合成氨脫碳工藝和脫碳設備的技術改造

章淵昶，牛月清，陳平，姚克儉，俞曉梅

（1浙江工業大學化學工程與材料學院，浙江 杭州 310032；2河北新化股份有限公司，河北 新樂 050700）

合成氨脫碳工藝和脫碳設備的技術改造

章淵昶1，牛月清2，陳平1，姚克儉1，俞曉梅1

（1浙江工業大學化學工程與材料學院，浙江 杭州 310032；2河北新化股份有限公司，河北 新樂 050700）

MDEA法脫碳是一種多胺法吸收工藝，雖然脫碳效果不錯，但由于是化學反應吸收過程，脫碳后溶劑再生需要的能耗較高。為了達到節能的效果，本文指出河北新化股份有限公司將合成氨生產中的脫碳工藝由多胺法脫碳改造為碳酸丙烯酯脫碳，同時按照碳酸丙烯酯脫碳工藝的特點，對脫碳設備也進行了技術改造。采用高通量DJ-2型塔板代換了填料，實現了吸收設備與吸收工藝的最佳匹配，并提出了塔板在漏液區域操作脫碳效果更好的新工藝。改造后，可以實現了每噸氨節約蒸汽1363kg，年節能經濟價值可達2040萬元。

脫碳；工藝；節能；DJ-2型塔板

合成氨生產中變換氣脫除CO2，可采取多種脫碳工藝。其中MDEA法脫碳是一種具有物理吸收性能的化學吸收過程，具有脫碳能力大、凈化度高等優點，在國內廣泛使用。但MDEA脫碳法溶液再生系統，為了獲得貧液，需耗用蒸汽加熱，造成了能耗大的缺點。河北新化股份有限公司與浙江工業大學合作進行了脫碳工藝的技術改造。改造采用碳酸丙烯酯脫碳法代換MDEA法脫碳，同時在脫碳和溶液再生流程和脫碳塔等方面也作了相應的改造，其中脫碳塔塔內件采用了與脫碳氣液兩相流相匹配的DJ-2型塔板。目前裝置已正常運行半年多，技術指標達到并超出設計要求，節能效果顯著。近期廠家又完成了第二套脫碳裝置的如法改造。

1 MDEA法脫碳的工藝特點

MDEA法又稱多胺法脫碳，以甲基二乙醇胺水溶液為脫碳液，在溶液中還加入了活化劑，是一種具有物理吸收性能的化學脫碳方法[1]。由于其脫碳能力大，CO2凈化度高，溶劑損失少，還能在脫碳的同時，脫除一定量的硫。因此20世紀80年代末以來，MDEA法脫碳在不少小合成氨廠中得到了成功的應用。MDEA法脫碳的工藝流程如圖1所示。在圖1中有一座汽提再生塔，在汽提塔底部設再沸器，用蒸汽加熱來使部分半貧液得到進一步再生，成為貧液，再進入脫碳塔頂部。由此可見，MDEA法脫碳除了要耗用電能外，還要耗用一定的熱能。

2 碳酸丙烯酯脫碳再生流程和能耗

碳酸丙烯酯脫碳是一種物理脫碳法[1]。其工藝流程簡單，溶液無腐蝕，運行費用低，再生不耗熱能，凈化度可滿足生產要求。典型的碳酸丙烯酯脫碳流程如圖2所示。再生系統由常壓和真空閃蒸以及空氣氣提塔組成。碳酸丙烯酯法脫碳最先在老的合成氨廠取代水洗脫碳，隨后又在年產4～6萬噸尿素裝置中得到成功的推廣使用，是一種技術成熟、能耗低的脫碳工藝。

