新型噴射態(tài)塔盤的開發(fā)及工業(yè)應(yīng)用

薄德臣，劉元直，陳建兵，高 明，張 英

(1.中國石化大連(撫順)石油化工研究院，遼寧 大連 116041；2.中國石化中原油田分公司天然氣處理廠)

酸性水汽提裝置是煉化企業(yè)非常重要的環(huán)保裝置，其主要作用是將煉油過程中產(chǎn)生的酸性水進(jìn)行凈化處理，脫除水中溶解的硫化氫和氨氮，凈化后的酸性水部分回用，部分進(jìn)入污水處理廠深度處理。煉化企業(yè)一般根據(jù)原料酸性水中氨氮和硫化氫含量高低，選擇不同的酸性水汽提工藝。目前廣泛應(yīng)用的酸性水汽提工藝有3種：單塔常壓汽提工藝、單塔加壓側(cè)線抽氨工藝和雙塔汽提工藝[1-3]。

目前國家環(huán)保政策日益嚴(yán)格，酸性水汽提裝置在煉油生產(chǎn)鏈條中所處的位置極為特殊，既要保證其產(chǎn)品凈化水能夠達(dá)標(biāo)，又要保證裝置的長周期穩(wěn)定運(yùn)行。目前煉化企業(yè)酸性水汽提裝置普遍存在的共性問題有：①由于原料水中存在污油、污泥、焦粉、催化劑粉末等雜質(zhì)，導(dǎo)致酸性水汽提塔經(jīng)常發(fā)生塔盤堵塞，一般運(yùn)行8～12個(gè)月就需要停車清洗，與上游煉油生產(chǎn)裝置的運(yùn)行周期難以匹配；②裝置運(yùn)行周期短，在污水汽提裝置停工檢修過程給企業(yè)帶來了環(huán)保壓力；③塔盤堵塞導(dǎo)致氣液接觸效果變差，板效率顯著降低，為了滿足工藝指標(biāo)，不得不通過加大蒸汽量來保證汽提效果，這又導(dǎo)致了裝置能耗增加，增加了處理成本[4-8]。

為了延長酸性水汽提裝置運(yùn)行周期，中國石化某分公司酸性水汽提裝置曾嘗試應(yīng)用鼓泡態(tài)傳質(zhì)類型塔盤(F1浮閥、固閥)及噴射態(tài)傳質(zhì)類型塔盤，但均難以滿足長周期運(yùn)行的要求，另外近年來隨著該公司處理量的增加，酸性水量也不斷增大，因此對(duì)通量大、抗堵型強(qiáng)的新型塔盤技術(shù)產(chǎn)生了需求。在上述背景下，中國石化撫順石油化工研究院開發(fā)了一種新型高效抗堵型噴射態(tài)塔盤(抗堵塔盤SDMP)。以下主要介紹該塔盤的設(shè)計(jì)開發(fā)過程及水力學(xué)試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用結(jié)果。

1 SDMP設(shè)計(jì)原理

SDMP的帽罩為矩形帽罩，由噴射帽罩、分離帽罩和噴射孔組成，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。矩形噴射孔與塔盤上的矩形開孔連接，噴射帽罩與塔盤之間留有一定的底隙，為液體進(jìn)入罩體內(nèi)的通道。分離帽罩的側(cè)壁開有噴射孔，噴射孔與頂部分離帽罩之間有一定的空間，為氣液混合物噴向罩外的通道。塔盤帽罩互相平行排布，帽罩方向與液體流動(dòng)方向平行，從而保證了液體流動(dòng)暢通，如圖2所示。

