張德興

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán)晉豐公司　山西高平 048400)

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旋流板除沫器在變壓吸附系統(tǒng)的應(yīng)用

張德興

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán)晉豐公司山西高平 048400)

山西晉城煤業(yè)集團(tuán)晉豐公司變壓吸附系統(tǒng)于2010年8月1日試車并投運(yùn)，設(shè)計(jì)處理氣量為12 000 m3/h(標(biāo)態(tài))，原料氣來(lái)自2套“18·30”裝置變脫系統(tǒng)變脫閃蒸槽閃蒸氣和脫碳系統(tǒng)高壓閃蒸氣。由于變脫閃蒸氣和脫碳高壓閃蒸氣中有霧沫夾帶，造成活性炭過(guò)濾罐中活性炭和吸附塔內(nèi)吸附劑的活性降低，甚至失活，影響變壓吸附系統(tǒng)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

1　變壓吸附系統(tǒng)工藝流程

壓力0.55～0.65 MPa、溫度20～25 ℃ 的變脫氣進(jìn)入變脫閃蒸氣分離器，然后與壓力0.40～0.50 MPa、溫度4～8 ℃的高壓閃蒸氣一并進(jìn)入原料氣混合罐混合，進(jìn)一步分離水后進(jìn)入活性炭過(guò)濾器，再送入吸附塔，由下而上通過(guò)吸附塔床層，出塔產(chǎn)品氣送入產(chǎn)品氣緩沖罐，然后返回合成氨壓縮機(jī)二段入口。當(dāng)被吸附雜質(zhì)的濃度前沿接近床層出口氣體中濃度時(shí)，關(guān)閉吸附塔混合氣入口閥和產(chǎn)品氣出口閥，使其停止吸附，通過(guò)3次均壓充分回收床層死空間的產(chǎn)品氣，再逆著吸附方向降壓，易吸附組分被釋放出來(lái)，吸附劑得到初步再生。通過(guò)抽真空進(jìn)一步解吸吸附劑上殘留的高濃度二氧化碳，吸附劑得到完全再生，而抽真空的二氧化碳被送至二氧化碳產(chǎn)品氣罐，直接并入脫碳低壓閃蒸氣二氧化碳總管后再進(jìn)入尿素系統(tǒng)。抽真空結(jié)束后，利用原料氣順向升壓至接近吸附壓力，吸附床便開(kāi)始進(jìn)入下一個(gè)吸附循環(huán)過(guò)程。

2　變壓吸附系統(tǒng)主要設(shè)備及運(yùn)行參數(shù)

變壓吸附系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1。

混合氣組分(體積分?jǐn)?shù))：CO 2.8%，CO268.0%，H221.4%，N27.5%，O20.4%。標(biāo)況混合氣密度為1.50 kg/m3，標(biāo)況氣量約為12 000 m3/h(標(biāo)態(tài))，工況下氣量約為2 693 m3/h(標(biāo)態(tài))，進(jìn)原料氣混合罐壓力約為400 kPa(表壓)，進(jìn)罐溫度約為20 ℃。

表1　變壓吸附系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)

3　實(shí)際運(yùn)行中存在的問(wèn)題

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，變壓吸附預(yù)處理分離罐、活性炭過(guò)濾器導(dǎo)淋排出物較多。經(jīng)取樣分析，判斷為變脫閃蒸氣中有霧沫夾帶，變脫溶液損失偏大，物料消耗高。原因：①變脫閃蒸槽頂部無(wú)除沫裝置；②變換氣脫硫裝置壓差波動(dòng)，造成閃蒸槽壓力和液位波動(dòng)；③脫碳高壓閃蒸槽頂部設(shè)有絲網(wǎng)除沫器，閃蒸氣經(jīng)分離器后送往變壓吸附預(yù)處理，霧沫夾帶可以忽略。

4　變壓吸附系統(tǒng)改造方案

4.1除沫器的選擇

在變脫閃蒸槽頂部加裝除沫器，但在系統(tǒng)運(yùn)行期間不能進(jìn)行，因此，在不影響合成氨系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下，決定對(duì)變壓吸附系統(tǒng)進(jìn)行停車處理，即采用變脫閃蒸氣返回氣柜和脫碳高壓閃蒸氣返回壓縮機(jī)二段進(jìn)口流程，在變壓吸附預(yù)處理原料氣混合罐頂部絲網(wǎng)除沫器下加裝除沫裝置。常用的除沫裝置有折板除沫器、絲網(wǎng)除沫器、旋流板除沫器等。折板除沫器阻力較小(50～100 Pa)，但只能除去50 μm以上的液滴；絲網(wǎng)除沫器是由金屬絲或塑料絲編結(jié)而成，能除去5 μm以上的液滴，壓降≤250 Pa，但造價(jià)較高；旋流板除沫器壓降為300 Pa以下，其造價(jià)比絲網(wǎng)除沫器便宜，除沫效果比折板除沫器要好。因此，決定在原料氣混合罐加裝離心旋流板除沫器。

