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| 立体传质塔板在化肥行业成功的应用 | |
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一、认识立体传质塔板CTST
塔设备是化工、医药以及石油加工、食品、轻纺等行业中广泛应用的关键设备。板式塔是最常用的气液传质设备之一，广泛应用于蒸馏、吸收、解吸、气提、热交换等过程。
新型高效"立体传质塔板CTST"是河北工业大学李春利教授带领的专家组多年理论研究和科技开发的成果，已获国家专利（专利号：93218445.6）。"立体传质塔板CTST"是它具有通量大、分离效率高、操作弹性大、压降低、抗堵塞以及适宜处理易发泡物料等诸多优点。经鉴定查新为国际首创，其性能达到国际先进水平，于1999年获"河北省科技进步一等奖"、"教育部科技进步三等奖"。目前，该成果已在国内数十家大中型化工、石化、制药、化肥、轻工等企业的几百座塔（塔径从φ400～3000mm）成功应用，创造了巨大的经济效益和社会效益。
大通量高效塔板CTST是为适应化工、石化等行业进行扩产改造、技术改造而研制开发的新型塔板。在化工、石化、制药、维尼纶、化肥等行业中，塔设备是起分离作用的关键设备。在扩产技术改造、设备更新时，采用大通量高效的立体传质塔板，可以在原塔外壳不变的条件下，仅更换塔板，即可提高设备的处理能力50%-100%，可节省大量的设备投资，同时又可以达到提高产品质量、降低能耗和原料消耗，从而提高企业的技术水平和竞争能力。
立体传质塔板的应用主要集中在两个方面：
设备改造中：再扩产改造、技术改造、挖潜改造中，采用此项技术，可在原设备外壳不动的情况下，更换塔内件，即可提高产量50-200%，并且提高产量的质量、降低能耗，因此改造项目的投资仅为用传统设备的1/3-1/5，并可大幅度的缩短工程时间。
新设备设计：采用此项技术可减少设备投资1/3-1/2，并可提高产品质量降低能耗。
大量数据表明，立体传质塔板CTST的使用，将提高产品的质量、收率，降低生产成本，提高效率、降低损耗和能耗。与传统设备相比，立体传质塔板具有生产能力大（可比传统塔板提高50 -200%）、分离效率高、操作弹性大、应用范围广等方优点。理论、实验研究和工业应用充分表明，立体传质塔板技术的研究水平已居国际先进国内领先水平。
二、立体传质塔板CTST主要技术性能
1 TST结构特点与操作工况分析
立体传质塔板CTST的气液接触、传热、传质元件为梯形喷射罩；塔板采用矩性开孔，矩形开孔上方设置待筛孔的梯形喷射罩，罩的侧面为带筛孔的喷射板，两端为梯形的端板，上部为分离板，在喷射板与分离板间设气液通道。喷射板与塔板间有一定的底隙，为液体进入罩体的通道。分离板的作用，一是提供气液接触空间，二是使气液两相有效分离，减少雾沫夹带。
CTST为气液并流喷射型塔板，其操作工况如图所示：气体自板孔进入喷射招中，在塔板板孔处形成缩流，在板孔附近形成低压区；液体受罩体内外压差和板面液面高度静压强的作用自罩底隙进入罩内；气体、液体两相的接触、传热、传质经历了如下过程：
（1） 液体被气体提升、拉膜；
（2） 气体将业体破碎成液滴；
（3） 气体和液滴上升碰撞分离板并折返,于上升的气液激烈碰撞;
（4） 气体和液滴从罩体的侧面喷射板向上方喷出;
（5） 在罩间,喷出罩体的气体和液敌对喷、相互碰撞；
（6） 液滴回落至板面流向下游，气体绕过分离板上升至上层塔板。在塔板上，气体、液体经过拉膜→破碎→碰顶返回→喷射→互喷→分离六个步骤，在塔板至罩顶的立体空间中进行，其空间利用率可达到40%-60%。在该空间范围内，气体为连续相，液体为分离相，即细小的液滴；在板面上液体为清液层。
2. 立体传质塔板CTST主要技术性能
由于CTST独特结构上和喷射操作的工况，使其具有如下优异的技术性能。
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，同时开孔面积很大，一般矩形孔大于40╳120mm，工业应用中最大已达70╳350mm，所以起开孔率可以超过20%，这是其他塔板所难以达到的；
（2） 操作上限高：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。若以雾沫夹带10%作为操作上限，F1浮阀的板孔动能因子为17，而CTST可达34，即在相同的塔板开孔率时，CTST的操作上限比F1浮阀高一倍。（见图2）
（3） 图-3为开孔率为20%的CTST塔板压降和雾沫夹带与空塔动能因子关系图：当空塔动能因子为3.0时,板压降为81mmH2O, 雾沫夹带小于0.01kg液/kg气。若以雾沫夹带为0.01kg液/kg气为气相上限，则CTST空塔动能因子可以超过3.4。
（4） 降液管液相通量大：降液管主要作用之一既是使流到其中的液体和气泡分离。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一倍。设计时降液管的最小停留时间可由5秒减小至2.5秒。
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50-100%。
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。
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,其操作弹性达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。
4) 物料适应性强，可处理含固体颗粒或易自聚物料以及易发泡物料
由于CTST开孔大，一般大于40╳120mm，而气体、液体的喷射速度达10-20m/s，对喷射孔有自冲刷作用，所以CTST能够处理含固体颗粒及易产生自聚物料。
