氫氣除水干燥工藝改進

高冠英

(江西理文化工有限公司，江西 九江 332207)

江西理文化工有限公司(以下簡稱“江西理文化工”)建設有30萬t/a離子膜法燒堿、16萬t/a甲烷氯化物、30萬t/a雙氧水、4萬t/a氯化亞砜、1萬t/a聚合四氟乙烯等裝置。其中15萬t/a雙氧水裝置是2套，采用蒽醌法、鈀催化、固定床工藝，分別于2018年6月和2019年10月建成投產運行。

隨著雙氧水裝置的長期連續運行，系統中有些問題逐漸顯現出來，特別是氫化效率出現緩慢下降，降解物增多，雙氧水產量降低，催化劑再生頻繁，廢水量增加。針對生產系統出現的異常情況，江西理文化工組織技術力量進行攻關，研究改進方案。

1 原有氫氣輸送工藝

燒堿裝置氫氣處理設計為1套處理裝置。來自電解工序的高溫濕氫氣進入氫氣冷卻器，用循環水降溫冷卻，進入氫氣洗滌塔。在洗滌塔中采用工業水循環、洗滌、冷卻降溫后送入氫氣柜。氫氣自氣柜到氫氣分配臺分配，經過往復式壓縮機加壓后進入氫氣緩沖罐，通過管道輸送供雙氧水崗位使用。

原有氫氣輸送工藝流程如圖1所示。

2 生產運行中存在的問題

經過幾年的連續運行，逐漸發現原有的氫氣夾帶水分，輸送到雙氧水車間會影響到雙氧水車間的穩定運行。

2.1 氫氣夾帶水分導致催化劑活性下降

美國專利USP 2867507給出了相對濕度與催化劑活性的對比數據，詳見表1。

表1數據表明：相對濕度在42%～92%時活性最好。如果水分過高會使催化劑的活性下降很快。加壓輸送過來的氫氣存在液相水霧的夾帶，在管道、設備的低點積存到一定量后，短時間大量進入氫化塔的催化劑床層時就可能會附著在催化劑顆粒的表面，影響加氫反應的進行。

2.2 氫氣夾帶水分導致催化劑消耗增加

載體鈀催化劑是將氧化鋁載體浸泡在定量的氯化鈀溶液中制造的。氯化鈀負載在氧化鋁表面，形成薄薄的蛋殼狀鈀鹽層，經過烘干轉型變成黃褐色的氧化鈀催化劑。使用前氧化鈀載體催化劑經過氫氣活化轉變成鈀黑和水。鈀黑的活性很強，1體積的鈀黑可以吸附780體積的氫氣[1]。鈀催化劑技術指標見表2。

由表2數據可知：江西理文化工選用的催化劑產率高，抗壓碎力度相對較低。原料氫氣帶入的水分可能會加快催化劑的破碎、粉化、損失。

2.3 氫氣夾帶水分含微量堿分至催化劑性能下降

催化劑的載體是氧化鋁。氧化鋁是兩性的，長期接觸堿，會使氧化鋁的晶格破壞，氫化塔內的催化劑被粉碎或結塊，造成工作液分布不均勻而影響生產。對送往雙氧水車間去的氫氣緩沖罐排出的冷凝水進行采樣分析，數據見表3。

表3 氫氣緩沖罐排出的冷凝水采樣分析結果Table 3 Analysis results of sample ofcondensate out of hydrogen buffer vessel

表3分析數據表明：冷凝水中含有微量的堿分，即使加大洗滌水量等方法也無法徹底消除。

3 問題分析

氫氣的下游雙氧水車間在生產中反映出來的問題來看，氫氣輸送過程中的水分夾帶對生產運行的影響的確存在。

氫氣經過管道長距離輸送會受到環境溫度的影響，特別是冬季溫度較低時會有凝結水產生，所以去除夾帶的水分很有必要。于是開始研究改進氫氣除水的方法，降低對雙氧水裝置的影響。

