旋流板除沫器在變壓吸附系統的應用

張德興

(山西晉城煤業集團晉豐公司　山西高平 048400)

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旋流板除沫器在變壓吸附系統的應用

張德興

(山西晉城煤業集團晉豐公司山西高平 048400)

山西晉城煤業集團晉豐公司變壓吸附系統于2010年8月1日試車并投運，設計處理氣量為12 000 m3/h(標態)，原料氣來自2套“18·30”裝置變脫系統變脫閃蒸槽閃蒸氣和脫碳系統高壓閃蒸氣。由于變脫閃蒸氣和脫碳高壓閃蒸氣中有霧沫夾帶，造成活性炭過濾罐中活性炭和吸附塔內吸附劑的活性降低，甚至失活，影響變壓吸附系統長周期穩定運行。

1　變壓吸附系統工藝流程

壓力0.55～0.65 MPa、溫度20～25 ℃ 的變脫氣進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入原料氣混合罐混合，進一步分離水后進入活性炭過濾器，再送入吸附塔，由下而上通過吸附塔床層，出塔產品氣送入產品氣緩沖罐，然后返回合成氨壓縮機二段入口。當被吸附雜質的濃度前沿接近床層出口氣體中濃度時，關閉吸附塔混合氣入口閥和產品氣出口閥，使其停止吸附，通過3次均壓充分回收床層死空間的產品氣，再逆著吸附方向降壓，易吸附組分被釋放出來，吸附劑得到初步再生。通過抽真空進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品氣罐，直接并入脫碳低壓閃蒸氣二氧化碳總管后再進入尿素系統。抽真空結束后，利用原料氣順向升壓至接近吸附壓力，吸附床便開始進入下一個吸附循環過程。

2　變壓吸附系統主要設備及運行參數

變壓吸附系統主要設備參數見表1。

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

表1　變壓吸附系統主要設備參數

3　實際運行中存在的問題

實際運行過程中發現，變壓吸附預處理分離罐、活性炭過濾器導淋排出物較多。經取樣分析，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變脫閃蒸槽頂部無除沫裝置；②變換氣脫硫裝置壓差波動，造成閃蒸槽壓力和液位波動；③脫碳高壓閃蒸槽頂部設有絲網除沫器，閃蒸氣經分離器后送往變壓吸附預處理，霧沫夾帶可以忽略。

4　變壓吸附系統改造方案

4.1除沫器的選擇

在變脫閃蒸槽頂部加裝除沫器，但在系統運行期間不能進行，因此，在不影響合成氨系統正常運行條件下，決定對變壓吸附系統進行停車處理，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二段進口流程，在變壓吸附預處理原料氣混合罐頂部絲網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；絲網除沫器是由金屬絲或塑料絲編結而成，能除去5 μm以上的液滴，壓降≤250 Pa，但造價較高；旋流板除沫器壓降為300 Pa以下，其造價比絲網除沫器便宜，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旋流板除沫器設計參數的選擇

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，設計取Dm=850 mm。

葉片數m:由于原料氣混合罐直徑偏小，設計取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，設計取β=arcsin(Dm/Dx)=58.2°。

葉片仰角α：葉片仰角22.5°～30.0°，設計取α= 25.0°。

計算穿孔面積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。

計算穿孔動能因子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。將數值代入后求得Fo=10.281 kg1/2/(m1/2·s)。

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

罩筒高度初定值Hz：Hz=(πDxsinα)/m+δcosα，將數值代入后求得Hz=0.086 m。為了改善氣液分離效果，當要求外沿處2個相近的葉片與罩筒相交線的水平投影相接或部分重疊時，罩筒高度需在Hz基礎上加一增量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。當要求外沿處2個相近的葉片與罩筒相交線的水平投影相接時，Δ=πDxtanα/m-e-δ；當要求外沿處2個相近的葉片與罩筒相交線的水平投影有部分重疊時，Δ>πDxtanα/m-e-δ。設計時，按外沿處2個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個圓形溢流口，圓周分布，溢流管為Ф 20 mm無縫鋼管。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：由半經驗式Δp≈19.615Fo2/2g+17.655Foμs+19.615求解，其中g=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圖1。

圖1　旋流板除沫器示意

5　改造后運行效果

改造后，運行效果明顯，原料氣混合罐日排出溶液約 70 m3，第1活性炭過濾罐導淋有微量液體排出，第2活性炭過濾罐導淋未見液體排出，活性炭過濾器活性炭更換頻次由原1年3次變為現在的1年1次，吸附塔吸附劑吸收效果正常。變壓吸附系統利用離心分離作用的離心旋流板除沫器運行效果相當理想，脫氣霧沫夾帶造成的吸附劑失活問題得到解決，進而保證了變壓吸附系統長周期穩定運行。

2015- 08- 22)