3 碳酸丙烯酯脫碳和MDEA法脫碳的能耗對比

圖1 多胺法脫碳工藝流程圖

圖2 碳酸丙烯酯脫碳工藝流程圖

本文以河北新化股份有限公司的新、老脫碳系統為例，進行碳酸丙烯酯法脫碳和MDEA法脫碳的能耗對比。以年產10萬噸合成氨為計算基準，能耗對比如表1所示。

由表1中數據可知，按每噸氨計，兩種脫碳方法的電耗基本相當。差異在于蒸汽消耗。由表1中可知，MDEA法脫碳流程中每噸氨耗費的蒸汽費為204元，按目前年生產能力為10萬噸計算，則每年要消耗蒸汽費用為2040萬元；而碳酸丙烯酯脫碳流程則不消耗蒸汽。可見，將MDEA法脫碳改為碳酸丙烯酯脫碳，可以實現的節能效益是十分可觀的。

表1 碳酸丙烯酯脫碳和MDEA脫碳的能耗對比

4 脫碳設備的技術改造

目前生產中采用的脫碳設備有兩大類：填料塔和板式塔。由設計院設計或廠家自行設計的大多是填料塔。而且大多采用的是散裝填料。個別廠家在擴能改造中采用規整填料代換了散裝填料，但擴能效果都不理想。這是因為脫碳塔中的氣液流動特點與填料性能不匹配，限制了填料性能的發揮。

4.1 填料型脫碳塔存在的問題

在填料型的脫碳塔中，由于液氣比大，填料中的不少空隙被液體充塞，填料持液量達到一定程度，氣液接觸狀態就從膜狀轉變為鼓泡狀態。這種現象稱為相轉變現象。著名塔器專家畢力特[2]完成了大量有關相轉變的實驗，指出相轉變一般發生在氣液流動參數FP＝0.4處，（氣液流動參數即液相動能因子與氣相動能因子之比），相當于液體噴林密度50～100m3/(m2·h)。圖3為填料層相轉變的原理圖。由圖3可見，在相轉變以后，填料層阻力參數值急劇減小，表明實測的泛點更低，填料塔內發生了液相從分散相轉變為連續相，氣體穿過液相的阻力大增，很容易發生攔液現象，繼而發生液泛。這種現象也稱為提前液泛現象。脫碳塔全塔上下的的氣液流動參數，都遠大于0.4。如河北新化的脫碳塔的全塔氣液流動參數在4.0～5.4，表明填料脫碳塔都是處于相轉變以后的兩相狀態。為此，在設計填料型的脫碳塔時，所取的泛點率都只能遠低于60%。擴能改造時，填料型脫碳塔往往都不能勝任擴能改造的任務。

圖3 填料層相轉變原理圖

4.2 DJ-2型塔板的結構和性能特點

DJ型塔板是一種具有懸掛矩形降液管的高通量塔板[3]。根據鼓泡元件的不同，DJ塔板可分為多種型號，其中脫碳塔采用的DJ-2型塔板，以篩孔為鼓泡元件，其結構示意圖和現場照片如圖4、圖5所示。

用于脫碳塔的DJ-2型塔板，有如下的結構和性能特點。

圖4 DJ-2型塔板的結構示意圖

（1）旋轉90°排列兩根寬型矩形降液管。每層塔板上裝有兩根寬型的矩形降液管，上下兩層塔板的降液管互成90°排列。這樣液體在塔板上也呈90°旋轉流動。降液管設置在塔板中間，四周都可以為溢流堰，因此溢流堰長要比一般雙溢流塔板大2～3倍。降液管設計得足夠寬，以適應大的脫碳液量通過。在河北新化，碳丙脫碳塔的液量高達1560m3/h，堰上溢流強度高達149m3/(m·h)。降液管寬度如果小于300mm，液體溢流入降液管時會出現阻塞現象，也稱降液管扼流現象，如圖6所示。這也是降液管提前液泛的一種形式。為了防止扼流現象，脫碳塔就選取了360mm寬的降液管。

（2）受液區外側設導流板以改善液流分布。DJ-2型塔板在受液區的外側裝有導流板，以適應液體在塔板上旋轉90°的流動模式。剛進入塔板的液體順著導流板逐步旋轉流動，改善了液體進入塔板時的初始分布。導流板的設置也是DJ-2型塔板的專利技術，已獲得中國發明專利和美國發明專利[4-5]。

