立体传质塔板在含硫污水汽提塔技改中的应用.pdf

经 验 交 流 立体传质塔板在含硫污水汽提塔技改中的应用 ＊ 张文林 吕建华 李柏春 李春利 河北工业大学化学工程研究所, 天津市 300130 摘要 采用新型高效立体传质塔板 CTST, 对济南石化分公司的含硫污水汽提塔进行技术改造, 在原塔外壳、降液管 以及上部填料段等均不变的条件下, 仅用 CTST 塔板替换原浮阀塔板, 改造后处理能力由原来的 100 t h 提高到180 t h, 净化水氨氮含量降低到 50 mg L 以下, 实现了净化水的全部回用。 关键词 塔板 立体传质塔板 汽提塔 含硫污水 技术改造 ＊国家科技部重大科技攻关项目 2001BA32613 ; 国家科技部科技成 果重点推广项目 K2000 -03 -27 1 引言 立体传质塔板 CTST 是一种新型高效喷射型塔 板 [ 1] ,该塔板已在炼油、石油化工 、 维尼纶、化工、 制药 等行业的近 500 多座塔中成功应用, 过程涉及精馏、 吸收 、 解吸 、 汽提等 [ 2～ 6] 。 济南石化分公司的污水汽提装置原设计处理能 力为 100 t h,净化水中氨氮含量 150 mg L 。随着生产 规模的扩大以及净化水指标的提高, 该塔在 90 t h 已 不能稳定操作, 成为制约生产的“瓶颈” , 采用新型立 体传质塔板 CTST , 对该塔进行扩产改造。改造后该 塔处理量在60～ 180 t h 范围内均能保证净化水中氨 氮含量在 50 mg L 以下, 实现了净化水的全部回用。 2 立体传质塔板的性能 2. 1 立体传质塔板 CTST 结构与操作工况 立体传质塔板 CTST 结构和其在塔内的排布如 图1 所示 ,它由矩形开孔塔板、设有筛孔的梯形喷射 罩和分离板组成。CTST 为气液并流喷射型塔板, 气 体自板孔进入喷射罩中, 液体由喷射罩底隙进入喷射 罩内 ,在整个板上气液经历提升拉膜※破碎※碰顶折 返※ 喷射 ※对喷 ※ 分离 6 个过程 。在这 6 个过程中 气液两相的接触包括了塔板至喷射罩及分离板的整 个空间 ,打破了传统塔板传质区域为平面型式的局 限,对于塔板间距在 350～ 550 mm 的板式塔 ,CTST 的 空间利用率可达到 20～ 60。 2. 2 立体传质塔板 CTST 性能 立体传质塔板 CTST 独特的空间结构及喷射操 作工况 ,加上塔板采用了矩形开孔, 使得塔板开孔率 可以大幅度提高 可超过 20 , 使之具有如下优越 特性 。 图 1 CTST 结构与操作工况示意图 2. 2. 1 通量大 1 由于 CTST 的气体通道 塔板开孔为矩形, 便于开孔排列, 同时单孔面积很大 , 一般矩形孔 40 mm 120 mm , 工业应用中最 大已达 70 mm 350 mm ,所以其开孔率可以超过 20,其它塔板难以 达到 。 2 由于分离板的作用 ,使得喷射出的气液能够 有效分离, 所以大幅度减小了雾沫夹带 , 提高了操作 上限 。如图 2 所示, 若以雾沫夹带为 10作为操作 上限,F1 浮阀的板孔动能因子为 17, 而 CTST 的可达 34,即在相同的塔板开孔率时 ,CTST 的操作上限比 F1 浮阀高 1 倍 。 板孔动能因 子的单位 kg 1 2 s m 1 2-1 图 2 CTST 与F1浮阀塔板雾沫夹带量比较 D600 mm, 11, HT 350 mm 3 降液管主要作用之一即是使流到其中的液体 71 环 境 工 程 2005年 10 月第 23卷第 5 期 和气泡分离。一般鼓泡型塔板板上的气含率在 50 左右。由于 CTST 塔板上液体为清液层 , 流到降液管 中的液体基本不含气泡, 所以降液管的通过能力可提 高1 倍 。设计时降液管的最小停留时间可由 5s 减小 至2. 5 s。 所以, 与浮阀塔板相比,CTST 无论是气相还是液 相通量均可以提高 80～ 100。 2. 2. 2 塔板效率高 由于 CTST 的空间利用率高达 40～ 60,气液 在罩内及罩间接触非常充分 一方面气体把液体分散 为小的液滴,大幅度的提高了气液两相的接触面积, 另一方面激烈的喷射工况, 使液滴的表面不断更新, 以维持高的传质 、 传热推动力。因此 CTST 具有很高 的传质效率 。与高效率的 F1 浮阀塔板相比 ,塔板效 率在低气相负荷时高出 10, 在高气相负荷时高出 40以上 。 2. 2. 3 操作弹性大 CTST 的操作下限同 F1 浮阀一样受塔板漏液控 制,操作上限一般受过量雾沫夹带控制 。实验研究表 明,在开孔率 11 时 ,CTST 的操作下限为板孔动能因 子4. 7～ 6. 3, 操作上限为 34, 其操作弹性可以达到 5. 4～ 7. 2,而 F1 浮阀的下限为 4. 0～ 4. 8, 操作上限为 17, 其操作弹性达 3. 4～ 4. 3。 2. 2. 4 物料适应性强 由于 CTST 塔板开孔大 ,一般 40 mm 120 mm, 而气液的喷射速度达 10～ 20 m s,对喷射孔有自冲刷 作用 ,所以CTST 具有抗堵塞功能 ,能够处理含固体颗 粒及易产生自聚物料 。 另外,CTST 特殊的喷射型操作工况 ,使塔板上液 体为清液, 因此无发泡机制 ,高速喷射的液滴又具有 破沫作用 ,所以能够处理常规塔板难以处理的易发泡 物系 。 2. 2. 5 塔板压降低 图3 中空气-水实验数据表示了开孔率均为 11 的CTST 塔板与 F1 浮阀塔板单板压降 ΔPw 与板孔 动能因子 Fo 的关系 由于 CTST 塔板特殊的喷射型 操作工况 , 气体不再由板上较深的液层通过, 因此 CTST 塔板的单板压降比较低。与 F1 浮阀塔板相比, 在板孔动能因子均为 10 kg 1 2 s. m1 2 时 ,CTST 塔板压 降比 F1 浮阀塔板低 10; 当板孔动能因子达到 15 kg 1 2 sm1 2时 , CTST 塔板比 F1 浮阀塔板低 40。 从图中可以看出负荷越大 CTST 塔板单板压降比 F1 浮阀低得越多。 图 3 CTST 与F1 浮阀单板压降比较 D600 mm, 11, HT 350 mm 由上述性能可见 ,采用CTST 进行新塔设计, 在同 样生产能力及分离要求的条件下, 可节省设备投资 1 3以上。