薄德臣，劉元直，陳建兵，高 明，張 英

(1.中國石化大連(撫順)石油化工研究院，遼寧 大連 116041；2.中國石化中原油田分公司天然氣處理廠)

酸性水汽提裝置是煉化企業(yè)非常重要的環(huán)保裝置，其主要作用是將煉油過程中產(chǎn)生的酸性水進行凈化處理，脫除水中溶解的硫化氫和氨氮，凈化后的酸性水部分回用，部分進入污水處理廠深度處理。煉化企業(yè)一般根據(jù)原料酸性水中氨氮和硫化氫含量高低，選擇不同的酸性水汽提工藝。目前廣泛應用的酸性水汽提工藝有3種：單塔常壓汽提工藝、單塔加壓側(cè)線抽氨工藝和雙塔汽提工藝[1-3]。

目前國家環(huán)保政策日益嚴格，酸性水汽提裝置在煉油生產(chǎn)鏈條中所處的位置極為特殊，既要保證其產(chǎn)品凈化水能夠達標，又要保證裝置的長周期穩(wěn)定運行。目前煉化企業(yè)酸性水汽提裝置普遍存在的共性問題有：①由于原料水中存在污油、污泥、焦粉、催化劑粉末等雜質(zhì)，導致酸性水汽提塔經(jīng)常發(fā)生塔盤堵塞，一般運行8～12個月就需要停車清洗，與上游煉油生產(chǎn)裝置的運行周期難以匹配；②裝置運行周期短，在污水汽提裝置停工檢修過程給企業(yè)帶來了環(huán)保壓力；③塔盤堵塞導致氣液接觸效果變差，板效率顯著降低，為了滿足工藝指標，不得不通過加大蒸汽量來保證汽提效果，這又導致了裝置能耗增加，增加了處理成本[4-8]。

為了延長酸性水汽提裝置運行周期，中國石化某分公司酸性水汽提裝置曾嘗試應用鼓泡態(tài)傳質(zhì)類型塔盤(F1浮閥、固閥)及噴射態(tài)傳質(zhì)類型塔盤，但均難以滿足長周期運行的要求，另外近年來隨著該公司處理量的增加，酸性水量也不斷增大，因此對通量大、抗堵型強的新型塔盤技術產(chǎn)生了需求。在上述背景下，中國石化撫順石油化工研究院開發(fā)了一種新型高效抗堵型噴射態(tài)塔盤(抗堵塔盤SDMP)。以下主要介紹該塔盤的設計開發(fā)過程及水力學試驗和工業(yè)應用結(jié)果。

1 SDMP設計原理

SDMP的帽罩為矩形帽罩，由噴射帽罩、分離帽罩和噴射孔組成，其結(jié)構示意如圖1所示。矩形噴射孔與塔盤上的矩形開孔連接，噴射帽罩與塔盤之間留有一定的底隙，為液體進入罩體內(nèi)的通道。分離帽罩的側(cè)壁開有噴射孔，噴射孔與頂部分離帽罩之間有一定的空間，為氣液混合物噴向罩外的通道。塔盤帽罩互相平行排布，帽罩方向與液體流動方向平行，從而保證了液體流動暢通，如圖2所示。

圖1 SDMP塔盤帽罩結(jié)構示意

圖2 SDMP塔盤帽罩布局示意

SDMP與New-VST一樣同屬于噴射接觸塔盤，但其相較New-VST有了很大的改進，主要體現(xiàn)在以下4點：①塔盤矩型開孔，噴射帽罩為平行布局，且與液體流動方向平行，規(guī)定了液體流動通道，減少了液體流動阻力，液面梯度小；②塔盤除了在分離帽罩上開有噴射孔，還在噴射帽罩與噴射帽罩之間留有氣液通道，很好地解決了New-VST因帽罩內(nèi)氣流折返而造成的帽罩頂憋壓現(xiàn)象，改善了帽罩內(nèi)的氣液接觸狀態(tài)，降低了塔盤壓降；③傳統(tǒng)的New-VST是通過噴射孔向各個方向噴射的，SDMP絕大部分的噴射方向與板上液流方向垂直，降低了液相的返混；④塔盤開孔上設置噴射孔，噴射帽罩與塔盤的板底隙較New-VST顯著增大，噴射帽罩與塔盤板底隙是液相進入帽罩內(nèi)部的通道，由于該底隙顯著增大，因而其抗堵性能大大增強，對易堵塞場合具有良好的適應性。

2 SDMP液相流場CFD模擬

塔盤上開矩形孔，且噴射帽罩為平行布局，與液體流動方向平行。為了避免塔盤弓形區(qū)出現(xiàn)液相滯留，進而影響塔盤效率，因此在降液管底隙處設置了不同角度的導流片。為了考察設置導流片條件下塔盤帽罩矩形布局的合理性，采用CFD軟件對SDMP上液相流場規(guī)律進行了研究。

