旋流板除沫器在变压吸附系统的应用

张德兴

(山西晋城煤业集团晋丰公司　山西高平 048400)



旋流板除沫器在变压吸附系统的应用

张德兴

(山西晋城煤业集团晋丰公司山西高平 048400)

山西晋城煤业集团晋丰公司变压吸附系统于2010年8月1日试车并投运，设计处理气量为12 000 m3/h(标态)，原料气来自2套“18·30”装置变脱系统变脱闪蒸槽闪蒸气和脱碳系统高压闪蒸气。由于变脱闪蒸气和脱碳高压闪蒸气中有雾沫夹带，造成活性炭过滤罐中活性炭和吸附塔内吸附剂的活性降低，甚至失活，影响变压吸附系统长周期稳定运行。

1　变压吸附系统工艺流程

压力0.55～0.65 MPa、温度20～25 ℃ 的变脱气进入变脱闪蒸气分离器，然后与压力0.40～0.50 MPa、温度4～8 ℃的高压闪蒸气一并进入原料气混合罐混合，进一步分离水后进入活性炭过滤器，再送入吸附塔，由下而上通过吸附塔床层，出塔产品气送入产品气缓冲罐，然后返回合成氨压缩机二段入口。当被吸附杂质的浓度前沿接近床层出口气体中浓度时，关闭吸附塔混合气入口阀和产品气出口阀，使其停止吸附，通过3次均压充分回收床层死空间的产品气，再逆着吸附方向降压，易吸附组分被释放出来，吸附剂得到初步再生。通过抽真空进一步解吸吸附剂上残留的高浓度二氧化碳，吸附剂得到完全再生，而抽真空的二氧化碳被送至二氧化碳产品气罐，直接并入脱碳低压闪蒸气二氧化碳总管后再进入尿素系统。抽真空结束后，利用原料气顺向升压至接近吸附压力，吸附床便开始进入下一个吸附循环过程。

2　变压吸附系统主要设备及运行参数

变压吸附系统主要设备参数见表1。

混合气组分(体积分数)：CO 2.8%，CO268.0%，H221.4%，N27.5%，O20.4%。标况混合气密度为1.50 kg/m3，标况气量约为12 000 m3/h(标态)，工况下气量约为2 693 m3/h(标态)，进原料气混合罐压力约为400 kPa(表压)，进罐温度约为20 ℃。

表1　变压吸附系统主要设备参数

3　实际运行中存在的问题

实际运行过程中发现，变压吸附预处理分离罐、活性炭过滤器导淋排出物较多。经取样分析，判断为变脱闪蒸气中有雾沫夹带，变脱溶液损失偏大，物料消耗高。原因：①变脱闪蒸槽顶部无除沫装置；②变换气脱硫装置压差波动，造成闪蒸槽压力和液位波动；③脱碳高压闪蒸槽顶部设有丝网除沫器，闪蒸气经分离器后送往变压吸附预处理，雾沫夹带可以忽略。

4　变压吸附系统改造方案

4.1除沫器的选择

在变脱闪蒸槽顶部加装除沫器，但在系统运行期间不能进行，因此，在不影响合成氨系统正常运行条件下，决定对变压吸附系统进行停车处理，即采用变脱闪蒸气返回气柜和脱碳高压闪蒸气返回压缩机二段进口流程，在变压吸附预处理原料气混合罐顶部丝网除沫器下加装除沫装置。常用的除沫装置有折板除沫器、丝网除沫器、旋流板除沫器等。折板除沫器阻力较小(50～100 Pa)，但只能除去50 μm以上的液滴；丝网除沫器是由金属丝或塑料丝编结而成，能除去5 μm以上的液滴，压降≤250 Pa，但造价较高；旋流板除沫器压降为300 Pa以下，其造价比丝网除沫器便宜，除沫效果比折板除沫器要好。因此，决定在原料气混合罐加装离心旋流板除沫器。

4.2旋流板除沫器设计参数的选择

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

盲板直径Dm：除雾板盲板直径越大，雾滴越易于甩至塔壁分离，设计取Dm=850 mm。

叶片数m:由于原料气混合罐直径偏小，设计取m=16。

径向角β：除沫器塔板采用“外向板”，即叶片外端的钝角翘起，可将带上的液滴抛向塔壁，从而聚集落下，设计取β=arcsin(Dm/Dx)=58.2°。

叶片仰角α：叶片仰角22.5°～30.0°，设计取α= 25.0°。

计算穿孔面积Ao：Ao=(π/4)(Dx2-Dm2)×{sinα-2mδ/[π(Dx+Dm)]}，其中δ为叶片厚度，取δ=0.003 m。则求得Ao=0.089 5 m2。

计算穿孔动能因子Fo：Fo=vsρG0.5/Ao，其中vs为工况下气体流量，ρG为工况下气体密度。将数值代入后求得Fo=10.281 kg1/2/(m1/2·s)。

计算外沿处叶片间距e：e=(πDxsinα)/m-δ，将数值代入后求得e=0.080 m。

罩筒高度初定值Hz：Hz=(πDxsinα)/m+δcosα，将数值代入后求得Hz=0.086 m。为了改善气液分离效果，当要求外沿处2个相近的叶片与罩筒相交线的水平投影相接或部分重叠时，罩筒高度需在Hz基础上加一增量Δ。外沿处(罩筒)叶片间的距离e仍不改变，只是叶片的宽度略有增加。当要求外沿处2个相近的叶片与罩筒相交线的水平投影相接时，Δ=πDxtanα/m-e-δ；当要求外沿处2个相近的叶片与罩筒相交线的水平投影有部分重叠时，Δ>πDxtanα/m-e-δ。设计时，按外沿处2个相近的叶片与罩筒相交线的水平投影相接考虑，故Δ=0.008 5 m。罩筒高度实际值Hz=0.086+0.008 5=0.094 5(m)，取Hz=100 mm。

溢流口总面积Ay：Ay=Ls/μs，其中Ls为液体流量，μs为溢流管内降液速度(取0.2 m/s)。因之前晋丰公司增加的溶液量为2～4 m3/h，则Ls= 0.001 1 m3/s，代入后求得Ay=0.000 6 m2。

溢流管直径b:旋流板有4个圆形溢流口，圆周分布，溢流管为Ф 20 mm无缝钢管。圆形溢流管下半部采用U形液封，有效液封高度50 mm左右，溢流管底部出口与水平方向呈30°且靠近塔壁，便于液体沿塔壁流下。受液槽底板到溢流管底的距离H取350 mm。

压力降Δp：由半经验式Δp≈19.615Fo2/2g+17.655Foμs+19.615求解，其中g=9.81 m/s2，则求得Δp=161.857 Pa。

塔顶气液分离空间高度Hy取800 mm。为了防止塔壁液膜上爬至塔顶，在塔顶段分离空间内壁增加了4条Ф 6 mm圆钢弯成的螺旋线，使沿壁螺旋上爬的液膜折为螺旋下行。

旋流板除沫器示意见图1。

图1　旋流板除沫器示意

5　改造后运行效果

改造后，运行效果明显，原料气混合罐日排出溶液约 70 m3，第1活性炭过滤罐导淋有微量液体排出，第2活性炭过滤罐导淋未见液体排出，活性炭过滤器活性炭更换频次由原1年3次变为现在的1年1次，吸附塔吸附剂吸收效果正常。变压吸附系统利用离心分离作用的离心旋流板除沫器运行效果相当理想，脱气雾沫夹带造成的吸附剂失活问题得到解决，进而保证了变压吸附系统长周期稳定运行。

2015- 08- 22)