气液分离机理与应用...doc

作者：王保明 李大明 （高效氨分离器气液分离机理与应用）摘 要 本文论述合成氨厂传统氨分离器采用惯性分离技术存在的缺陷，重点介绍采用新技术、新材料的高效氨分离器工作机理及设计与应用分析。 关键词：氨分；惯性分离；极性粒子；表面凝聚；高效气液分离 氨合成圈中的氨分离器是直接分离回收液氨的重要设备。我国合成氨厂普遍采用冷冻冷凝法把合成气中的气氨通过氨冷器降温，在氨分离器中分离冷凝的液氨，获得我们需要的产品。氨分离器在氨合成圈中作用很重要，多年来科研单位、生产厂家在合成塔内件改造，合成工艺流程上深入研究，不断探索并取得了众多成果，但氨分的研究和技术改造却一直未有突破。 1 传统氨分离器 1.1 问题 我国合成氨厂不论其生产规模大小，氨分离器依然沿用六、七十年代的分离技术即旋流板或折流板加丝网、瓷环填料等传统方法分离液氨。使用中许多氨厂氨分离器分离效果并不理想，采取增加冰机制冷量降低合成气温度，促进气氨冷凝，又增加了能耗，经济上不合理。氨分离器分离效果不好，使反应生成的氨不能被有效分离，既影响产量，加重冷交负荷，部分液氨气化后又造成入塔氨含量偏高，合成反应率降低，氨产量也降低，同时又增加了循环气压缩功率。有些氨厂甚至出现氨分效果差，带液到透平循环机使透平机产生液击现象，影响透平机的正常运行。 1.2 问题分析 氨分离器分离精度和分离效率取决于分离机理、分离材料和结构。传统氨分离器采用机械分离原理，依靠惯性折转、旋流、重力沉降、丝网除雾等方法仅对大于10m的液氨粒子有效，对10m以下的小粒子效率很低。研究证明速度变化（重力沉降）形成的雾滴粒径多在100m以上；压力变化形成的雾化粒子粒径范围在10m100m；温度变化形成的冷凝粒子粒径范围在0.1m10m，且形成1m粒子的重量百分比高达40（图一），其中极性粒子（雾滴）形成的曲线向右移动，非极性粒子形成的曲线向左移动。传统氨分离器对分离10m100m范围的粒子效果较好，对10m以下的小粒子分离效果较差，因此针对分离10m以下小粒子，必须采用新的分离技术即采用精滤或超滤的方法进行高效气液分离。根据过滤分离原理，欲有效捕集微米或亚微米级粒子，分离材料首选纤维型过滤介质，其纤维直径与欲分离的粒子直径相当，同时分离器结构设计和材料极性选择应合理。 2 高效氨分离器 2.1 分离材料 高效氨分离器分离元件采用国际新型不锈钢（316L）金属纤维烧结材料，纤维丝径可拉伸至微米级，铺成一定厚度使纤维之间相互交叉形成三维迷宫式通道，碾压烧结而成。纤维之间固定烧接，属于不规则固定型深层过滤介质，不会出现孔径因压差变大及纤维脱落问题。由于这种材料丝径细，因此可形成极高的孔隙率（图二）和极好的透气性，同时拥有巨大的比表面积。采用这种材料制成的分离元件具有精度高、效率高、阻力小、耐腐蚀、可清洗再生的突出优点。此外这种材料和液氨粒子之间相互排斥，可防止液滴沿纤维表面铺开，该特征可以用接触角度来描述，即当液氨粒子被普通纤维材料捕集时，液滴强烈吸附纤维表面，液滴和纤维表面接触角度小于90度甚至可以是0度，而不锈钢金属纤维其接触角度大于90度（图三），有利于形成表面凝聚。这种新型材料非常适合分离极性粒子，并且可以利用材料不同密度梯度进行合理搭配，用于不同的工艺条件和介质。 2.2 分离元件 利用不锈钢金属纤维材料制成折叠式筒状滤芯，其分离（过滤）面积是未折叠筒状滤芯的46倍，纳污量提高十几倍，使用寿命大大延长（图四）。这种折叠式筒状分离元件悬挂在氨分离器高效分离腔内，所形成的分离面积比传统丝网面积大几十倍且气流与液滴落下方向成90度，因此具有很高的操作弹性，流量在一定范围变化时都能达到良好的分离效果，特别适合变负荷生产，扩产改造时通过增加分离元件数量扩大分离面积，无须改动氨分壳体仍能保证生产要求。 2.3 分离机理 合成气冷冻降温后，气氨冷凝形成0.1m至几毫米范围的液氨粒子进入氨分离器，大粒子在惯性分离过程中即被分离下来，0.1m10m小粒子则随气流进入高效分离区，小粒子首先被纤维丝捕集并在纤维丝表面凝聚，由于分离元件巨大的比表面积以及凝聚液滴表面张力的作用下，迅速在纤维表面形成液膜，液滴依靠重力作用，顺纤维表面向下流动，汇集排出。 3 设计与应用分析 3.1 空速 气体通过分离元件的速度选取应适当，气体速度过大时，凝聚的液滴受到气流剪切力增大，易使液滴破碎为更小的粒子，被气流夹带脱离分离元件形成二次雾化。因此设计或改造时应严格按照压力、流量、设计流速选取合适的分离面积才能取得良好的效果。此外由于气流穿过滤芯方向和液滴流动方向垂直，以及由于凝聚形成的液滴直径较大，可允许有更高的气流上升速度，因此十分有利于在相对狭小的空间进行技术改造。 3.2 固体粒子 金属纤维分离元件具有高精度特点，能有效捕集微小粒子，但同时也易被固体粒子堵塞造成系统阻力上升，因此在进行高效气液分离前应有效分离气体中的固体粒子，以充分发挥气液两相分离优势。这种新型高效气液分离技术尽管具有突出的优点，但具体应用中仍需谨慎操作，全面考虑各种影响因素，不断摸索和总结经验才能发挥其优异作用。 3.3 结构与极性选择 介质的极性可以用偶极矩衡量，偶极矩等于分子正电中心或负电中心上的电量乘以两个中心之间的距离所得的积。偶极矩为零的分子都是非极性分子，他们的正负电中心都重合在一起。偶极矩不等于零的分子称为极性分子如H2O,NH3。极性分子之间存在取向、诱导和色散作用，这三种作用都是吸引作用。不同介质的极性大小其凝聚力也不相同。因此选择不同的过滤分离材料也是影响分离效果的关键因素，如分离极性粒子采用单级高效分离组件，而分离水、油气溶胶粒子必须采用两级高效分离组件。此外结构设计上仍保留沿用传统氨分离器惯性分离的优点，最大限度利用多种分离的综合效应。 4 结束语 采用高效分离材料作为氨分离器核心元件后，可有效分离0.1m10m范围小粒子，大大提高分离效率，而设备阻力小于300mmH2O。高效氨分离器结构上保留传统氨分的优点，结合新技术、新材料给企业带来显著的经济效益。在系统操作条件不变的情况下明显增加液氨回收量，降低入塔氨含量，提高氨净值，增加氨产量。这项小投入，高产出的新技术不但可广泛应用于合成氨氨分离器、油分离器改造，还适合醇分离器、乙烯生产中压缩段间分离器、油田气凝析油回收等许多传统