152-重整装置PSA变压吸附氢回收单元入口管道轻烃分离专用羽叶分离器技术设计方案

       本篇主要针对炼化企业重整装置氢回收PSA单元进气管线轻烃分离脱除专用羽叶分离器设置设计进行分析探讨。

      在炼化企业，往往有多套重整装置生产线开车运行。运行中的重整装置，副产大量氢气，需要回收精制，用作加氢装置氢气气源。对重整装置副产氢气回收精制，往往通过PSA变压吸附单元来实现。但是，变压吸附PSA氢气提纯技术装置，要保证其设计制氢纯度、提氢效率和吸附剂设计寿命等要求，则需对单元进气挟带的重相携带质进行高效分离脱除处理。

       由于大量氢气从重整反应过程产生，氢气与其它气态低碳烃汇集形成更大流量的混合气流，把部分液态烃携带出反应装置。为了分级分段分步脱除混合气流携带的液态烃，从重整装置出来的混合气流需要通过热能回收降温进入再接触单元对液态烃进行首脱。

      从实际作用上讲，再接触单元主要是捕集回收重整装置副产混合气流携带的高碳烃。从这个角度上看，再接触单元是重整装置较为重要的组成部分。有的重整装置，很重视整过装置的各系统协同性，很重视再接触的上游作用，采用了两级再接触工艺，实实在在落实分级分段分步原则，在上游承担起对混合气流携带重烃液体的脱除任务，为下游工序减轻必要的负荷。

      但有的炼化企业，尤其是地方炼油企业和私炼企业，受到内外界因素影响，人为削弱再接触单元作用，有的采用缩减版的单级再接触工艺，甚至有的企业就干脆省去再接触过程。虽然，节省了再接触单元的投资，但由于**削弱再接触单元对混合气流携带的重烃液体脱除功能，造成气流携带过量液烃对下游工序装置带来巨大冲击，导致装置整体运行协同性问题，运行很不稳定。

      由于**削弱再接触单元对混合气流携带的重烃液体脱除功能造成气流携带过量液烃对下游工序装置带来巨大冲击而装置整体运行协同性，表现在：1、气流携带的过量高碳液态烃消耗过多冷量，使得原有功率配置的制冷机组难以将混合气流冷却到设计温度。2、原有配置的气液分离罐，难以有效分离脱除混合气流携带的液化烃液滴液沫，导致过量液烃在PSA塔系积聚。

      重整装置的混合气流携带过量液烃对下游工序装置带来巨大冲击，因原有配置的气液分离罐难以有效分离脱除混合气流携带的液化烃液滴液沫，导致过量液烃在PSA塔系积聚，造成吸附剂快速饱和甚至“泡塔”，再生周期明显缩短，再生操作频次明显提升，PSA塔系对氢分离效率下降，氢气产收率受到影响。并且，PSA塔系吸附剂寿命也明显缩短。整过重整装置的运行维护成本明显上升。

      重整装置的混合气流携带过量液烃对下游PSA提氢塔系运行造成的负面影响，除却让包括PSA单元运行成本上升、重整装置整体效益下降，还让某些人借机质疑PSA技术在重整装置的适用性，提出在新建重整装置工艺选择上另择膜分离工艺取代PSA变压吸附工艺。

       对于重整装置副产氢提纯而言，无论选择PSA变压吸附工艺、膜分离工艺、深冷分离工艺抑或变温吸附工艺，进气带液都是要命的。客观上看，把诸如重整装置削弱再接触投资带来的工艺负担、工况波动导致的带液以及原有汽液分液罐低效率等后果，一股脑儿推给PSA制氢单元来承担，这显然不公平、也缺乏客观公正。即便如某些人鼓动采用膜分离，就可以承担因重整装置削弱再接触投资带来的工艺负担、工况波动导致的带液以及原有汽液分液罐低效率等带来的后果吗？相反，可能更严重。我们曾为北方某大型甲醇企业循环气驰放惰气氢回收膜组进气脱液提供羽叶分离技术升级方案案例。其氢回收膜组，正是采用的膜分离。其驰放气中携带的甲醇还通过水洗塔预先洗涤脱除，膜分离进气携带的液滴液沫主要以水为主，即便如此，也造成氢回收膜组寿命大幅缩减甚至毁坏。该企业为此请诺卫能源技术公司采用羽叶分离技术设备对氢回收膜组进气分离器进行针对性技术升级改造。

       基于企业原有重整装置已经存在的诸如前期削弱再接触投资带来的工艺负担、工况波动导致的带液以及原有汽液分液罐低效率等原因造成氢回收单元不堪重负的事实存在，企业结合后期技术升级改造规模、改造资金以及现有场地等因素综合分析评估后，选择以PSA单元进气原有汽液分离罐作为技术升级改造着眼点，应该是更科学更经济的选择。更大规模兴师动众对原有重整装置进行技术升级改造，现有场地客观条件允许吗？技改规模投资资金和投资效益允许吗？显然没有更好的选择。

      这里，以某企业重整装置PSA氢回收提纯单元进气气液分离技术升级改造为例，进行分析探讨。该企业建设有两套重整装置。两套重整装置副产氢气并线进入PSA制氢单元进行氢气提纯。
       业主提供的原PSA单元进气设计条件如下：
1、工况温度：40℃
2、工况压力：2.5MPaG
3、气相流量：10000Nm^3/h        　
4、气相组成：
H2：80.58
C1：        6.9
C2：        5.8
C3：        4.01
NC4：1.65
IC5：0.25
NC5：0.18
C6及以上：0.63