4.2旋流板除沫器設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇

葉片外徑Dx：通常D=(1.1～1.4)Dx；D=2 400 mm，Dx=D/1.2=1 000 mm。

盲板直徑Dm：除霧板盲板直徑越大，霧滴越易于甩至塔壁分離，設(shè)計(jì)取Dm=850 mm。

葉片數(shù)m:由于原料氣混合罐直徑偏小，設(shè)計(jì)取m=16。

徑向角β：除沫器塔板采用“外向板”，即葉片外端的鈍角翹起，可將帶上的液滴拋向塔壁，從而聚集落下，設(shè)計(jì)取β=arcsin(Dm/Dx)=58.2°。

葉片仰角α：葉片仰角22.5°～30.0°，設(shè)計(jì)取α= 25.0°。

計(jì)算穿孔面積Ao：Ao=(π/4)(Dx2-Dm2)×{sinα-2mδ/[π(Dx+Dm)]}，其中δ為葉片厚度，取δ=0.003 m。則求得Ao=0.089 5 m2。

計(jì)算穿孔動(dòng)能因子Fo：Fo=vsρG0.5/Ao，其中vs為工況下氣體流量，ρG為工況下氣體密度。將數(shù)值代入后求得Fo=10.281 kg1/2/(m1/2·s)。

計(jì)算外沿處葉片間距e：e=(πDxsinα)/m-δ，將數(shù)值代入后求得e=0.080 m。

罩筒高度初定值Hz：Hz=(πDxsinα)/m+δcosα，將數(shù)值代入后求得Hz=0.086 m。為了改善氣液分離效果，當(dāng)要求外沿處2個(gè)相近的葉片與罩筒相交線的水平投影相接或部分重疊時(shí)，罩筒高度需在Hz基礎(chǔ)上加一增量Δ。外沿處(罩筒)葉片間的距離e仍不改變，只是葉片的寬度略有增加。當(dāng)要求外沿處2個(gè)相近的葉片與罩筒相交線的水平投影相接時(shí)，Δ=πDxtanα/m-e-δ；當(dāng)要求外沿處2個(gè)相近的葉片與罩筒相交線的水平投影有部分重疊時(shí)，Δ>πDxtanα/m-e-δ。設(shè)計(jì)時(shí)，按外沿處2個(gè)相近的葉片與罩筒相交線的水平投影相接考慮，故Δ=0.008 5 m。罩筒高度實(shí)際值Hz=0.086+0.008 5=0.094 5(m)，取Hz=100 mm。

溢流口總面積Ay：Ay=Ls/μs，其中Ls為液體流量，μs為溢流管內(nèi)降液速度(取0.2 m/s)。因之前晉豐公司增加的溶液量為2～4 m3/h，則Ls= 0.001 1 m3/s，代入后求得Ay=0.000 6 m2。

溢流管直徑b:旋流板有4個(gè)圓形溢流口，圓周分布，溢流管為Ф 20 mm無(wú)縫鋼管。圓形溢流管下半部采用U形液封，有效液封高度50 mm左右，溢流管底部出口與水平方向呈30°且靠近塔壁，便于液體沿塔壁流下。受液槽底板到溢流管底的距離H取350 mm。

壓力降Δp：由半經(jīng)驗(yàn)式Δp≈19.615Fo2/2g+17.655Foμs+19.615求解，其中g(shù)=9.81 m/s2，則求得Δp=161.857 Pa。

塔頂氣液分離空間高度Hy取800 mm。為了防止塔壁液膜上爬至塔頂，在塔頂段分離空間內(nèi)壁增加了4條Ф 6 mm圓鋼彎成的螺旋線，使沿壁螺旋上爬的液膜折為螺旋下行。

旋流板除沫器示意見(jiàn)圖1。

圖1　旋流板除沫器示意

5　改造后運(yùn)行效果

改造后，運(yùn)行效果明顯，原料氣混合罐日排出溶液約 70 m3，第1活性炭過(guò)濾罐導(dǎo)淋有微量液體排出，第2活性炭過(guò)濾罐導(dǎo)淋未見(jiàn)液體排出，活性炭過(guò)濾器活性炭更換頻次由原1年3次變?yōu)楝F(xiàn)在的1年1次，吸附塔吸附劑吸收效果正常。變壓吸附系統(tǒng)利用離心分離作用的離心旋流板除沫器運(yùn)行效果相當(dāng)理想，脫氣霧沫夾帶造成的吸附劑失活問(wèn)題得到解決，進(jìn)而保證了變壓吸附系統(tǒng)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

2015- 08- 22)