原有塔设备扩产改造,可以在原塔外壳 、 降 液管及塔板支撑件不变的情况下 , 仅更换塔板, 即可 提高 80～ 100的生产能力, 同时还能够提高塔板 的分离效率 、 降低塔板压降 ,并特别适用于含易发泡 物质的物料 。改造后塔的抗堵塞能力大幅度提高 ,且 塔板上无活动部件, 塔的维修周期提高 1 倍以上。 3 改造情况及运行效果 3. 1 污水汽提流程与原理 污水汽提工艺是一个电离和相平衡共存的复杂 体系 ,目前国内炼油厂普遍采用单塔侧线或双塔两种 流程 ,二者并无原则区别 。济南石化分公司的含硫污 水汽提塔为单塔侧线流程 。 单塔侧线流程是利用 1 座塔来完成污水净化和 分离 H2S 和 NH3的任务, 该塔分 3 段 冷进料至热进 料之间 ,H2S 精馏段; 热进料至侧线抽出口,H2S 汽提 段; 侧线抽出口至塔底 ,NH3汽提段。其结构如图 4 所示 待处理污水分成冷 、 热两部分分别进入塔内 ,热 进料与冷进料的比例一般为 4～ 5。 热进料经与侧线采出气体 、塔底净化水换热, 进 塔温度可达 150℃ 左右 ,此温度大大超过硫化氢铵电 离水解反应的拐点温度 110 ℃ , H2S、NH3都以游离 的分子态存在于热料中, 汽提塔内操作压力比进料管 线内压力低 ,污水进塔后 ,由于减压闪蒸及塔顶抽出 作用 ,H2S 、 NH3由液相转入气相向上部移动 。 30℃ 左右的冷进料自塔顶进入 , 与向上移动的 H2S 、 NH3呈逆向流动 。在低温和压力为 0. 5 MPa 表 压的条件下 , 由于 H2S 的相对挥发度比 NH3大 , 而 NH3的溶解度比H2S 大, 最终上行气体中的NH3绝大 部分被吸收 ,H2S 很少被吸收, 继续上行, 从而在塔顶 得到纯度高的酸性气 ,可进硫磺回收装置回收硫磺, 72 环 境 工 程 2005年 10 月第 23卷第 5 期 图 4 含硫污水汽提塔示意图 或去火炬焚烧 。吸收了 NH3 和少量 H2S 的冷进料 与闪蒸了NH3、H2S 的热进料混合 , 经塔的中部向下 部流动,H2S、 NH3反复受到自塔上升的高温气流的汽 提作用。由于塔中部温度比上部高得多 ,所以 H2S 绝 大部分最终被提至塔顶 ,NH3则受液流的吸收, 向塔 中部集聚, 由塔中部侧线气相采出, 再经三段分凝装 置制取液氨或氨水。塔底直接通入过热水蒸汽,塔底 温度为160℃左右 ,净化水由塔底排出 。 3. 2 改造方案及实施情况 在原塔外壳 、 降液管以及上部填料段等均不变的 条件下 ,采用 CTST 塔板替换原浮阀塔板 。塔主要设 计结果详见表 1。 3. 3 改造后污水汽提塔的运行情况 改造后的污水汽提塔, 处理量在 60～ 180 t h 范 周内, 净化水中氨氮含量均能保证在 50 mg L 以下。 全塔压降 ≤35 kPa。表明立体传质塔板的分离效率、 操作弹性及抗堵塞能力较浮阀塔板均有明显的提高。 为了详细考察CTST 塔板的性能以及整个系统各 个设备的匹配情况 ,2000 年 11 月对该装置进行了标 定,本次标定的操作数据 、 原料和净化水分析数据 ,详 见表 2。 表 1 塔主要设计结果 项目1～ 28 板29～ 38 板39～ 44 板 塔径 D mm2 0001 8001 800 堰长 lw mm1 6701 5091 509 堰高 hw mm121010 塔板间距 HT mm500500500 塔板数 N 层28106 受液盘深 mm505050 降液管底隙 h0 mm 808080 开孔率 7. 134. 283 . 503 空塔气速 ut ms-10 . 5940. 2920 . 292 空塔动能因子 Ft kg1 2 sm1 2 - 1 1 . 0850. 497 40 . 497 4 降液管停留时间 s4. 564. 784 . 78 表 2 原料和净化水分析数据mg L pH 除外 项目原料水进塔水 净化水酸性气 标定设计标定设计 油11 7691 116. 51022000. 066 酚380633472不要求 氰化物0 . 670 . 260 . 025不要求 H2S 1 8723 8004≯2076 NH311 5509 10028100 26 CO2空气23 . 6 pH8 . 659 . 668. 18～ 10 4 结论 1 立体传质塔板 CTST 具有生产能力大、 分离效 率高、压降低以及抗堵性能强等优点, 该塔板与浮阀 塔板相比, 生产能力提高 80～ 100, 分离效率提高 10～ 40 以上, 压降低10～ 40。 2 采用 CTST 塔板对济南石化分公司含硫污水 汽提塔进行技术改造, 在原塔外壳、降液管以及上部 填料段等均不变的条件下 ,仅用 CTST 塔板替换原浮 阀塔板 , 改造后处理能力由原来的 100 t h 提高到 180 t h。 3 改造后污水汽提塔在 60 ～ 180 t h 范围内均 可正常操作 ,净化水中氨氮含量均可降低到 50 mg L 以下 ,实现了净化水的全部回用。 参考文献 1 李 柏 春, 李 春 利, 吕 建 华 等. 立体 传 质 塔 板. 中 国 专 利, ZL01221921. 5. 2001 . 2 李柏春, 李春利, 于文奎, 杨学英. 梯形立体喷射塔板在醋酸精馏技 术改造中的应用. 河北工业大学学报, 1999. 28 2 60～ 62 . 3 李柏春, 于文奎, 李春利. 立体传质塔板及其在维纶工业中的应用. 维纶通讯, 1997 . 17 3 12～ 14. 4 张剑波. 立体传质塔板在 PVA 装置萃取精馏及共沸精馏塔中的应 用. 现代化工, 1998. 18 4 18～ 22. 5 李林. 立体传质塔板在炼油装置上的应用. 炼油设计, 2001. 31 7 40～ 42 . 6 李柏春, 于文奎, 李春利. 梯形立体喷射塔板在回收六塔扩改中的 应用. 维纶通讯, 1999. 19 1 44～ 46. 