      现场实测的工况参数如下：
1、工况温度：45℃
2、工况压力：2.3-2.6MPaG
3、气相流量：10000Nm^3/h        　
4、气相组成：
H2：83.08%
甲烷：6.14%
乙烷：2.85%
丙烷：2.24%
异丁烷：0.83%
正丁烷：0.72%
异戊烷：0.81%
正戊烷：0.83%
C6及以上：2.51%
业主补充提供信息说，工况波动时，气流实际带液量远远超过5%，甚至接近15%！

     业主对采用的羽叶分离器提出如下技术要求：
1、对混合气流的脱液效率不低于95%；
2、对混合气流的C5及以上高碳烃脱除效率不低于95%；
3、压降损失小于0.005MPa；
4、设备的设计、制造、检验及试验符合下列规程或标准（如有相应最新标准则按新标准执行）
1)        GB150.1~4-2010《固定式压力容器》
2)        JB/T4730-2005《承压设备无损检测》
3)        GB/T8163-2008《输送流体用无缝钢管》
4)        GB713-2008《锅炉和压力容器用钢板》
5)        NB/T47015-2011《压力容器焊接规程》
6)        JB/T4711-2003《压力容器涂敷与运输包装》
7)        NB/T47008-2010《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》
8)        HG/T20615-2009《钢制管法兰（Class系列）》
9)        HG/T20631-2009《钢制管法兰用缠绕垫片（Class系列）》
10)        HG/T20634-2009《钢制管法兰用紧固件（Class系列）》

      诺卫能源技术公司针对业主实际运行工况，通过NOVEL精准动力学分离技术设计平台系统完成的PSA单元进气专用羽叶分离器，包含如下几个核心内件组：
一、羽叶分离总成：由于上游装置因素工况波动造成混合气流带液量波动甚至接近15%，须设置羽叶分离总成对进气携带的段塞流、大液滴进行预脱除，并预先对从进气管口进入分离器壳体内的混合流体流型流态实施粗分配。

二、预分配聚结内件组：为了满足后续羽叶精密分离内件组高效稳定运行所要求的进气动能动量及流型流态均一性，须设置预分配聚结内件组对分离器壳体上部气流进行进一步整流处理。同时考虑到上游来气通过冷却冷凝产生的碳烃液滴液沫尺寸相对微小，而PSA单元塔系装填的吸附剂对气流中残存液态碳烃微小液滴液沫及累计聚集量敏感性，故须要通过预分配聚结内件组将气流中携带的微小液沫进行预聚结使其长大到足够被羽叶精密分离内件组高效捕集的尺寸条件，从而确保PSA单元进气残液量极低指标。此外，上游来气可能挟带一些表面硬度高、锐状外形的颗粒物如催化剂破碎颗粒物等，通过预分配聚结内件组可对后续羽叶精密分离内件组进行预设保护，确保羽叶精密内件组超长使用寿命。

三、羽叶分离内件组：依据业主实际工况基础参数，通过诺卫精准动力学分离技术设计平台设计完成的羽叶分离内件组，包含至少4级以上串行重复分离单元，每个分离单元包含空间相互独立、流向相互正交的气液两相流体微流道，确保分离高效避免气液“二次夹带”“返混”。羽叶分离内件组设置4级以上串行重复分离单元的优势在于，可以充分适应工况大幅波动情形下的高操作弹性和最终高分离效率。即使在极特殊工况下，第1级分离单元分离后发生10%残液逃逸，经过第2级分离单元分离后发生的残液逃逸率则为10%*10%，经过第3级分离单元分离后发生的残液逃逸率则为10%*10%*10%，经过第4级分离单元分离后发生的残液逃逸率则为10%*10%*10%*10%，最终分离效率已经达到4N级分离即99.99%。即使在十分特殊的工况下，分离效率也可以达到满意结果。

四、抗“虹吸”新型降液内件组。由于上游重整装置来气工况多变波动，造成分离器实际运行压降也会发生大幅波动。而传统的降液内件，往往采用液封筒里插降液管的结构方式，在分离器制造完成时则降液管长度固定，其对应能耐受的最大运行压降不超过降液管总长所支持的液柱高度产生的压差。而分离器在实际波动工况下产生的实际运行压降，很可能超过降液管总长所支持的液柱高度产生的压差，导致原来已经被分离下来的液体由于“虹吸效应”而瞬间通过降液管吸入到分离后的气流中形成液体在气流中重新分散，**降低分离效率。国内不少企业原来采用传统降液管+液封筒型式的分离器，在实际运行中已经发生“虹吸”导致液体瞬间进入压缩机入口事故。抗“虹吸”新型降液内件组，是针对多变波动工况而对传统降液管+液封筒结构降液内件组的必须技术升级方案，不仅需要具有防止液体“虹吸”功能，且需要具有防止原气流通过降液系统“短路”功能。

诺卫能源技术公司针对业主实际工况参数通过NOVEL精准动力学分离技术设计平台完成的PSA入口气流专用羽叶分离器主要技术性能参数信息如下：

一、羽叶分离器型号：NOVEL G50-19-464.1；
二、羽叶分离总成型号：G50BS-6/20;
三、预分配聚结内件组型号：G50D20;
四、羽叶分离内件组型号：G50-EDP-11400.05;
五、羽叶分离器主要尺寸：ID19.69*SM/SM93"-S24";
六、分离效率：99.9%分离脱除4.82微米及以上尺寸液滴液沫及颗粒物，产气残液量低于0.1G/MMSCF;
七、运行压降：额定工况下不超过0.28psi（~0.002MPa）。

NOVEL公司提供的PSA进气专用羽叶分离器图片如下：

加氢装置PSA氢气提纯单元入口气流，也存在类似带液问题。采用羽叶分离器技术升级方案解决加氢装置PSA氢气提纯单元入口气流带液问题，请参见：74- 羽叶分离器用于PSA变压吸附氢回收之进塔原气除沫设计https://bbs.hcbbs.com/thread-1666942-1-1.html