189-荒煤气合成乙二醇项目草酸二酯合成单元第一循环气分液罐采用羽叶分离技术改造方案

      本技术贴主要针对煤化工、煤焦化行业综合利用荒煤气合成乙二醇项目合成装置尤其是羰化合成草酸二甲酯单元原第一循环气分液罐分离运行效率低而采用羽叶分离技术升级改造方案进行剖析讨论。

      近些年来，在煤化工、煤焦化行业在节能减排增效方针指引下，不少煤焦化企业利用其荒煤气深加工综合利用，建设焦炉气制甲醇、荒煤气合成乙二醇项目。较早建设的这些荒煤气焦炉气深加工项目，受当时工艺技术和装备技术条件限制，工艺装备技术水准相对较低，其项目运行效益相对于新建采用新技术的同类项目而言，消耗高，运维成本高，生产效率低，市场竞争能力低，不得不对工艺装备“瓶颈”进行技术升级改造。其中，原来建设的荒煤气合成乙二醇项目便是其中一例。

       相对于荒煤气、焦炉气这类合成气制乙二醇项目（乙烯氧化水合制乙二醇不归入合成气制乙二醇项目类型），其实，荒煤气、焦炉气这类合成气制甲醇项目实施更早甚至更多，在某种程度上讲，荒煤气、焦炉气这类合成气制甲醇项目存在的消耗高、运维成本高、生产效率低、市场竞争能力低、工艺装备“瓶颈”多等问题，较荒煤气、焦炉气这类合成气制乙二醇项目还要严重。这里之所以选择荒煤气、焦炉气这类合成气制乙二醇项目进行剖析讨论，一方面在于荒煤气、焦炉气这类合成气制乙二醇项目牵涉的反应单元更多更具有分析讨论意义，另一方面在于我方恰好手里有近期的荒煤气、焦炉气这类合成气制乙二醇项目技术升级改造经手案例，分析讨论披露的数据更多更接地气。

      针对荒煤气、焦炉气这类合成气制乙二醇项目实际运行中出现的工艺装备“瓶颈”升级改造系列，我们在前一篇技术讨论帖中已经就亚硝酯化反应合成单元酯化塔顶部气液分离除雾工艺设备技术升级改造方案进行过深入，本次技术讨论帖主要针对羰化氧化偶联反应合成草酸二甲酯单元第一循环气分液罐实际运行存在分离效率低之“瓶颈”而采用羽叶分离技术升级改造进行讨论。

      羰化合成，顾名思义，就是有一氧化碳CO参与的合成反应。在荒煤气、焦炉气、合成气综合利用项目中，如甲醇合成、乙醇合成、乙二醇合成、醋酸合成、草酸合成等，都有羰化合成单元。
      羰化反应，绝大多数情况下，CO等气相物质参与反应的单程转化率不高，大部分未反应的气体需要循环注入反应器参与反应，从而提升气体的最终转化率。
      而这大部分未反应、需要循环注入反应器的气体，其与羰化反应产物（不少是液态产物）形成混合物流从反应器末端释出。羰化反应产物，尤其是这部分液态物质，须要从循环气流中分离收集。一方面，尽可能及时完全将羰化反应物从循环气流中分离脱除下来，才能够获得尽可能高的产品单程收率；第二方面，尽可能及时完全将羰化反应物从循环气流中分离脱除下来而避免羰化产物随循环气流参与后续反应循环，才能防犯羰化产物过度反应形成副产物和杂质而降低催化反应选择性、消耗催化活性、降低催化剂有效使用寿命；第三方面，尽可能及时完全将羰化反应物从循环气流中分离脱除下来而避免羰化产物随循环气流参与后续反应循环，才能对装置运行实现尽可能节能降耗，不对后续管线设备正常运行造成影响甚至安全事故。     
      承担着将羰化反应物从循环气流中分离脱除下来的首要分离设备，就是本技术贴分析讨论的主要对象，第一循环气分液罐。

      我们为客户进行技术升级改造的原来建设的荒煤气合成乙二醇项目羰化单元第一循环气分液罐，位于羰化反应器出口之循环水冷却器后段紧邻，客户原有的单元第一循环气分液罐为立式结构，尺寸为ID2900mm*SM/SM4516mm*SK1065mm，材质S30403。
      客户原来的第一循环气分液罐，采用传统简易结构的丝网除沫器，厚度150mm，在第一循环气分液罐上部沿径向平布一层。实际运行中，发现其气相排送管线带液明显，尤其能在其排气管线上听到管线积液被气流推送下发出激荡声响，大修时收集到显著液量；还存在运行压降有时超过10kPa，超过设计上限指标5kPa一倍以上，不得不每年大修期对丝网除沫器进行换新，费时费力。