2.1 SDMP液相分布

SDMP上液相分布的剖面圖和俯視圖分別見圖3和圖4。由圖3和圖4可以看出，塔盤上液層厚度比較均勻，液相梯度較小，這與傳統(tǒng)噴射態(tài)塔盤New-VST上液相流場規(guī)律十分相近，因為噴射態(tài)塔盤規(guī)定了氣液流動的通道，液相的流動不再受氣相運動的干擾，液相流動更暢通，所以塔盤上液相分布均勻度較好，梯度較小。

圖3 SDMP上液相分布剖面圖

圖4 SDMP上液相分布俯視圖

2.2 SDMP液相流動路線分布

SDMP上液相流場分布俯視圖和斜視圖分別見圖5和圖6。由圖5和圖6可以看出，通過增設導流片，帽罩平行排布條件下塔盤上液相流場分布均勻，塔盤弓形區(qū)液相流速與中間區(qū)域速度差別不明顯，僅僅在出口堰附近存在一定的流體折返現(xiàn)象，這主要是由于SDMP堰較高，總體上SDMP速度場分布均勻度較好，不存在明顯的滯留區(qū)。

圖5 SDMP上液相流場分布俯視圖

圖6 SDMP上液相流場分布斜視圖

2.3 SDMP上液相速度矢量分布

SDMP液相不同高度處的速度矢量分布情況見圖7和圖8。由圖7和圖8可以看出，通過增設導流片，塔盤上帽罩平行排布條件下，塔盤弓形區(qū)液相流速與中間區(qū)域速度矢量差別較小，這說明塔盤上液相速度矢量分布均勻度較好。

圖7 高度在50 mm處的速度矢量分布

圖8 高度在80 mm處的速度矢量分布

SDMP液相流場CFD模擬結(jié)果表明，通過在降液管處增設導流片，SDMP帽罩采用矩形平行排布方式布局條件下，塔盤上沒有明顯的滯流區(qū)或回流區(qū)，液相流動均勻度較好，這種結(jié)構能夠有效避免塔盤弓形區(qū)因出現(xiàn)液相滯留或回流導致的傳質(zhì)效率降低的問題，因此這種結(jié)構有助于提高傳質(zhì)效率，能夠滿足工業(yè)應用要求。

3 不同類型塔盤水力學性能對比

為進一步掌握SDMP水力學性能，在塔徑為1 m的水力學實驗裝置上分別對SDMP、F1浮閥及New-VST這3種不同類型塔盤進行水力學性能對比測試，重點對比3種不同類型塔盤的壓降、漏液及霧沫夾帶性能。

3.1 不同類型塔盤壓降對比測試

在相同開孔率、堰高以及溢流強度的條件下，對SDMP、F1浮閥及New-VST的板壓降隨閥孔動能因子的變化進行了對比分析，具體結(jié)果如圖9所示。其中，Lw為溢流強度，Φ為開孔率，hw為堰高。

圖9 不同塔盤濕板壓降的比較■—F1浮閥; ●—SDMP; ▲—New-VST。圖10～圖11同

由圖9可知，SDMP壓降相比于F1浮閥塔盤壓降可降低10%以上，與傳統(tǒng)New-VST壓降十分接近。F1浮閥塔盤液層高度更高，且浮閥有一定的重量，因此F1浮閥塔盤在氣液接觸過程既要克服液層壓力又要克服浮閥重量，所以塔盤壓降更高。由于立體噴射塔盤堰高較低，且在氣液接觸過程無需克服液層壓力，所以單板壓降要低于F1浮閥塔盤。SDMP相比傳統(tǒng)New-VST立體噴射塔盤在結(jié)構上進行了優(yōu)化改進，為了提高其抗堵塞性能，增加了噴射管結(jié)構，且保持噴射管上一定的液層高度，這在一定程度上增加了壓降，另外SDMP增加了噴射罩和分離帽罩間的開孔，這又進一步降低了單板壓降，所以在壓降方面SDMP和New-VST十分接近。

3.2 不同類型塔盤漏液性能對比測試

在相同開孔率、堰高以及溢流強度的下，對不同塔盤的漏液性能進行了對比，具體結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同塔盤漏液的比較

由圖10可知：3種塔盤的相對漏液率均隨閥孔動能因子的增大而迅速減少；F1浮閥塔盤具有可升降的閥腿，在閥孔動能因子較低的時候，浮閥部分開啟，能很好地減少塔盤的漏液量；SDMP和垂直篩板的板孔較大，在低溢流強度和低閥孔動能因子的工況下，氣體基本對液體起不到“托舉”作用，很多液體從板孔中流下去，塔盤正常操作狀態(tài)完全破壞，相對漏液量很大；隨著閥孔動能因子的增大，氣體對液體的托舉作用越來越大，塔盤漏液量迅速減少，當閥孔氣速增大到臨界氣速附近時，漏液率可忽略不計。

