二步法脫單塔塔板的優(yōu)化及應(yīng)用

二步法脫單塔塔板的優(yōu)化及應(yīng)用摘要：脫單塔是二步法腈綸生產(chǎn)中重要的設(shè)備。本文通過(guò)對(duì)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中塔內(nèi)汽液分布、堵塔情況及流體力學(xué)等分析，得到了汽液分布不均勻、汽液接觸不充分等問(wèn)題是造成脫單效率低的主要原因。并根據(jù)實(shí)際物料含固量較高的特點(diǎn)，篩選了合適的矩形懸掛式降液管、圓形固定閥及配有閉式溢流堰的DJ-5型塔板作為改造的主要構(gòu)件，成功應(yīng)用到生產(chǎn)裝置上。該新型塔板的成功應(yīng)用，起到了降耗減排和清潔生產(chǎn)的作用。關(guān)鍵詞：脫單塔；脫單效率；塔板；圓形固定閥；溢流堰一、脫單塔改造前的概況上海石化腈綸事業(yè)部金陽(yáng)裝置脫單塔是90年代從日本川崎公司引進(jìn)的設(shè)備。原設(shè)計(jì)能力為2萬(wàn)噸/年，后通過(guò)對(duì)川崎技術(shù)的改進(jìn)，完成了2.8萬(wàn)噸/年的擴(kuò)容改造。在改造中脫單塔沒(méi)有得到擴(kuò)容，所以脫單塔的負(fù)荷增大約40%。經(jīng)過(guò)幾年的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)脫單塔1至6層上出現(xiàn)淤漿堆積、自聚等問(wèn)題。一旦板面形成自聚物積聚就會(huì)很快擴(kuò)大堆積的范圍，造成脫單塔堵塔而無(wú)法正常運(yùn)行，必須停車(chē)清洗，縮短了塔的運(yùn)行周期。同時(shí)所用的穿流式格柵塔板，脫單效率較低，致使塔底殘單含量較高，脫單效果不理想。從現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)作情況看，原脫單塔存在以下三方面的問(wèn)題：.部分塔盤(pán)堵塞嚴(yán)重：進(jìn)料、回流及塔頂回水的四層塔盤(pán)堵塞比較嚴(yán)重，其他格柵塔板的間隙容易生成均勻的類(lèi)似于PP管材的聚合物，在檢修清洗的過(guò)程中造成非常大的困難。.塔盤(pán)汽液相短路：從現(xiàn)場(chǎng)塔中段的視鏡可見(jiàn)，塔盤(pán)中心區(qū)域上方液相噴淋量較小，而塔盤(pán)四周空隙液相噴淋量較大。由于格柵塔盤(pán)以”葫蘆串”的形式安裝，塔盤(pán)四周空隙大阻力小，因而汽相從塔盤(pán)中心短路、液相貼壁下流。.脫單效率低：無(wú)溢流穿流式格柵塔板板面無(wú)液層，處于完全漏液狀態(tài)，塔板效率較低。從下表1.1的跟蹤測(cè)試中可看出，塔底出料於漿殘單含量在255PPm左右，出料於漿水洗水進(jìn)入T-1125槽中后污水耗氧量COD測(cè)試達(dá)2000mg/l。表1.1、金陽(yáng)裝置脫單塔改造前塔底殘單測(cè)試數(shù)據(jù)表項(xiàng)目?jī)?nèi)容2008年10月平均2008年11月平均蒸汽用量LS(Kg/h)21002100塔底殘單含量AN(PPm)248263T-1125污水耗氧量COD(mg/l)20002000從提高脫單效率、降低塔底殘單含量和蒸汽消耗、提高單體回收利用率，穩(wěn)定塔的高效運(yùn)行，并有效改善生產(chǎn)勞動(dòng)環(huán)境等角度來(lái)說(shuō)，對(duì)脫單塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改造成為當(dāng)務(wù)之急。二、原脫單塔的流體力學(xué)分析

原脫單塔流體力學(xué)核算：塔中汽相流率為：V=2100Kg/h,相當(dāng)于流率為1.72m3/s塔中液相流率為：L=18m3/h空塔氣速：uv=4*1.72/(3.14*0.842)=3.1m/s空塔F因子：F=UVJPV=3.1*J0.3515=1.8(m/5)(Kg/m3)1/2，式中p^為蒸汽密度液流密度:, 18*4液流密度:L= =32.5m3/m2h3.14*0.842當(dāng)量直徑:de=4de=4x流通截面=

