变换冷凝液汽提净化改进工艺

陈 莉

(中国石化宁波工程有限公司，浙江 宁波 315103)

变换冷凝液是一氧化碳变换装置的高温变换气经降温冷凝后的产物，其主要成分是水、二氧化碳、氨、硫化氢及微量一氧化碳、氢等。在一氧化碳变换工艺中，通常要设置冷凝液汽提系统，目的是用蒸汽汽提的方法将变换冷凝液中含有的硫化氢、氨、二氧化碳等杂质汽提出来，得到净化的变换冷凝液。被汽提出的含有二氧化碳、硫化氢、氨和水蒸气的酸性气体一般是经冷却分出凝液后送至下游硫磺回收装置处理。酸性气中由于氨的存在，当温度较低时，其中的氨、二氧化碳、水蒸气将会发生反应生成碳铵结晶，造成管道和设备堵塞。如果这些酸性气送至下游的硫磺回收装置处理，则硫回收装置必须采用烧氨工艺才能接收。因此，对于变换冷凝液汽提系统，虽然得到净化的变换冷凝液是主要目标，但是为了避免酸性气输送过程中产生碳铵结晶，以及酸性气中的氨对下游硫回收装置的不良影响，应尽量除去变换酸性气中的氨。

1 应用较多的变换冷凝液汽提净化工艺

目前，成熟的变换凝液单塔汽提工艺主要有单塔汽提工艺和双塔汽提工艺。

单塔汽提仅采用一个汽提塔，用蒸汽汽提的方式将变换凝液中的杂质汽提出来，塔底部得到净化的变换冷凝液；塔顶部含有二氧化碳、氨、硫化氢、蒸汽等杂质的酸性气经换热冷凝后进入分离器，顶部酸性气排出界外至硫回收，底部凝液排至污水处理。单塔汽提工艺流程见图1。单塔汽提的流程简单，但由于未除去外排酸性气中的氨，因而应用效果不佳。

双塔汽提工艺是用两个上下重叠设置的汽提塔对变换冷凝液进行汽提，上塔为二氧化碳汽提塔，下塔为氨汽提塔。上塔的塔底通入氨汽提塔上部产出的二次蒸汽作为汽提蒸汽，将大部分的二氧化碳汽提出来，含有少量二氧化碳和大部分氨的液相再进入下塔，该塔塔底用低压蒸汽进行汽提，塔底得到高温的净化变换凝液，可送出装置回用[1]。

二氧化碳汽提塔顶部产出气体的主要组分是二氧化碳、水蒸气，以及部分硫化氢和少量的氨等，经冷凝后进入分离器分离水，底部凝液可送至污水处理场，顶部酸性气排出界区。氨汽提塔顶产出气体的主要组分是氨、水蒸气以及部分硫化氢和少量二氧化碳等，先经换热冷凝冷却至一定的温度后进入第一分离器，分离出的凝液主要是水，且氨含量很低，作为回流返回氨汽提塔上部；第一分离器顶部的气相再继续换热冷凝冷却至40～50℃后进入第二分离器，在该分离器中，基本上所有的氨、硫化氢等均随水蒸气冷凝至液相中进入分离器底部，分离器顶部仅有很少量的气相，且基本不含氨，这股酸性气可与二氧化碳汽提塔顶的酸性气合并后一起排出界外。底部的凝液可送至污水处理场。

双塔汽提工艺是利用了二氧化碳、硫化氢比氨更容易挥发的特点，通过两个汽提塔，先在一个塔中将变换冷凝液中的大部分二氧化碳和硫化氢汽提出来，该股气体中氨含量很少；然后再在另一个塔中将氨汽提出来，由于汽提出的氨中含有的二氧化碳和硫化氢很少，因此，经冷凝冷却后大部分的氨均随水蒸气冷凝至液相中，这样，其顶部外排酸性气中的氨含量也很少。因此，外排酸性气中氨的总含量即可降至很低水平，基本可以避免因酸性气在输送过程中形成碳铵结晶而堵塞管道的现象。酸性气送入硫回收装置时，其中少量的氨对硫回收装置也不会造成大的影响。因此，目前该工艺在变换系统中应用最多。