       为什么采用传统简易结构的丝网除沫技术的第一循环气分液罐分离运行情况不好呢？
       我们一起来作如下系统分析探讨：
       首先，羰化反应多属于分子量增量反应，反应产物液态趋势更大。荒煤气焦炉气合成气乙二醇项目羰化氧化偶合反应即属于此种情形。反应器释出物流经冷却换热，混合物流中的液态物质形成块状流、段塞流甚至连续液流。对于这类大尺寸的液态物质块状流、段塞流甚至连续液流，在动力学分离上需要采用专门的羽叶分离入口分离总成来完成分离。

      下图就是我们采用的典型羽叶分离入口总成。
      

       上述羽叶分离入口总成的主要功能，除了针对这类大尺寸的液态物质块状流、段塞流甚至连续液流完成分离重任，其还能对大尺寸液团和液滴进行预脱除，为后续分离精密度逐级提升的内件组创造更大处理能力。此外，羽叶分离入口总成还能完成将混合流投送到最利于下游气液分离内件组高效运行的动力学空间并进行流态流型初级分配，为下游气液分离内件组高效运行初步创造动力学条件。
      在壳牌DEP分离器设计规范中，优先推荐使用该类入口分离总成。

     第二，气液混合流从第一循环分液罐直径1100mm入口管进入到直径2900mm放大空间，再从直径1100mm尺寸的气流出口管释出体系，气流会形成先发展、后收缩流型流态变化。气流流型流态发展和收缩到何种程度，是否充分，是否满足动力学分离基本前提条件？这在精准动力学气液分离技术上由预分配聚结内件组来承担此任务。

      下图是预分配聚结内件组实物图片，供大家直观感受了解。     
      预分配聚结内件组，往往以多组复合组态，采用便捷可拆装结构设计、制造和装卸。

       上述预分配聚结内件组的设计和布设组态，主要基于受壳体约束空间内的动态流体相对于任何型式分离内件组而言具有动力学空间非对称性，也即分离内件组无论以何种组态形式布置在分离器壳体内，分离内件工作面在分离器径向和轴向均存在明显空间尺寸差距（非对称均一性）而导致气流进入分离内件工作面的流速、动量、动能和流型流态均存在明显差别。尤其对于尺寸较大、气流体积流量大而气液分离要求高的分离器而言更甚。
      按照国际上动力学气液分离器设计惯例，在技术上要求采用“预分配+精分离”两类内件组合设计分级使用，即把预分配内件组紧密连接在精密分离内件组表面，即在精密分离内件组前端设置预分配聚结内件组。
      该预分配聚结内件组的主要作用是：一、壳体内侧上部气流先进入预分配内件进一步对气流流速、动量、动能精细分配和流态流行调整均一化，确保气流进入下游精密分离内件组前满足其高效稳定运行的动力学条件，再进入后续精密分离内件组以确保高效稳定气液分离目的。二、协同下游精密分离内件组对气流携带的微小液沫进行预聚结尺寸增大，使下游精密分离内件组更多脱除气流残液量，实现单独靠下游精密内件组难以达到的分离深度。三、在特殊工况下，可拦截高速气流携带的高动能、高表面硬度的锐状颗粒物（比如，催化剂破碎颗粒物、铁屑等）防犯其对精密分离内件组造成频繁冲蚀而缩短寿命甚至受损，对下游精密分离内件组具有低成本保护作用。

      第三，针对气流中残存的微小尺寸的液滴液沫分散相进行高效、精准、定量脱除。在精准动力学分离技术上，该任务由羽叶分离精密内件组来完成。
      当挟带微小尺寸液滴液沫的气体接近羽叶分离精密内件组，混合流在羽叶分离精密内件组内部主流道和微流道经若干次动量变换而受迫改变流向。分散相微小液滴液沫在包括径向离心力在内的矢量分离作用下，具有更大动能动量的液滴液沫脱离气流撞击在内件组湿表面上被液膜表面自由能高效捕获；然后，合并到液相层流中排出羽叶分离精密内组件。通过流体微元高速旋转、高效碰撞、微液滴聚结长大、矢量分离和表面自由能捕集等复合分离方式，成团的液体流向与气体方向正交的二级微流道并得到收集。
       采用专有技术设计和特殊组态配置的羽叶分离精密内件组，相对于常规组态结构的分离内件，其对气流中携带的液滴液沫、尤其是高速气流携带的微小尺寸液滴液沫具有更高的捕集能力，确保羽叶分离精密内件组具有气液分离效率高、液滴残留量更低、抗堵塞性能更佳、运行更稳定、上限操作弹性空间更大。