圖1 SDMP塔盤帽罩結(jié)構(gòu)示意

圖2 SDMP塔盤帽罩布局示意

SDMP與New-VST一樣同屬于噴射接觸塔盤，但其相較New-VST有了很大的改進(jìn)，主要體現(xiàn)在以下4點(diǎn)：①塔盤矩型開孔，噴射帽罩為平行布局，且與液體流動(dòng)方向平行，規(guī)定了液體流動(dòng)通道，減少了液體流動(dòng)阻力，液面梯度小；②塔盤除了在分離帽罩上開有噴射孔，還在噴射帽罩與噴射帽罩之間留有氣液通道，很好地解決了New-VST因帽罩內(nèi)氣流折返而造成的帽罩頂憋壓現(xiàn)象，改善了帽罩內(nèi)的氣液接觸狀態(tài)，降低了塔盤壓降；③傳統(tǒng)的New-VST是通過噴射孔向各個(gè)方向噴射的，SDMP絕大部分的噴射方向與板上液流方向垂直，降低了液相的返混；④塔盤開孔上設(shè)置噴射孔，噴射帽罩與塔盤的板底隙較New-VST顯著增大，噴射帽罩與塔盤板底隙是液相進(jìn)入帽罩內(nèi)部的通道，由于該底隙顯著增大，因而其抗堵性能大大增強(qiáng)，對(duì)易堵塞場合具有良好的適應(yīng)性。

2 SDMP液相流場CFD模擬

塔盤上開矩形孔，且噴射帽罩為平行布局，與液體流動(dòng)方向平行。為了避免塔盤弓形區(qū)出現(xiàn)液相滯留，進(jìn)而影響塔盤效率，因此在降液管底隙處設(shè)置了不同角度的導(dǎo)流片。為了考察設(shè)置導(dǎo)流片條件下塔盤帽罩矩形布局的合理性，采用CFD軟件對(duì)SDMP上液相流場規(guī)律進(jìn)行了研究。

2.1 SDMP液相分布

SDMP上液相分布的剖面圖和俯視圖分別見圖3和圖4。由圖3和圖4可以看出，塔盤上液層厚度比較均勻，液相梯度較小，這與傳統(tǒng)噴射態(tài)塔盤New-VST上液相流場規(guī)律十分相近，因?yàn)閲娚鋺B(tài)塔盤規(guī)定了氣液流動(dòng)的通道，液相的流動(dòng)不再受氣相運(yùn)動(dòng)的干擾，液相流動(dòng)更暢通，所以塔盤上液相分布均勻度較好，梯度較小。

圖3 SDMP上液相分布剖面圖

圖4 SDMP上液相分布俯視圖

2.2 SDMP液相流動(dòng)路線分布

SDMP上液相流場分布俯視圖和斜視圖分別見圖5和圖6。由圖5和圖6可以看出，通過增設(shè)導(dǎo)流片，帽罩平行排布條件下塔盤上液相流場分布均勻，塔盤弓形區(qū)液相流速與中間區(qū)域速度差別不明顯，僅僅在出口堰附近存在一定的流體折返現(xiàn)象，這主要是由于SDMP堰較高，總體上SDMP速度場分布均勻度較好，不存在明顯的滯留區(qū)。

圖5 SDMP上液相流場分布俯視圖

圖6 SDMP上液相流場分布斜視圖

2.3 SDMP上液相速度矢量分布

SDMP液相不同高度處的速度矢量分布情況見圖7和圖8。由圖7和圖8可以看出，通過增設(shè)導(dǎo)流片，塔盤上帽罩平行排布條件下，塔盤弓形區(qū)液相流速與中間區(qū)域速度矢量差別較小，這說明塔盤上液相速度矢量分布均勻度較好。

圖7 高度在50 mm處的速度矢量分布

圖8 高度在80 mm處的速度矢量分布

SDMP液相流場CFD模擬結(jié)果表明，通過在降液管處增設(shè)導(dǎo)流片，SDMP帽罩采用矩形平行排布方式布局條件下，塔盤上沒有明顯的滯流區(qū)或回流區(qū)，液相流動(dòng)均勻度較好，這種結(jié)構(gòu)能夠有效避免塔盤弓形區(qū)因出現(xiàn)液相滯留或回流導(dǎo)致的傳質(zhì)效率降低的問題，因此這種結(jié)構(gòu)有助于提高傳質(zhì)效率，能夠滿足工業(yè)應(yīng)用要求。

3 不同類型塔盤水力學(xué)性能對(duì)比

為進(jìn)一步掌握SDMP水力學(xué)性能，在塔徑為1 m的水力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置上分別對(duì)SDMP、F1浮閥及New-VST這3種不同類型塔盤進(jìn)行水力學(xué)性能對(duì)比測試，重點(diǎn)對(duì)比3種不同類型塔盤的壓降、漏液及霧沫夾帶性能。

