197-双氧水项目精馏脱重芳烃和TOP原有丝网除沫折流板除沫器采用羽叶分离器改造

      本技术贴主要针对双氧水项目蒸馏脱重芳烃和TOP工序原有丝网除沫器和折流板除沫器采用羽叶分离器进行技术升级改造而提升双氧水产品品质实例进行深入分析讨论，为双氧水项目品质提标升级改造提供一种可靠技术方案选择。

      近些年，不少企业上马双氧水项目，尤其是有富余氢气资源的企业选择双氧水项目。从双氧水下游市场来看，新冠病毒疫情之下，低浓度双氧水作为杀菌消毒剂较医用酒精在燃爆安全性更佳特别是在密闭空间应用更具优势而用量大增。中高浓度的双氧水在化工行业作为绿色氧化剂，越来越受到重视。而高浓度双氧水作为电子行业电路板清洗剂，以及作为航天火箭推进逐级，更是必不可少。应用市场不断扩大、市场前景看好，使得不少企业尤其是有富余氢气资源的企业决定上马建设双氧水项目，上马的单套双氧水装置规模也从最初的万吨级增加到如今三十万吨以上级规模，足可以说明双氧水项目的长远市场需求及前景。

      这里提供某企业30万吨级双氧水装置图片，足以振奋人心。

      但是，无论是低浓度医用双氧水，中高浓度的化学工业氧化剂双氧水，还是高浓度电子行业和航天业专用过氧化氢，无一不对其生产过程中携带残留的EAQ、重质芳烃、高级脂肪醇及TOP提出严格要求，以避免这些携带杂质对医用对象造成危害、在化学反应中引入杂质。因此，前述携带质在双氧水产品中的含量，决定了双氧水产品合格与否及应用领域，从而也决定了双氧水产品的市场价格及双氧水装置技术经济效益。这是每个双氧水生产企业最为关注和遭遇最多烦恼的问题。

       烷基蒽醌，常用的2-乙基蒽醌EAQ，是氢化工作液中的氢载体，其本身还有异构体如烷基蒽酚同；而重质芳烃HAR，是氢化工作液中的芳环物溶剂，由炼化企业铂重整装置提供，主要是C9-C10重质芳烃；而高级脂肪醇及TOP，则是作为羟基和酯基化合物对工作液极性调节助剂；这些重质化合物在双氧水生产过程的氢化工序、氧化工序、萃取工序，一直以显著量存在，必须在脱重蒸馏工序薄膜蒸发器、蒸馏精馏塔装置中采用精密汽液分离器对重质化合物进行高效分离脱除，才能使所得双氧水或过氧化氢产品品质满足使用要求。

      在以往传统的双氧水生产工艺装置上，尤其在薄膜蒸发器和蒸馏精馏塔装置高真空脱重浓缩工艺中，对双氧水蒸汽分离脱除其携带的前述诸多重质化合物的技术装备，常常采用丝网除沫器和折流板除沫器。在实际运行中，丝网除沫器和折流板除沫器常常出现操作弹性低、分离效率低、运行压降高、双氧水产品中的有机重质化合物含量不合格等问题难以得到有效解决，产品双氧水产量和品质无法稳定达到设计要求，业主对此十分苦恼！

       双氧水装置脱重浓缩过程中的传统丝网除沫器和折流板除沫器，为什么会常常出现操作弹性低、分离效率低、运行压降高、双氧水产品中的有机重质化合物含量不合格等问题难以得到有效解决呢？
       作为双氧水装置工程工艺设计者，必须深入了解双氧水蒸汽与重质芳烃液滴液沫之间动力学气液分离原理，以及传统结构的丝网除沫器和折流板除沫器的结构性能，是否满足对应动力学分离要求？尤其在高真空、高汽速的双氧水脱重蒸馏特殊工况下。