作者通讯处 张文林 300130 天津市 河北工业大学化学工程研 究所 电话 022 60204473 E -mail zhangwl880659163. com 2004- 10-15 收稿 73 环 境 工 程 2005年 10 月第 23卷第 5 期 PROTLAND CEMENTZhou Jia et al 63 Abstract It is presented that alkali activatedslag pavement concrete AASPCismade by activating industrial slag such as steel slag , slag and fly ash etc without any Portland cement as binder and using GGBS gravel and GGBS sand in place of natural gravel and sand as the fine and coarse aggregates. The effect of the proportion of alkali solution on the strength of AASPC is studied. The results show thatwith proper workability the 28 d compressive strength of 44 MPa, bending strength of 8. 3 MPa are obtained. Keywords fly ash, pavement concrete, steel slag , slag and alkali -activated THE EXISTING PROBLEMS OF DETERMINING MICRO -AMMONIA BY NASHI REAGENT COLORIMETRY AND THE SUGGESTIONS ON IMPROVEMENTZhang Surong et al 65 Abstract It is discussed the existing problems of determining micro -ammonia by Nashi reagent colorimetry in the determination of micro- ammonia, it is given the path to lower the s detection limit through reducing the volume of absorbing liquid and adding the sampling volume, and the problem of the overhigh detection limit in the determination of micro -ammonia is solved. Keywords Nashi reagent colorimetry , micro -ammonia, problem and suggestion on improvement APPLICATION OF GRAY RELATIONAL ANALYSIS OF PROMOTING CLEAN PRODUCTION IN ECO-INDUSTRIAL PARKLin Jiquan et al 67 Abstract Clean production is the precondition of construction of an eco-industrial park. Full realization of clean production must be promoted step by step in the exising reconstructive eco -industrial parks. The gray relational analysis was applied in the assessment of promoting clean prouction in an existing reconstructive eco -industrial park. The indicator system and criterion of assessment were set up. The present, medium-term and long term schemeswere respectively set down by the gray relational grade. At the same time, the main problems that restrain the improvement of clean production level of every enterprise were found out by gray relational coefficient. Taking coking enterprises in LongmenIndustry Park for example, the results show that the gray relational grade of No. 4 and No. 9 enterprises exceed 0. 