潤(rùn)濕周邊4乂弓形截面

弓形周邊4xba4x12x(150-16) = =22.03(mm),2(b+a) 2x[12+(150-16)]對(duì)于1?19中心格柵之間4x[3.14x(8402—8302)x0.25+2x(180-16)x22.85]3.14x835=31.43(mm)，"對(duì)于兩端弓形區(qū)域及四 周安裝空隙式中，de一為柵縫當(dāng)量直徑,mm；b一為柵縫寬，本塔中約為12mm；a一為柵縫長(zhǎng)，本塔中為134mm。流體力學(xué)分析表明：（1）對(duì)于開(kāi)孔率為19.3%的塔板，當(dāng)液流密度L’=32.5m3/m2h時(shí)，其適宜的操作范圍為Fv=0.56?2.3，當(dāng)塔板開(kāi)孔率由12.3%增至19.3%時(shí)，上述Fv的上下限均略有增大。為了適應(yīng)料液中含有聚合物固體顆粒以及防止發(fā)生聚合物自聚而堵塔的現(xiàn)象，原有裝置中脫單塔的塔板的開(kāi)孔率較高，約為28%，使塔板效率有所降低。（2）從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)看，全塔的最大壓降不超過(guò)4kPa，說(shuō)明在目前的負(fù)荷下脫單塔不會(huì)產(chǎn)生液泛?jiǎn)栴}。（3）對(duì)塔內(nèi)汽體，中心格柵當(dāng)量篩孔與格柵頂端弓形區(qū)的當(dāng)量篩孔相當(dāng)于并聯(lián)管路，汽體經(jīng)過(guò)這些并聯(lián)管路的壓降相等。而根據(jù)當(dāng)量直徑的計(jì)算，格柵頂端弓形區(qū)及四周安裝空隙的篩孔與中心格柵間篩孔的當(dāng)量直徑之比約為1.43，這樣弓形區(qū)汽體流速約為中心柵縫氣體流速的1.43倍。三、脫單塔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究根據(jù)聚丙稀腈物料易自聚、含固量高的特點(diǎn)，并結(jié)合浙江工業(yè)大學(xué)研發(fā)的DJ-5型塔板在丁二烯生產(chǎn)中的成功應(yīng)用，脫單塔擬采用DJ-5型塔板作為脫單元件，并就DJ-5型塔板的鼓泡元件、降液管結(jié)構(gòu)尺寸和溢流堰結(jié)構(gòu)尺寸等進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。3.1 DJ-5型塔板特點(diǎn)DJ-5型塔板采用矩形懸掛式降液管作為降液通道，采用新型固定閥（條形、圓形）作為鼓泡元件。新型固定閥（固定閥結(jié)構(gòu)如圖3.1所示）較好地綜合了篩孔塔板合浮閥塔板的優(yōu)點(diǎn)，克服了浮閥塔板耗材量大、制造成本高、易堵塞、浮閥容易吹掉或卡住和篩孔塔板霧沫夾帶量大、漏液嚴(yán)重的缺點(diǎn)。新型固定閥塔板的造價(jià)接近篩孔塔板，而塔板效率和操作彈性則與浮閥塔板相當(dāng)。

圖3.1圖3.1新型（條形、圓形）固定閥結(jié)構(gòu)3.1.1DJ-5型塔板的性能特點(diǎn)：（A）塔板效率高。一般的固定閥塔板，其氣流均從固定閥側(cè)孔中以水平方向吹入液層，與從相鄰的固定閥側(cè)孔中噴出的氣流在兩固定閥之間發(fā)生對(duì)沖現(xiàn)象（如圖3.2所示），兩股對(duì)沖的氣流不僅使塔板上的液體向上飛濺，增大霧沫夾帶，減少塔板的處理能力和操作彈性，而且流體對(duì)沖碰撞會(huì)消耗能量，增加塔板的壓降。同時(shí)，氣流以水平方向吹入液層，會(huì)將液體吹入相鄰固定閥側(cè)孔中成為漏液，增大漏液量，減少塔板的操作彈性，降低塔板的傳質(zhì)效率。新型固定閥針對(duì)傳統(tǒng)固定閥的缺點(diǎn)，塔板上的固定閥閥面?zhèn)冗吘哂邢蛳聫澢恼圻?，改變了從固定閥孔中吹出的氣體的方向，使氣體從固定閥側(cè)孔中斜向下吹到塔板板面上（如圖3.3所示），因此減少了霧沫夾帶量和漏液量，提高塔板的處理能力和彈性操作，同時(shí)強(qiáng)化了塔板上氣液接觸傳質(zhì)，提高了塔板傳質(zhì)效率。圖3.2一般固定閥塔板汽液接觸示意圖圖圖3.2一般固定閥塔板汽液接觸示意圖圖3.3新型（條形）固定閥塔板汽液接觸示意圖（B）處理能力大。DJ-5型塔板在降液管上采用DJ系列塔板的矩形懸掛降液管，降液管設(shè)在塔板中部，溢流周邊較弓形降液管要大1倍以上，同時(shí)塔板上沒(méi)有受液區(qū)，鼓泡面積也相應(yīng)增大，因此可承受更大的液體通量和氣體負(fù)荷，見(jiàn)圖3.4。同時(shí)由于塔板上液層厚度適宜，板壓降較小，漏液和霧沫夾帶情況得到了很好的解決，因此塔板的操作彈性很寬，可適應(yīng)負(fù)荷較大范圍波動(dòng)工況的正常操作。