      先来看看丝网除沫器。下图是丝网除沫器图片。
      1、从丝网除沫器结构上看，其通过纤维丝之间相互“架桥”形成的“孔格”来对气流中携带的液滴液沫实施拦截分离；而纤维丝之间相互“架桥”形成的“孔格”的大小尺寸分布在几个微米至几百个微米很宽范围，**小小不等，一股气流中相同尺寸的液滴比如23微米的液滴，在恰好遇到3微米、10微米、15微米等相对更小尺寸的“孔格”会被拦截，但如果遇到30微米、50微米、100微米等相对更大尺寸的“孔格”时就发生穿越逃逸。
      2、丝网除沫器在结构上只有单独一级分离单元，对上述逃逸的重质芳烃液滴液沫缺少更多分级级数去实施再次捕集分离。
      3、从分离过程看，气流中携带的液滴液沫，在进入丝网除沫器“孔格”时，由于其具有显著表面张力而具有“随形变化”特性，液滴液沫尺寸在穿过丝网除沫器“孔格”时其当量尺寸会发生尺寸收缩形变穿越“孔格”后，液滴液沫当量尺寸又会变回原来的尺寸。因此，丝网、滤网、滤芯、滤料等通过“孔格”来对气流中携带携带质实施有效拦截分离的场合，对粉尘等固体颗粒物当量尺寸不发生“随形变化”的情形有效，却对液滴液沫等具有尺寸“随形变化”的液滴液沫分离效率不高。
      4、气流与其所含携带质进入丝网除沫器分离前后的气流流向，与其携带质流向，或者同向或者逆向，造成气液易于返混、二次携带，甚至于在气液分离过程中形成“液泛”、“液涌”，不利于气液分离。

      再来看看折流板除沫器又如何呢？下图是折流板除沫器图片。
      1、折流板除沫器，也属于气液分离器，即动力学分离技术范畴，其结构和组态设计必须通过国际权威精准动力学分离技术计算和组态设计系统平台完成系统性方案，不能够用非专业动力学分离技术公司凭经验、靠“大概加估计”甚至“拍脑袋”出方案胡弄应付业主。否则，实际应用中分离效率与业主工艺技术要求偏离十万八千里。
       2、折流板除沫器结构单一，缺少把进入折流板除沫器前的混合流体实施预分配功能的预分配聚结结构，混合流体的流行流态及参数分布特征无法满足动力学分离高效精准运行所需的动力学分离前提条件，导致分离效果差。
       3、折流板除沫器内件结构简单，气流与其所含携带质进入折流板除沫器分离前后的流向，与丝网除沫器相似，或者同向或者逆向，造成气液易于返混、二次携带，气液分离效率低。
       4、折流板除沫器缺少独立的重相携带质排送系统，导致分离后的液体会重新携带进入气流，加重折流板除沫器工作负荷，周而复始，恶性循环。
      典型的雪弗龙折流板除沫器结构及其运行效率如下图：

      下面以某双氧水装置高浓度双氧水浓缩蒸馏装置原有除沫器技术升级改造为例，进行深入剖析讨论。
       客户的双氧水项目高真空蒸馏塔，其采出气携带液滴液沫，在工况温度55-60℃、工况绝压8kPaA 条件下，以155kg/h流量经原来丝网除沫器和折流板除沫器后，高速通过公称直径125mm管线排送至下游冷却收液系统。由于原有除沫器采用丝网除沫器和雪弗龙光板折流除沫器，而供货方没有精准动力学分离技术计算和组态设计系统平台，其所提供的除沫器技术方案凭经验、靠“大概加估计”进行设计制作，原有除沫器结构简单、气液分离性能低、操作弹性小，无法满足多变工况下对高真空蒸馏塔采出气进行高效稳定分离要求，产品难以稳定达到需方要求。

       针对高真空蒸馏塔采出气流含有液滴液沫携带质、且其工况温度压力及流体流态流型在实际操作运行过程可能出现多变工况不稳定波动情形，NOVEL公司通过其精准动力学分离技术计算平台运行得知：上述工况下，原有丝网除沫器和雪弗龙光板折流除沫器处理后的采出气携带的残留液滴最大尺寸尚达到38.74微米，液滴液沫残留量多，导致产品难以满足要求。
      为了高效捕集双氧水项目高真空蒸馏塔采出气流携带的液滴液沫，NOVEL从专业动力学气液分离技术角度建议业主：采用羽叶分离器，技术升级改造原有简易丝网和雪弗龙光板折流除沫器，提升其对多变工况下气液分离处理性能，才能满足波动工况下高操作弹性、高效稳定分离等技术要求，有效捕集高真空蒸馏塔采出气携带的液滴液沫。

