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      變壓吸附制氫裝置噪聲分析與控制技術(shù)研究*

      2012-01-10 01:53:22卜令兵殷文華曾凡華李克兵郜豫川
      低溫與特氣 2012年3期
      關(guān)鍵詞:消聲變壓程控

      卜令兵,殷文華,曾凡華,李克兵,郜豫川

      (四川天一科技股份有限公司變壓吸附分離工程研究所,成都 610225)

      變壓吸附制氫裝置噪聲分析與控制技術(shù)研究*

      卜令兵,殷文華,曾凡華,李克兵,郜豫川

      (四川天一科技股份有限公司變壓吸附分離工程研究所,成都 610225)

      對變壓吸附制氫系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲的原因以及噪聲源進行了分析,提出解決系統(tǒng)噪聲的途徑:優(yōu)化工藝過程,增加隔聲裝置和消聲裝置,優(yōu)化管道消聲器結(jié)構(gòu)。計算結(jié)果顯示,優(yōu)化后的管道消聲器的性能與原管道消聲器相比有了大幅提高。

      變壓吸附;氫氣;噪聲;消聲器;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

      變壓吸附是獲得氫氣的一個重要途徑,可以從多種含氫氣源中將氫氣提純,并以其適應(yīng)壓力范圍大 (0.5~10.0 MPa)、能耗低、自動化程度高、開停車方便等特點,廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、能源、環(huán)保等領(lǐng)域。四川天一科技股份有限公司在吸附工藝、吸附劑、吸附塔結(jié)構(gòu)、程控閥、控制系統(tǒng)以及管路計算方面做了大量的研究工作[1-4],保證了大型變壓吸附制氫裝置長期穩(wěn)定高效的運行。

      隨著變壓吸附制氫裝置的大型化和環(huán)保要求的提高,裝置所產(chǎn)生的噪聲被越來越多的關(guān)注,因此,本文對變壓吸附制氫裝置噪聲的產(chǎn)生和控制進行了深入分析。

      1 變壓吸附制氫系統(tǒng)噪聲分析

      1.1 變壓吸附制氫系統(tǒng)

      變壓吸附制氫主要是利用吸附質(zhì)在吸附劑上的平衡吸附容量差異,以及吸附量隨壓力增加而增加的特性,通過周期性的壓力變化實現(xiàn)吸附和解吸過程的交替進行,從而實現(xiàn)氫氣提純的目的。一般的變壓吸附制氫工藝包括吸附、多級均壓降壓、順放、解吸、多級均壓升等步驟,解吸步驟包括逆放、沖洗或抽空等過程。其中壓力變化步驟主要在均壓步驟、順放步驟和逆放步驟。

      變壓吸附制氫系統(tǒng)主要包括吸附塔、管道、程控閥、順放罐和逆放緩沖罐等,其中程控閥完成控制系統(tǒng)發(fā)出的指令,去實現(xiàn)各個步驟。在壓力變化步驟的初期,系統(tǒng)的壓差比較大,因此在塔內(nèi)和管路系統(tǒng)中會產(chǎn)生很大的流速,從而產(chǎn)生非常大的噪聲。以某50 000 Nm3/h變壓吸附制氫裝置的均壓為例,第一步均壓時系統(tǒng)中壓力和流速的分布如圖1所示。由圖1可以看出在兩吸附塔出口的主管路里氣流的速度較低,而在兩程控閥之間的均壓管路里流速很高,都達到了超音速,系統(tǒng)的壓力降也主要集中在兩程控閥之間,而程控閥的阻力系數(shù)較大,在部分均壓過程中,其阻力占到總阻力的一半以上,因此程控閥也是壓力變化比較大的地方。在變壓吸附的瞬態(tài)過程中,隨著壓力的逐步降低,氣體密度的不斷減小,過程開始時的系統(tǒng)流速將逐步增加[2]。

      圖1 PSA提氫一均時系統(tǒng)壓力和速度的分布Fig.1 The distribution of pressure and velocity when PSA-H2 1ED