3.1 不同類型塔盤壓降對(duì)比測試

在相同開孔率、堰高以及溢流強(qiáng)度的條件下，對(duì)SDMP、F1浮閥及New-VST的板壓降隨閥孔動(dòng)能因子的變化進(jìn)行了對(duì)比分析，具體結(jié)果如圖9所示。其中，Lw為溢流強(qiáng)度，Φ為開孔率，hw為堰高。

圖9 不同塔盤濕板壓降的比較■—F1浮閥; ●—SDMP; ▲—New-VST。圖10～圖11同

由圖9可知，SDMP壓降相比于F1浮閥塔盤壓降可降低10%以上，與傳統(tǒng)New-VST壓降十分接近。F1浮閥塔盤液層高度更高，且浮閥有一定的重量，因此F1浮閥塔盤在氣液接觸過程既要克服液層壓力又要克服浮閥重量，所以塔盤壓降更高。由于立體噴射塔盤堰高較低，且在氣液接觸過程無需克服液層壓力，所以單板壓降要低于F1浮閥塔盤。SDMP相比傳統(tǒng)New-VST立體噴射塔盤在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，為了提高其抗堵塞性能，增加了噴射管結(jié)構(gòu)，且保持噴射管上一定的液層高度，這在一定程度上增加了壓降，另外SDMP增加了噴射罩和分離帽罩間的開孔，這又進(jìn)一步降低了單板壓降，所以在壓降方面SDMP和New-VST十分接近。

3.2 不同類型塔盤漏液性能對(duì)比測試

在相同開孔率、堰高以及溢流強(qiáng)度的下，對(duì)不同塔盤的漏液性能進(jìn)行了對(duì)比，具體結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同塔盤漏液的比較

由圖10可知：3種塔盤的相對(duì)漏液率均隨閥孔動(dòng)能因子的增大而迅速減少；F1浮閥塔盤具有可升降的閥腿，在閥孔動(dòng)能因子較低的時(shí)候，浮閥部分開啟，能很好地減少塔盤的漏液量；SDMP和垂直篩板的板孔較大，在低溢流強(qiáng)度和低閥孔動(dòng)能因子的工況下，氣體基本對(duì)液體起不到“托舉”作用，很多液體從板孔中流下去，塔盤正常操作狀態(tài)完全破壞，相對(duì)漏液量很大；隨著閥孔動(dòng)能因子的增大，氣體對(duì)液體的托舉作用越來越大，塔盤漏液量迅速減少，當(dāng)閥孔氣速增大到臨界氣速附近時(shí)，漏液率可忽略不計(jì)。

3.3 不同類型塔盤霧沫夾帶對(duì)比測試

在相同開孔率、堰高以及溢流強(qiáng)度的條件下，對(duì)不同塔盤的霧沫夾帶性能進(jìn)行了對(duì)比分析，具體結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同塔盤的霧沫夾帶情況比較

由圖11可知，相同條件下F1浮閥塔盤的霧沫夾帶率最高，SDMP與New-VST的霧沫夾帶率均較低。這是因?yàn)椋?dāng)氣流穿過浮閥塔盤的液層上升時(shí)會(huì)帶出部分液滴，這些液滴具有向上的初速度，一部分到達(dá)上層塔盤即為霧沫夾帶，而垂直篩板的噴射孔一般與空塔氣流方向垂直，故霧沫夾帶率較低。本技術(shù)所開發(fā)的SDMP由于增設(shè)了噴射罩和頂部擋板間的縫隙，所以其霧沫夾帶率略高于New-VST，但總的來說兩者霧沫夾帶性能相當(dāng)。

目前工程上通常以霧沫夾帶率為10%作為操作上限，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于F1浮閥塔盤，其上限閥孔動(dòng)能因子約為19(ms)·(kgm3)，而新開發(fā)的SDMP開孔較大，其上限閥孔動(dòng)能因子約為24(ms)·(kgm3)，因此其通量相比于F1浮閥塔盤可提高約26%。

