液化气脱硫筛板萃取塔的设计的一点体会

摘要：以齐旺达项目液化气脱硫塔为例，说明筛板塔设计中如何确定连续相和分散相以及

计算中的一些参数的确定。

关键词：液化气脱硫筛板塔改造设计

筛板塔，由于其具有结构简单、价格低廉等诸多优点而被广泛用于工业萃取过程中，

在炼油工业的芳烃抽提、汽油脱离硫醇、液化气脱硫等装置中均有成功应用的经验。

1、液化气脱硫前组成

齐旺达项目液化气脱硫装置是处理催化所产的液化气，处理量30万吨/年，年操

作时间8000小时，采用MDEA法脱硫工艺，其中液化气脱硫塔采用筛孔塔板，液化气

组成见下表：

表-1 液化气脱硫前组成

序号 组份 液化石油气（V%） 备注

1 H2

2 N2

3 H2O 0.187

6 H2S 1.1 精制前

7 C10

8 C20 0.344

9 C2= 0.027

10 C30 5.633

11 C3= 49.484

12 nC40 2.247

13 IC40 7.626

14 nC4= 7.727

15 IC4= 10.163

16 cC4= 5.296

17 tC4= 7.166

18 ≥C5 3

19 合计100

2、液化气脱硫后含硫＜10mg/m3

3、胺液浓度30%，来自溶剂再生装置，温度40℃，压力1.5MPa.

4、 液化气脱硫塔操作状况分析

液化气脱硫过程为带有化学反应的液—液逆流萃取过程。一般以粘度大的胺液

为分散相，液化气作连续相，由于液化气比重比胺液小，为轻相，因此溢流管形式

采用升液管。这样液化气脱硫塔刚开始时脱硫效果较好，随着装置长周期进行以及液化气中硫含量的增加,设备和管管道道腐蚀加剧,且胺液发生降解,铁锈等腐蚀物和胺液降解物随着胺液的循环被带进液化气脱硫塔(其中相当一部分是在塔内生成的),由于塔内胺液作为分散相,自塔上部进入,通过某种程度上起了过滤的作用,铁锈等蚀物和胺液降解物被滞留在塔板上,时间一长,造成部分筛孔被堵塞,影响传质效率,脱硫效果变差。如果胺液浓度小于30%，液化气脱硫塔在运行中会出现了液化气带胺问题. 如果塔板开孔数不足，也会造成液化气带胺，由此确定胺液的用量和浓度，一定要注意这个问题。

综合分析，本次液化气脱硫塔设计时，改变常规做法，参照有关资料介绍,改变两种介质流通渠道,选取体积流量大、相对较洁净的介质液化气作为分散相，以增大两相接触表面积，利于传质；选取体积流量小、相对较脏的介质胺液作为连续相，以解决塔内聚胺、筛孔堵塞问题。两种介质流向不变，即液化气自下而上，胺液由上而下，相应溢流管形式由升液管改为降液管。塔结构参数根据处理量计算。 4.1 塔水力学计算

4.1.1设计基础数据

液化气：流量37500kg/h,温度40°c,密度559kg/m³,粘度0.1Cp,表面张力7.4dyn/cm。

胺液:流量29000 kg/h,温度40℃, 密度1007kg/m³,粘度4.3Cp,表面张力

68.4dyn/cm.

4.1.2 筛孔直径的确定

筛孔大小是筛板塔的重要参数之一,它是决定分散相通过筛孔后能否良好分散的一个重要因素.孔速过低易产生分散相喷射,对传质不利,有必要通过计算加以选择.

4.1.2.1 两相界面张力的选取

近似取胺液的表面张力与液化气表面张力差为界面张力,即:

σ=σc-σd

=68.4-7.4

=61(dyn/cm)

4.1.2.4 孔径的计算两相比重差:

∆ρ=ρc-ρd

=1.007-0.559

=0.448(g/cm³)

由下式知:

dN=0.5[σ/(∆ρg)]0.5

=0.5[61/(0.448х980) ]0.5

≈0.186(cm)

由下式知:

dN=π[σ/(∆ρg)]0.5

=3.14[61/(0.448х980) ]0.5

≈1.17(cm)

从以上两式可以看出筛孔直径可以取0.2～1.2cm.

