CO2汽提塔的計(jì)算與分析

廖容波，劉利利

(北京眾聯(lián)盛化工工程有限公司 北京 100101)

CO2汽提塔的計(jì)算與分析

廖容波，劉利利

(北京眾聯(lián)盛化工工程有限公司 北京 100101)

利用液體穿孔的流量公式，推導(dǎo)出CO2汽提塔液體分布器上的液體分布孔流速與液位高度的關(guān)聯(lián)公式，可計(jì)算出汽提塔單管負(fù)荷。根據(jù)濕壁塔內(nèi)液膜厚度公式，計(jì)算出尿素-甲銨液在不同類型CO2汽提塔中的停留時(shí)間。通過熱力學(xué)計(jì)算，歸納總結(jié)了不同生產(chǎn)負(fù)荷下CO2汽提塔的熱負(fù)荷和傳熱系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，理論計(jì)算值與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)基本吻合。

CO2汽提塔 尿素 液體分布器 熱負(fù)荷

CO2汽提法尿素裝置的高壓設(shè)備由合成塔、高壓甲銨冷凝器、高壓洗滌器和汽提塔組成。NH3和CO2在高壓甲銨冷凝器中快速合成氨基甲酸銨(以下簡稱甲銨)，然后進(jìn)入合成塔中緩慢脫水轉(zhuǎn)化成尿素，未脫水的甲銨隨尿液進(jìn)入汽提塔中等壓分解為NH3和CO2后循環(huán)回收利用，其中CO2汽提塔是影響尿素裝置操作彈性的重要因素之一，直接關(guān)系到裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 設(shè)備簡介及規(guī)格

CO2汽提塔為降膜式單管程列管換熱器，管內(nèi)為工藝介質(zhì)，管外的飽和蒸汽為甲銨分解提供所需的熱量。出合成塔的反應(yīng)液在180～185 ℃下進(jìn)入汽提塔上部，經(jīng)液體分布器均布后進(jìn)入列管，成膜狀沿管壁下流，CO2從汽提塔下部逆流汽提反應(yīng)液，促使未轉(zhuǎn)化的甲銨分解為NH3和CO2，分解氣和原料CO2氣體從汽提塔塔頂逸出后進(jìn)入高壓甲銨冷凝器。

目前，CO2汽提塔已全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，主流設(shè)計(jì)有3種規(guī)格，匹配的尿素裝置產(chǎn)能分別為300，520和800 kt/a，其設(shè)備參數(shù)見表1。

2 液體分布器

根據(jù)汽提原理，尿液必須均勻分配至每根換熱管中并在內(nèi)壁形成一層液膜，才會(huì)有較高的汽提效率，因此，液體分布器是汽提塔的關(guān)鍵部件。如果液體分布不均，不僅會(huì)造成汽提效率下降，而且會(huì)影響防腐空氣的均勻通過，造成列管局部過熱和缺氧腐蝕[1]。

表1 CO2汽提塔設(shè)備參數(shù)

項(xiàng) 目產(chǎn)能/(t·d-1)外形尺寸/mm換熱面積/m2列管數(shù)/根液體分布孔直徑/mm國產(chǎn)520kt/a1740Φ2400×1259016802875Φ2.5荷型480kt/a162012252600Φ2.3傳統(tǒng)300kt/a1000Φ1900×1303010121733Φ2.5湖北三寧公司1450Φ1900×1303010121733Φ2.5國產(chǎn)800kt/a3200Φ2900×1457024544200

注：1)列管規(guī)格均為Φ31 mm×3 mm×6 000 mm，單管液體分布孔數(shù)均為3個(gè)

液體分布器由升氣管和液體分布頭組成，液體分布器與分布頭焊接在一起并插在汽提管上，中間由聚四氟乙烯墊圈進(jìn)行密封。每個(gè)液體分布器上設(shè)有3個(gè)Φ2.3～2.5 mm互成120°的液體分布孔，均勻排布，其結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 液體分布器結(jié)構(gòu)示意

升氣管類似喇叭狀，上部直徑為Φ25 mm，下部直徑為Φ29 mm，焊接于液體分布頭上；頂部有

Φ8.0 mm的升氣孔，其作用是限流，保持液體分布器內(nèi)外有一定的壓差，進(jìn)而可維持液體分布器外側(cè)有一定液位，確保尿液在一定的壓頭下能夠均勻分布。液體分布器總高622 mm，其中分布孔距底端35 mm。目前，通用CO2汽提塔液體分布器上的液體分布孔有Φ2.3 mm和Φ2.5 mm 2種規(guī)格。