4 SDMP在酸性水汽提塔的工業(yè)應(yīng)用

中國石化某分公司酸性水汽提裝置運(yùn)行過程存在因塔盤堵塞導(dǎo)致運(yùn)行周期短的問題，運(yùn)行周期最多只有18個(gè)月，另外隨著企業(yè)加工量的增大，酸性水量也不斷增大，酸性水汽提裝置處理負(fù)荷已不能滿足要求，該公司為了實(shí)現(xiàn)酸性水汽提裝置擴(kuò)能，同時(shí)延長運(yùn)行周期，于2017年1月采用SDMP塔盤技術(shù)進(jìn)行內(nèi)件改造并開車成功，順利實(shí)現(xiàn)擴(kuò)能目標(biāo)，改造前后工藝與設(shè)備參數(shù)的對(duì)比如表1所示。

表1 改造前后工藝與設(shè)備參數(shù)對(duì)比

4.1 改造前后凈化水水質(zhì)對(duì)比分析

該酸性水汽提裝置采用SDMP技術(shù)完成內(nèi)件改造并開車成功后進(jìn)行了裝置標(biāo)定。為了便于與改造前的F1浮閥塔盤進(jìn)行對(duì)比，標(biāo)定過程控制相同的蒸汽單耗，標(biāo)定過程原料水與凈化水指標(biāo)對(duì)比結(jié)果如表2所示。由表2可知，在原料水性質(zhì)基本相當(dāng)?shù)臈l件下，與采用F1浮閥塔盤消缺后標(biāo)定數(shù)據(jù)相比，采用SDMP改造后，凈化水中硫化物濃度顯著降低，氨氮濃度基本相當(dāng)，這說明在運(yùn)行初始階段SDMP塔盤技術(shù)在綜合板效率上略優(yōu)于F1浮閥塔盤。

表2 改造前后原料水與凈化水指標(biāo)對(duì)比

4.2 改造前后運(yùn)行能耗情況對(duì)比

裝置改造前采用F1浮閥塔盤，運(yùn)行最長周期為18個(gè)月，于2017年1月采用SDMP技術(shù)進(jìn)行改造，平穩(wěn)運(yùn)行至今已達(dá)18個(gè)月，運(yùn)行過程蒸汽單耗變化情況如圖12所示。由圖12可知，采用F1浮閥塔盤時(shí)，在運(yùn)行前8個(gè)月蒸汽單耗基本不增加，隨后運(yùn)行過程蒸汽單耗逐漸顯著增大，造成這一現(xiàn)象的原因是由于F1浮閥塔盤抗堵性能較差，運(yùn)行過程逐漸出現(xiàn)沉積物在塔盤上累積，堵塞現(xiàn)象逐漸顯現(xiàn)，壓降逐漸升高，堵塞導(dǎo)致部分浮閥無法完成有效的氣液接觸，進(jìn)而導(dǎo)致塔盤效率下降，生產(chǎn)中為了保證凈化水指標(biāo)不得不加大蒸汽量；采用SDMP后，蒸汽單耗在運(yùn)行周期內(nèi)不隨運(yùn)行時(shí)間延長而增大，平均蒸汽單耗遠(yuǎn)低于F1浮閥塔盤。

圖12 蒸汽單耗隨運(yùn)行時(shí)間變化情況◆—F1浮閥; ■—SDMP

5 結(jié) 論

SDMP的水力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)浮閥塔盤技術(shù)，壓降可降低10%，操作彈性相當(dāng)，處理通量可提高26%以上，該技術(shù)在酸性水汽提裝置的工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明，SDMP具有良好的抗堵塞性能，酸性水汽提裝置運(yùn)行周期大于18個(gè)月且繼續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行，而且蒸汽單耗不隨運(yùn)行時(shí)間的延長而升高，平均蒸汽單耗顯著低于傳統(tǒng)F1浮閥塔盤。該技術(shù)可為實(shí)現(xiàn)煉化企業(yè)酸性水汽提裝置擴(kuò)能改造和長周期高效運(yùn)行提供技術(shù)支撐。