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浅谈RTO废气治理系统中常用的除雾沫装置类型

  塔设备是石油石化、医药、轻工业、冶金等相关专业行业生产中重要的设备之一,其性能决定了整个生产装置的生产能力、原料消耗、产品质量、产品处理及三废处理等方面,在我们的RTO治理系统中也会涉及到净化塔设备,为提高塔设备的分离效率,降低物料损失、降低带水量等,用于分离塔设备中气体夹带的液滴,除沫器成了塔...
更新时间:2022-08-20 23:12:34
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  塔设备是石油石化、医药、轻工业、冶金等相关专业行业生产中重要的设备之一,其性能决定了整个生产装置的生产能力、原料消耗、产品质量、产品处理及三废处理等方面,在我们的RTO治理系统中也会涉及到净化塔设备,为提高塔设备的分离效率,降低物料损失、降低带水量等,用于分离塔设备中气体夹带的液滴,除沫器成了塔设备不可或缺的组件之一

  除雾沫技术是一门相对较老的科学,简单的撞击式除沫器早在1939年的一些文献中得到描述。从气体介质中分离悬浮的液体颗粒,其实质为气体非均相物系的分离。

  通常利用液滴粒径的大小来区分需要去除的雾沫,当液滴粒径。气体或者蒸汽中夹带的液滴粒径大小取决于液滴的产生机理、生长过程以及系统的物理特性。雾沫夹带一般由三个基本机理产生:机械作用,凝结和化学反应。

  从气体介质中分离雾滴的机理有:重力沉降、惯性碰撞、离心分离、静电吸引、扩散等,依据这些机理,很多企业和个人已研制出很多实用的专利产品。目前关于除沫器的设计标准中,继续沿用的有《丝网除沫器》(HG/T21618-1998)、《气液分离器设计》(HG/T20570.8-95)及一些机械标准可参照设计。

  目前对除沫器根据应用场合的区别也有相应不同的分类方法,常用的除沫器有惯性式、折流式、旋流板式、丝网式和旋风式分离器。下面来分别简单介绍一下这五种除沫器:

  原理:气液两相在曲折通道内流动,由于气液两相密度不同,惯性不同,当在转折处时,气体因密度小惯性就小,能随通道内的曲线流动,而液体的密度大所受到的惯性力就较大,当在曲折的通道内运动时,若在转角处因惯性力的作用会向前运动,碰撞在壁面上,从而达到气液分离的效果。

  波纹板叶片数量、结构参数、排列方式的不同都对除沫器的分离效率产生很大的影响。波纹板叶片类型众多,梯形、三角形和圆弧形叶片运用较为广泛。气液两相在波纹板内流动时可分为平行流动和竖直流动,平行流动时气相和液相的流动方向相反;竖直流动方式除沫效率高,大部分液体在第一级波纹板内就被捕集。

  波纹板除沫器主要结构是平行的“W”字型波纹板,液滴撞击在波纹板的壁面,在重力作用下向下流至收集槽内,气体随着波纹板做曲线运动,最后运动至出口处流出。但是由于出口处气体不断流出,压力低,容易造成二次夹带现象,降低分离效率。判断波纹板除沫的两大衡量因素是压降损失和分离效率,整体来说波纹板除沫器除沫效率不高、对于液滴直径小于 25μm的除沫效率低。由于波纹板除沫器的处理量大、清洗方便、不易结垢、对于含杂质两相除沫也适用,能无限除沫,有较大优势,波纹板除沫器在脱硫塔中安装较多。

  原理:当携带有液滴的气液两相流经丝网时,丝网阻碍了气流的运动,使得气流多次改变运动速度和方向以绕过丝网继续前进,气体运动过程中,这些改变引起液滴对丝网产生惯性冲击、重力沉降、直接拦截、布朗扩散以及静电吸引等作用而使液滴聚集分离。但由于气体中的液滴质量极小,且液滴一般呈现电中性,所以丝网除沫器的分离机理主要包括:惯性碰撞、直接拦截及布朗扩散。当液滴与网发生碰撞被捕集后会附着在丝网表面,丝网表面上液滴的扩散、液滴的重力沉降以及被捕集的液滴对气流中其他液滴的粘附作用使液滴形成较大的液滴沿着细丝流至两根丝的交接点。丝网的可润湿性、液体的表面张力及丝网的毛细管作用,使得液滴越来越大,直到聚集的液滴大到其自身产生的重力超过气体的上升力与液体表面张力的合力时,液滴就从丝网上分离下落。丝网除沫器适用于粒径在10-30μm的液滴工况。

