解吸塔及蒸氨塔的改造与计算

解吸塔及蒸氨塔的改造与计算

唐伯国林长青张振欧黄洁

(天津博隆塔器新技术开发有限公司300193)我国目前尿素装置多采用水溶液全循环法生产工艺。在生产过程中会形成一定数量的含NH35%～8%的稀碳铵液,浓度太低不能利用,直接排放既污染环境又损失氨。国家废液排放标准中要求含NH3≤0.07%(质量百分数,下同),随着人们对环保要求的重视,有些地方排放废水中含氨量要求指标更低。利用解吸塔将碳铵液中残余的氨和CO2解吸出来,返回吸收系统,既提高氨的利用率,又可使排放废水达到排污标准。

这样对解吸塔的基本要求是:

(1)解吸后的排放废液应尽量少地含氨,降低氨耗,减小污染。

(2)解吸后塔顶的解吸气要返回系统,含水量应尽量少,有利于实现系统水平衡。

近年来,世界能源供应日益紧张,节能降耗已成为主要发展方向,从合成氨尾气中回收有价值的气体并加以综合利用,已成为人们普遍关心的问题。合成尾气主要由两部分气体组成:合成放空气和液氨贮槽弛放气,其组分与生产操作有关。合成氨厂将其中的氨清洗后制成稀氨水,氨水浓度一般在15%,再利用蒸氨塔将稀氨水汽提得到99%以上的浓氨,使氨得到充分回收。同时蒸氨塔塔底排放液也要达到排放标准,不会影响环境。

多年来我公司与各合成氨生产厂协作,完成了多项解吸塔与蒸氨

塔的技改工作。本文将以解吸塔和蒸氨塔的各一个改造实例,介绍它们的模拟计算工作,并对相关的问题提出分析意见。

1解吸塔

某生产厂家原解吸塔为DN800,操作压力为0.35MPa,处理量较小,塔釜液出口含NH3指标为0.08%,不能达到国家的废液排放标准。为了增大处理量并能够达到国家的排放标准,该厂决定新增1台解吸塔,委托我公司进行设计。解吸液组分为:NH36.0%、CO20.99%、尿素0.94%,要求处理量为20～25m3/h、排放废液中含NH3≤0.03%。对该塔进行了详细计算,最终确定设计方案,塔径为 1000、所选用的填料为规整填料。开车后操作稳定,解吸塔塔顶解吸气中含NH3为35%,返回系统,塔底排放废液中含NH3为0.023%,满足设计要求。

1.1工艺流程

(1)较早期的解吸塔工艺流程如图1所示。

图1较早期的碳铵解吸塔工艺流程示意图图2经改进的碳铵解吸塔

工艺流程示意

解吸液在解吸换热器与塔底的废液换热后进入解吸塔塔顶,底部通入汽提用蒸汽,此蒸汽多由再沸器提供,塔底达标废液排放,塔顶出来的解吸气进入解吸冷凝器,出冷凝器的气相返回系统,液相去贮槽。

(2)经改进的解吸塔工艺流程如图2所示,解吸液仍由塔顶加入。图2和图1的区别主要是塔顶冷凝出来的液相不去贮槽,而是作为塔的回流进入塔顶。

(3)目前还有1种流程,它的碳铵解吸液进塔位置与流程图2不同,改塔顶进料为塔中部进料,将精馏原理应用到解吸塔中,增加一段精馏段。

为了对以上3种不同的解吸塔流程作出比较,本文运用多级模拟计算方法对它们分别给出计算结果,并进行讨论。

1.2模拟计算结果

对于3种流程的计算条件都定为:解吸液组分:NH36.0%、CO20.99%、尿素0.94%,处理量为25m3/h,进料温度115℃,回流液温度120℃,要求废液含NH3为0.02%。均取理论塔板数17,对于有精馏段的计算,进料位置在顶数第四块板。计算结果见表1。

表1解吸塔3种流程方案的比较

由表1可见,在同样塔釜排液含NH3200×10-6的情况下:

(1)无回流流程虽然能耗最小,但通过PRO-Ⅱ模拟计算,塔顶冷凝水中含NH3达5.28%,与进液含氨浓度相差不大。这部分稀氨水在工艺流程中如何处理仍然是个问题,可见这个流程不尽合理。

(2)流程2和流程3塔顶以气相排出,大部分含氨冷凝水均回流入塔,但这又会导致塔釜的蒸汽耗量有所增加。

(3)流程3比流程2的能耗更大些,其主要原因是因为流程3比流程2进料点至塔釜的填料段较低,所以为保证塔釜液含NH3达到200×10-6,只有加大汽提量,从而导致流程3能耗大。

由此,推荐在解吸塔中采用流程2较好,没有必要采用流程3设计。

1.3解吸塔计算解吸过程是吸收的逆过程,除了温度、压力及物性的影响外,气液间的接触状态也起着重要作用。加入的稀氨水与塔底上升的水蒸气通过填料表面接触,不断进行传质和传热作用,使液相中的氨和CO2不断进入气相,实现解吸,并使排放废液达到环保要求。我们选比表面积较大的BL-3.5#Y规整填料,通过填料表面,使气液在填料内得到充分接触,强化了传热和传质。

解吸塔的填料高度(即理论塔板数)和塔径直接相关,可有不同的组合方案,这与设备费(填料体积等)和操作费(蒸汽消耗等)直接有关,原则上可以找出较优方案。方案的计算结果(塔径计算中液泛率均取为60%)见表2。

表2不同理论板数时流程2塔径的比较

由表2可见,当理论塔板数控制在13至19时,填料塔均能够满足设计要求,塔釜液中含NH3为0.02%。同时当理论塔板数增加时,塔径减小,蒸汽消耗及塔顶冷凝负荷也明显减小。计算还表明原塔径DN800时,欲达到塔底排放标准,需要很多的理论塔板数,原塔的高度无法满足这一要求。经综合比较,此塔的改造方案定为填料高度取为17块理论板,塔径 1000,塔的高度也为厂方所接受。

2蒸氨塔

某厂对合成氨尾气进行净化洗涤,为了回收洗涤液中的氨,并把回收的氨直接加以利用。委托我公司改造1台蒸氨塔,塔径DN600,稀氨水温度75℃,含NH3为15.42%,经进、出物料换热器后,温度升至150℃,进入蒸氨塔中部。操作压力1.9MPa,蒸氨塔塔底部通入过热蒸汽(压力2.2MPa、温度320℃)。要求蒸氨塔塔顶气含NH3≥99.8%,可直接作为其它产品的原料,塔底废液中含NH3<200×10-6,可直接排放。

2.1工艺流程

自清洗塔来的稀氨水经塔底蒸馏塔进、出料换热器与塔底排出的液体换热后,进入蒸氨塔中部,过热蒸汽自塔底吹入,塔釜液可达到排放标准直接排放,也可循环去吸收塔顶作为吸收液继续使用,从塔顶蒸