190-羽叶分离器用于合成气制乙二醇项目加氢装置循环氢压缩机入口分离罐升级改造方案

      本技术贴主要针对荒煤气、焦炉气、合成气制乙二醇项目之草酸二酯加氢装置涉及到的循环氢压缩机入口分离罐、粗乙二醇分离罐和粗甲醇分离罐等核心分离设备采用羽叶分离技术升级改造方案进行剖析讨论。

      在前期的技术帖中，我们针对荒煤气、焦炉气、合成气制乙二醇项目的亚硝酯化单元酯化塔顶部气液分离除雾器技术升级改造、羰化氧化偶联反应单元第一循环气分离器技术升级改造方案进行专门分析讨论。本技术贴则主要针对草酸二酯加氢单元涉及到的主要核心分离装置循环氢气压缩机入口分离罐、粗乙二醇分离罐和粗甲醇分离罐采用羽叶分离技术内件进行升级改造方案进行讨论。

       合成气制乙二醇项目之草酸二酯加氢单元，需要对羰化氧化偶联反应单元目标反应物草酸二酯进行加氢，使草酸二酯转化为粗乙二醇和粗甲醇。
       草酸二酯加氢单元，无论采用釜式加氢、管式加氢还是釜管混合式加氢，注入其加氢反应器的原料氢气摩尔比都需要显著过量。而过量未反应的氢气，随加氢反应物一起从末段加氢反应器释出，经一级冷却，进入粗乙二醇分离罐进行气液分离捕集分离粗乙二醇后，其气相经二级深冷，再进入粗甲醇分离罐气液分离捕集粗甲醇，其气流再进入循环压缩机入口分离罐脱液脱沫后，经循环氢气压缩机升压后与新鲜氢气混合注入加氢反应器参与反应。

      正如前述其它大多数合成反应装置一样，其所涉及到的核心分离设备作用举足轻重。
      粗乙二醇分离罐，需要承担起从循环氢气中高效捕集第一目标产物粗乙二醇，以获得粗乙二醇高效单程收率，事关加氢单元乃至整个合成气制乙二醇项目的目标产物收率和技术经济效益。
       粗甲醇分离罐，需要承担起从循环氢气中高效捕集原料兼中间体粗甲醇，使甲醇消耗越低越好，从而使整过合成气制乙二醇项目技术经济效益做出主要贡献之一。有的工艺以乙醇作为醇原料兼中间体，则相应分离设备称为“粗乙醇分离罐”，其作用相似。虽然乙醇沸点相对于甲醇更高而反应控制相对更易，但是，乙醇成本价格相对更高，获取成本更高。选择甲醇还是乙醇作为合成气制乙二醇项目原料中间体，仁者见仁，智者见智。

      循环氢气压缩机入口分离罐，其主要作用是对进行氢气压缩机前的氢气流再次脱液除沫，避免过量液滴液沫随气流进入压缩机加压液化形成“拉缸”“缸震”甚至“液击”损坏核心运转设备甚至带来生产安全问题。其实，不仅仅是合成气制乙二醇项目加氢单元循环氢压缩机入口分离罐对于循环氢压缩机正产运行安全如此重要，其它带液气流压缩机的入口分液罐，对后续压缩机安保和正产运行同样重要。而恰恰是这样的压缩机入口分离设备却常常发生气液分离问题甚至有业主反馈“不明原因的出气带液”，导致价值不菲的压缩机损坏。因此，无论是业主、设计单位还是工艺包方，都须对循环氢气压缩机入口分离罐引起足够重视。

      本技术贴中我方采用羽叶分离技术内件为客户循环氢气压缩机入口分液罐、粗甲醇分离罐、粗乙二醇分离罐进行技术升级改造的案例中，由于客户所投建的荒煤气焦炉气制乙二醇项目（统称合成气制乙二醇项目类型）时间相对较早，属于吃螃蟹的项目，受当时工艺和装备技术条件限制，其核心气液分离设备都沿用上世纪七八十年代以来最传统简易结构的丝网除沫器。客户反馈说，该项目原来建设投用的分离器没有一套好用的，设备出气管线时不时发出液体冲击管路激荡声音，甚至严重时管线都会抖动，能排出好多液料，装置消耗一直控制不理想。
       业主其实在找我方采用羽叶分离技术内件为其分离设备技术升级改造前，也找过装置工艺包方和设计单位要求技改，但是由于设备属于加压加氢、易燃易爆、甚至某些物料还属于有毒有害类型，不允许在装置现场对受压设备内壁动焊，只能不了了之，直到找到我方采用羽叶分离技术内件专利技术为其分离设备进行无焊技术升级改造。