      1.2 變壓吸附制氫噪聲源

      按照噪聲的發(fā)生原因,噪聲分為三類:空氣動力性噪聲、機械性噪聲和電磁噪聲??諝鈩恿π栽肼暿怯捎跉怏w振動而產(chǎn)生的,當氣體中產(chǎn)生了渦流或發(fā)生了壓力突變等情況,就會引起氣體的擾動,由于氣體的擾動而產(chǎn)生的噪聲,就稱作空氣動力性噪聲。對比變壓吸附制氫系統(tǒng),噪聲主要是在瞬態(tài)過程中由于高速氣流而產(chǎn)生的空氣動力性噪聲和氣流沖擊產(chǎn)生的機械振動性噪聲。其中,在閥門處流場的變化較為復(fù)雜,不僅產(chǎn)生渦流,同時高速氣流沖擊閥體。因此,在閥門處將產(chǎn)生強度較大的空氣動力性噪聲,通過對某變壓吸附提純裝置中均壓時閥門處的噪聲計算顯示,在管壁外1 m處的噪聲加權(quán)聲級為113 dB(A)[5]。

      在緩沖罐內(nèi),氣體流通面積的突然放大,就產(chǎn)生了類似于管道放空的噪聲;這是由于管道內(nèi)高速噴出的氣流沖擊和剪切周圍靜止氣體,引起劇烈的氣體擾動而產(chǎn)生的。這種噪聲稱為噴注噪聲。

      2 變壓吸附制氫裝置噪聲控制

      噪聲是由聲源—傳播途徑—受者三方面構(gòu)成。噪聲控制的各種措施,也主要是針對上述三方面而提出的。變壓吸附制氫裝置噪聲控制中,可以采用工藝手段降低聲源噪聲,控制噪聲的傳播途徑。

      2.1 噪聲源的控制

      變壓吸附制氫裝置中的兩個主要噪聲源是閥門和緩沖罐,都是由于高速氣流產(chǎn)生的。因此,通過優(yōu)化變壓吸附制氫工藝,降低瞬態(tài)過程中的流速就可以大為降低噪聲。

      對于均壓過程,適當延長均壓時間,降低均壓時氣流的速度,部分變壓吸附制氫裝置的均壓時間在15 s以內(nèi),而一般的設(shè)計值是20~30 s。因此,通過準確的管路計算,將均壓時間控制在25 s左右,均壓時的最高流速降低將近50%,均壓時閥門產(chǎn)生的噪聲也將大為降低。此外,均壓時閥門如果采用調(diào)節(jié)閥也可以大幅降低均壓時的最大流速,從而降低噪聲。

      對于逆放和順放工序,在總管增加調(diào)節(jié)閥,控制氣體的釋放速度來降低噪聲。研究表明,噴注噪聲與氣流速度的8次方成正比[6]。

      2.2 傳播途徑的控制[7-8]

      1.隔聲。隔聲是噪聲控制中一個比較傳統(tǒng)的方法,其原理是用高密度、高比重的材料將聲源封閉起來,從而使聲源的噪聲不影響到其他環(huán)境等。然而,要達到很好的隔聲效果要根據(jù)噪聲源的頻率特征,設(shè)計合理的隔聲結(jié)構(gòu)和有效的隔聲材料。

      2.消聲。在噪聲控制技術(shù)中,消聲器是應(yīng)用最多最廣的降噪設(shè)備,既可使氣流順利通過并有效降低噪聲,也是具有吸聲內(nèi)襯或有效降低噪聲的特殊結(jié)構(gòu)形式氣流管道,廣泛應(yīng)用于各類動力設(shè)備的進排氣口消聲以及放空排氣消聲。根據(jù)消聲器的原理、形式以及性能,可以分為阻性、抗性、復(fù)合式及共振式。在閥門處增加管道消聲器,在緩沖罐內(nèi)增加噴注式放空消聲器,可以降低系統(tǒng)的噪聲。

