惰性瓷球在變壓吸附中阻止吸附劑粉化的作用分析

(成都華西化工科技股份有限公司，四川成都，610031)

隨著環(huán)保排放要求的提高，汽油柴油由國Ⅴ升級到國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)[1]。烯烴的含量(體積分?jǐn)?shù))%指標(biāo)由24降低到18，總污染物含量/(mg/kg)由無排放要求限制到最高值為24。煉廠氫氣的需求量越來越多[2]，氫氣純度要求更高。PSA單元長周期運(yùn)行過程中出現(xiàn)吸附劑粉化，造成裝置運(yùn)行過程中出現(xiàn)堵塞壓力變送器、程控閥閥門密封面泄漏等問題。吸附劑粉化主要是由于吸附劑強(qiáng)度，吸附劑床層是否發(fā)生流化等原因造成[3]。吸附劑的流化會造成吸附劑之間的相對位移，進(jìn)一步造成粉化[4]。

吸附塔頂部吸附劑為分子篩。分子篩廠生產(chǎn)的分子篩的強(qiáng)度為≥30N/顆。因此探討分子篩的流化與惰性瓷球的流化，來論證增加惰性瓷球?qū)Ψ乐刮絼┓刍淖饔谩?/p>

1 未加惰性瓷球的吸附劑床層的流化分析

以中石油某變壓吸附裝置在未加入惰性瓷球時(shí)為例，吸附床層頂部吸附劑為φ1.6～2.5mm的分子篩，分子篩的密度為750kg/m3。在此工況下的均壓氣量為21252m3/h。

1.1 固定床階段

如果流體通過床層的表觀速度(即空塔速度)μ較低，顆粒空隙中流體的實(shí)際流速μ1小于顆粒的沉降速度μt則顆粒基本上靜止不動(dòng)，顆粒層為固定床。為保持固定床狀態(tài)，理論上流體自下而上的最大表觀速度為：

μmax=μtε

式中：μt為顆粒沉降速度；ε為固定床的空隙率。

1.2 流化床階段

如果表觀速度μ大于上述固定床階段的最大表觀速度μmax，流體通過顆粒空隙的實(shí)際速度μ1大于顆粒的沉降速度μt，此時(shí)床內(nèi)顆粒將“浮起”，顆粒層將“膨脹”。顆粒床層的膨脹意味著床內(nèi)空隙率ε的增大，已知床層內(nèi)流體的實(shí)際流速μ1與表觀速度μ有如下關(guān)系：

故而，床層空隙率ε的增大，必使流體的實(shí)際流速μ1下降。因此，當(dāng)床層膨脹到一定程度，顆粒間的實(shí)際流速等于顆粒的沉降速度時(shí)，床層不再膨脹而顆粒則懸浮于流體中。這種床層稱為流化床。流化后的吸附劑碰撞到吸附塔頂收集器，容易造成吸附劑粉化。

1.3 起始流化速度

如果床層由均勻顆粒組成，則起始流化時(shí)床層的表觀速度μmf為[5]：

μmf=εμt

對于工業(yè)常見顆粒：

小顆粒：

(1)

大顆粒：

(2)

式中de為顆粒平均直徑(m)，ρp為顆粒密度(kg/m3)，ρ為氣體密度(kg/m3)，μ為氣體粘度(Pa·S)。

中石油此裝置的壓力為2.8MPa(G),溫度為40℃；氫氣的粘度μ=9.28×10-6Pa·S，密度為2.216 kg/m3。

由公式1得知：

因此不完全適合小顆粒。

若為大顆粒：

由公式2得知[6]：

μmf=0.52 m/s

因此不完全適合大顆粒。

因此顆粒床層特性在大小顆粒之間，ε=0.5，根據(jù)歐根方程：

(3)

μmf=0.644 m/s

Rep在0.17～420之間，符合歐根方程的計(jì)算。

在氣體流速為21252m3/h，吸附塔直徑為DN2000,氣體實(shí)際流速為1.88 m/s>0.644 m/s。因此在變壓吸附裝置過程中上層分子篩可能流化。

2 增加惰性瓷球的吸附劑床層的流化分析

由上述計(jì)算，可知裝置發(fā)生流化。因此在此裝置加入φ16mm的惰性瓷球后，瓷球的密度為1500kg/m3，在此工況下的均壓氣量為21252m3/h。

若為大顆粒：

μmf=2.08m/s

μmf=2.08m/s>1.88 m/s。裝置的實(shí)際流速小于瓷球的流化速度，因此能有效阻止最上層吸附劑流化。

內(nèi)蒙古伊泰煤制油有限公司的同類變壓吸附裝置[7]，對比吸附塔頂部增加惰性瓷球前后，吸附劑粉化對裝置的運(yùn)行影響如下：在增加惰性瓷球前吸附劑粉化造成程控閥密封件更換頻次為平均每月3.5臺次，同時(shí)變壓吸附裝置下游的壓縮機(jī)的氣閥，活塞環(huán)、支撐環(huán)一年共維修12臺次。平均檢修周期在1～2個(gè)月，每次檢修發(fā)現(xiàn)氣閥被吸附劑粉末堵塞，活塞環(huán)、支撐環(huán)磨損嚴(yán)重。

增加惰性瓷球后，程控閥門平均每5個(gè)月更換1臺次密封墊，壓縮機(jī)檢修周期延長至4個(gè)月，氣閥被吸附劑粉化阻塞現(xiàn)象減少，活塞環(huán)、支撐環(huán)未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重磨損。因此在均壓氣量一定時(shí)，增加大顆粒的惰性瓷球能預(yù)防PSA裝置中的吸附劑粉化。

3 結(jié)語

在變壓吸附裝置中，惰性瓷球的流化速度明顯大于分子篩的流化速度。因此防止吸附床層的分子篩流化引起的粉化，在分子篩的上部增加大顆粒的惰性瓷球能有效阻止分子篩的流化，進(jìn)一步阻止分子篩的粉化。有利于PSA裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。