活化MDEA脱碳法对苯菲尔脱碳装置的技术改造
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Abstract : Through the comparison & commentary on de2carbon method , by using the active MDEA de2carbon method , technical reformation was made for 2 sets of modified Benfild de2carbon unit , the absorption ability , regeneration capacity , pumping capacity and purity of regenerated gas CO2 have been checked & calculated , reformation scheme and reformation contents were discussed , comparison & summarization were made for the productive operation effect before and after reformation , the result indicates that the treated gas quantity after reformation is increased by 20 % , heat consume is reduced by 55 % , the purity of regenerated gas is increased from 98. 5 % to 98. 9 % and the alkali washing gas CO2 is reduced from 0. 8 % to 0. 6 %.
的流程和设备与苯菲尔脱碳相近 , 具有净化度高 、
能耗低的优点 ; 但脱碳液须更换 , 若清洗不干净 ,
易引起溶液发泡 、腐蚀等 , 改造风险较大 。
这样 , 实际我厂可选择的改造方案只有苯菲尔
双塔再生技术和活化 MDEA 脱碳 。通过对脱碳方法
的先进性 、能耗 、改造投资和改造风险的综合对
比 , 我厂选择了活化 MDEA 脱碳法对苯菲尔脱碳装
填料与散堆填料相结合的方案 , 在半贫液段上层用
散堆填料 , 下层用规整填料 。
由于吸收塔下段下层底部填料处气液量最大 ,
最易发生液泛 , 故校核该处泛点气速 。富液粘度 μ1 = 1. 88 cp , Y250 填料比表面α= 250 m2/ m3 , 孔隙 率ε= 0. 977 , 常数 A = 0. 291 , p = 1. 75 MPa , 气体
关联式[4 ] : Log[ Wf2/ g (α/ε3) ( rg/ r1) μ10. 2 ] = A - 1. 75 ( L /
G) 1/ 4 ( rg/ r1) 1/ 8
(5)
由式 (5) 计算得 , 泛点空塔气速 Wf = 0. 21 (m/
s) , 实际空塔气速 Wg = 0. 16 m/ s , 为泛点空塔气速
塔下段下层底部填料处气液流动参数 Ψ = L / G( rg/
r1) 0. 5 = 938 739/ 48 882 ×(11. 75/ 1 040) 0. 5 = 2. 04 ,
> 0. 5。 kister 等[3]认为 Ψ > 0. 5 时 , 规整填料性能不及
散堆填料 。因此规整填料的选择需慎重 。采取规整
的 76 % , 在允许的 60 %～80 %范围内的上限 , 因此
可确保溶液不发泡 。
·52 ·
化肥设计 2005 年第 43 卷
2. 2 再生能力 一般 MDEA 脱碳典型流程设置 1 个常解塔和 1
个气提塔 。苯菲尔脱碳为两段再生 , 在 1 个再生塔 内进行 。将再生塔上段改为常解塔 , 下段改为气提 塔 。出再生塔上段去下段气提再生的半贫液可以靠 位差自流 , 也可通过处于低位的常压泵输送 。同样 根据新的工况 , 对再生塔的液泛和所需填料传质面 积重新核算 , 以确定填料选型 。再生塔上段上层顶 部填料处气液量最大 , 最易发生液泛 。
1 脱碳方法选择
1. 1 脱碳方法评述 碳酸丙烯脂脱碳属于典型的物理吸收 , 能耗
低 , 但碱洗气净化度和再生气 CO2 纯度低 。NHD 脱 碳 (聚乙二醇二甲醚 , selexol , 美国联合化学公司开 发 , 现归 UOP 公司) 具有吸收能力大 , 净化度高 , 能耗低的优点 ; 但流程和设备与苯菲尔脱碳差异 大 , 无异于重建 。