8, in which experiments of carrying out clean production were made, that is to say, they are schemes of promoting clean production at present, and the enterprises are selected in the future, which is the scheme of higher cost for the park. The is a very useful one for assessment of guiding clean production promotion in eco -industrial park with the advantages of uncomplicated principle and reliable results. Keywords clean production promotion, eco -industrial park, gray relational grade and gray relational coefficient APPLICATION OF THE COMBINED TRAPEZOID SPRAY TRAY IN REING SOURWATER STRIPPING COLUMNZhang Wenlin et al 71 Abstract This paper introduces the operational perancesof the combined trapezoid spray tray CTST . In the technical reconstruction of the sour water stripping column for oil refineries, this tray was used instead of F1 float tray in the same column shell. After the technical reconstruction, the treating capacity was increased by more than 80, and the ammonia content of the purified water at the column bottom was lower than 50 mg L. Keywords tray, CTST , stripping column, sour water and technical reconstruction ANALYSIS OF FACTORS AFFECTING PHOSPHORUS REMOVAL EFFICIENCY OF TRIPLE OXIDATION DITCH PROCESSCao Guoping et al 74 Abstract The factor influencing the efficiency of phosphor removal from triple oxidation ditch in Tangshan North Suburb Wastewater Treatment Plant was studied. The result showed that the supernatant reflux from sludge thickener is the main factor causing the low efficiency as well as no anaerobic condition. Some improving processes are also proposed. Keywords triple oxidation ditch, running way, anaerobic phosphorus releasing , aerobic phosphorus absorption and phosphorus removal THE INFLUENCEOFSULFATEREDUCTION ON DENITRIFICATIONUNDER ANOXIC CONDITIONWei Hua et al 76 Abstract It has been conducted an experimental study on the effect of sulfate reduction ondenitrificationunder anoxic condition. The results have demonstrated that the efficiency, the rate and the course of the denitrification processhave been changedby the sulfate reduction process. The efficiency of denitrification decreased from 100 to 81. 4 when the concentration of sulfate was increased. The maximum denitrification rate ranged from 6. 428 mg L min to 4. 04 mg Lmin when the concentration of sulfate solutionwas varied from 0 mg L to 2 000 mg L. Accordingly, the results have shown that the ammonia nitrogen was accumulated during the denitrification process which has been changed by the sulfate reduction process. Keywords sulfate reduction, denitrification stage, ammonium accumulation and anoxic conditions STUDY ONTHE PREPARTION OF MnZn FERRITE CO-PRECIPITATIONPOWDER WITHZn -Mn WASTE DRY BATTERYPeng Changhong et al 80 Abstract Mn -Zn ferrite co -precipitation powder was prepared by the reaction of simultaneous leaching,deep purification and co- 5 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 23, No. 5,Oct. , 2005