堿洗塔設(shè)計淺析

劉長旭 唐 濱

福陸中國工程建設(shè)有限公司 （上海 201210）

乙烯裂解氣中的酸氣主要是指CO2、H2S 和其他氣態(tài)硫化物。這些酸性氣體的帶入和生成，對裂解氣的進一步加工危害較大。H2S 含量高會嚴重腐蝕設(shè)備，還會使裂解氣脫水操作所用的分子篩壽命縮短，使脫炔烴操作所用的鈀催化劑中毒。CO2在深冷低溫操作的設(shè)備中結(jié)成干冰堵塞設(shè)備和管道，阻礙生產(chǎn)。酸性氣體雜質(zhì)對乙烯下游產(chǎn)品合成也會有危害，例如乙烯低壓聚合時，CO2和硫化物會破壞低壓聚合催化劑的活性，乙烯高壓聚合時，CO2在循環(huán)乙烯中累積，會降低乙烯分壓，從而影響聚合速率和聚乙烯的相對分子質(zhì)量?；谏鲜鲈颍诜蛛x裂解氣之前首先要脫除其中的酸性氣體。

裂解氣中的酸性氣含量（物質(zhì)的量分數(shù)）為0.2%～0.4%，一般要求將裂解氣中的H2S和CO2分別脫至10-6以下。

工業(yè)上通常選擇物理吸收法或化學反應(yīng)和吸收相結(jié)合的方法。本研究針對堿洗法脫除酸性氣體進行分析和介紹。

1 設(shè)計依據(jù)

堿洗法是用NaOH 溶液洗滌裂解氣，在洗滌過程中NaOH 與裂解氣中的酸性氣體發(fā)生化學反應(yīng)，生成的碳酸鹽和硫化物溶于廢堿中，從而達到脫除酸性氣的目的。反應(yīng)式見式（1）、式（2）。

從反應(yīng)的熱力學因素來看，反應(yīng)的平衡常數(shù)都很大，傾向于完全生成產(chǎn)物。在平衡產(chǎn)物中，CO2、H2S的分壓實際上可以降低到10-6級別。對比CO2、H2S和NaOH 的反應(yīng)速率，后者的反應(yīng)速率比前者快得多，所以整個反應(yīng)過程的速率受CO2與NaOH 反應(yīng)的控制。在進行堿洗塔設(shè)計時，主要考慮CO2與NaOH 的反應(yīng)而可以忽略H2S 與NaOH 的反應(yīng)，或者綜合考慮總酸氣（CO2+H2S）。

由于堿洗過程中CO2吸收過程的擴散傳質(zhì)阻力在液膜，通過查閱一些文獻，證實堿洗過程CO2的濃度和流量對擴散影響比較小，而堿液濃度對CO2的擴散影響比較大，隨著NaOH 濃度的增大，CO2在液相中的擴散會加速進行，所以要從理論上研究反應(yīng)速率和濃度的關(guān)系比較困難。開發(fā)一個理論的設(shè)計方法費時、費力，可以先開發(fā)一個比較省力又實用的設(shè)計方法，即在收集多個乙烯裝置堿洗塔設(shè)計數(shù)據(jù)（當然這些數(shù)據(jù)已得到生產(chǎn)裝置的檢驗）的基礎(chǔ)上，整理出一個簡捷可靠的計算方法。

（1）收集多個乙烯裝置堿洗塔設(shè)計數(shù)據(jù)，計算堿液的“平均酸氣（CO2）負荷”，得到“每立方米堿液吸收的CO2量”的數(shù)據(jù)。當然，需要按不同操作壓力分別計算。具體見表1。

（2）在堿洗塔中，新鮮堿液的加入量應(yīng)該等于凈化裂解氣中所含總酸氣需要的堿液量，由于實際過程中總酸氣含量不是很高，所以通常補充的新鮮堿液的量不是很多。新鮮堿液如果一次通過堿洗塔會使得整塔的堿液濃度較低，為了保證裂解氣的凈化要求，需要較多的塔板數(shù)。為解決上述問題，在實際設(shè)計中對于一個新設(shè)計的堿洗塔，其段數(shù)按3 段設(shè)計，這也是近年各專利商的一致做法，即“強、中、弱堿三段堿洗”。在統(tǒng)計和整理出已有乙烯裝置“總酸氣負荷”的基礎(chǔ)上，確定一個可以使用的“總酸氣負荷”值，在設(shè)計新的堿洗塔時，按該值計算三段堿洗總堿液量，再按統(tǒng)計平均值分配1，2，3 段的堿液量，各段堿液的濃度按統(tǒng)計平均值確定；新鮮堿液質(zhì)量分數(shù)通常為10%，中堿段的堿液質(zhì)量分數(shù)通常為7%，弱堿段的堿液質(zhì)量分數(shù)通常為2%。典型堿洗塔流程見圖1。

表1 典型專利商堿洗塔設(shè)計數(shù)據(jù)

（3）在當前普遍采用三段堿洗情況下，確定使用三段堿洗，各段堿液的質(zhì)量分數(shù)和用量以及水洗段的水量參照已有裝置的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。通過對堿洗塔塔板參數(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)堿液的循環(huán)量是基于經(jīng)驗的塔板圍堰的高度來保證酸氣和堿液的接觸時間，通過經(jīng)驗的堰流強度計算出各段堿液的循環(huán)量。

