二步法脫單塔塔板的優(yōu)化及應用

二步法脫單塔塔板的優(yōu)化及應用摘要：脫單塔是二步法腈綸生產(chǎn)中重要的設備。本文通過對實際運行過程中塔內(nèi)汽液分布、堵塔情況及流體力學等分析，得到了汽液分布不均勻、汽液接觸不充分等問題是造成脫單效率低的主要原因。并根據(jù)實際物料含固量較高的特點，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件，成功應用到生產(chǎn)裝置上。該新型塔板的成功應用，起到了降耗減排和清潔生產(chǎn)的作用。關鍵詞：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)部金陽裝置脫單塔是90年代從日本川崎公司引進的設備。原設計能力為2萬噸/年，后通過對川崎技術的改進，完成了2.8萬噸/年的擴容改造。在改造中脫單塔沒有得到擴容，所以脫單塔的負荷增大約40%。經(jīng)過幾年的運行，發(fā)現(xiàn)脫單塔1至6層上出現(xiàn)淤漿堆積、自聚等問題。一旦板面形成自聚物積聚就會很快擴大堆積的范圍，造成脫單塔堵塔而無法正常運行，必須停車清洗，縮短了塔的運行周期。同時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)場的實際運作情況看，原脫單塔存在以下三方面的問題：.部分塔盤堵塞嚴重：進料、回流及塔頂回水的四層塔盤堵塞比較嚴重，其他格柵塔板的間隙容易生成均勻的類似于PP管材的聚合物，在檢修清洗的過程中造成非常大的困難。.塔盤汽液相短路：從現(xiàn)場塔中段的視鏡可見，塔盤中心區(qū)域上方液相噴淋量較小，而塔盤四周空隙液相噴淋量較大。由于格柵塔盤以”葫蘆串”的形式安裝，塔盤四周空隙大阻力小，因而汽相從塔盤中心短路、液相貼壁下流。.脫單效率低：無溢流穿流式格柵塔板板面無液層，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，出料於漿水洗水進入T-1125槽中后污水耗氧量COD測試達2000mg/l。表1.1、金陽裝置脫單塔改造前塔底殘單測試數(shù)據(jù)表項目內(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)定塔的高效運行，并有效改善生產(chǎn)勞動環(huán)境等角度來說，對脫單塔結構進行優(yōu)化改造成為當務之急。二、原脫單塔的流體力學分析

原脫單塔流體力學核算：塔中汽相流率為：V=2100Kg/h,相當于流率為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當量直徑:de=4de=4x流通截面=

潤濕周邊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)，"對于兩端弓形區(qū)域及四 周安裝空隙式中，de一為柵縫當量直徑,mm；b一為柵縫寬，本塔中約為12mm；a一為柵縫長，本塔中為134mm。流體力學分析表明：（1）對于開孔率為19.3%的塔板，當液流密度L’=32.5m3/m2h時，其適宜的操作范圍為Fv=0.56?2.3，當塔板開孔率由12.3%增至19.3%時，上述Fv的上下限均略有增大。為了適應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孔率較高，約為28%，使塔板效率有所降低。（2）從現(xiàn)場實際測試的數(shù)據(jù)看，全塔的最大壓降不超過4kPa，說明在目前的負荷下脫單塔不會產(chǎn)生液泛問題。（3）對塔內(nèi)汽體，中心格柵當量篩孔與格柵頂端弓形區(qū)的當量篩孔相當于并聯(lián)管路，汽體經(jīng)過這些并聯(lián)管路的壓降相等。而根據(jù)當量直徑的計算，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、脫單塔結構的優(yōu)化研究根據(jù)聚丙稀腈物料易自聚、含固量高的特點，并結合浙江工業(yè)大學研發(fā)的DJ-5型塔板在丁二烯生產(chǎn)中的成功應用，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、降液管結構尺寸和溢流堰結構尺寸等進行結構優(yōu)化研究。3.1 DJ-5型塔板特點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（固定閥結構如圖3.1所示）較好地綜合了篩孔塔板合浮閥塔板的優(yōu)點，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、漏液嚴重的缺點。新型固定閥塔板的造價接近篩孔塔板，而塔板效率和操作彈性則與浮閥塔板相當。