      羽叶分离器，相对于传统结构的丝网除沫器和折流板除沫器，具有如下显著性能优势：
      1、从分离运行机制上看，羽叶分离器高效利用气流本身携带的动能、动量和液滴表面自由能，协同发挥包括流体动量动能转换分离、矢量分离、聚结分离、表面自由能捕集分离等多种分离手段，操作弹性大，运行压降低，分离效率稳定。
      2、从分离内件结构上看，羽叶分离元件内在结构上，为气相流、液相流分别设置了结构相互独立、流向相互正交、高效分流的独立输送通道，有效避免气液二次夹带和返混。
      3、从分离级数上看，羽叶分离器在气流通道上设置4-6级串行分离单元，任何从上一级分离单元逃逸的液滴液沫，会被后续串行分离单元连续捕集分离，确保尾气分离效率和高操作弹性。比如，在遇到某种波动工况情形下，导致第1级分离单元分离效率下降到85%，也即该单元释出气流中的液滴液沫逃逸率或残存率为15%（即100%-85%）；气流经串联第2级分离单元捕集分离后，该单元气流中液滴液沫总逃逸率或总体残存率则为15%*15%；气流又经串联第3级分离单元捕集分离，该单元气流中液滴液沫总体逃逸率或总体残存率则为15%*15%*15%；气流再经串联第4级分离单元捕集分离，该单元气流中液滴液沫总体逃逸率或总体残存率则变为15%*15%*15%*15%；以此类推。羽叶分离器在气流通道上设置的串联分离单元级数越多，羽叶分离器最终释出的气流中液滴液沫总体逃逸率或总体残存率越低。
       4、在相同工况和分离效率要求下，羽叶分离器设备尺寸和所占空间更小。
       此外，为了确保采用羽叶分离器适应超宽范围波动工况，本方案还匹配设置气流预分配聚结内件组、专有技术“抗虹吸”新型降液系统，以避免因工况波动过大产生的流型畸变、压降飙升所造成“虹吸效应”会瞬间将分离下来的液体倒吸入气流中二次分散而破坏有效分离运行。

      再次梳理确认客户工况如下：
1、气相出口尺寸，DN125mm；
2、气相流量，155kg/h；
3、工况气流压力，8kPaA；
4、工况气流温度，55-60℃；
5、气相组成：过氧化氢；
6、气流重相携带质：有机重质化合物。

      诺卫能源技术公司依据客户提供的上述实际工况数据，通过NOVEL精准动力学气液分离技术计算和组态设计系统平台设计完成的针对性羽叶分离器主要信息如下：
一、羽叶分离器型号：NOVEL G50P4/6-N/A-72.5;
二、羽叶分离器主要系统构成：
2.1 预分配聚结内件组，型号：NOVEL G50D，材质SS316L;
2.2 羽叶分离精密内件组，型号：NOVEL G50P4/6-EDP-20/1-30，材质SS316L;
2.3 抗虹吸降液内件组，型号：NOVEL G50L，材质SS316L。
三、撬装设计制造。

      下图是双氧水项目产品脱重蒸馏装置专用羽叶分离器安装结构示意图：

      下面详细介绍一下羽叶分离器各核心内件组情况：
       Item 1：预分配聚结内件组（可拆卸结构）：配置G50D型预分配聚结内件组，SS316L。其作用有三：
       其一，进一步对混合流体动能动量进行分配，使混合流体进入后续精密羽叶分离内件组前具备动力学分离运行条件，确保后续精密羽叶分离内件组处于稳定高效分离性能区间。
       其二，在混合流体进入后续精密羽叶分离内件组之前，对混合流体携带的小微尺寸重相携带质进行预聚结长大后以进入后续精密羽叶分离内件组深度脱除，保证分离器产气质量更高。
       其三，对后续精密羽叶分离内件组保护作用。在系统改造后运行之初，气流可能携带的吹除后仍残留的铁屑或者催化剂破碎颗粒物，必须通过预分配聚结内件组进行拦截保护。
    （ 国内外绝大多数供应方没有配备此结构，导致分离器产气质量不稳定。）

       下图是NOVEL G50D型预分配聚结内件组实物图片，供大家直观感受一下。

       Item2：精密羽叶分离内件组：配置G50P4/6型精密羽叶分离内件组，SS316L。作用：精密脱除混合气流中携带的宽范围尺寸液沫液雾，确保产气质量。
       下图即为高真空高流速双氧水项目脱重蒸馏装置专用NOVEL G50P4/6羽叶分离内件组实物图片。

      Item 3：抗“虹吸”降液系统：配置G50L型抗“虹吸”降液系统，SS316L。作用：当系统工况波动导致分离系统运行压差大幅上升时，NOVEL抗“虹吸”降液系统会保证降液系统在异常工况下杜绝液体在虹吸作用下反抽重新进入气流。（常规的液体浸没式液封结构系统，会在系统工况波动导致分离系统运行压差大幅上升时，将大量原本分离下来的液体压入降液管系统，导致原先被分离下来的液相会在“虹吸”作用下连续不断吸入降液管和分离内件组而重新混入分离后的洁净气流，产生明显带液，分离效率大幅下降；并且，大量原气也会进入降液系统“短路”绕过分离内件组，导致气流带液不能满足净化要求。

      下图即为NOVEL G50L抗虹吸降液内件组实物图片：