      下图是采用羽叶分离精密内件组组态结构图片。

      采用撬装设计制造和安装的羽叶分离精密内件组，其显著技术优势在于：
一、确保植入分离器壳体内的羽叶分离内件模块与NOVEL工厂出厂测试时完全一样的组态结构尺寸和性能状态，避免零散内件在现场散件组装后因现场不具备整体检测条件，无法确认内件组态结构缺陷及性能损失而埋下性能隐患。
二、更能实现便捷装卸，其作业时间通常只有传统分离内件组在壳体内散装耗时之1/4，**减轻现场施工强度和难度，更大幅提升安装进度，深得业主和现场施工人员认可。

      这里再回过头来简要分析一下丝网除沫器分离效率低的原因。其实，我在之前多篇有关羽叶分离技术讨论帖中，也已经对丝网除沫器和羽叶分离器做过详细比对分析，有兴趣的朋友可以搜索阅读。
       丝网除沫器，主要分为编织丝网和散堆丝网两大类，都是通过丝网纤维之间相互“架桥”形成的不规则“孔格”来进行阻挡拦截分离。
       首先需要明确，这种通过丝网纤维之间相互“架桥”形成的不规则“孔格”，其大小尺寸分布是不均匀的，大的孔格尺寸高达几百微米，而小的孔格尺寸则不到1微米，**小小同时存在。
       在气流携带不同尺寸分布的分散相到达丝网内件时，大尺寸的颗粒物会被微小尺寸的丝网“孔格”所阻挡拦截下来，比如，气流中部分50微米的颗粒物被5微米尺寸的丝网“孔格”阻挡拦截下来，而气流中另一部分50微米颗粒物则会直接穿过70微米尺寸的丝网“孔格”而无法有效阻挡拦截。因此，丝网除沫器只能用于非定量精准分离场合，而不能用于精准定量分离场合。
       而对于气液分离器场合，气流携带的液滴液沫具有显著“随形变化”特性，在液滴液沫穿过分离内件过程中会发生拉长变细，当液滴液沫穿过内件后，因流体突然降速并在表面张力作用下，其外形当量尺寸又恢复长大为原来尺寸。液滴液沫不同固体颗粒物。固体颗粒物不具有显著“随形变化”特性，采用丝网、滤芯等简易“孔格”阻挡拦截从流体中过滤脱除固体颗粒物过程中，其当量尺寸基本不发生变化。
       因此，气液分离器，必须由专业的动力学分离技术公司通过精准动力学分离技术设计平台准确设计、正确组态完成，才能在实际运行中发挥高效可靠的分离性能。切不能随意选择一种内件敷衍了事。

       还需要提醒的是，羰化反应通常采用固定床催化反应模式，由于催化剂选择性、催化剂活性以及其它反应条件变化时，会发生脱羟基缩聚副反应，形成多碳高碳化合物甚至聚合物，随气流携带到达分离内件组形成积聚。例如，在甲醇合成装置上，其粗甲醇分离器（也属于第一循环气分液罐）的内壁、排液管口、分离内件组等处会积聚不少浅白色石蜡。
       而荒煤气、焦炉气、合成气合成乙二醇项目上，羰化反应产物草酸二酯溶解性不佳，且在50℃上下便会凝固形成膏状物随气流携带到达第一循环气分液罐。我们往往为客户在第一循环气分液罐上专门设计旋喷洗涤系统，以定期在线清理第一循环气分液罐上积聚物，以确保羽叶分离精密内件组超长周期高效稳定运行。

      下图即是我方专门设计使用的在线旋喷洗涤阀组图片，供大家直观感受了解。

      第四，针对羽叶分离内件组从气流从分离脱除下来的液体，须避免其如丝网除沫器一样与净化前后的气流接触、“返混”、“二次携带”而降低分离运行稳定性。
       采用丝网除沫内件的分离器，气液混合流体沿分离罐轴向上行经丝网除沫内件分离脱除下来一部分液体，但这些脱除下来的液体如下暴雨一般纷纷落到分离罐下部正在上升的气流中形成气液接触、“返混”、“二次携带”，一部分液体又被分散携带在气流中再次进入丝网除沫，如此周而复始，既占用丝网除沫器资源，又降低气液分离效率。
      针对羽叶分离内件组从气流从分离脱除下来的液体与净化前后的气流无接触、无“返混”、无“二次携带”排送任务，在精准动力学分离技术上，则由抗虹吸降液内件组来完成。

     下图便是抗虹吸降液内件组实物照片。