易在這個(gè)區(qū)域沉積，如圖3.4中陰影部分所示。沉積物逐漸生長(zhǎng),填充降液管底部空間，甚至最終在液層中，與下層塔板有易在這個(gè)區(qū)域沉積，如圖3.4中陰影部分所示。沉積物逐漸生長(zhǎng),填充降液管底部空間，甚至最終在液層中，與下層塔板有堵塞整個(gè)降液管底隙，引起降液管液泛。如果鼓泡元件采用普通浮閥，液體中存在固體顆?；蛞后w粘度較大時(shí)容易發(fā)生閥腿卡住、閥體粘住等現(xiàn)象。DJ-5型塔板采用DJ系列塔板的矩形懸掛式降液管，見(jiàn)圖3.4所示。降液管底端懸掛在下層塔板液層上，液體直接從降液管中流到下層塔板上，不會(huì)形成緩流區(qū)，液體中所夾帶的固體物難以堵塞降液管，同時(shí)由于塔板上始終處于鼓泡狀態(tài)，固體顆粒難以沉積，同時(shí)也不存在浮動(dòng)部件，因此具有十分良好的抗堵特性。3.2優(yōu)化方案3.2.1降液管型式、寬度和底孔面積采用懸掛式矩形降液管，設(shè)在塔板中部?？紤]到聚丙稀腈含固量較高且易自聚，較大的降液管底孔面積可減小液固混合物在降液管內(nèi)的停留時(shí)間，有利于防止固體物在降液管內(nèi)堆積堵塞，并且要求在正常操作時(shí)，降液管內(nèi)的液層盡量薄，液固在降液管內(nèi)停留時(shí)間少，使液固混合物迅速?gòu)纳蠈铀逑陆抵料聦铀?，以延長(zhǎng)塔板的運(yùn)行周期。脫單塔的降液管寬度取為160mm，底孔面積取為0.04m2。3.2.2鼓泡元件采用圓形固定閥，由于本塔處理的物系中不僅含有固體物，單體易自聚，且在一定的汽液比和單體濃度情況下會(huì)出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，所以要求塔板的開(kāi)孔率盡可能大，減少起泡后出現(xiàn)液泛的機(jī)會(huì)。每塊塔板上開(kāi)114個(gè)圓形固定閥，塔板的空塔開(kāi)孔率達(dá)18%。3.2.3溢流堰結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)脫單塔的塔頂、塔底溫度、塔頂真空度要求進(jìn)行模擬計(jì)算結(jié)果決定采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單閉式溢流堰即能滿(mǎn)足要求?？紤]塔板上清液層和泡沫層的高度，保證塔板傳質(zhì)效率，選擇40mm高的閉式溢流堰。3.2.4塔板數(shù)及板間距綜合考慮脫單塔現(xiàn)有高度不變的情況，選擇以20塊DJ-5型塔板替換原24層穿流柵板。改原