3.3 不同類型塔盤霧沫夾帶對比測試

在相同開孔率、堰高以及溢流強度的條件下，對不同塔盤的霧沫夾帶性能進行了對比分析，具體結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同塔盤的霧沫夾帶情況比較

由圖11可知，相同條件下F1浮閥塔盤的霧沫夾帶率最高，SDMP與New-VST的霧沫夾帶率均較低。這是因為，當氣流穿過浮閥塔盤的液層上升時會帶出部分液滴，這些液滴具有向上的初速度，一部分到達上層塔盤即為霧沫夾帶，而垂直篩板的噴射孔一般與空塔氣流方向垂直，故霧沫夾帶率較低。本技術所開發(fā)的SDMP由于增設了噴射罩和頂部擋板間的縫隙，所以其霧沫夾帶率略高于New-VST，但總的來說兩者霧沫夾帶性能相當。

目前工程上通常以霧沫夾帶率為10%作為操作上限，由實驗結(jié)果可知，對于F1浮閥塔盤，其上限閥孔動能因子約為19(ms)·(kgm3)，而新開發(fā)的SDMP開孔較大，其上限閥孔動能因子約為24(ms)·(kgm3)，因此其通量相比于F1浮閥塔盤可提高約26%。

4 SDMP在酸性水汽提塔的工業(yè)應用

中國石化某分公司酸性水汽提裝置運行過程存在因塔盤堵塞導致運行周期短的問題，運行周期最多只有18個月，另外隨著企業(yè)加工量的增大，酸性水量也不斷增大，酸性水汽提裝置處理負荷已不能滿足要求，該公司為了實現(xiàn)酸性水汽提裝置擴能，同時延長運行周期，于2017年1月采用SDMP塔盤技術進行內(nèi)件改造并開車成功，順利實現(xiàn)擴能目標，改造前后工藝與設備參數(shù)的對比如表1所示。

表1 改造前后工藝與設備參數(shù)對比

4.1 改造前后凈化水水質(zhì)對比分析

該酸性水汽提裝置采用SDMP技術完成內(nèi)件改造并開車成功后進行了裝置標定。為了便于與改造前的F1浮閥塔盤進行對比，標定過程控制相同的蒸汽單耗，標定過程原料水與凈化水指標對比結(jié)果如表2所示。由表2可知，在原料水性質(zhì)基本相當?shù)臈l件下，與采用F1浮閥塔盤消缺后標定數(shù)據(jù)相比，采用SDMP改造后，凈化水中硫化物濃度顯著降低，氨氮濃度基本相當，這說明在運行初始階段SDMP塔盤技術在綜合板效率上略優(yōu)于F1浮閥塔盤。

表2 改造前后原料水與凈化水指標對比

4.2 改造前后運行能耗情況對比

裝置改造前采用F1浮閥塔盤，運行最長周期為18個月，于2017年1月采用SDMP技術進行改造，平穩(wěn)運行至今已達18個月，運行過程蒸汽單耗變化情況如圖12所示。由圖12可知，采用F1浮閥塔盤時，在運行前8個月蒸汽單耗基本不增加，隨后運行過程蒸汽單耗逐漸顯著增大，造成這一現(xiàn)象的原因是由于F1浮閥塔盤抗堵性能較差，運行過程逐漸出現(xiàn)沉積物在塔盤上累積，堵塞現(xiàn)象逐漸顯現(xiàn)，壓降逐漸升高，堵塞導致部分浮閥無法完成有效的氣液接觸，進而導致塔盤效率下降，生產(chǎn)中為了保證凈化水指標不得不加大蒸汽量；采用SDMP后，蒸汽單耗在運行周期內(nèi)不隨運行時間延長而增大，平均蒸汽單耗遠低于F1浮閥塔盤。

圖12 蒸汽單耗隨運行時間變化情況◆—F1浮閥; ■—SDMP

5 結(jié) 論

SDMP的水力學試驗結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)浮閥塔盤技術，壓降可降低10%，操作彈性相當，處理通量可提高26%以上，該技術在酸性水汽提裝置的工業(yè)應用結(jié)果表明，SDMP具有良好的抗堵塞性能，酸性水汽提裝置運行周期大于18個月且繼續(xù)平穩(wěn)運行，而且蒸汽單耗不隨運行時間的延長而升高，平均蒸汽單耗顯著低于傳統(tǒng)F1浮閥塔盤。該技術可為實現(xiàn)煉化企業(yè)酸性水汽提裝置擴能改造和長周期高效運行提供技術支撐。