      我们必须得从道理上搞明白，为什么传统的丝网除沫器在带液气流的气液分离场合会存在问题？      其实，我在多篇有关羽叶分离技术讨论帖中已经针对丝网除沫器和羽叶分离器技术做过详细比对和原因分析，还提供了一些文献资料供大家讨论。有兴趣的朋友可以搜索“羽叶分离”关键词找到这些技术贴和文章进行阅读了解。
       这里就再次简要分析分析。丝网除沫器，主要分为编织丝网和散堆丝网两大类，无论是编织丝网还是散堆丝网，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。从材料上看，只不过是植物纤维、动物纤维、合成纤维、玻璃纤维和金属纤维等材质区别。
       首先，需要明确了解“丝”和“网”的结构关系。丝网是通过纤维丝之间相互“架桥”形成的不规则“孔格”或“网格”，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，呈高斯分布。当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。

      再从流体流场特性上分析其特殊性。
      大家知道，从草酸二酯加氢反应器释出的粗乙二醇和粗甲醇物流，经一级冷却换热后，粗乙二醇和大部分粗甲醇都液化形成块状流、段塞流甚至连续液流。对于这类大尺寸、占比高的块状流、段塞流甚至连续液流，不仅对气流冲击扰动能量大，对分离设备及内件的冲击影响也大，在动力学分离上需要采用专门的羽叶分离入口总成来专项应对。该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。

       加之，流体在工艺设备和管线之间流动，当流体从大尺寸的设备进入小尺寸的管线时，流体会产生收缩节流；而当流体从小尺寸管线进入大尺寸设备时，流体又会产生膨胀发展。比如，加氢反应器释出的气液混合流，从小尺寸的入口管进入到大尺寸的粗乙二醇分离罐大空间，流体会产生膨胀发展；而流体再由大尺寸的粗乙二醇分离罐，必须又发生流态收缩，才能从小尺寸的气流出口管释出体系。流体在分离罐内先膨胀发展、后收缩节流，流体膨胀发展和收缩节流到何种程度，在什么空间位置发生转变，是否充分，是否满足动力学分离基本前提条件？这些转变必须受控，且在精准动力学气液分离技术上需要由预分配聚结内件组来完成。

       在精准动力学分离技术上看，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、流量大且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”两类内件分工协同、组合设计、分级使用，把预分配内件组连接在精密分离内件组上，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：1、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。2、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。3、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）和凝胶质，防犯其对精密分离内件组造成频繁冲蚀和电化学腐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。

       当流体携带较宽尺寸范围的分散相如液滴液沫和颗粒物需要净化分离时，在精准动力学分离技术上往往采用分级应对、协同处理方略。对于处理气流中携带的大尺寸块状流、段塞流甚至于连续流，由羽叶分离入口总成来承担初级处理任务；气流中残存的中小尺寸分散相，则由预分配聚结内件组来应对；对于气流中微小尺寸的分散相高效、精准、定量脱除工作，在精准动力学分离技术上，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，微小液滴液沫分散相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协同分离方式，液体通过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。

      最后，在精准动力学气液分离技术设计上，还有一点精华闪耀之处需要指出，那就是采用抗虹吸短路降液技术，以确保被分离捕集下来的液体与气流“无接触”、“无返混”、“无虹吸短路”、“无携带”完成独立高效输送，避免其如采用传统丝网除沫器的压缩机入口分液罐使分离下来的液体又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。
       正如大家所了解的，采用丝网除沫内件的压缩机入口分液罐内的气液混合流体，先沿分离罐由下上行经丝网除沫内件分离脱除下来的一部分液体，如下暴雨一般纷纷下落到丝网下边正在上升的气流中，与气流形成气液接触、“返混”、“二次携带”，使这部分液体又被分散携带进入气流，反复进入丝网除沫，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。
      抗虹吸降液内件组，其就是专门为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”完成排送任务，在精准动力学分离技术上所设置的角色。