3 計(jì)算

3.1 單管負(fù)荷

尿素-甲銨液進(jìn)入受液槽后，沿圓周方向流動(dòng)，平穩(wěn)地流入分布器空間。液體在分布器小孔上保持一定的液位，保持液體均勻進(jìn)入小孔。液體穿孔的流量按下述公式進(jìn)行計(jì)算[2]：

(1)

(2)

(3)

式中：Q——液體流量，m3/s；C0——孔流系數(shù)，與小孔的形狀和液體的雷諾數(shù)有關(guān)；

A0——流通面積，m2；

n——孔數(shù)；

H——液體高度，m；

d0——孔徑，m；

u——液體經(jīng)過小孔的流速，m/s。

由于汽提塔液體分布器液體分布孔表面粗糙度為3.2，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，C0取下限0.6。結(jié)合式(1)和式(2)，可以推導(dǎo)出液體分布器液體分布孔的流速與受液槽中尿素-甲銨液高度有關(guān)：

(4)

根據(jù)上述公式，結(jié)合2種液體分布器規(guī)格，推算出的CO2汽提塔單管理論負(fù)荷見表2。

表2 CO2汽提塔單管理論負(fù)荷

液體分布孔直徑/mm液體密度/(kg·m-3)液位/mm正常最大小孔流速/(m·s1)正常最大單管負(fù)荷/(kg·h-1)正常最大Φ2.510503005871.452.0080.9113.0Φ2.310503005501.451.9768.392.8

根據(jù)CO2汽提法尿素裝置的理論設(shè)計(jì)和現(xiàn)場反饋，CO2汽提塔單管負(fù)荷見表3。

從表2和表3可知，CO2汽提塔單管負(fù)荷的理論計(jì)算值與實(shí)際反饋值基本吻合。由于CO2汽提法尿素裝置的生產(chǎn)負(fù)荷不能低于設(shè)計(jì)值的70%，則可計(jì)算出汽提塔液體分布器小孔流速最

表3 CO2汽提塔單管設(shè)計(jì)和實(shí)際負(fù)荷

項(xiàng) 目生產(chǎn)能力/(t·d-1)列管數(shù)量/根進(jìn)塔液體量/(kg·h-1)單管負(fù)荷/(kg·h-1)國產(chǎn)520kt/a1740287522961079.90荷型480kt/a1620260020160077.50傳統(tǒng)300kt/a1000173313127775.75湖北三寧公司14501733191342110.40

小值和最低液位分別為1.0 m/s和142 mm。當(dāng)液體分布器上的液位低于142 mm時(shí)，汽提塔中的尿素-甲銨液因液位梯度原因會(huì)導(dǎo)致分布不均，造成有些加熱管出現(xiàn)干管和腐蝕加劇的現(xiàn)象。

由CO2汽提工藝的操作手冊和生產(chǎn)現(xiàn)場反饋可知，汽提塔的操作液位高度應(yīng)保持在200～400 mm[3]，可計(jì)算出單管負(fù)荷分別為66.2 kg/h和93.5 kg/h，對應(yīng)的彈性負(fù)荷為82.6%～117.0%，與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)基本吻合。

3.2 尿液停留時(shí)間

CO2汽提塔的殼程采用2.0 MPa蒸汽加熱，為尿液中甲銨分解提供熱量，但高溫會(huì)導(dǎo)致尿素水解產(chǎn)生縮二脲。正常情況下，汽提塔后的尿液中縮二脲質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加0.2%～0.3%[3]。

尿液在CO2汽提塔內(nèi)的停留時(shí)間(理論設(shè)計(jì)值<1 min)可根據(jù)濕壁塔內(nèi)液膜厚度按下式計(jì)算(表4)：

(5)

式中：m——液膜厚度，cm； w——單位長度周邊的液體質(zhì)量速度，g/(s·cm)；

μ——液體黏度，mPa·s；

r——液體密度，g/cm3；

g——重力加速度，cm/s2。

表4 CO2汽提塔單管液膜厚度理論計(jì)算值

項(xiàng) 目液體密度/(g·cm-3)進(jìn)口出口液體黏度/(mPa·s)進(jìn)口出口液體質(zhì)量速度/(g·s-1·cm-1)進(jìn)口出口液膜厚度/cm進(jìn)口出口平均正常情況下停留時(shí)間/min國產(chǎn)520kt/a0.991.130.7520.9132.901.700.1900.1550.1730.76荷型480kt/a0.991.130.7520.9132.801.600.1870.1550.1710.77傳統(tǒng)300kt/a0.991.130.7520.9132.681.550.1850.1500.1680.76湖北三寧公司0.991.130.7520.9133.912.260.2090.1700.1900.87

注：1)停留時(shí)間=汽提塔液膜總體積/[0.5×(進(jìn)塔液體體積流量+出塔液體體積流量)]