（4）塔徑由氣速（參照已有裝置的統(tǒng)計數(shù)據(jù)）決定（裂解氣量已定），塔高由塔板數(shù)確定。

2 設(shè)計要點

2.1 堿洗溫度

增加洗滌塔的操作溫度有利于減少所需塔板數(shù)量。然而，雖然升高洗滌塔的溫度有利于降低塔高，但是洗滌塔溫度不能過高，否則將導(dǎo)致裂解氣中重烴的聚合，聚合物會堵塞設(shè)備和管道，影響裝置的正常操作。另外，熱堿溫度高于50 ℃時會腐蝕設(shè)備。因此，堿洗塔的溫度通常控制在40 ℃左右。

2.2 堿洗壓力

提高堿洗塔的操作壓力有利于CO2的吸收，但是壓力過高會使裂解氣中重烴的露點升高，重烴在堿洗塔中冷凝。因此一般的堿洗操作壓力通?？刂圃?0.8～1.5 MPa。

2.3 吸收堿液濃度

提高堿液濃度有利于CO2的吸收，但是由于吸收速率直接受氣液相接觸面積的影響，增加濃度可以減少新鮮堿液加入量和排出量，為了不影響氣液相的良好接觸，需要增加循環(huán)次數(shù)，從而增加了操作費用。另外，堿液濃度的提高，還受Na2CO3在洗滌液中溶解度的限制。堿液濃度提高會降低Na2CO3的溶解度，一旦Na2CO3析出，會影響吸收的正常操作。因此為了保證堿洗塔的正常運行，通常選擇堿液質(zhì)量分數(shù)為5%～10%。

堿液濃度確定后，就可以確定堿洗塔的尺寸。堿洗塔的塔板數(shù)取統(tǒng)計數(shù)據(jù)的大者（例如30 塊），水洗段一般是5 塊泡罩板，板間距取統(tǒng)計值，這樣可以確定總的塔高。在塔徑、塔高確定以后，結(jié)合操作壓力、溫度，就可以確定塔設(shè)計。該塔最好用板式塔，因為填料塔投資高，清除黃油也使操作費用大。

在流程設(shè)計中，需要考慮進入堿洗塔的裂解氣加熱到45 ℃左右，比前一段壓縮排出罐的溫度高3～5 ℃，以防止烴類在塔中吸收反應(yīng)過程中的冷凝。裂解氣經(jīng)過加熱后進入堿洗塔底部，在堿洗塔中自下而上流動，與從上部淋下來的堿液逆向接觸。同時為了捕集堿液，在堿洗塔上部會設(shè)置一個水洗段，凈化后的裂解氣從塔頂引出。廢堿液從塔底排出，進入脫氣槽，脫除溶解在廢堿液中的輕烴。廢堿液經(jīng)過中和處理后排出他用。

即使在常溫操作條件下，裂解氣中的不飽和烴類仍然會發(fā)生聚合，產(chǎn)生的聚合物會累積在塔釜。通常這些聚合物為液體，但其與空氣接觸容易形成黃色固體，通常稱為“黃油”。黃油的形成可能造成堿洗塔塔釜和廢堿罐的堵塞，也給廢堿處理帶來麻煩。由于高的操作溫度會導(dǎo)致不飽和烴類的聚合，所以要選擇合適的堿洗塔操作溫度，在不導(dǎo)致烴類冷凝的基礎(chǔ)上盡量少地產(chǎn)生黃油。在實際的乙烯生產(chǎn)中，黃油的產(chǎn)生不能完全避免，黃油如果長時間不排除，會產(chǎn)生紅油。通常，黃油的產(chǎn)生量為每天幾桶，在設(shè)計中要考慮撇油器，在黃油生成之后盡快將其排出。

另外，在堿洗操作中需要避免氧氣的引入，所以塔頂?shù)乃炊涡枰褂妹撗踔蟮腻仩t給水，同時堿液儲罐的設(shè)計要考慮氮封。此外，可以考慮加入黃油抑制劑來減少或抑制黃油的產(chǎn)生。在塔頂設(shè)計中，為了保證少的液體夾帶，可設(shè)置絲網(wǎng)除沫器。

3 設(shè)計實例

某MTO 裝置，堿洗進料和處理后產(chǎn)品要求見表2，堿洗塔設(shè)計尺寸見圖2。

表2 堿洗塔進出料物流表

圖2 某裝置堿洗塔詳細尺寸

依據(jù)上文中的常規(guī)設(shè)計要求，該堿洗塔只需處理CO2，但是通常CO2的吸收是堿洗速率的控制因素，所以堿液循環(huán)量和塔板的上清液層高要按照總酸氣負荷進行推算。在考慮上下游及裝置特點的情況下，選擇堿洗塔的操作溫度為45 ℃，其中堿洗段塔板數(shù)為30 塊（強、中、弱堿各10 塊塔板），水洗段為10 塊塔板。新鮮堿液質(zhì)量分數(shù)為10%，中堿段的質(zhì)量分數(shù)為7%，弱堿段堿液質(zhì)量分數(shù)為2%。酸氣負荷為0.56%，依據(jù)以往項目經(jīng)驗，選擇堿液循環(huán)量為22.5 m3/h，塔板上清液層高為100 mm，其余參數(shù)按照正常塔內(nèi)件水力學參數(shù)選取。

設(shè)計后的堿洗塔于2015 年開車運行，截至目前，操作過程中沒有出現(xiàn)問題。

4 結(jié)語

堿洗塔設(shè)計很難從理論上選擇合適的傳質(zhì)或者反應(yīng)模型來計算，然而通過總結(jié)已知專利商數(shù)據(jù)，在充分理解堿洗塔設(shè)計要點的前提下，通過回歸出酸氣負荷來進行堿洗塔設(shè)計，省時省力。這個堿洗塔設(shè)計過程可以應(yīng)用于乙烯工藝包開發(fā)，以及近些年的MTO 分離工藝包的開發(fā)。