（3）受液區開設防沖擊漏液的斜孔，以減少沖擊漏液。由于液體從懸掛式的降液管底部直接下流入受液區，而受液區又開孔鼓泡，部分液體就會因沖擊作用穿過塔板而漏下。這種沖擊漏液是液體的短路行為，沒有經過塔板上的氣液接觸傳質而漏入下一層塔板的降液管中。沖擊漏液量往往高于一般篩孔漏液量。為此，在受液區開設斜孔來代替直孔，從而使沖擊漏液大為減少。圖7表示有無防沖擊漏液斜孔的漏液對比。

（4）開設足夠量的篩孔以保證在漏液區運行。通常板式塔的操作點都要求落在最佳操作區域范圍內，如圖8中陰影部分所標示。但在碳酸丙烯酯脫碳系統，工藝設計時特意將DJ-2型塔板的實際操作點置于漏液區域，這是因為在漏液區操作具有以下3個優點：①可以分流高液負荷，降低堰上液流強度；②可以對篩孔起到沖刷作用，以保證篩孔暢通；③由于DJ-2型塔板液流模式是氣液在上下塔板間都是旋轉90°的流動，而不是弓形沉浸式降液管的平行流動模式，因此漏液仍可提供高度均勻的液層，不會形成氣相偏流，且會使漏下的液流呈均勻的大雨淋降狀態，在氣相空間也能起輔助吸收CO2的作用。實際工業應用證明碳丙脫碳塔處于漏液區域操作效果更好。

圖5 DJ-2型塔板的現場組裝圖

圖6 降液管扼流現象前后

圖7 沖擊液流量與F因子的關系

圖8 碳酸丙烯酯脫碳塔的DJ-2塔板負荷性能

5 結 論

在河北新化股份有限公司脫碳系統采用碳酸丙烯酯作吸收劑的物理吸收法代換MDEA法的化學吸收法，實現了顯著的節能效益，噸氨節省蒸汽1.363t蒸汽，年節省2040萬元。以高效大通量DJ 塔板代換塔填料，實現了從每小時產氨10t擴能到每小時產氨13.5t擴能效果。

[1] 梅安華. 小合成氨廠工藝技術與設計手冊（上冊）[M]. 北京：化學工業出版社，1995：626-669.

[2] 萊恩哈特·畢力特. 填料塔[M]. 魏建華，等譯. 北京：化學工業出版社，1998.

[3] 俞曉梅，姚克儉，祝鈴鈺. 中國石油化工科技信息指南，2001年（下卷）/ 劉春生主編.[M]. 北京：中國石化出版社，2001：276-278.

[4] 俞曉梅，等. 矩形懸掛降液管導流塔板：中國，97103869.4[P]. 1999-12-10.

[5] Yu Xiaomei，et al，Retangular suspending downcomer directing tray. US，6299146 B1[P]. 2001-10-09.

Technological transformation of synthetic ammonia decarburization process and its device

ZHANG Yuanchang1，NIU Yueqing2，CHEN Ping1，YAO Kejian1，YU Xiaomei1
（1School of Chemical Engineering and Materials，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，Zhejiang，China；2Hebei Xinhua Co.，Ltd.，Xinle 050700，Hebei，China）

MDEA de-carburization is a multi-amine absorption process. Although de-carburization effect is good，but because of the nature of chemical reaction，energy consumption for decarburization solvent regeneration is higher. In order to achieve saving energy，the propylene carbonate method replaced the MDEA method for decarburization in Hebei Xinhua Company. According to the characteristics of decarburization process，decarburization equipment was transformed. The DJ-2 type plate replaced the packing originally used. It achieved the best matching for CO2removal equipment and decarburization process，and decarburization operation in the weeping area was better. After transformation，the saving of steam per ton of ammonia was 1363 kg，and annual energy saving economic value was up to 20400000 yuan.

de-carburization；process；saving energy；DJ-2 type plate

TQ 028.1

A

1000-6613（2014）08-2224-05

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.08.049

2013-12-31；修改稿日期：2014-02-25。

及聯系人：章淵昶（1969—），男，高級工程師。E-mail zhangyc@ zjut.edu.cn。