时要保证分散良好,这 就要对筛板的材料,筛孔的直径,开孔率,过孔速 度等进行合理的选择. (3)两相在充分接触后,分别进入上下筛板, 为此两相应能较好的分相.为了保证连续相在通 过溢流管时不夹带液滴,这就要求连续相在管中 的流速不大于分散相最小液滴的终端速度. 4)分散相通过筛孔时要克服阻力和连续相在 溢流管中流动引起的压降.因此,分散相在筛板 上(或下)应保持一定高度的聚合层.如果液层太 低,则容易造成漏液(即分散相只通过部分筛孔, 造成流动的不稳定).若液层过高,超过了溢流管 高度,则造成"液泛"(即部分分散相从溢流管流 过,破坏了正常操作). 收稿日期.'2004—12—27.修改稿收到日期-'~05—01—17. 1液化烃脱硫塔的设计特点作者简介淳英(1昕0一 ),女,山东诸诚人.l992年毕业于石 液化烃脱硫塔一般为筛板塔.根据塔内两相油大学(华东)石油加工专业.项目经理, 工程师.现从事石油化 流动情况,筛板塔主要有如下设计特点[]:工工艺设计工作. 石油化工设计第22卷 2应用实例 目前,对液化烃脱硫塔的设计计算有两种主 要方法:一种方法是胺液(即脱硫剂)为分散相,溢 流管的形式为升液管( 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 I);另一种方法是液 化烃为分散相,溢流管的形式为降液管(方案?). 为了比较这两种设计方法的优劣,笔者从曾 经设计过的项目举例对两种液化烃脱硫塔计算结 果进行对比. 实例设计一个筛板塔用于液化烃脱硫,已 知液化烃的处理量为15000kg/h时,胺液[甲基二 乙醇胺,浓度为40%(W)]的循环量为14432kg/h, 两相的物性数据如下: 液化烃:密度:496kg/m3,粘度:0.1cP; 40%胺液:密度:1028kg/m3,粘度:2.02cP; 两相的界面张力为0.137N/m. 液化烃脱硫塔两种设计计算结果与实际操作 数据的对比见表1. 表12种设计计算结果与实际操作数据对比 项目 为什么两种设计计算方法的结果相差这么大 呢?下面就从两种设计计算方法的过程和结构形 式加以探讨. 3液化烃脱硫塔2种设计方法差异剖析 3.1胺液为分散相(方案I) 3.1.1塔径… 筛板可分为开孔区,降液区和无孔区3部分. 设计时,首先计算开孔区面积,和降液管面积 ,如图1所示. 界 攀图1胺液为分散相时,师板不惹 (1)开孔区面积. 筛孔直径的选择,关系到两相在板间的分层, 相际接触面积及设备的生产能力.一般,较小的 筛孔产生较小的液滴,具有较大的相际接触面积, 对传质有利;然而,随着筛孔直径的减小,将增大 塔径和板间距.通常,筛孔直径为3,6mm. 分散相(胺液)i酊丑孔的流速—般在10,30ml/ s,最适宜的孔速最好由实验确定,或由下式估算: [(1-毒).赢r 爱【1-0.193()] 式中,V0——筛孔速度/cm?s; —— 筛孔或喷嘴直径/cm; a——两相界面间的表面张力/N?m; PO——分散相(胺液)的密度/g?cm-3; ?p——分散相(胺液)与连续相(液化烃)的 密度差. 根据分散相(胺液)的处理量,孔径及孔流速, 筛板上的所需孔数可由下式求取: QD ? 4uu 式中,QD——分散相(胺液)的处理量/g's,. 筛孔通常以正三角形排列,孔中心距为孔直 径的3,4倍,因此可用下式计算筛板开孔区的面 积: 第22卷李英等.液化烃脱硫塔两种设计计算方法的比较与分析. 13. FI=0.866'凡?t 式中,凡——筛板塔孔数; ,——孔间距/cm. (2)降液区面积. 降液管的面积,由连续相(液化烃)在降液管 中的流速所决定.连续相在降液管的流速,可以 通过所容许带走的最大液滴直径而求得.通常, 先假定连续相所带走的最大液滴直径为d(一般 取=0.8mm).直径为的分散相液滴在连 续相中的沉降速度,可用stokes式计算: = 式中,分散相(胺液)液滴在连续相(液化 烃)中的沉降速度/cm?s; —— 连续相(液化烃)粘度/g?cm?s,. 为使大于d的液滴不被连续相(液化烃)带 走,连续相在降液管中的流速不得大于分散相 (胺液)液滴(直径d)在降液管中的沉降速度,取 ?V,则降液管的面积由下式计算: Q 』'2一 如 式中,Q——连续相(液化烃)的体积流!i!/cm3? s—l: —— 降液管中连续相的流速/cm?s,. (3)无孔区面积. 在接近降液管处,为使下降的分散相(胺液) 液滴不进入降液管,在开孔区与降液管之间应留 有一定的空隙厶,一般可取30mm左右.