圖3.1圖3.1新型（條形、圓形）固定閥結構3.1.1DJ-5型塔板的性能特點：（A）塔板效率高。一般的固定閥塔板，其氣流均從固定閥側孔中以水平方向吹入液層，與從相鄰的固定閥側孔中噴出的氣流在兩固定閥之間發(fā)生對沖現(xiàn)象（如圖3.2所示），兩股對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，而且流體對沖碰撞會消耗能量，增加塔板的壓降。同時，氣流以水平方向吹入液層，會將液體吹入相鄰固定閥側孔中成為漏液，增大漏液量，減少塔板的操作彈性，降低塔板的傳質效率。新型固定閥針對傳統(tǒng)固定閥的缺點，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，同時強化了塔板上氣液接觸傳質，提高了塔板傳質效率。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，降液管設在塔板中部，溢流周邊較弓形降液管要大1倍以上，同時塔板上沒有受液區(qū)，鼓泡面積也相應增大，因此可承受更大的液體通量和氣體負荷，見圖3.4。同時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，可適應負荷較大范圍波動工況的正常操作。

易在這個區(qū)域沉積，如圖3.4中陰影部分所示。沉積物逐漸生長,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區(qū)域沉積，如圖3.4中陰影部分所示。沉積物逐漸生長,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，同時由于塔板上始終處于鼓泡狀態(tài)，固體顆粒難以沉積，同時也不存在浮動部件，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，降液管內(nèi)的液層盡量薄，液固在降液管內(nèi)停留時間少，使液固混合物迅速從上層塔板下降至下層塔板，以延長塔板的運行周期。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出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，所以要求塔板的開孔率盡可能大，減少起泡后出現(xiàn)液泛的機會。每塊塔板上開114個圓形固定閥，塔板的空塔開孔率達18%。3.2.3溢流堰結構尺寸根據(jù)現(xiàn)場脫單塔的塔頂、塔底溫度、塔頂真空度要求進行模擬計算結果決定采用結構簡單閉式溢流堰即能滿足要求?？紤]塔板上清液層和泡沫層的高度，保證塔板傳質效率，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、應用4.1優(yōu)化方案的應用在2008年12月，對金陽裝置脫單塔實施改造，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，排列結構如圖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)，降液通道設置在二側（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2.8萬噸擴容改造后，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察范圍，故需改變視鏡的位置，以便觀察塔板上鼓泡情況以及堵塔情況。改變塔體內(nèi)的進料管和回流管分布形式。進料管、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兩側的開孔處流動，并從開孔處流出，落到下一層塔板上的鼓泡區(qū)進行汽液接觸。改變蒸汽進料形式。蒸汽從塔底進入塔內(nèi)。因降液管的存在，把塔板分成兩半，所以在蒸汽進料管上開二個孔，分別把蒸汽送到降液管兩邊的開孔區(qū)，使上升的蒸汽與下落的物料進行汽液接觸，完成單體的脫除。4.2應用效果分析4.2.1運行分析2008年12月4日，對金陽脫單塔實施了優(yōu)化改造，并于當月投入運行。在穩(wěn)定運行了約7個月后，于2009年6月，利用金陽裝置停車之際，停脫單塔，打開封頭并清洗塔板。從停車后塔內(nèi)部堵塞情況看，降液管、塔板等基本沒有堵塞，實現(xiàn)了塔的長周期的穩(wěn)定運行。新型脫單塔的設計處理能力與目前裝置的生產(chǎn)能力相匹配，能滿足滿負荷運行，其處理能力達到設計要求。4.2.2效果分析金陽裝置脫單塔自連續(xù)滿負荷運行至今，運行較為穩(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17000元/噸計，每年可節(jié)省成本56.78萬元/年，真正起到了降低物耗的作用。表4.1、金陽裝置脫單塔改造后塔底殘單測試數(shù)據(jù)表項目內(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，在滿負荷運行情況下，脫單塔蒸汽用量保持在1550Kg/h左右，比原來的平均用量2100Kg/h少了550Kg/h，一年可減少約4700噸蒸汽消耗；以蒸汽單價140元/噸計，一年可節(jié)約成本65.8萬元，起到了降低能耗的作用.4.2.3安全與環(huán)保分析金陽脫單塔經(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，原先在淤漿儲槽的頂部能聞到很濃的殘余單體揮發(fā)出來的味道，現(xiàn)在已不明顯，所以優(yōu)化了操作環(huán)境。綜上所述，本文通過運用了國內(nèi)先進的新型高效塔板，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)部的實施低成本戰(zhàn)略、節(jié)能降耗做出了較大的貢獻。參考文獻【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)化應用[J].化工進展.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