由表4可知：尿素-甲銨液在CO2汽提塔內(nèi)的停留時(shí)間均不超過1 min；湖北三寧公司的尿素裝置為傳統(tǒng)國產(chǎn)300 kt/a設(shè)計(jì)，其最大產(chǎn)量為1 450 t/d，但其尿液在汽提塔中停留時(shí)間僅有0.87 min，說明該產(chǎn)量下的停留時(shí)間基本上不會(huì)對汽提塔出口尿液中的縮二脲含量有太大影響。

3.3 熱負(fù)荷和傳熱系數(shù)

汽提塔實(shí)際上是1臺多管降膜式加熱器，由管外2.0 MPa左右的中壓飽和蒸汽供給熱量，促使管內(nèi)甲銨分解反應(yīng)不斷進(jìn)行。CO2汽提塔單管設(shè)計(jì)和實(shí)際熱負(fù)荷見表5。

表5 CO2汽提塔單管設(shè)計(jì)和實(shí)際熱負(fù)荷

項(xiàng) 目生產(chǎn)能力/(t·d-1)換熱面積/m2平均溫差/℃熱負(fù)荷/(kJ·h-1)傳熱系數(shù)/(kJ·h-1·m-2·℃-1)國產(chǎn)520kt/a17401680.040.01.33×108473.0荷型480kt/a16201224.638.01.23×108633.0傳統(tǒng)300kt/a10001012.738.00.76×108472.6湖北三寧公司14501012.740.91.10×108636.6

由表5可看出：汽提塔的傳熱系數(shù)可滿足生產(chǎn)負(fù)荷的彈性要求，通過適當(dāng)提高汽提塔殼側(cè)蒸汽壓力，蒸汽溫度隨之提高，從而可提高CO2汽提塔的處理能力。飽和蒸汽的溫度受管側(cè)使用材料限制，而且溫度過高的蒸汽會(huì)導(dǎo)致尿液溫度偏高，從而使縮二脲產(chǎn)生量和尿素的水解量相應(yīng)增加，因此，應(yīng)根據(jù)尿素裝置的產(chǎn)量和汽提塔負(fù)荷來調(diào)節(jié)控制汽提塔的殼側(cè)蒸汽壓力。

4 結(jié)語

(1)根據(jù)CO2汽提塔的理論設(shè)計(jì)和實(shí)際操作條件，利用液體穿孔的流量公式，推導(dǎo)出小孔流速與液位高度的關(guān)聯(lián)公式，由液位高度可準(zhǔn)確計(jì)算出汽提塔液體分布孔流速和單管負(fù)荷，進(jìn)而可進(jìn)一步推算出汽提塔的生產(chǎn)負(fù)荷。

(2)利用濕壁塔內(nèi)液膜厚度的公式，計(jì)算出尿素-甲銨液在不同類型CO2汽提塔中的停留時(shí)間，其計(jì)算結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)通過熱力學(xué)計(jì)算，歸納總結(jié)了不同生產(chǎn)負(fù)荷下CO2汽提塔的熱負(fù)荷和傳熱系數(shù)。

(4)單管負(fù)荷、停留時(shí)間和熱負(fù)荷的理論計(jì)算值與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)基本吻合，其計(jì)算結(jié)果對設(shè)計(jì)和實(shí)踐生產(chǎn)有較好的指導(dǎo)意義。

[1] 邸彩霞，崔海生，李進(jìn).汽提塔帶油原因分析與對策[J].化肥設(shè)計(jì)，2006(5)：37- 39.

[2] 王漢松.石油化工設(shè)計(jì)手冊：第3卷 化工單元過程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[3] 大連工學(xué)院.日產(chǎn)千噸合成氨廠——二氧化碳?xì)馓岱蛩厣a(chǎn)工藝[M].北京：石油化學(xué)工業(yè)出版社，1978.

Calculation and Analysis of CO2Stripper

LIAO Rongbo, LIU Lili

(Beijing Unity Engineering CO., Ltd. Beijing 100101)

Use of flux formula for orifice flow, correlation formula has been deduced of flow velocity in liquid distribution hole at liquid distributor of CO2stripper and height of liquid level, the load of individual pipe of the stripper can be calculated. By formula of liquid film thickness in wetted wall column, the residence time of urea-ammonium carbamate solution in different CO2strippers can be calculated. By thermodynamic calculation, heat load and heat transfer coefficient of CO2stripper at different production load are generalized and summarized. Calculation results show that theoretical calculated value basically agrees with actual production data.

CO2stripper urea liquid distributor heat load

廖容波(1981—)，男，工程師，從事化工工藝設(shè)計(jì)工作；liao12837@163.com。

TQ441.41

A

1006- 7779(2016)06- 0062- 03

2015- 04- 27)