      反观我们经常看到的传统气液分离器，尤其是压缩机入口分液罐，通常采用简易降液管插入液封筒结构。分离设备出厂时，分离器尺寸已定型，其降液管和液封筒的长度已经固定下来。
      但是，在分液罐实际运行工况下，由于工况波动导致气流实际过流体积波动性增大，致使分离器实际运行压降飙升甚至超过运行上限，或者分离内件发生局部堵塞而压降飙升使分离内件组后端压力明显低于前端压力，此时，在压差作用下，分离器底部存储的液体会瞬间反向压入降液管，并连续进入到分离器出口端形成“虹吸短路”现象，最终导致分离器出口气流带液严重而远远超过工艺允许上限。尤其对于压缩机入口分离器降液管系产生“虹吸短路”，使气流瞬间严重带液，对压缩机带来灾难。比如，宁夏、内蒙的业主就反馈其压缩机入口分液罐时不时发生不明原因的出气管线带液损坏压缩机情形。我曾在前阶段技术帖中针对该类压缩机入口传统分液罐降液系统“虹吸”原理进行分析，请大家查找“抗虹吸降液内件组”相关技术贴中附有详细图解分析。
      羽叶分离器，则采用抗“虹吸短路”技术的新型降液总成，即便气流实际过流体积大幅增加、实际运行压降远远超过运行上限数十千帕、甚至连分离内件出现局部堵塞性压降飙升，也不会出现“虹吸短路”现象，从而完美技术升级解决传统分液罐简易降液管+液封筒结构问题。而该抗“虹吸短路”新型降液内件组则是压缩机入口分离器必选设置。

      弄明白业主原有的粗乙二醇分离罐、粗甲醇分离罐、循环氢压缩机入口分液罐存在的问题、动力学本质原因及羽叶分离技术解决方略，再来看看我们针对客户实际工况完成的针对性技术解决方案。

       客户加氢单元粗乙二醇分离罐运行工况条件数据如下：
1、运行温度：80℃；
2、运行压力：2.95MPaG；
3、气相流量：1217000Nm^3/h;
4、气相粘度：0.011cp；
5、气相密度：3.26kg/m^3;
6、气相分子量：3.17；
7、带液量：35.3m^3/h;
8、液沫表观密度：999kg/m^3;
9、液沫表面张力：36.04dyne/cm。

     客户对粗乙二醇分离罐技改具体技术要求：
1、从气流中99.9%分离脱除10微米及以上尺寸液滴液沫；
2、运行压降不超过5kPa；
3、羽叶分离内件安装最好不与分液罐内壁动焊，如果内件方对分液罐动焊则负责现场热处理。

      我们诺卫能源技术公司依据客户提供的加氢单元粗乙二醇分离罐实际工况运行参数，通过NOVEL精准动力学分离技术计算和组态设计系统平台，针对性完成的采用羽叶分离技术技改设备主要组成信息如下：
一、羽叶分离器主要组成：
1.1 羽叶分离入口总成，型号：G50H2200-V，材质S30403;
1.2 预分配聚结器，型号：G50D2200/12-V，材质S30403;
1.3 羽叶分离精密内件组，型号：D-BANK G50-220-1050-V，材质S30403;
1.4 抗“虹吸短路”新型降液系统内件组，型号： G50LD2200/4-V，材质S30403。
二、免焊撬装。

   上述采用羽叶分离技术升级改造后的粗乙二醇分离罐对应的性能参数如下：
（1）、基准设计工况气相流量：1217000 Nm^3/h；
（2）、基准设计工况温度：80℃；
（3）、基准设计工况操作压力：2.95MPaG；
（4）、操作弹性：至少15%-130% ，可达140%；
（5）、分离效率：99.9%脱除5.31及以上尺寸液沫@OT. 80℃ & OP.2.95MPaG & 1217000 Nm^3/h；
（6）、最高运行压降：1.71kPa @ OT. 80℃ & OP. 2.95MPaG & 1217000 Nm^3/h;
（7）、最大运行噪声强度：38.52db@ OT. 80℃ & OP. 2.95MPaG & 1217000 Nm^3/h。

     我们再来看看客户加氢单元粗甲醇分离罐运行工况条件数据如下：
1、运行温度：40℃；
2、运行压力：2.95MPaG；
3、气相流量：1199050Nm^3/h;
4、气相粘度：0.010cp；
5、气相密度：3.14kg/m^3;
6、气相分子量：2.73；
7、带液量：34m^3/h;
8、液沫表观密度：780kg/m^3;
9、液沫表面张力：21.5dyne/cm。

     客户对粗甲醇分离罐技改具体技术要求与粗乙二醇分离罐一样：
1、从气流中99.9%分离脱除10微米及以上尺寸液滴液沫；
2、运行压降不超过5kPa；
3、羽叶分离内件安装最好不与分液罐内壁动焊，如果内件方对分液罐动焊则负责现场热处理。