该工艺采用了两个汽提塔，且流程中包含多个分离器、冷却器、塔顶回流等，因此流程较为复杂，且也只能将酸性气中的氨降至较低水平，并未完全去除。双塔汽提工艺流程见图2。

2 变换冷凝液汽提净化改进工艺

从上述的变换冷凝液汽提净化工艺来看，无论单塔汽提工艺还是双塔汽提工艺，对变换冷凝液的汽提效果都很好，均能得到合格的变换净化凝液，二者的区别就是酸性气的含氨状况。单塔汽提工艺流程简单，但不能除去酸性气中的氨，导致应用效果不好；双塔汽提工艺流程复杂，但能够将酸性气中的氨降至很低水平，因而得到了较好的应用。可见，对于变换冷凝液汽提净化工艺，通过汽提得到合格的变换净化凝液已不存在问题，而除去酸性气中的氨以避免堵塞输送管线和避免对下游硫回收装置造成不良影响，是该工艺应重点解决的问题。为了彻底解决酸性气中携带氨的问题，也为了简化变换冷凝液汽提净化工艺，本次改进工艺仍以单塔汽提工艺为基础，希望以更简单的方法解决变换酸性气中含氨的问题。

2.1 分析变换酸性气氨组份的特点

变换酸性气的主要组分为二氧化碳、氨、硫化氢、水蒸气、少量氢及一氧化碳等。在上述酸性气的介质中，氨与其他介质相比有其特殊的性质，即其在常温水中的溶解度最大。表1列出了不同温度下100g水中溶解的气体质量[2]。

表1 不同温度下100g水中溶解的气体质量

从表1可以看出，在20～40℃范围内，氨在水中的溶解度比硫化氢和二氧化碳要大百倍以上。利用酸性气中氨的这个特性，理论上分析，如果用水对氨气进行吸收，除氨效果应该很好。从这个角度出发，可以考虑用常温水洗涤变换酸性气来除去其中的氨。

2.2 变换冷凝液汽提改进工艺方案的确定

本次利用氨极易溶于水的特性，对单塔汽提工艺进行进一步改进，使其能够除去外排酸性气中的氨。基体的改进技术方案如下： 将单塔汽提工艺流程中的酸性气分离器适当加高，并在内增设几块塔板，将其改成酸性气分离洗涤塔，同时兼顾酸性气凝液分离和洗涤酸性气的功能。在洗涤塔上部通入常温水对酸性气进行洗涤。洗涤水可利用汽提塔底产出的变换净化凝液，但由于该凝液温度较高，基本达到140℃左右，因此，本方案中，将汽提塔底的变换净化凝液分出一小股，用脱盐水冷却至40℃后，送至洗涤塔上部作为洗涤水，被加热的脱盐水可送至变换装置内的除氧槽，这样也充分利用了变换净化凝液的热量。对于各类变换装置，汽提塔顶的高温酸性气经冷凝分水后的量都非常少，且由于氨在较低温度下极易溶于水，因此，洗涤酸性气需要的水量并不多，洗涤塔内需增设的塔板数量也不多，大概4～6块即可。通过在塔盘上的汽液接触，含氨的酸性气上行至塔顶时，其中的氨基本溶于洗涤水中，洗涤塔顶部酸性气也基本降至与洗涤水接近的温度。经水洗涤后的酸性气基本不含氨，避免了铵盐结晶物的产生，可直接送至界外。洗涤酸性气后的脱盐水进入洗涤塔下段塔底，与分离出的酸性气凝液一起从塔底排出，冷却后送至界外或其他污水处理设施。变换冷凝液汽提净化改进工艺流程见图3。