      2.3 開發(fā)高性能管道消聲器

      對于工業(yè)變壓吸附裝置而言,在程控閥門后安裝消聲器可以起到降低噪聲的效果,然而,由于管道的空間有限,對消聲器的結(jié)構(gòu)有很大的限制,目前主要采用的是一種類似小孔消聲器的結(jié)構(gòu)。變壓吸附制氫瞬態(tài)過程中的瞬時流速很大,消聲器的消聲量有限,主要是由于閥門處產(chǎn)生的空氣動力學(xué)噪聲不僅噪聲強度較大,而且頻率范圍也比較寬,而常用的管道消聲器消聲頻率范圍比較窄。

      圖2是采用數(shù)值模擬計算得到的某管道消聲器的特性曲線,由圖2可以看出,該管道消聲器僅在1080~1220 Hz的消聲量達到15 dB(A)以上,最大消聲量為35.2 dB(A)。

      結(jié)構(gòu)優(yōu)化是提高消聲器性能的有效途徑,圖3是結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的消聲器特性曲線,由圖3可以看出,該消聲器的消聲性能大幅提高,740~1995 Hz的消聲量達到15 dB(A)以上,最大消聲量達115 dB(A)。

      3 小 結(jié)

      隨著變壓吸附制氫裝置的大型化,裝置的噪聲越來越受到人們的重視,通過優(yōu)化變壓吸附的工藝管道和工藝過程,實施隔聲和消聲技術(shù),可以有效降低裝置的噪聲。針對目前管道消聲器消聲效果不好的實際狀況,通過模擬計算的方法優(yōu)化后的管道消聲器消聲性能得到大幅的提高。

      [1]李克兵,曾凡華,殷文華,等.帶兩個順放罐的變壓吸附制氫新技術(shù) [J].天然氣化工,2009,(34)2: 60-63.

      [2]卜令兵,李克兵,張杰,等.變壓吸附系統(tǒng)流體力學(xué)研究[C]//2011年全國天然氣化工與碳一化學(xué)信息中心變壓吸附網(wǎng)三屆三次全網(wǎng)大會暨技術(shù)交流會論文集.成都:全國天然氣化工與碳一化學(xué)信息中心變壓吸附網(wǎng)秘書處,2011:49-56.

      [3]卜令兵,郜豫川,李克兵,等.氣體分布器流場測量[C]//2011年全國天然氣化工與碳一化學(xué)信息中心變壓吸附網(wǎng)三屆三次全網(wǎng)大會暨技術(shù)交流會論文集.成都:全國天然氣化工與碳一化學(xué)信息中心變壓吸附網(wǎng)秘書處,2011:57-61.

      [4]周曉峰,李英.變壓吸附工藝多塔任意切換控制方案在OMRON中PLC控制系統(tǒng)上的實現(xiàn)[J].廣東化工,2001(4):47-49.

      [5]蘇超.變壓吸附管道流體力學(xué)特性研究 [D].煙臺:山東科技大學(xué),2010.

      [6]潘敦銀,王勇.高壓排氣放空噪聲及消聲設(shè)計 [J].安全、環(huán)境和健康,2002,2(3):18-19.

      [7]洪有明,儀垂杰,劉志紅,等.某煤壓機房外煤氣管道的噪聲治理[J].能源與環(huán)境,2009(1):88-89.

      [8]陳永生,武萍.噪聲防治在化工裝置中的研究應(yīng)用[J].油氣田環(huán)境保護,2009(19):43-44.

      Analysis of Noise of PSA-H2Device And Research on Its Control

      BU Lingbing,YINWenhua,Zeng Fanhua,LIKebing,GAO Yuchuan

      (PSA Business Group,Sichuan Tianyi Science and Technology Co.,Ltd.,Chengdu 610225,China)

      The article analysis the causes ofnoise and noise source of PSA-H2,proposeways to solve the system noise:optimization process,increased sound insulation device and noise elimination device,optimization themuffler structure.The simulation results show that themuffler's performance is improved sharply through structure optimization.

      pressure swing adsorption;hydrogen;noise;muffler;structure optimization

      TQ051.8+6

      A

      1007-7804(2012)03-0025-03

      10.3969/j.issn.1007-7804.2012.03.006

      2011-12-08

      卜令兵 (1978),男,河南滑縣人,從事變壓吸附技術(shù)的研究開發(fā)與工程應(yīng)用,E-mail:blb_ustb@sina.com。

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