4 改進措施

根據對現有的氫氣輸送流程的分析，江西理文化工采取工藝技術改進，降低氫氣含水量，詳見圖2。

圖2 改進后氫氣輸送工藝流程圖Fig.2 Process flow diagram of improved hydrogen delivery

4.1 氫氣壓縮機前增加預冷器除水

在氫氣分配臺到壓縮機進口的管道上增加1臺氫氣預冷器，采用7 ℃低溫冷凍水將氫氣柜來的40 ℃氫氣降溫至15 ℃左右，使氫氣中的水分被冷凝排出，減少了氫氣中水的含量。

預冷器選型核算見表4、表5。

表4 預冷器氫氣熱負荷計算表Table 4 Calculation of hydrogen heat load in precooler

表5 預冷器冷水熱負荷計算表Table 5 Calculation of cooling waterheat load in precooler

經核算并考慮換熱效率等因素，選用1臺面積為12 m2的換熱器，對進入壓縮機前的氫氣進行冷卻除水。

4.2 氫氣壓縮機后增加終冷器除水

在氫壓機二級冷卻器出口的管道上增加1臺氫氣終冷器，采用7 ℃低溫冷凍水，將二級冷卻器出口冷卻到4 ℃的氫氣再次冷卻降溫到18 ℃，使部分水被冷凝排出。終冷器選型核算見表6、表7。

表6 終冷器氫氣熱負荷計算表Table 6 Calculation of hydrogen heat load in final cooler

表7 終冷器冷水熱負荷計算表Table 7 Calculation of cooling waterheat load in final cooler

經核算并考慮換熱效率等因素，選用1臺面積為20 m2的換熱器，對進入壓縮機后二級冷卻器出口的氫氣進行再次冷卻除水。

4.3 氫氣緩沖罐結構改造除水

對氫氣緩沖罐的結構進行改造，將原進入緩沖罐的進氣口改為切向進氣，使進緩沖罐的氫氣形成旋流，利于氣液兩相的分離；緩沖罐內壁增加旋流板，在氣體向上流動過程中利于液相水霧的分離；緩沖罐頂的氣相出口增加防旋流板，以減少水霧夾帶。

4.4 氫氣緩沖罐后增加除霧器除水

在氫氣緩沖罐出口送往雙氧水車間的管道上增加氫氣水霧除霧器。采用高效除霧器，對液態水霧中1 μm及以上的液態顆粒的脫除效率可達99%以上。根據各地區差異，北方地區的企業或輸送距離較遠的企業將除霧器安裝在雙氧水車間進氫化塔之前的位置效果較好。

4.5 氫氣疏水方式改為連續排水

原來氫氣疏水方式為間歇式定時定點排水。在排水點增加水封桶，將疏水改為連續排放，盡早盡全地將產生的冷凝水排出系統。

5 改進后的經濟效益

鈀催化劑的設計使用壽命為4年，鈀元素的設計損耗為每年0.2%的流失率，設計再生周期6個月。氫化塔催化劑床層進入大量液態水分會使球形催化劑的強度下降并逐漸破裂、粉化、流失。

改造后運行2年的床層取樣檢測硬度和含量數據均優于設計值，使用壽命可延長至少1年以上，僅這一項就可以節約850萬元/a。氫化塔再生周期由6個月延長到10個月，每次再生需要停車3天時間，影響產量約1 350 t，影響銷售利潤約30萬元；再生一次產生廢水量約300 t，處理費用按照100元/t，處理費用就需要3萬元。延長再生周期節約廢水處理成本。

通過改造，穩定了生產運行，減少了催化劑消耗，經濟效益非常明顯。

6 結語

江西理文化工通過技術改造，降低輸送到雙氧水車間的氫氣含水，徹底解決氫氣中液態水分夾帶的問題，為雙氧水車間穩定運行提供有力的支撐和保障。需要注意的是氫氣屬于易燃易爆氣體，技術改造涉及到壓力管道、壓力容器等變更，需要經過安全風險評價、有資質的設計單位進行變更后再組織實施，變更完成后經過相關部門驗收再投入使用。