Key words : active MDEA de2carbon method ; Benfild de2carbon unit ; technical reformation
三明化工有限责任公司有 2 套改良苯菲尔脱碳 装置 (第一 、二净化系统) , 分别于 1981 年和 1992 年投入运行 。这 2 套脱碳装置的工艺和设备基本相 同 , 运行较为稳定 , 能满足合成氨生产气体净化的 要求 。但随着企业挖潜和节能要求提高 , 其存在的 不足日渐显露 。
吸收时 : R2′NH + CO2 = R2′NCOOH
(1)
R2′NCOOH + R2CH3N + H2O = R2′NH +
R2CH3NH + ·HCO3 -
(2)
(1) + (2) : R2CH3N + CO2 + H2O = R2CH3NH + ·
HCO3 -
(3)
再生时 : R2CH3NH + HCO3 - = R2CH3N + CO2 +
耗和提高处理能力展开 。
(3) 考虑溶液更换时如何避免溶液污染引起发
泡 、腐蚀和泵的不适应性 。
改造方案根据改造目标 , 按增加后的气量和溶
液循环量等工况条件 , 对塔填料传质面积 、泛点
率 、气液分布 、管道流速 、换热设备能力 、仪表控
制等进行能力核算 , 制定出改造具体措施 。
2. 1 吸收能力
由于吸收塔塔径 ( DN3 000 mm) 和可利用填料
层高度已定 , 而塔径偏小 , 且填料传质面积不够 ,
要选择比表面积Βιβλιοθήκη 的高效填料 , 对吸收塔的液泛和所需填料传质面积重新计算 , 以确定填料选型和设
计气液分布器 。
半贫液段液体负荷大 (～133 m3/ m2·h) , 属大液
气比操作 , 易发生液泛和拦液现象 , 须进行填料选
液为微黄色粘稠状液体 , 具有物理吸收和化学吸收
双重功能 , 溶液吸收能力大 。70 ℃时 , 脱碳液对分
压为 0. 455 MPa CO2 的平衡吸收能力为 56 m3/ m3 ;
对分压为 0. 1 MPa CO2 的平衡吸收能力为 27 m3/
m3 ; 但对非极性气体 H2 、N2 、CH4 等溶解度低 。
H2O
(4)
吸收反应 (3) 受反应 (1) 控制 , 反应 (1) 是二级
反应 。由于二乙醇胺 ( R2′NH) 的活化作用 , 吸收速 度大为加快 。N 甲基二乙醇胺 ( R2CH3N) 含有 1 个 叔胺原子作活性基团 , 化学活泼性不如伯胺和仲
胺 , 吸收 CO2 后生成的碳酸氢盐加热后易于再生 。 被物理吸收的 CO2 减压后就得到再生 , 故吸收能力 大 , 净化度高 , 能耗低 。
型 。Y250 不锈钢孔板波纹规整填料[2]具有通量大 、
比表面积大 、传质效率高的优点 。
塔底部填料处的气相动能因子 F = Wg rg0. 5 =
0. 16 ×11. 750. 5 = 0. 56 m/ s ( kg/ m3) 0. 5 , 小于 Y250 型
不锈钢孔板波纹规整填料最大允许值 2. 6 。但吸收
置进行改造 。
1. 2 活化 MDEA 脱碳原理
MDEA , 即 N —甲 基 二 乙 醇 胺 [ CH3N ( CH3 CHOH) 2 ]为脱碳液的主要成分 (～450 g/ L , 添加少 量活化 剂 二 乙 醇 胺 (DEA , ～ 2 %) 、六 水 派 嗪 ( ～
2 %) 和少量消泡剂 ( G. P. E , 低泡 , 需要时加) 。溶
作者简介 : 崔国星 (1961 年 - ) , 男 , 福建莆田人 , 1983 年毕业于大 连工学院化工系 , 1991 年毕业于华东化工学院研究生 , 高级工程 师 , 从事煤化工 、合成氨 、尿素 、三聚氰胺生产的技术及开发工作 。
第 4 期 崔国星 活化 MDEA 脱碳法对苯菲尔脱碳装置的技术改造
Aug. 2005
·50 ·
化肥设计
第 43 卷 第 4 期
Chemical Fertilizer Design 2005 年 8 月
活化 MDEA 脱碳法对苯菲尔 脱碳装置的技术改造
崔国星
(福建石化集团 三明化工有限责任公司 , 福建 三明 365001)
摘 要 : 通过对脱碳方法的评述和对比 , 选用了活化 MDEA 脱碳法对 2 套改良苯菲尔脱碳装置进行了技术改造 , 核算了装置的吸收能力 、再生能力 、泵输送能力和再生气 CO2 的纯度 , 论述了改造方案和改造内容 , 对改造前后 生产运行效果进行了对比和总结 , 结果表明 , 改造后处理气量提高了 20 % , 热耗下降了 55 % , 再生气纯度从 98. 5 %提高到 98. 9 % , 碱洗气 CO2 从 0. 8 %下降到 0. 6 %。 关键词 : 活化 MDEA 脱碳法 ; 苯菲尔脱碳装置 ; 技术改造 中图分类号 : TQ113. 26 文献标识码 : B 文章编号 : 1004 - 8901(2005) 04 - 0050 - 04
