微旋流分離技術在煉廠工藝過程優化中的應用

毛 航

(中國石油化工股份有限公司鎮海煉化分公司，浙江 寧波 315207)

旋流分離是利用流體旋轉產生的離心力實現非均相體系分離的通用機械分離方法。自1885年第一件氣體旋流分離器(John M.Finch，Dust Collector，US325521)專利、1891年第一件液體旋流分離器專利(Bretney E.，Water Purifier，US453105)面世以來，旋流分離技術的發展經歷了3個階段：1890—1950年的液-固旋流分離階段[1]；1950—2000年的液-液旋流分離階段；2000年以后的離子、分子及其聚集體雜質的旋流分離新階段[2]。第一階段發展受煤、金屬等陸上礦產資源開發的驅動；第二階段發展主要受海洋油田開采及其環境保護的驅動；第三階段受納米技術、環境技術發展的驅動，使旋流分離技術的分離精度由微米級發展到現在的非均相體系中離子、分子及其聚集體等納米級。

目前，旋流分離技術正在微型化道路上快速發展，其分離精度也日益提升，同時超低壓降的旋流分離技術的應用也成了大勢所趨。以煉廠為例，旋流分離器的應用已不僅僅停留在催化裂化工藝過程中大粒徑催化劑的回收利用，而是已拓展至加氫裂化、加氫處理、乙烯裂解等工藝過程中微米級、亞微米級顆粒物的深度捕集，并且在長周期運行過程中已充分證明了旋流分離技術的穩定性和可靠性。

1 氣-液微旋流分離

與其他兩相分離技術相比，氣液旋流分離技術具有壓降低、效率高、設備體積小等優點，被廣泛應用于大氣治理、石油化工及冶金等工業領域[3]。中國石油化工股份有限公司鎮海煉化分公司(以下簡稱鎮海煉化)某些加氫裝置實際運行時，之前的高壓分離器、循環氫脫硫塔入口分液罐、循環氫壓縮機入口分液罐等設備普遍采用重力沉降罐、絲網除沫器、聚結器等分液設施，常常造成分離后氣相仍然帶液，即循環氫氣體夾帶重烴、水等微粒，尤其是夾帶大量重烴油滴時，會直接導致后續循環氫脫硫塔中胺液發泡和跑損。同時，循環氫脫硫塔塔頂絲網除沫器及后續循環氫壓縮機入口分液罐也不能高效回收跑損的胺液，導致循環氫壓縮機直接受到高含液量循環氫氣體的沖擊，不僅運行能耗大幅增加，還存在起跳停車的風險。此外循環氫如果夾帶呈堿性的胺液進入加氫反應器中，也會縮短催化劑的使用壽命。

由于存在上述問題，旋流分離技術逐漸受到了重視，但傳統旋流分離器受制于加氫反應系統的高壓、超高壓操作條件導致操作壓力降太大，如將其內置于高壓設備頂部，液封結構過于冗長，無法合理安裝。如傳統催化裂化采用的旋風分離器1、2級壓力降為20 kPa，3級為15 kPa，如果簡單復制到加氫裝置中，僅液腿長度就將達到10 m，很難合理地安裝到高壓設備內部。

在此背景下，開發了低能耗型氣-液微旋流分離器[4-5]。在標準狀況下，空氣介質中的額定操作壓力降僅為150～250 Pa，相應的液腿中液封柱高度為15～25 mm，液腿長度則只需要15～25 mm。如運用到操作壓力達到15 MPa的渣油加氫處理裝置的循環氫系統高壓設備中，在操作工況下，相應的液腿高度也只有373～622 mm。該低能耗型氣-液微旋流管具備低壓力降和微旋流管本體結構緊湊的特點，可以將氣-液微旋流分離技術應用于循環氫系統高壓設備中的微液滴的分離強化，從而有效降低現有循環氫系統高壓設備的高度和體積，從而降低制造成本。

該氣-液微旋流分離器除了操作壓力降較低外，還具備高分離精度、寬操作彈性等特點，物料在其內部產生的旋轉流場能使微液滴充分聚并，并且由于微液滴到底邊壁處的行程較短，降低了微液滴被內旋流夾帶進入溢流管的可能性。此外，在進口液滴濃度、進口顆粒平均粒徑、操作氣量等操作參數波動大的條件下，該微旋流分離器仍然具有很高的分離效率。該技術自2007年起已陸續在鎮海煉化2套加氫裂化裝置、7套加氫處理裝置中投用，優化的循環氫脫硫工藝流程如圖1所示。文章以1.5 Mt/aⅡ加氫裂化裝置為例，介紹該技術投用所帶來的經濟效益。

