149-加氢装置循环氢气脱硫塔气液分离技术内件关于旋流脱液器和羽叶分离器适宜性分析

       本篇针对炼化企业加氢装置循环氢气脱硫塔之气液分离技术内件，是选用丝网除沫器、旋流脱液器还是羽叶分离器，就其选型适宜性进行深入分析探讨。

      关于加氢装置循环氢脱硫塔气液分离，是炼化企业无法绕道的技术课题。诺卫能源技术公司曾经接到炼化企业业主和设计方发来寻求技术方案的加氢项目，细数一下，有加氢裂化装置、催化柴油加氢改质装置、重油加氢装置、渣油加氢装置、加氢精制装置等，其冷高分气分液罐、循环氢脱硫塔入口分液罐以及循环氢脱硫塔顶分液器等处均涉及到气液分离技术内件选择。丝网除沫器，旋流脱液器（旋流脱胺器），还是羽叶分离器？

      在UOP加氢装置工艺包中，UOP还一直沿用最为传统的丝网除沫器。请见附图中所示UOP关于加氢装置循环氢脱硫塔结构尺寸图两处红圈所示位置，即可看到其确实还一直沿用最为传统的丝网除沫器。

      毋庸置疑，丝网除沫器是最为简易简陋的气液分离技术内件。且不说国内种类繁多参数各异的丝网除沫器在循环氢脱硫塔分离运行不佳，即便采用原装进口的YORK标准系列丝网除沫器，其分离运行情况也不会有多大提升。丝网除沫器的结构和分离运行机制，已经决定丝网除沫器操作弹性空间通常在60-110%甚至更低，分离效率波动大，容易产生“液泛”、“液涌”，气流携带的凝胶质和颗粒物易于堵塞丝网造成压降飙升，运行维护费用高。

       基于国内不少采用UOP加氢工艺包循环氢脱硫塔丝网除沫器运行中实际存在的问题，有炼化企业和设计院向我们寻求动力学分离技术帮助，希望采用炼化行业重催装置多管旋风分离类似技术结构内件以改善UOP加氢装置循环氢脱硫塔工艺节点的丝网除沫器内件。大约在2007年前后，我们依据设计院和业主提供的工艺参数，通过精准动力学分离技术组态设计系统平台完成系统设计，向该炼化企业和设计院提供“一对一工况定制设计”的旋流分离技术方案和设备。此后，在该设计院引导下，不少新建或改造项目涉及循环氢脱硫塔改为旋流分离内件组。但从第一套“一对一工况定制设计”的旋流分离技术方案和设备后，再没有设计院和业主来寻求更多后续不同运行工况和组成的装置项目技术支持和改进。这可是精准动力学分离技术设备，不同运行工况和气液组成的装置项目，必须通过精准动力学计算设计系统平台才能获得可靠的分离运行效果。难道仅仅解决原来丝网除沫器的“堵塞”问题就可以了，不用太关注分离效率问题？如若这样，何不将丝网除沫器直接拔了就能实现“解决堵塞而不用关注分离效率”目的。曾经就此与工艺包方人员谈及此况，大家忍俊不禁。

      据了解，靠“大概+估计”甚至“拍脑袋”模式出方案者，不仅是国内外从事销售的企业，其实设计方也大有人在。之所以不通过精准动力学分离技术设计系统平台而仅靠“大概+估计”甚至“拍脑袋”出方案，能蒙混过关，往往是欺业主不太懂技术。虽然业主在装置设计时对分离技术不太明白而会被愚弄，但是，装置实际运行出现分离效率不稳定、气流带液明显、管线积液液阻等问题就直接提醒业主其装置有问题！

       东北某石化企业的加氢装置循环氢脱硫塔，运行不正常而委托某设计院进行技改设计。该设计院也采用所谓“旋流脱液器”对该循环氢脱硫塔技术升级。
      但是，该设计院并没有寻求专业动力学分离技术公司，还是由人“大概+估计”和“拍脑袋”；可又担心对这样模式的技改效果没底，索性又在所谓“旋流脱液器”上加筑一套丝网除沫器。