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我公司第三净化系统实际热耗为 2 805 kJ / m3 CO2 。 该法能耗略高 , 改造投资较大 , 但脱碳液不须更
换 , 改造风险小 。
活化 MDEA 脱 碳 法 由 美 国 Flour 公 司 开 发 ,
BSAF 公司首先用于合成气净化 , 20 世纪 80 年代
中 、后期逐渐在我国实现工业化 。活化 MDEA 脱碳
Technical Reformation of Benfild Carbon Removal Unit by Active MDEA De2carbon Method
CUI Guo2xing ( Sanmin Chemical Engineering Company Ltd. , Fujian Petrochemical Group , Sanmin Fujian 365001 China)
温度 46 ℃, 平均分子量 Mm = 17. 6 kg/ kmol , 密度 rg
= 11. 75 kg/ m3 , 入口变换气流量 62 214 m3/ h , 即 G
= 48 882 kg/ h , 富液密度 r1 = 1 040 kg/ m3 , 液相流 量 L = 938 739 kg/ h 。根据贝恩 —霍根 (Bain2Hougen)
2 脱碳改造方案确定
(1) 考虑 MDEA 脱碳液和苯菲尔脱碳液的吸收 能力差异 。苯菲尔脱碳液实际运行的净吸收能力 (贫液和半贫液加权平均) 为 20 m3/ m3 , 考虑到低能 耗运行 , 设计 MDEA 脱碳液净吸收能力为 17～18
m3/ m3 , 略低于苯菲尔脱碳液 。
(2) 考虑如何提高处理能力 , 改造围绕降低能
为了克服苯菲尔脱碳能耗高的不足 , 意大利 GV 公司开发了苯菲尔双塔再生脱碳技术 。该技术 采用压力不同的 2 个再生塔 , 即加压再生塔 (0. 204 MPa , 再生气 102 ℃) 和低压再生塔 (0. 108 MPa , 再 生气 97 ℃) , 再生气总汽/ 气比降低 , 能耗下降 。
苯菲尔脱碳属于化学吸收热法脱碳 , 再生温度 高 , 再生气汽/ 气比高 , 热耗高 。在运行过程中 , 由 于碱液腐蚀性大 , 必须添加 V2O5 防腐 , 致使钒泥和 脱落的钒化膜碎片堵塞填料 , 部分填料变成死区 , 阻力大 , 处理气量下降 , 满足不了生产扩大和节能 的高要求 , 必须采用先进的脱碳方法进行技术改 造 。2001 年 , 经过多方论证 , 充分准备 , 利用大修 时间 , 公司将 2 套脱碳装置改为活化 MDEA 脱碳 。 自改造以来 , 装置运行平稳 , 处理能力提高 , 能耗 大幅下降 。笔者以第一净化系统为例对技术改造进 行简要介绍 。
的流程和设备与苯菲尔脱碳相近 , 具有净化度高 、
能耗低的优点 ; 但脱碳液须更换 , 若清洗不干净 ,
易引起溶液发泡 、腐蚀等 , 改造风险较大 。
这样 , 实际我厂可选择的改造方案只有苯菲尔
双塔再生技术和活化 MDEA 脱碳 。通过对脱碳方法
的先进性 、能耗 、改造投资和改造风险的综合对
比 , 我厂选择了活化 MDEA 脱碳法对苯菲尔脱碳装
填料与散堆填料相结合的方案 , 在半贫液段上层用
散堆填料 , 下层用规整填料 。
由于吸收塔下段下层底部填料处气液量最大 ,
最易发生液泛 , 故校核该处泛点气速 。富液粘度 μ1 = 1. 88 cp , Y250 填料比表面α= 250 m2/ m3 , 孔隙 率ε= 0. 977 , 常数 A = 0. 291 , p = 1. 75 MPa , 气体
关联式[4 ] : Log[ Wf2/ g (α/ε3) ( rg/ r1) μ10. 2 ] = A - 1. 75 ( L /
G) 1/ 4 ( rg/ r1) 1/ 8
(5)
由式 (5) 计算得 , 泛点空塔气速 Wf = 0. 21 (m/
s) , 实际空塔气速 Wg = 0. 16 m/ s , 为泛点空塔气速
塔下段下层底部填料处气液流动参数 Ψ = L / G( rg/
r1) 0. 5 = 938 739/ 48 882 ×(11. 75/ 1 040) 0. 5 = 2. 04 ,
