孟慶華，王茂廷

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粗氫聚結(jié)器在制氫裝置中的應(yīng)用

孟慶華，王茂廷

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

通過(guò)引進(jìn)由北京華友欣達(dá)石化科技有限公司引進(jìn)美國(guó)濱特爾公司技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)的型號(hào)為FF04G02粗氫聚結(jié)器，成功地排除了因粗氫分液罐 V106分水效果不好而給制氫裝置工藝操作和設(shè)備運(yùn)行帶來(lái)的安全隱患，同時(shí)也為裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行和全廠的生產(chǎn)平衡提供了可靠地保障。

機(jī)械密封；泄漏；失效

遼河石化公司制氫裝置粗氫分液罐V106的分水效果不好，導(dǎo)致甲烷化反應(yīng)器入口溫控閥TIC324閥前積水嚴(yán)重，反應(yīng)器入口冷流介質(zhì)短路造成入口溫度波動(dòng)大，只有通過(guò)間歇性排水的方式才能夠使這種情況得到緩解。但是這樣不但大幅增加了車(chē)間員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，浪費(fèi)了大量的人力資源，而且也對(duì)裝置的平穩(wěn)操作產(chǎn)生了較大的影響。

2011年裝置大檢修期間，車(chē)間通過(guò)改造在V106后新增了一臺(tái)型號(hào)為FF04G02的由北京華友欣達(dá)石化科技有限公司引進(jìn)美國(guó)濱特爾公司技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)的氣/液聚結(jié)器，氣體的除濕效果得到了顯著地改善，TIC324閥前積水的問(wèn)題也得到了有效的緩解，并且以前通過(guò)調(diào)節(jié)閥前導(dǎo)淋間歇性排水而帶來(lái)的氣體加工損失得到了徹底消除。

1 背景

烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)是一類強(qiáng)吸熱且反應(yīng)體積增大的反應(yīng)，從化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)的角度來(lái)看，高溫低壓有利于化學(xué)反應(yīng)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，而操作溫度和操作壓力這兩個(gè)參數(shù)收到裝置設(shè)備以及系統(tǒng)配套資源的限制，可作調(diào)整的余地較小，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)平和轉(zhuǎn)化率和裝置產(chǎn)氫率的進(jìn)一步提高受到了操作條件的制約［1］。而從化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，增加反應(yīng)物的濃度可以提高化學(xué)反應(yīng)的速率。通過(guò)向轉(zhuǎn)化系統(tǒng)配入過(guò)量的水蒸氣，不但可以提高轉(zhuǎn)化反應(yīng)的速率和平衡轉(zhuǎn)化率，而且可以利用質(zhì)量熱容較高的水蒸氣作為熱載體，將轉(zhuǎn)化爐內(nèi)的剩余熱量帶出，避免熱量雷擊損壞設(shè)備，同時(shí)也可以為凈化系統(tǒng)溶液的再生提供熱源。

轉(zhuǎn)化系統(tǒng)配入的水蒸氣一部分直接參與了轉(zhuǎn)化、變換反應(yīng)，另一部分在經(jīng)過(guò)多次熱換擴(kuò)容以后被冷凝了下來(lái)，還有一部分形成霧滴隨著低變氣一起進(jìn)入了吸收塔，低變氣在吸收塔內(nèi)與來(lái)變氣一起進(jìn)入到吸收塔，低變氣在吸收塔內(nèi)與來(lái)自再生塔的苯菲爾溶液進(jìn)行兩端逆流接觸傳熱傳質(zhì)，H2O分子在整個(gè)吸收過(guò)程中的總傳質(zhì)系數(shù)較CO2分子要小的多，因此出塔粗氫中還攜帶有少量的蒸汽霧滴，除此以外其中還混有少量因霧沫夾帶而攜帶出的苯菲爾溶液［2］。2004年制氫裝置針對(duì)采用了焦化干氣作為加工原料進(jìn)行設(shè)計(jì)改造以后，由于出塔粗氫分液罐V106分水效果不能夠滿足生產(chǎn)工藝的要求，粗氫中所攜帶的飽和水在沒(méi)有得到有效分離的情況下被帶至后路系統(tǒng)，并在甲烷化反應(yīng)器入口冷流溫控閥TIC324閥前縮徑處緩沖冷凝下來(lái)，造成冷流氣路不暢，反應(yīng)器入口溫度的正常調(diào)節(jié)受到了非常大的影響，車(chē)間只能夠通過(guò)采取間歇性打開(kāi)調(diào)節(jié)閥前導(dǎo)淋排水的手段加以控制，冬季生產(chǎn)中這種情況尤為明顯，這樣不但大幅增加了車(chē)間員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且導(dǎo)淋閥的頻繁開(kāi)關(guān)對(duì)設(shè)備的正常使用和維護(hù)以及生產(chǎn)安全也是非常不利的，更為關(guān)鍵的是粗氫放空對(duì)裝置的加工損失、綜合單耗以及產(chǎn)氫率等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)都產(chǎn)生了非常大的影響［3］。