      附图就是由某设计院为某某石化企业的加氢装置循环氢脱硫塔技改采用所谓“旋流脱液器”的MR文件。红圈处即为该设计院“大概+估计”和“拍脑袋”却又对方案技改效果没底而索性在所谓“旋流脱液器”上加筑一套丝网除沫器的技术要求。
       与其这样，就原封不动采用UOP加氢装置循环氢脱硫工艺包中的“丝网除沫器”岂不更没有责任？  

      关于丝网除沫器，就到此为止。
      下面，用一个实例设计来对“旋流脱液器”和“羽叶分离器”的设计选用进行对比分析讨论。

      这是一套370万吨/年加氢裂化装置循环氢脱硫塔(2401-C-0101)气液分离内件组的选用设计。      其上部进料性质如下：
1、操作温度：52℃；
2、操作压力：16.6MPaG；
3、气相额定流量：226565kg/h；初期流量：205968kg/h；末期流量：183334kg/h;
4、气相平均分子量：3.3;
5、气相组成：氢气、胺液、水及少量硫化氢，气相密度17.71kg/m^3；
6、油相流量：0.05kg/h；
7、油相密度：956kg/m^3;
8、油相粘度：0.522cp；
9、油相表面张力：0.065N/m。

      设计院提出的主要分离技术要求：
1、操作弹性：60-110%；
2、最大允许压差：10kPa;
3、气相出口液滴d50切割粒径不大于3微米，C5+以上组分不大于3微米，或5微米以上液滴脱除率约95%；
4、旋流器必须保证旋流管能够拆装，必要时做堵管处理。

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      在这个实例项目中，设计院已经不由分说把循环氢脱硫塔的气液分离内件组规定为“旋流脱液器”？请见附图摘录的MV文件：

      先分析一下MR文件分离技术要求与工况的对应性：
1、提出“操作弹性：60-110%”，这个表述看起来很熟悉，似乎在哪里见过。“60-110%操作弹性”，是丝网除沫器行标要求，看来设计院对国内的旋流脱液器心存担忧，权且以丝网除沫器的弹性要求低标准去要求“旋流脱液器”。而工况气相流量额定值/末期流量值，显然已经超出60-110%范畴。表明设计院对供货商的旋流脱液器操作弹性有无奈。
2、对分离效率要求“气相出口液滴d50切割粒径不大于3微米，C5+以上组分不大于3微米，或5微米以上液滴脱除率约95%”，也是与丝网除沫器行标和实际运行那么相似。
3、提出“旋流器必须保证旋流管能够拆装，必要时做堵管处理”要求，是设计方和业主完全被供方因采取“大概+估计”“拍脑袋”出方案导致与实际运行效果偏离找退路的“说辞”左右。试想，一套370万吨/年的加氢裂化装置，能够拿来供销售方做实验“拆装”“堵管”处理？这可是在16.6MPaG的临氢工况，泄压、停车、置换、拆装、堵管、置换、升压开车等等，做起来那么容易吗？有不少国内加氢装置循环氢脱硫塔旋流脱液器实际运行效果不理想，但有多少企业去半途拆装和堵管过？且不说国内，就连国外也很少采用供方所说烧脑的“拆装”“堵管”处理，除非万不得已重新改造。