> 0. 5。 kister 等[3]认为 Ψ > 0. 5 时 , 规整填料性能不及
散堆填料 。因此规整填料的选择需慎重 。采取规整
的 76 % , 在允许的 60 %～80 %范围内的上限 , 因此
可确保溶液不发泡 。
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化肥设计 2005 年第 43 卷
2. 2 再生能力 一般 MDEA 脱碳典型流程设置 1 个常解塔和 1
个气提塔 。苯菲尔脱碳为两段再生 , 在 1 个再生塔 内进行 。将再生塔上段改为常解塔 , 下段改为气提 塔 。出再生塔上段去下段气提再生的半贫液可以靠 位差自流 , 也可通过处于低位的常压泵输送 。同样 根据新的工况 , 对再生塔的液泛和所需填料传质面 积重新核算 , 以确定填料选型 。再生塔上段上层顶 部填料处气液量最大 , 最易发生液泛 。
1 脱碳方法选择
1. 1 脱碳方法评述 碳酸丙烯脂脱碳属于典型的物理吸收 , 能耗
低 , 但碱洗气净化度和再生气 CO2 纯度低 。NHD 脱 碳 (聚乙二醇二甲醚 , selexol , 美国联合化学公司开 发 , 现归 UOP 公司) 具有吸收能力大 , 净化度高 , 能耗低的优点 ; 但流程和设备与苯菲尔脱碳差异 大 , 无异于重建 。
Key words : active MDEA de2carbon method ; Benfild de2carbon unit ; technical reformation
三明化工有限责任公司有 2 套改良苯菲尔脱碳 装置 (第一 、二净化系统) , 分别于 1981 年和 1992 年投入运行 。这 2 套脱碳装置的工艺和设备基本相 同 , 运行较为稳定 , 能满足合成氨生产气体净化的 要求 。但随着企业挖潜和节能要求提高 , 其存在的 不足日渐显露 。
吸收时 : R2′NH + CO2 = R2′NCOOH
(1)
R2′NCOOH + R2CH3N + H2O = R2′NH +
R2CH3NH + ·HCO3 -
(2)
(1) + (2) : R2CH3N + CO2 + H2O = R2CH3NH + ·
HCO3 -
(3)
再生时 : R2CH3NH + HCO3 - = R2CH3N + CO2 +
耗和提高处理能力展开 。
(3) 考虑溶液更换时如何避免溶液污染引起发
泡 、腐蚀和泵的不适应性 。
改造方案根据改造目标 , 按增加后的气量和溶
液循环量等工况条件 , 对塔填料传质面积 、泛点
率 、气液分布 、管道流速 、换热设备能力 、仪表控
制等进行能力核算 , 制定出改造具体措施 。
2. 1 吸收能力
由于吸收塔塔径 ( DN3 000 mm) 和可利用填料
层高度已定 , 而塔径偏小 , 且填料传质面积不够 ,
要选择比表面积Βιβλιοθήκη 的高效填料 , 对吸收塔的液泛和所需填料传质面积重新计算 , 以确定填料选型和设
计气液分布器 。
半贫液段液体负荷大 (～133 m3/ m2·h) , 属大液
气比操作 , 易发生液泛和拦液现象 , 须进行填料选
液为微黄色粘稠状液体 , 具有物理吸收和化学吸收
双重功能 , 溶液吸收能力大 。70 ℃时 , 脱碳液对分
压为 0. 455 MPa CO2 的平衡吸收能力为 56 m3/ m3 ;
对分压为 0. 1 MPa CO2 的平衡吸收能力为 27 m3/
m3 ; 但对非极性气体 H2 、N2 、CH4 等溶解度低 。
H2O
(4)
吸收反应 (3) 受反应 (1) 控制 , 反应 (1) 是二级
反应 。由于二乙醇胺 ( R2′NH) 的活化作用 , 吸收速 度大为加快 。N 甲基二乙醇胺 ( R2CH3N) 含有 1 个 叔胺原子作活性基团 , 化学活泼性不如伯胺和仲
胺 , 吸收 CO2 后生成的碳酸氢盐加热后易于再生 。 被物理吸收的 CO2 减压后就得到再生 , 故吸收能力 大 , 净化度高 , 能耗低 。
型 。Y250 不锈钢孔板波纹规整填料[2]具有通量大 、
比表面积大 、传质效率高的优点 。
塔底部填料处的气相动能因子 F = Wg rg0. 5 =
0. 16 ×11. 750. 5 = 0. 56 m/ s ( kg/ m3) 0. 5 , 小于 Y250 型
不锈钢孔板波纹规整填料最大允许值 2. 6 。但吸收
置进行改造 。
1. 2 活化 MDEA 脱碳原理
MDEA , 即 N —甲 基 二 乙 醇 胺 [ CH3N ( CH3 CHOH) 2 ]为脱碳液的主要成分 (～450 g/ L , 添加少 量活化 剂 二 乙 醇 胺 (DEA , ～ 2 %) 、六 水 派 嗪 ( ～