2 技術(shù)改造方案

2011年制氫裝置大檢修期間，車(chē)間通過(guò)改造在粗氫分液罐V106后新增了一臺(tái)型號(hào)為FF04G02的由北京華友欣達(dá)石化科技有限公司引進(jìn)美國(guó)濱特爾公司技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)的氣/液聚結(jié)器，并加裝一條設(shè)備跨線，以便于在事故狀態(tài)或更換拒接濾芯時(shí)使用，設(shè)備本體上安裝排凝線和吹掃放空線各一條［4］。

FF04G02型氣/液聚結(jié)器內(nèi)部裝有3根LGF.3-36MKCCSV型拒接濾芯，該濾芯的濾材采用的是梯度密度結(jié)構(gòu)超細(xì)纖維。利用濾芯底部的支撐件和上部的壓緊螺母將其固定在聚結(jié)器內(nèi)部。

FF04G02型氣/液聚結(jié)器的主要設(shè)備信息如下：

過(guò)濾介質(zhì)： 氫氣

濾除物： 水

操作溫度： ≤75 ℃

操作壓力： ≤1.7 MPa（g）

額定操作流量(N)： 10 306 m3/h

過(guò)濾器結(jié)構(gòu)：

直徑×長(zhǎng)度（mm）： DN 300×3 050

形式（立式/臥式）： 立式

殼體材質(zhì)： Q345R

內(nèi)件材質(zhì)： 304

執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)： GB150-98

設(shè)計(jì)壓力： 1.9 MPa（g）

設(shè)計(jì)溫度： 90 ℃

FF04G02型氣/液聚結(jié)器分離指標(biāo)要求：

過(guò)濾精度： ≥0.01μm

去除效率： 99.97%

出口含水量： ≤0.01μg/g

3 應(yīng)用效果

該項(xiàng)技術(shù)改造實(shí)施以后，制氫裝置因粗氫帶水而造成甲烷化反應(yīng)器入口溫控閥閥前積水，溫度調(diào)節(jié)困難的問(wèn)題得到了有效的緩解，降低了車(chē)間員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，在消除生產(chǎn)安全隱患的同時(shí)，進(jìn)步一降低了裝置的加工損失和綜合單耗，為裝置的長(zhǎng)周期優(yōu)化運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［5］。

由于試驗(yàn)分析條件所限，目前無(wú)法得到粗氫中含水量的準(zhǔn)確數(shù)值，但是從粗氫聚結(jié)器投用后的實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，能夠較好的滿足裝置生產(chǎn)工藝的要求，改造前突出存在的問(wèn)題也得到了有效的解決。

4 聚結(jié)器技術(shù)特點(diǎn)

該氣/液聚結(jié)器的核心技術(shù)即為濾芯的材質(zhì)——梯度密度結(jié)構(gòu)超細(xì)纖維的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，其工作原理近似于近年來(lái)成功研發(fā)的膜分離技術(shù)。該套設(shè)備具有占地面積小，處理量大，分離效果好等優(yōu)點(diǎn)，但是由于它對(duì)分離介質(zhì)中機(jī)械雜質(zhì)的含量要求非常嚴(yán)格，而且濾芯母材的價(jià)格比較昂貴，聚結(jié)器前后壓差達(dá)到0.055~0.067 MPa時(shí)即需要更換濾芯，因此其運(yùn)行維護(hù)的成本比較高，需要進(jìn)一步研發(fā)出價(jià)格低廉的濾芯母材才能夠具備比較廣泛的市場(chǎng)空間