另外，由于CTST特殊的喷射型操作工况，塔板上液体为清液，因此无发泡机制，告诉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。
5) 板上液面梯度对操作的影响小
当塔径较大时，塔板上液面的梯度较大，已造成板上气体、液体分配不均匀，影响塔板的分离效率，严重时塔板甚至不能正常工作。
6) 液体提升量大
液体提升量定义为单位质量的气体提升的液体的质量，也即气体和液体相互接触的量。研究得出CTST的提升量为4-10kgL/kgG，是New VST的1.6-5.0倍。由此表明，CTST比New VST提供了更多的气液接触、传质的机会。因此，使得CTST的板效率高并且在较大范围内稳定。
7) 空间持液量稳定
空间持液粮是指板上液层上部塔板空间所持有的所有液体的量。该部分液体基本上以液滴存在，是瞬间参与气液传质的绝大部分液体。研究表明，在正常的操作范围内，即板孔动能因子11-20之间，CTST的空间持液量基本维持不变，这也确保了塔板在较宽的操作范围内保持良好的气液接触状态，以保证较高的传质效率。
8) 罩内压力分布合理，板压降低、能耗低
为探讨CTST的企业传质机理，优化塔板结构，对气罩内的压力分布情况进行的测试和研究。研究表明：
（1） 气体通过塔板板孔时，有缩脉现象，由此造成的罩内外压力差是液体进入罩内的主要推动力；
（2） 气体通过板孔时的干板阻力约占整个塔板阻力的70%，因此，进一步降低塔板压降应从降低板孔阻力入手；
（3） CTST的板压降比F1浮阀低20%左右，如图-5所示。
有上述性能可见，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，仅更换塔板，即可提高50-100%的生产能力，并且还能够提高塔板的分离效率、降低塔板压降，对于易发泡物系，还具有破沫作用。改造后塔的抗堵塞能力大幅度提高，塔板上无活动部件，塔的维修周期提高一倍以上。
三、立体传质塔板在化肥行业成功的应用
山东鲁西化肥厂：年产8万吨合成氨，变换气第二脱硫塔设计，该塔液流强度很大，且在操作过程中会有单质流析出，易堵塞塔板或填料，原设计为塔径Φ3200、125Y板波纹填料塔。采用CTST塔板设计塔径为Φ2800，双溢流塔，该塔自96年初投产以来，运转一直平稳正常，无堵塔现象，而且处理量可以满足16万吨合成氨的规模。
四、立体传质塔板在石化行业成功的应用
1、 含硫污水气体塔扩产改造 （问题的提出-为什么要进行改造）
污水气提工艺是一个化学、电离和相平衡共存的复杂体系，目前国内炼厂普遍采用单塔侧线或双塔两种流程，二者并无原则区别。河北工业大学改造的三个污水气体塔均为单塔流程。
单塔侧线流程是利用一座塔来完成污水净化和分离的任务，该塔分三段，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。
热进料经与侧线抽出气体、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反应的水解反应的拐点温度（110℃），H2S和NH3都以游离的分子态存在于热料中，气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0.5Mpa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，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，自塔的中部向下部流动，NH3、H2S反复受到自塔下部上升的高温气流的气提作用，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，向塔中部积聚，有塔中部侧线气相采出，再经三段分凝装置制取液氨。塔底直接通入过热水蒸气，塔底温度为160℃左右，净化水由塔底排出。
气体塔可分为三段：冷进料至塔顶，H2S精硫段；热进料至侧线抽出口，H2S气提段；侧线抽出口至塔底，NH3气提段。第一段一般为填料塔，后两端多为浮阀塔，由于污水较脏每年均需拆塔检修。
采用CTST塔板先后在天津石化一厂、新疆独山子炼油厂、洛阳石化总厂炼油厂的含硫污水气提塔的技术改造中成功应用，改造均为在原塔外壳不变的条件下、仅用CTST塔板替换原浮阀塔板，且上部填料段未动，改造后生产能力提高一倍以上，蒸汽单耗降低超过12%，且新改造运行稳定，操作弹性大，可以适应生产负荷的大幅度变化。
天津石化一厂
原塔外径为Φ800/Φ1000变径塔，40层浮阀塔板，仅用CTST塔替代原浮阀塔板，处理量由原来的15 t/h提高到35 t/h，而且新改造塔可在8-35 t/h范围内稳定运行。而蒸汽单耗由原来的130降至110kg蒸汽/吨污水，节能13%，该塔自95年5月投产以来，运转一直稳定正常，且从未拆塔检修，较好地解决了堵塔的难题。
洛阳石化总厂
原塔外径为Φ1000，37层浮阀塔板，在原塔外壳不变的条件下、仅将塔板更换为CTST板，处理量由原来的35 t/h提高到55 t/h，而且新改造塔可在20-55 t/h范围内稳定运行。该塔自99年3月投产，一次试车成功。
新疆独山子炼油厂
原塔外径为Φ900/Φ1200变径塔，40层浮阀塔板，仅用CTST塔替代原浮阀塔板，处理量由原来的30 t/h提高到69 t/h，而且新改造塔可在20-69 t/h范围内稳定运行。而蒸汽单耗由原来的190降至160kg蒸汽/吨污水，节能12%，该塔自98年6月投产以来，运转一直稳定正常。
该塔数据如下 （图片） （图片） （图片） （图片） | |
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