  丝网除沫器主要构成:气体和液体通过的滤丝网、格栅组成的丝网块和固定丝网块的支撑装置。

  丝网为各种材质的气液过滤网,气液过滤网是由金属丝或非金属丝组成。气液过滤网的非金属丝由多股非金属纤维捻制而成,亦可为单股非金属丝。气液过滤网的规格常见的有以下三种规格:

  标准型丝网的分离性能介于高效型以及高穿透型之间,主要用于一般场合即用于没有特殊要求的场合;高效型丝网分离效率最高,主要用于对除沫要求较高的场合;高穿透型分离效率最低,但是由于其穿透性好,不易堵塞和液泛,故用于气速较大或气体液含量较大的场合。

  缠绕式结构即用丝网盘卷成所需直径大小的除沫器,这种结构要求丝网在盘卷时的波纹交错,且疏密一致,否则易产生气体短路,影响除沫效果。缠绕式结构仅适用于直径较小的丝网除沫器,直径一般在150~600 mm的范围内。

  多层式结构是目前普遍使用的一种结构,它是将丝网一层一层地平平,铺至规定的层数,在网层上下各放一块格栅,将网层压至除沫器所需的高度尺寸,

  用定距杆和扎丝将其固定为整块。多层式网块的形状和大小,依据除沫器的直径而定。多层式结构除沫器的适用直径范围较宽,一般在 300 mm~5200 mm

  决定丝网除沫器分离效率的重要条件是入口气液两相的速度,若气速低于临界值,液滴在气流中呈悬浮状,惯性力不够难以撞击丝网,致使分离效果低;若气速高于临界值,容易产生二次夹带,气体和液体两相的分离效果也不理想。目前在气液两相分离中使用率最高的除沫器就是丝网除沫器,在化工、石油、医药、机械、轻工等工业中均涉及。

  原理:气体夹带颗粒通过弯折通道时,惯性大的颗粒容易偏离流体流线,从流动的气体中分离出来而撞击到弯折通道壁面上被捕集,而气体则通过折流板间流道完成气液分离过程,主要形式为折流板型除沫器。除沫器的多折向结构增加了雾沫被捕集的机会,未被除去的雾沫在下一个转弯处经过相同的作用而被捕集,多级折流板反复作用大大提高分离效率。

  如下图所示,按其几何形状可分为流线型河折线型,也就是通常所见的圆弧形(a)、梯形(b)、三角形(c)、弧钩型(d)。

  折流板式除沫器内的气液两相分离流动有平行逆向和垂直流动两种基本方式,其中平行逆向流动易 造成二次夹带,降低除沫效率,因此不常采用。

  控制大气中的烟气;消除或减少对设备造成腐蚀或阻塞的液滴;回收有用液体;为下一步工艺操作提高气体的纯度;从反应气体中分离有害液滴,确保操作安全。

  有研究表明折流板式除沫器对于直径10μm以上液滴的脱除效率可达100%,通过优化折流板除沫器结构 5-8μm液滴可高效脱除。该类除沫器优化的气速为 2-3.5 m/s,对于4级折流板压降为 2-2.5Pa。折流板式除沫器的压力降较小,一般随着折流板间距的减少,折流板方向与气流方向夹角的增大,气体速度和密度的增大以及折流板折数的增加而增大。

  原理:旋流板除沫器为典型的气液两相离心分离式原理的除沫器,其分离机理为:当气体和液滴在旋流腔体内做回转运动时,沿着旋流器内的形状运动,随着向下运动,旋流器腔体是一个锥形腔,直径会越来越小,气体和液滴的的角速度增大,所受到的离心力越来越大,液滴直径较小的会逐渐向中心聚积最后向旋流器顶部运动,在顶部收集,液滴直径较大的液滴由于在自身重力的影响下所受到的离心力较大,被抛在旋流器内壁形成液滴流,向底端运动,最后在底端收集。