以某厂变换装置对该工艺的应用为例，其流程简述如下：自变换来的约80℃的混合冷凝液与汽提塔顶约145℃的高温酸性气换热至约115℃后，进入冷凝液汽提塔上部，在汽提塔下部通入0.4MPa(g)/152℃的低压饱和蒸汽进行汽提，将变换冷凝液中的杂质(主要是氨、硫化氢、二氧化碳等)汽提至塔顶，塔底得到约150℃的变换净化凝液；汽提塔顶的酸性气与混合冷凝液换热冷却至75℃左右后，进入酸性气洗涤分离塔下部，该温度不宜低于70℃，以免酸性气形成碳铵结晶。汽提塔顶酸性气的凝液进入洗涤分离塔下部，剩余的酸性气上行穿过塔板层或塔盘，与洗涤分离塔顶部进入的经脱盐水冷却至40℃的变换净化凝液逆流充分接触，由于常温下气氨极易溶于水，因此，通过在塔板上的汽液接触，含氨的酸性气上行至塔顶时，其中的氨基本溶于水中了，同时酸性气的温度也基本降至40℃左右。经水洗涤后的酸性气基本不含氨，避免了铵盐结晶物的产生，可直接送至界外。洗涤酸性气后的水进入洗涤塔下段塔底，与分离出的酸性气凝液一起从塔底排出，冷却后送至界外或其他污水处理设施。

以该厂变换装置为例，变换冷凝液处理量为65t/h，变换冷凝液采用上述改进流程和双塔汽提流程分别计算的酸性气组成见表2。

由表2数据可见，采用双塔汽提的酸性气中还含有少量的氨且水汽含量低，但采用改进工艺经洗涤后的酸性气中已不含氨，且水汽含量低。

3 改进工艺与双塔汽提工艺的对比

在现行的变换冷凝液汽提工艺中，双塔汽提工艺因其能够将酸性气中的氨降至很低水平，虽然流程较为复杂却也得到了很好的应用。但本次改进的冷凝液汽工艺是在单塔汽提工艺的基础上进行改进的，且与单塔汽提工艺相比，没有增加设备数量，只是对酸性气分离器进行了改进，通过增加少量塔板和洗涤水使其变成了酸性气洗涤分离塔，与原分离器相比，设备直径没有增加，只是适当增加了高度。以上述举例的某厂变换装置为例，改进工艺与双塔汽提工艺的综合比较见表3。

从表3的数据可以看出，对于上述变换装置，采用改进工艺在以下几方面具有明显优势。

(1)除氨效果：改进工艺利用了对氨吸收洗涤的方法，对氨的去除更彻底。

(2)流程复杂程度和设备数量：双塔汽提工艺需要2个汽提塔，且下塔有回流，因此配套的冷却、分离、泵设备等设施较多；改进后的工艺采用一个汽提塔及冷却设施，无回流，且酸性气的分离和洗涤也集于一台设备中，常温水在洗涤酸性气的同时，也起到了良好的降温作用，因此，流程相对简单，能减少4台设备。

(3)投资和占地。采用改进工艺投资可节省约120万元，占地面积可减少约70m2。

(4)消耗。双塔汽提工艺采用两个汽提塔且有回流，因此，蒸汽、冷却水及电的消耗相对较高；改工艺只有一个汽提塔且无回流，因此，改进工艺的总体消耗更低。采用改进工艺后，年操作费用可减少约70万元。

可见，与双塔汽提工艺相比，改进的汽提工艺从除氨效果、流程复杂程度、设备数量、占地、投资、操作成本等方面均更具优势。

4 变换冷凝液汽提改进工艺的应用

变换冷凝液汽提改进工艺已应用于某厂煤焦气化的变换装置。装置正常运行两年，变换冷凝液汽提系统运行良好，变换酸性气一直连续送至未设置烧氨工艺的硫回收装置处理，酸性气管线或设备均未出现结晶堵塞现象，硫回收装置的运行也均未受到变换酸性气的不良影响。变换装置外排酸性气的现场分析数据见表4。

表4 变换外排酸性气的氨含量

5 结语

本次对变换冷凝液汽提净化工艺在理念上进行了改进，充分利用了酸性气中氨介质在水中溶解度较大、极易溶于水这一不同于与其他介质的特性，将吸收净化的方式引入变换冷凝液汽提净化工艺中，采用常温的变换净化凝液洗涤变换酸性气，彻底除去了其中的氨。与目前应用较好的变换凝液双塔汽提工艺相比，其具有流程更简单、酸性气除氨效果更好、设备数量、占地、消耗、投资均有较大程度降低的特点，且彻底解决了变换酸性气易结晶堵塞以及因含氨而无法送入下游硫回收单元处理的问题。改进工艺已申请专利且工业应用运行情况良好，值得在今后变换装置冷凝液汽提系统中推广应用。