有塔板間距不等（280MM-460MM）為統(tǒng)一均布間距400MM，總有塔板的塔體高度接近（原為7550MM,現(xiàn)為7600MM）。四、應(yīng)用4.1優(yōu)化方案的應(yīng)用在2008年12月，對(duì)金陽(yáng)裝置脫單塔實(shí)施改造，改造的內(nèi)容主要為：（1）將原有24塊格柵塔板改成20塊DJ-5型圓形固定閥懸掛式降液管塔板，并保持塔的外形及連接尺寸不變等。上下二塊塔板互成90度排列（如圖4.2所示）。新型塔板采用圓形固定閥，排列結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。降液管采用一根懸掛式矩形降液管，降液管設(shè)置在塔板的中間，為保證液體充分下降到下一層塔板鼓泡區(qū)，降液通道設(shè)置在二側(cè)（如圖4.2所示）。圖4.1圓形固定閥圖4.2 圖4.1圓形固定閥圖4.2 圓形固定閥排列及塔板上下安裝位置圖圖4.3新塔板汽液走向示意圖（2）改造脫單塔塔體段直徑。由于2.8萬(wàn)噸擴(kuò)容改造后，脫單塔的處理量增加了40%，加之采用降液管式塔板，塔徑太小不利于降液管的布置，所以塔體由直徑840mm放大為1000mm，以提高負(fù)荷和便于降液管的布置。改造脫單塔塔頂段，配置塔體直徑為1000mm的捕沫裝置等塔頂段。改變觀(guān)察視鏡的數(shù)量和位置。因降液管的存在，阻擋了原先視鏡的觀(guān)察范圍，故需改變視鏡的位置，以便觀(guān)察塔板上鼓泡情況以及堵塔情況。改變塔體內(nèi)的進(jìn)料管和回流管分布形式。進(jìn)料管、回流管直接伸入塔板的降液管中部。物料從降液管中部向降液管底部?jī)蓚?cè)的開(kāi)孔處流動(dòng)，并從開(kāi)孔處流出，落到下一層塔板上的鼓泡區(qū)進(jìn)行汽液接觸。改變蒸汽進(jìn)料形式。蒸汽從塔底進(jìn)入塔內(nèi)。因降液管的存在，把塔板分成兩半，所以在蒸汽進(jìn)料管上開(kāi)二個(gè)孔，分別把蒸汽送到降液管兩邊的開(kāi)孔區(qū)，使上升的蒸汽與下落的物料進(jìn)行汽液接觸，完成單體的脫除。4.2應(yīng)用效果分析4.2.1運(yùn)行分析2008年12月4日，對(duì)金陽(yáng)脫單塔實(shí)施了優(yōu)化改造，并于當(dāng)月投入運(yùn)行。在穩(wěn)定運(yùn)行了約7個(gè)月后，于2009年6月，利用金陽(yáng)裝置停車(chē)之際，停脫單塔，打開(kāi)封頭并清洗塔板。從停車(chē)后塔內(nèi)部堵塞情況看，降液管、塔板等基本沒(méi)有堵塞，實(shí)現(xiàn)了塔的長(zhǎng)周期的穩(wěn)定運(yùn)行。新型脫單塔的設(shè)計(jì)處理能力與目前裝置的生產(chǎn)能力相匹配，能滿(mǎn)足滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，其處理能力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。4.2.2效果分析金陽(yáng)裝置脫單塔自連續(xù)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行至今，運(yùn)行較為穩(wěn)定，從表4.1的數(shù)據(jù)看出，在蒸汽用量大幅下降后塔底的AN殘單從改造前的255ppm降低至30ppm左右，一年可增加的丙烯月青(AN)單體回收量月33.4噸。按2008年1?12月AN平均成本價(jià)17000元/噸計(jì)，每年可節(jié)省成本56.78萬(wàn)元/年，真正起到了降低物耗的作用。表4.1、金陽(yáng)裝置脫單塔改造后塔底殘單測(cè)試數(shù)據(jù)表項(xiàng)目?jī)?nèi)容2010.12010.22010.32010.4蒸汽用量LS(Kg/h)1600155015501550塔底殘單含量AN(PPm)13184031T-1125污水耗氧量COD(mg/l)983957927943從表4.1看，在滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行情況下，脫單塔蒸汽用量保持在1550Kg/h左右，比原來(lái)的平均用量2100Kg/h少了550Kg/h，一年可減少約4700噸蒸汽消耗；以蒸汽單價(jià)140元/噸計(jì)，一年可節(jié)約成本65.8萬(wàn)元，起到了降低能耗的作用.4.2.3安全與環(huán)保分析金陽(yáng)脫單塔經(jīng)優(yōu)化改造投用后，大幅度降低脫單后於漿水洗廢水及廢氣中殘余單體的排放量，最終使外排含氰污水中AN、COD含量明顯減少，減少了環(huán)境治理壓力，優(yōu)化操作環(huán)境，起到清潔生產(chǎn)的目的和減排的作用。因塔底殘單含量的明顯減少，降低了塔底於漿水洗洗去殘單的負(fù)荷。在同樣的水洗工藝下，塔底於漿水洗水(排放的污水)中殘單含量明顯下降，AN含量從110PPm下降到13PPm，T-1125的COD指標(biāo)也從平均2000mg/l下降到了950mg/l左右，大大降低了污水處理成本。淤漿中殘單明顯減少，從38PPm下降到4PPm，淤漿質(zhì)量得到明顯提高。后道工序釋放的廢氣量明顯減少，原先在淤漿儲(chǔ)槽的頂部能聞到很濃的殘余單體揮發(fā)出來(lái)的味道，現(xiàn)在已不明顯，所以?xún)?yōu)化了操作環(huán)境。綜上所述，本文通過(guò)運(yùn)用了國(guó)內(nèi)先進(jìn)的新型高效塔板，更新了多年不變的腈綸二步法聚合生產(chǎn)脫單塔的塔板，為腈綸事業(yè)部的實(shí)施低成本戰(zhàn)略、節(jié)能降耗做出了較大的貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)【1】姚克儉，王良華，俞曉梅.新型高效大通量DJ系列塔板的研究與工業(yè)化應(yīng)用[J].化工進(jìn)展.2003,22(3)：228.【2】姚克儉，王良華，俞曉梅.懸掛降液管塔板的沖擊漏液