  构成:中部的圆柱体筒状结构、上下两部分锥体结构和锥形旋流板构成旋流板式除沫器。如上图所示,处于中间圆柱体筒状结构内的旋流板是除沫的主要部分,一周按照一定倾斜角度和仰角的叶片构成了中间的旋流板,当气流穿过旋流板时经过叶片、穿过缝隙,气流形成旋转气流,气体和液体在旋流器内做回转运动,由于旋流板式主要靠气液两相所受离心力进行分离,回转体内液滴的离心力可以达到自身重力的10 倍甚至更高,因此气流两相分离效果十分明显。

  如上图所示:旋流板内竖直方向的倾角,径向倾斜角度,其中竖直方向的倾角、径向倾斜角度和叶片数量是旋流板除沫的三个重要结构参数。

  旋流板除沫器可以将两相流中液滴直径为 5-75μm的液滴进行分离,对两相流进口速度非常敏感,适合分离速度较大的气液两相,当气流量大时分离效果明显,但气流量较小时分离不明显,优点是不易堵塞,压降较小。

  原理:用离心力来分离气流中的液滴,液体与气体形成气液两相流一起流动时,由于气液密度差较大,液体受到的离心力远大于气体,所以液体在离心力的作用下被甩出气体,并附着在分离器壁上,附着在分离器壁面的液滴由于重力的作用向下汇集到一起,通过排放管排出。由于离心力远大于重力(大尺寸分离设备内的离心力是重力的5倍,高压小尺寸分离设备内离心力达到重力的2500倍),因此离心分离的效率远高于重力分离,且其具有停留时间短、操作灵活、能稳定连续运行、设备体积小等诸多优点,使其成为研究最多的气液分离方式。

  如上图所示,管柱式离心分离器主要包括三个部分:倾斜切向入口;液相切向入口;轴向气相入口。

  分离器内的气流的流动形态是双螺旋流动,即气流沿着壁面做向下的螺旋式运动到分离器底部后随即改变方向,沿着漩涡中心做向上的螺旋式运动。气流在分离器内部的旋转速度可能达到入口速度的几倍。

  气液两相流由切向入口进入分离器并发生旋转流动,气液两相流在离心力、浮力和重力的共同作用下得以分离,经过分离后的气相和液相分别从垂直圆柱管的顶部和底部排出。分离过程是密度大的液体在离心力的作用下被甩向器壁并沿壁面下流,密度较小的气体到达漩涡中心形成上升气流,因此实现分离的必要条件即是液滴到达器壁的时间和气泡到达中心气核的时间均小于气液两相流出分离器的时间。

  离心分离器适用于大部分气液分离,尤其适合处理较干净的气体,其主要具有以下几个优点:性能稳定;维护费用低;重量轻,体积小;相比于其他传统分离器,制作成本低。

  但是,离心分离器在工业生产上的应用并不十分广泛,主要是因为:对速度十分敏感,分离效率随着速度的下降而降低;相比于其他传统的分离器,其要求的压降较大。

  即便如此,由于具有投资费用低、体积小、自动化程度高以及性能稳定等优点,管柱式旋流气液分离器广泛应用于地面和海上油气分离、井下分离和天然气输送等操作过程中,在我们的RTO治理系统中一般不常用管柱式分离器。

  综上我们可以了解到,波纹板式除沫器主要针对于液滴直径大于25μm的工况,丝网除沫器主要针对于10-30μm的液滴工况,折流板式的一般可脱除10μm以上的液滴工况,优化后的可对5-8μm的液滴进行除湿,旋流板式的可对5-75μm的液滴工况,而管柱式分离器受流速和管柱直径,时间等因素的影响,分离液滴的直径范围也较广,一般在40-150μm。YIHEAC的工艺工程师们在每个治理项目的过程中严格把控进入RTO治理流程中废气的带水量,根据废气介质本身的理化性质来针对性选材,根据气体工况因地制宜的选择适合的除雾沫装置的类型。