1-加熱爐；2-加氫反應器；3-換熱器；4-空冷器；5-高壓分離器；6-循環氫脫硫塔；7-循環氫壓縮機；8-微旋流分離器

(1)提高氫氣純度

循環氫中C5的體積分數從1.0%降低到0.33%，H2O的體積分數從0.815%降低到0.20%，總共降低了1.28%。這間接地提高了循環氫體積分數，以進壓縮機氫氣體積分數85.75%計算，折算成采用氣-液微旋流分離前的循環氫體積分數為84.65%，相當于體積分數提高1.1%。在此類工業裝置中，氫氣純度的提高意味著加氫反應器中催化劑壽命的延長，危險固體廢棄物排放量減少。

(2)節能效果

通過檢測發現，與沒有旋流分離強化的脫硫工藝相比，有旋流分離強化的脫硫工藝的循環氫壓縮機入口分液罐出口的C5質量濃度降低了27.4 g/m3，H2O質量濃度降低了4.9 g/m3，相當于循環氫密度降低了32.3 g/m3，進壓縮機的循環氫密度181.4 g/m3，以壓縮機空轉能耗占其額定能耗的1/3計算，則壓縮機的總能耗降低了10.1%。

(3)減少胺液消耗

通過比較Ⅰ、Ⅱ加氫裂化的數據可知：有旋流分離強化循環氫脫硫工藝的Ⅱ加氫裂化裝置每年消耗新鮮胺液30 t；而沒有采用旋流分離強化的Ⅰ加氫裂化裝置折合到同等規模(1.5 Mt/a)，胺液消耗為83 t/a，Ⅱ加氫裂化裝置降低了新鮮胺液消耗64%。

(4)設備緊湊化

用容積僅4.5 m3，壁厚52 mm的氣液微旋流分離器取代原脫硫塔前的分液罐(原罐采用重力沉降，體積19 m3，壁厚85 mm)，節約16Mn-HIC(抗氫鋼)板材約28 t。

氣-液微旋流分離技術對于鎮海煉化各煉油裝置低分氣、干氣、燃料氣等低壓氣體的脫硫過程也進行了有效強化，并且在對二甲苯(PX)裝置水蒸氣脫液、罐區揮發性有機物(VOCs)治理裝置柴油吸收后的收液環節均取得了成功應用。

2 氣-固微旋流分離

液滴在以氣體為連續相的旋流場中受離心力作用被甩至旋流器邊壁后會聚并成液流向底流口運動，不易發生彈跳并返混至氣體流場中(即所謂返混夾帶現象)，而氣固兩相旋流分離的情況存在一定的差異，固體顆粒雖受離心力作用可被甩至邊壁，但是不會聚集成大顆粒，更糟糕的是固體顆粒與旋流器邊壁撞擊后會發生劇烈彈跳而造成返混，導致固體顆粒的分離難度遠高于液滴，而固體顆粒污染物濃度恰恰是環保部門針對工業裝置外排煙氣監控的核心指標。

近些年對于氣-固旋流器的研究工作，大多集中于通過改變旋流器進口形狀、進口角度、溢流管插入深度等手段來提高分離精度，聚焦點均在旋流器內部結構的優化。而研究表明，顆粒從旋流器進口進入旋流器的位置對分離性能有較大影響，顆粒從旋流器進口外側進入旋流器有助于顆粒進入旋流器底流而實現分離[6]。因此，基于旋流排序原理，開發了一款排序型旋流器，可使氣體中不同大小的顆粒在旋流器進口截面由無序狀態轉變成從大到小或者從小到大的有序排列態，有助于克服旋流器由于結構和流場本身的局限性造成的對小粒徑顆粒分離效率不高的難題，進一步提高旋流器的分離性能。

經實驗研究和模擬驗證，逆旋排序型微旋流分離器相較普通旋流器對于微米級固體顆粒的分離效率高3～5個百分點[7]。這一研究成果成功應用于鎮海煉化烯烴部1 Mt/a乙烯裂解爐(工藝由美國ABB魯姆斯公司提供)燒焦氣中焦粉、鐵銹等顆粒污染物的外排控制工程中。

由于存在結焦現象乙烯裂解爐管，需定期進行停爐燒焦操作，以除去輻射段爐管及急冷鍋爐中的焦垢，改善裂解爐的性能，降低裝置的能耗及物耗，延長運行周期。在清焦過程中會產生大量的燒焦尾氣，除了蒸汽，還含有焦粉、鐵銹、CO、CO2等污染物。鎮海煉化烯烴部1 Mt/a乙烯裝置在運行初期采用水洗輔以重力沉降手段來進行外排燒焦尾氣中的顆粒物控制，然而其最大弊端就是只能捕集粒徑大于100 μm的顆粒物，并不適合捕集燒焦尾氣中的微細顆粒污染物，因此在裝置運行初期顆粒污染物對于爐區環境和大氣環境的污染較為突出。

2013年在燒焦罐中增設逆旋排序型微旋流分離器后(工藝流程見圖2)，燒焦氣中焦粉、鐵銹等顆粒污染物外排得到了有效控制，通過測試標定，燒焦期間外排煙氣中顆粒物平均質量濃度低于20 mg/m3，預防了顆粒物對爐區環境和大氣環境的污染，確保了乙烯裂解爐燒焦工作的長周期安全平穩運行，并且該系統實施后燒焦氣的壓降低于500 Pa，滿足了乙烯低壓燒焦尾氣的壓損需求，具有顯著的社會和環保效益。