5 社會(huì)效益

5.1 社會(huì)效益

制氫裝置出吸收塔粗氫的氣體除濕效果得到了非常顯著地改善，甲烷化反應(yīng)器入口溫控閥TIC324閥前積水的問(wèn)題也得到了有效的緩解，大幅降低了車(chē)間員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，不但節(jié)約了大量的人力資源，而且也徹底消除了對(duì)裝置操作平穩(wěn)帶來(lái)的影響，進(jìn)一步降低了裝置的加工損失和綜合單耗，保障了裝置的長(zhǎng)周期安全平穩(wěn)運(yùn)行。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

車(chē)間未進(jìn)行改造前，都是通過(guò)TIC324閥前導(dǎo)淋間歇性排水的操作手段來(lái)保證反應(yīng)器入口冷流管線的暢通，尤其是在冬季生產(chǎn)中，粗氫中所攜帶的霧滴更容易在調(diào)節(jié)閥前縮徑處節(jié)流，必須在閥前導(dǎo)淋處接膠管引至高點(diǎn)放空，以防止氣體夾帶的飽和水霧滴經(jīng)緩沖碰撞以后聚集，粗氫放空不可避免地造成了加工產(chǎn)品的損失，裝置的綜合單耗、產(chǎn)氫率等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也都受到了一定程度的影響。2011年通過(guò)改造新增氣/液聚結(jié)器以后，粗氫中所攜帶飽和水的分離效果得到了極大程度上的改善，避免了因粗氫放空而帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益上的損失。粗氫氣/液聚結(jié)器投用以后，出吸收塔粗氫的脫水效果得到了極大的改善，不再需要通過(guò)甲烷化反應(yīng)器入口溫控閥TIC324閥前導(dǎo)淋進(jìn)行排水［5］。如果冬季生產(chǎn)（150 d）時(shí)將粗氫接膠管引至高點(diǎn)放空，因粗氫放空而帶來(lái)的產(chǎn)品氫損失按照50 m3/h計(jì)算，那么每年可多回收產(chǎn)品氫50×24×150＝1.8×105m3。

若產(chǎn)品氫密度按照0.113 kg/ m3計(jì)算，那么在裝置加工量及原料組成不發(fā)生較大變化的情況下，每年可多向公司管網(wǎng)輸送產(chǎn)品氫1.8×105×0.113/1 000＝20.34 t，產(chǎn)品氫內(nèi)部?jī)r(jià)格按照20 196元/t計(jì)算，那么每年可多回收利潤(rùn)20.34×20 196＝41.08萬(wàn)元。

6 技術(shù)推廣

粗氫聚結(jié)器在我公司制氫裝置中的應(yīng)用效果良好，如果能夠研發(fā)出價(jià)格更低廉的濾芯母材，該技術(shù)在氣/液分離領(lǐng)域?qū)⒕邆涓叩耐茝V價(jià)值。

［1］宋琦，王樹(shù)立.水合物技術(shù)應(yīng)用與展望[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009,28（9）:5-9.

［2］陳光進(jìn)，孫長(zhǎng)宇．馬慶蘭.氣體水合物科學(xué)與技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［3］侯芙生．煉油工程師手冊(cè)[M].石油工業(yè)出版社，1996．

［4］王志文.化工容器設(shè)計(jì).北京：化學(xué)工業(yè)出版社.

［5］王青川，方怡中.催化裂化干氣作為制氫原料的研究與工業(yè)應(yīng)用[J].石油煉制與化工，2002,33（9）：18-21.

Application of Crude Hydrogen Coalescer in Hydrogen Production System

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（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Through using crude hydrogen coalescer FF04G02 developed by Beijing Huayouxinda Petrochemical Technology Company based on American Pentair company technology, security risks of the hydrogen production system because of crude hydrogen knockout drum V106’s bad separating result were successfully overcome, which could provide safeguard to long-term operation of the system.

Mechanical seals; Leak; Fail

TQ 051

A

1671-0460（2013）06-1030-02

2013-11-05

孟慶華（1987-），男，遼寧盤(pán)錦人，碩士研究生，遼寧石油化工大學(xué)安全技術(shù)及工程專業(yè)在讀研究生，研究方向：壓力容器及管道失效風(fēng)險(xiǎn)及剩余壽命評(píng)估。E-mail：mmqqhh5@126.com。

王茂廷（1960-），男，教授，碩士，研究方向：結(jié)構(gòu)的疲勞﹑斷裂﹑損傷﹑振動(dòng)以及可靠性，石油化工裝備的安全評(píng)定以及可靠性。E-mail：Wangmt6677877@126.com。