       既然设计院在MR文件中要求采用“旋流脱液器”，正好借此机会针对该工况把“旋流脱液器”和“羽叶分离器”方案一并用以比较剖析。

      NOVEL公司依据MR文件工况数据，通过精准动力学计算和组态设计系统平台完成的上述加氢裂化装置循环氢脱硫塔旋流脱液器技术数据如下：

一、气液分离器名称：旋流脱液器；

二、设备型号：NOVEL-G54AX-145.7/2530.8；

三、多因子旋流子母分离内件组型号：NOVEL G54AX-684.5；

四、分离效率：99.9%分离脱除3.66微米及以上尺寸液滴液沫，气相出口残液量低于0.1G/MMSCF；

五、运行压降：1.42psi；

六、最大/最小操作弹性比：~4:1。

      附图是NOVEL公司依据MR文件工况通过精准动力学计算和组态设计系统平台完成的上述加氢裂化装置循环氢脱硫塔旋流脱液器《数图汇表》：

      这里既然谈到旋流分离技术，就多分析剖析几点：
1、旋流分离技术，属于纯粹的动力学分离技术，必须依据完整的工况和物系数据、通过精准动力学分离技术和组态设计系统平台才能获得可靠的技术方案；反之，靠“大概+估计”甚至“拍脑袋”出来的所谓“旋流脱液器”方案，缺乏可信性。
2、旋流分离技术，对工况和物系稳定性要求苛刻，流体微元动能动量必须在特定阀值区间才能发挥有效分离；如果工况和物系稳定性不佳，分离运行会发生敏感性波动甚至形成发生与“分离”目的截然相反的强烈“分散”作用。
3、旋流分离内件组的操作弹性，与工况及流型流态参数、气流带液量、气流旋转半径等因素密切相关。比如，气流带液量上升，则操作弹性下降；气流旋转半径越大，操作弹性越小。
4、旋流分离分离方式，通过流体旋转各相动能动量差实现分离。流体微元动能动量必须在正常分离运行的特定阀值区间时，旋转速度越大，分离效率越高，运行压降越大。
5、旋流脱液器，从结构上看，其往往只有单级分离单元，一旦设计不当，或者工况波动，发生“逃逸”的液滴液沫难以被自身捕集；有的设计院在其后面增设一级丝网除沫器，有一定弥补作用，但却把丝网除沫器的弊端引入进来。
6、旋流分离器，从流型上分为反射流型和轴向流型式。反射流型，在同等工况下，尤其是气相密度很高的工况下，其分离效率往往高于轴流型。设计院MR文件要求的旋流脱液器结构，属于轴流型，在国外往往用于中高压、近高压工况，也属于技术选型偏离。
7、在工况许可情形下，应该由专业动力学分离技术公司推荐选择最佳分离技术方案，而不是由非专业动力学分离技术人员甚至销售人员推荐确定分离技术方案。只有在气液两相微元动能动量差值缩小到特定阀值以内，才不得不以牺牲“操作弹性”和“运行压降”而选择旋流分离技术内件。

       有人会问，听说“高压工况选择旋流分离，中高压以下工况选择羽叶羽叶”？ 这是特定工况下的现象表述。本质上讲，当气相与液相密度比超过0.2，选用旋流分离在分离效率上更有优势；反之，则优先选择羽叶分离。因为，在适合羽叶分离工况下，羽叶分离，无论在操作弹性、分离效率、运行压降、性价比还是运行维护便捷性和成本等方面，都较旋流分离更有优势。
       针对本设计实例，尽管工况压力16.6MPaG，而其气相密度17.71kg/m^3和油相密度956kg/m^3，不仅气相密度较小，只有合成甲醇装置循环气羽叶分离器对应的合成循环气密度约1/4，而且气相密度/液相密度只有约2%，完全可以选用羽叶分离技术内件。

       NOVEL公司依据MR文件工况数据，通过精准动力学计算和组态设计系统平台完成的上述加氢裂化装置循环氢脱硫塔羽叶分离器技术数据如下：

一、气液分离器名称：羽叶分离器；

二、设备型号：NOVEL G50 D-BANK-146/2530.9；

三、羽叶分离内件组型号：G50 D-BANK-152/1050；

四、抗“虹吸”降液内件组型号：G50LD20P；

五、分离效率：99.9%分离脱除3.43微米及以上尺寸液滴液沫，气相出口残液量低于0.1G/MMSCF；

六、运行压降：0.046psi；

七、最大/最小操作弹性比：~8.5:1。