再由以下三式校核孔径上限:

塔板厚度δ=0.5cm

dN≤−1.5δ+[(1.5δ)²+1.2δ/∆ρ]0.5

=−1.5х0.005+[(1.5х0.005)²+1.2х0.061/448]0.5

≈0.0062(m)

=0.62(cm)

dN<2.32[σ/(pdg)]0.5(pd/∆ρ)0.625

=2.32×[61/(0.559×980)]0.5(0.559/0.448) 0.625

≈0.86(cm)

dN<3[σ/(pdg)]0.5

=3×[61/(0.448) ×980)]0.5

=1.118(cm)

由计算可知筛孔直径可取不大于0.6cm，取筛孔直径0.5cm。

4.1.3塔径计算

（1）开孔区面积dp/d₀=2.07[1-0.193(d₀²g△p/σ)]

=2.07[1-0.193(0.52X980X0.448/61)]

≈1.35

分散相通过筛孔流速

Ѵ₀=3[(1-d₀/dp)σ/(pdd₀)]0.5

=30.5[(1-1/1.35)X61/(0.559X0.5)]0.5

≈ 13.0(cm/s)

筛板上所需筛孔数：

/[(π/4)d₀²Ѵ₀]

n=Q

D

=(37500×103/0.559/3600)/[(3.14/4)×0.52X13.0]

≈7304(个)

实取7500个。

开孔区面积：

筛孔间距取t=3×0.5=1.5(cm),则：

F₁=0.866nt²

=0.866×7500×1.5²

≈14614(cm²)

(2)降液区面积

根据Stokes公式，直径为dpm=0.08cm液滴的沉降速度Ѵ： Ѵ=g∆pdpm²/(18μc)

=980×0.448×0.08²/(18×0.043)

≈3.63(cm/s)

降液管中连续相流速Ѵdc要小于液滴的沉降速度Ѵ，取

Ѵdc=3.60cm/s

降液区面积：

F₂=Qc/Ѵdc

=(29000X103/1.007/3600)/3.60

≈2222(cm²)开孔区与降液管之间空隙Lα取30mm,筛板周边余度Ls取50mm。因此，塔内径为：

D=[4（F₁+2F₂）/π]0.5+2Ls+Lα

=[4（14614+2X2222）/3.14]0.5+2×5+3.0

≈169（cm）

取塔内径200cm

(3)实际降液区堰宽、降液区面积、降液管连续相流速

塔截面积：

At=0.785D²

=0.785×200²

≈31400(cm²)

除去支撑筛板的宽度

塔径：

D΄=200-2×5

≈190(cm)

塔截面积：

At΄=0.785×190²≈28339(cm²)

F₂/At΄=2222/28339≈0.078

查图得：LH΄/D΄=0.15，则

LH΄=0.15×D΄=0.15X190≈28.5（cm）

降液区堰宽：

LH=28.5+5≈33.5（cm）

实际降液区面积F₂：

LH/D=33.5/200≈0.17，查图得：F₂/At=0.11

F₂=0.11A₁=0.11X≈3454（cm²）

降液管流速：

Vdc=Qc/F₂

=(29000X10³/1.007/3600)/3454≈2.32(cm/s)＜3.96cm/s

从计算中可以看出连续相胺液在降液管内流速小于分散相最小液滴在降液管内的沉降速度，满足了塔板正常操作的要求。

4.2 塔结构参数

液化气脱硫塔两相为逆流接触，设22层塔板。液化气作为分散相通过筛孔进入上层塔板，胺液作为连续相通过降液管进入下层塔板。由于胺液不通过筛孔，因此从根本上解决了筛孔堵塞问题。

设备结构参数为液化气脱硫塔（Φ2400mm/Φ2000mm）22层筛孔塔板，塔板间距800m，开孔率5%，孔径5mm，降液管面积/空塔截面积10.8%。

5、运行效果

本项目液化气脱硫单元2008年7月完成施工并开工运行，开工后装置运行平稳，完全达到满负荷运行，液化气处理能力流量为37500kg/h，脱硫效果很好，产品质量合格净化液化气中的H₂S含量远远低于工艺指标允许值。

到目前为止，装置连续运行已达4年以上。总体来看，装置设计主要取得了以下两方面的效果。

（1）解决了液化气脱硫塔因筛孔堵塞导致的塔内聚胺、液化气带胺以及液化气脱硫效果差、产品质量不合格等问题，液化气脱硫效果大大提高，同时装置处理能力达到设计规模。

（2）装置运行周期延长。没有出现其它厂每隔半年需停工清理塔板一次的状况，有效清除了制约装置安稳长满优运行的瓶颈问题。

液化气脱硫塔运行一年后主要标定数据见表1

表1 液化气脱硫塔主要标定数据

项目 数据1 数据2

加工量/t-h¯¹ 37.5 37.5

液化气脱前H₂S含量/µg·g¯¹ 15400 15500

液化气脱后H₂S含量/µg·g¯¹ ＜2 ＜2

胺液循环量/t·h¯¹ 28.5 28.5

操作压力/MPa 1.05 1.06

操作温度/℃ 34 35

注：表中标定数据记录的时间为2009年7月16日

由表1可看出，投产后净化液化气中含H₂S小于2µg/g，远小于控制指标

10µg/g，说明脱硫效果良好。

6、结论

（1）塔设计时，打破常规，通过改变两相流通渠道，将以液化气为连续相、胺液为分散相改为胺液为连续相、液化气为分散相，溢流管形式由升液管改为降液管。

（3）投产后装置运行平稳，液化气处理能力增加，净化液化气中的H₂S含量远远低于工艺指标允许值，有效消除了制约装置安稳长满优运行的瓶颈问题。