2 %) 和少量消泡剂 ( G. P. E , 低泡 , 需要时加) 。溶
作者简介 : 崔国星 (1961 年 - ) , 男 , 福建莆田人 , 1983 年毕业于大 连工学院化工系 , 1991 年毕业于华东化工学院研究生 , 高级工程 师 , 从事煤化工 、合成氨 、尿素 、三聚氰胺生产的技术及开发工作 。
第 4 期 崔国星 活化 MDEA 脱碳法对苯菲尔脱碳装置的技术改造
Aug. 2005
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化肥设计
第 43 卷 第 4 期
Chemical Fertilizer Design 2005 年 8 月
活化 MDEA 脱碳法对苯菲尔 脱碳装置的技术改造
崔国星
(福建石化集团 三明化工有限责任公司 , 福建 三明 365001)
摘 要 : 通过对脱碳方法的评述和对比 , 选用了活化 MDEA 脱碳法对 2 套改良苯菲尔脱碳装置进行了技术改造 , 核算了装置的吸收能力 、再生能力 、泵输送能力和再生气 CO2 的纯度 , 论述了改造方案和改造内容 , 对改造前后 生产运行效果进行了对比和总结 , 结果表明 , 改造后处理气量提高了 20 % , 热耗下降了 55 % , 再生气纯度从 98. 5 %提高到 98. 9 % , 碱洗气 CO2 从 0. 8 %下降到 0. 6 %。 关键词 : 活化 MDEA 脱碳法 ; 苯菲尔脱碳装置 ; 技术改造 中图分类号 : TQ113. 26 文献标识码 : B 文章编号 : 1004 - 8901(2005) 04 - 0050 - 04
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我公司第三净化系统实际热耗为 2 805 kJ / m3 CO2 。 该法能耗略高 , 改造投资较大 , 但脱碳液不须更
换 , 改造风险小 。
活化 MDEA 脱 碳 法 由 美 国 Flour 公 司 开 发 ,
BSAF 公司首先用于合成气净化 , 20 世纪 80 年代
中 、后期逐渐在我国实现工业化 。活化 MDEA 脱碳
Technical Reformation of Benfild Carbon Removal Unit by Active MDEA De2carbon Method
CUI Guo2xing ( Sanmin Chemical Engineering Company Ltd. , Fujian Petrochemical Group , Sanmin Fujian 365001 China)
温度 46 ℃, 平均分子量 Mm = 17. 6 kg/ kmol , 密度 rg
= 11. 75 kg/ m3 , 入口变换气流量 62 214 m3/ h , 即 G
= 48 882 kg/ h , 富液密度 r1 = 1 040 kg/ m3 , 液相流 量 L = 938 739 kg/ h 。根据贝恩 —霍根 (Bain2Hougen)
2 脱碳改造方案确定
(1) 考虑 MDEA 脱碳液和苯菲尔脱碳液的吸收 能力差异 。苯菲尔脱碳液实际运行的净吸收能力 (贫液和半贫液加权平均) 为 20 m3/ m3 , 考虑到低能 耗运行 , 设计 MDEA 脱碳液净吸收能力为 17～18
m3/ m3 , 略低于苯菲尔脱碳液 。
(2) 考虑如何提高处理能力 , 改造围绕降低能
为了克服苯菲尔脱碳能耗高的不足 , 意大利 GV 公司开发了苯菲尔双塔再生脱碳技术 。该技术 采用压力不同的 2 个再生塔 , 即加压再生塔 (0. 204 MPa , 再生气 102 ℃) 和低压再生塔 (0. 108 MPa , 再 生气 97 ℃) , 再生气总汽/ 气比降低 , 能耗下降 。
苯菲尔脱碳属于化学吸收热法脱碳 , 再生温度 高 , 再生气汽/ 气比高 , 热耗高 。在运行过程中 , 由 于碱液腐蚀性大 , 必须添加 V2O5 防腐 , 致使钒泥和 脱落的钒化膜碎片堵塞填料 , 部分填料变成死区 , 阻力大 , 处理气量下降 , 满足不了生产扩大和节能 的高要求 , 必须采用先进的脱碳方法进行技术改 造 。2001 年 , 经过多方论证 , 充分准备 , 利用大修 时间 , 公司将 2 套脱碳装置改为活化 MDEA 脱碳 。 自改造以来 , 装置运行平稳 , 处理能力提高 , 能耗 大幅下降 。笔者以第一净化系统为例对技术改造进 行简要介绍 。