为了支 承和固定筛板,筛板周边需要有一定的余度,一 般取=30,50mm,或者取整个塔的自由截面积 的5%,因此塔的内径为: D:N/4(FI+2F2)+2L,+厶 3.1.2板间距的确定 板间距由分散相(胺液)的液层高度和连续相 (液化烃)的液层高度所组成.为了保证塔的正常 操作,必须保证一定的分散相液层高度,该高度由 两相流动所需的压头决定. 具体计算公式和方法参考《化学工程手册》第 14篇"萃取及浸取". 实际上,筛板塔板间距一般根据经验选取.通常不超过300mm,工业萃取塔的板间距最好不 要小于150mm. 3.2液化烃为分散相(方案?) 液化烃为分散相时,塔盘结构形式见图2. 凰警do{图2液化烃为分散相时筛板不意 3.2.1塔径 (1)液滴雷诺数. 液滴雷诺数可按下式计算: :×106 式中,廊——液滴雷诺数; d——液滴直径/m. 轻相(液化烃)比重?0.85时,最小液滴直径 为d=1.27×10一In,轻相(液化烃)比重>0.85 时,最小液滴直径为d=8.9×10I5m; —— 液滴沉降速度/m?s[根据不同雷诺 数由3.2.1节(2)沉降定律公式求 得]; Sd——操作温度下分散相(液化烃)比重; —— 操作温度下连续相(胺液)粘度/cP. (2)液滴沉降速度. 根据液滴雷诺数范围分别按以下3种情况计 算: 当Re<2时,适用于斯托克定律: Wa=5.43x105?() 当2?Re<500时,适用于中间定律: Wa=124(警) 石油化工设计第22卷 当Re>1500时,适用于牛顿定律: -s.45?() 式中,.s——操作条件下连续相(胺液)比重; ?.s——连续相(胺液)与分散相(液化烃)比 重差. 由以上液滴沉降速度计算公式,可得分散相 (液化烃)和连续相(胺液)的沉降速度,以此确定 哪一相的沉降分离起控制作用,故塔径为: D:3600'P'.7l".9/4 式中,Q——分散相(或连续相)质量流率/kg?h; 』D——分散相(或连续相)密度/kg?rnI3; —— 分散相(或连续相)沉降速度/m? s_.. 3.2.2筛孔数的计算 筛孔面积:A=??.s 式中,A——筛孔面积/m2; p——分散相(液化烃)流率/m2?sI1; C——流量系数,取0.7; .so——分散相(液化烃)比重; g——重力常数,=9.8m?s一; —— 分散相(液化烃)厚度/m(一般取0.i , 0.2m); ?.s——连续相(胺液)与分散相(液化烃)比 重差. 筛孔数::A 式中,取do=13mm;:fL距取=25mm. 3.2.3降液管面积和管底空隙面积 根据《美国埃索工程公司设计手册》计算降液 管面积和管底空隙面积.但在实际操作中,应根据 现场情况,选取降液管拱高和降液管管底的空隙. 4结论 通过对以上两种计算结果的分析对比,可以 得出以下结论: (1)两种设计方法的液化烃脱硫塔投人生产, 经过长周期运转后,都能满足净化液化烃的要求 (H2S含量<20mg/m3). (2)当胺液为分散相时,筛孔直径小(为), 产生较小的液滴,具有较大的相际接触面积,并且 筛孔分布在整个塔截面(除升液管和升液管阴影 区域),塔板的效率高.当液化烃为分散相时,筛孔 直径大(为+13),产生的液滴大,两相接触的面积 小,并且筛孔分布在较小的区域内,塔板的效率 低. 3)当液化烃为分散相时,(为达到有效的操 作,要求离开每一层塔盘时每一相基本上分离完 全.因此,为了满足这个要求,此种方法设计的液 化烃脱硫塔无论处理量为多少,塔径基本上都取 2.2m,实践中证明是没有必要的,只要两相萃取完 毕,最后的净化液化烃再经过沉降罐把胺液分离 出来,就完全能达到净化液化烃的要求. (4)在同时满足液化烃净化要求的前提下,当 胺液为分散相时,塔径为1.4m;当液化烃为分散相 时,塔径为2.2m,前者比后者节省钢材19450kg,按 钢材的价格ii000元/t计,仅钢材一项前者比后者 节约投资约21.4万元RMB. (5)当胺液为分散相时,两相界面控制在塔 底,液位约为50%;当液化烃为分散相时,两相界 面控制在塔顶,液位约为50%,前者塔径小,储存 的胺液量少,减少了胺液开工前的循环量,减少了 胺液的耗量. (6)前者塔径小,重量轻,减少了占地面积,并 且土建基础小,减少了投资. 因此,在设计中,把胺液作为分散相的设计方 法更为合理和经济. 参考文献 [1]《化学工程手册》编委会编.萃取及浸取.化学工程手册(第14 篇)(M).北京:化学工业出版社.1985 欢迎订阅欢迎投稿欢迎刊登广告