1-高壓風機；2-泵；3-乙烯裂解爐；4-急冷鍋爐；5-急冷器；6-換熱器；7-燒焦罐；8-清焦池；9-煙囪

3 微旋流分離技術在其他方面的應用

3.1 液-固微旋流分離

旋流分離器在液-固分離領域主要用來完成澄清、脫水、濃密、液體的凈化(比如除砂)及固體的回收(比如選礦)等諸多液-固分離場合，許多依賴大型重力濃縮機和離心分離機完成的工作正逐步由旋流分離器來替代。液-固旋流分離技術同樣也在向微型化發展，在許多領域，微細顆粒(尤其是粒徑<10 μm)的分離分級與濃縮工作亟待旋流分離技術來實現或改善。華東理工大學開發的高分離精度、低運行能耗的DN100 mm型液-固微旋流器，在進出口壓降僅為0.1 MPa、分流比(旋流器底流出口流量與進口流量之比)為6%、進口固體顆粒平均粒徑為24 μm的工況下，分離效率超過85%。該新型液-固微旋流器已在鎮海煉化公用工程部Ⅱ、Ⅲ電站煙氣脫硫裝置的石膏漿液脫水系統中連續運行多年。

3.2 液-液微旋流分離

相較于氣-液(固)、液-固旋流分離，液-液旋流分離的研究工作起步更晚，因油-水兩相間黏性大、密度接近、液滴易乳化和破碎等原因，液-液旋流分離的研究困難重重，但同時也為其流場研究、性能提升提供了廣闊平臺。通過數值模擬、流場測試手段、大量基礎實驗的充分介入，液-液旋流分離過程中速度場和壓力場分布、顆粒受力分析、湍流場計算模型、分離效率預測、結構參數優化和操作條件改善等方面都取得了長足進步。此外，由于油-水兩相密度差小、分離難度大，必須通過縮小旋流器的公稱直徑來提升離心力場強度以增加分離精度，故液-液旋流分離的微型化發展也是必由之路。

液-液微旋流分離技術在鎮海煉化多套煉油裝置中的使用都卓有成效，如多套裝置中的含硫污水高效旋流除油工藝，給下游關鍵設備的長周期運轉帶來了保障。此外，液-液微旋流分離技術還應用于鎮海煉化液化氣脫硫后的胺液回收等流程中，對于各類油品的凈化、控制胺液的損耗發揮著重要作用。

3.3 液-氣微旋流分離

液-氣微旋流分離的技術核心是將液體中攜帶的微小氣泡利用離心力場進行脫除，同時利用離心運動產生的壓力梯度場(徑向截面自外向內壓力逐漸降低)對溶解氣進行分離，分離出的氣相在旋流器中心形成負壓的空氣柱，由中軸處的升氣管向上排出，分離后的液相由下部液相出口排出。旋流管內壓力分布模擬結果如圖3所示，液體中的氣體在壓力梯度的作用下從邊壁運動到中心負壓場，進而實現液體脫氣過程。

(a)標尺 (b)壓力分布云圖

圖3 旋流管內壓力分布模擬結果

在鎮海煉化缺氧/好氧生化單元中，部分工藝為了提高化學耗氧量(COD)脫除效率而提高曝氣量，導致回流污水中溶解氧濃度超標而影響缺氧區的反硝化速率。針對該問題，采用液-氣微旋流分離技術處理回流泥水混合物(工藝流程如圖4所示)，充分利用旋流場的壓差分布特征，將密度較小的溶解氧從污水中析出，降低反硝化時的溶解氧濃度，即使在較高曝氣量的條件下依然維持較高的反硝化速率。

工業運行效果表明：使用液-氣微旋流分離技術在不同壓降條件下進行脫氣處理后，硝化污水溶解氧濃度較采用該技術前有明顯降低；旋流壓降越大，溶解氧脫除效率整體越高，但相互間差別非常小。硝化污水經過旋流器處理后降低溶解氧濃度后，也可有效避免攜帶溶解氧對碳源的消耗。液-氣微旋流分離技術也有助于脫除酸性水、富液中夾帶的溶解氣。該技術已在鎮海煉化V加氫裝置含硫污水的處理過程得到了采用。

4 結語

旋流分離技術的微型化、精密化研究成果正逐步促進著煉油廠常規工藝工程的優化，其在分離精度、壓降能耗、占地面積、使用壽命、操作便捷性等多方面的優勢在鎮海煉化各工藝環節發揮著舉足輕重的作用，對于過程節能減排、環保指標控制均頗具裨益。

在原油劣質化、產品清潔化的發展背景下，煉廠各職能部門可加大煉油裝置與微旋流分離技術的結合力度，力爭創造更突出的技術效益。