CN103641070A - 一种对Szorb装置中补充的氢气脱除水分的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对Szorb装置中补充的氢气脱除水分的方法，包括顺序相接的如下步骤：A、在压力小于11MPa、温度不超过110℃的条件下，对补充的氢气脱游离水，得夹带饱和水的氢气；B、在压力小于11MPa、温度不超过110℃的条件下，脱除步骤A中所得夹带饱和水的氢气中的饱和水，得到净化的补充氢气。本发明对Szorb装置中补充的氢气脱除水分的方法，所用装置投资成本低，占地面积小，分离效能提高，故障率低，设备免维护，补充氢气效果好，有效解决了氢气带水、干燥吸附器使用周期短等问题可连续使用4年以上，避免了补充氢气压缩机由于带液引起的不正常振动和电流过大现象，提高了其安全稳定性，同时降低了能耗。

Description

一种对Szorb装置中补充的氢气脱除水分的方法

技术领域

本发明涉及一种对Szorb装置中补充的氢气脱除水分的方法，属于石油化工与环保领域中催化裂化（FCC）汽油Szorb脱硫工艺中氢气脱水的方法，适用于催化吸附脱硫工艺。

背景技术

随着世界各国对环保要求的不断提高，全球汽油硫含量的指标也日趋严格，欧盟已从2009年起执行欧V标准，其对氮氧化物、碳氢化合物等机动车排放物的限制更为严格。我国于2010年1月1日在全国实行国III标准（汽油中硫质量分数小于150μg/g），而北京市已于2008年5月实行了国IV标准（汽油中硫质量分数小于50μg/g），上海、广州等一些重点城市也已在硫含量方面提前实行国IV标准。

从国IV到国V，环保指标进一步苛刻，其中硫含量从50ppm降到10ppm，油品质量也进一步提高。研究结果表明，车用汽柴油品质升级对减排的贡献很大，第V阶段替代第IV阶段车用汽油和柴油将至少实现10%和7%的氮氧化物减排，碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物、颗粒物排放均会得到有效控制。实施新标准后，燃油中的硫含量仅为此前的五分之一，而且由于油品质量提高，燃烧也将更加充分。因此可以直接减少尾气中PM2.5的排放。环保需求的提高对我国炼油企业汽油脱硫技术提出了更高、迫切、现实的需求。

我国汽油中催化裂化（FCC）汽油达到80％，FCC汽油是汽油产品中硫的主要提供者，因此解决FCC汽油脱硫问题成为关键。另外，FCC汽油深度脱硫过程中的辛烷值损失问题也相对更严重。Szorb技术是针对FCC汽油馏分的吸附脱硫新技术，具有脱硫效率高和辛烷值损失小的特点，但对补充氢气脱水要求高。

但现有的装置存在补充氢气脱水不彻底现象，给补充氢气压缩机及后续装置的安全生产和稳定运行带来隐患。Szorb装置的补充氢气若夹带游离水和饱和水，在补充氢压缩机增压时可导致电流过大，严重危害到压缩机的安全稳定运行。通常所采用工艺为通过滤芯式过滤器脱除氢气中的水。由于国内滤芯式过滤器供应商保证的运行周期一般不超过一年，不能满足长周期运行要求，脱游离水设施需要频繁更换滤芯。滤芯使用过程中随着寿命的缩短，其过滤能力随之减弱，导致未经过滤的游离水进入吸附干燥器，使得干燥吸附剂很快饱和，夹带的水会增加反应器的热负荷，水汽化后将使系统压力增大，引起系统压力波动甚至超压。另外，由于水汽化吸收大量热，补充氢气带水严重将造成反应器床层温度下降，不带水时床层温度又会上升，若冷氢阀故障或冷氢量不足，便可能使床层超温甚至“飞温”，温度急剧波动会引起反应器中吸附剂的破碎。这些都是生产过程中亟待解决的问题。

我国在旋流分离工业应用方面同样做了很多工种，中国专利CN200995173发明了一种气液旋流分离器，CN2912804Y公开了一种多柱锥组合式液-液分离用旋流器。旋流分离设备结构的创新正不断拓展旋流分离的应用领域，但对于密度差小、分离精度要求高的情况下旋流分离方法的使用仍受技术上的限制。

总之，由于环保指标的迫切需求和现有技术存在的上述问题，所以至今尚未真正有效解决SZorb装置补充氢气带水量大且波动大条件下脱水操作长周期运行的问题。因此，本领域迫切需要开发出分离效率高、运行周期长的氢气脱水处理方法和装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种对Szorb装置中补充的氢气脱除水分的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种对Szorb装置中补充的氢气脱除水分的方法，其特征在于：包括顺序相接的如下步骤：

A、在压力小于11MPa、温度不超过110℃的条件下，对补充的氢气脱游离水，得夹带饱和水的氢气；

B、在压力小于11MPa、温度不超过110℃的条件下，脱除步骤A中所得夹带饱和水的氢气中的饱和水，得到净化的补充氢气。

补充的氢气中的水分分为游离水和饱和水，将游离水和饱和水采用采用上述方法在不同的步骤中分别脱除，大幅度提高了水的脱除效率，避免了因脱水不彻底而带来的诸多弊端。上述方法对补充氢气中的水分的上限没有要求。

上述步骤A中所得夹带饱和水的氢气中水含量不大于50ppm；步骤B所得到净化的补充氢气中水含量不大于20ppm。

步骤A中脱游离水所用装置为微旋流强化分离器；步骤B中脱饱和水所用装置为高效吸附干燥器，所述微旋流强化分离器与高效吸附干燥器串联。

微旋流强化分离器包括上圆柱段、下圆锥段、进气管和溢流管，其中，下圆锥段对接在上圆柱段的底部，下圆锥段底部设有底流口；进气管对接在上圆柱段的中上部；溢流管从上圆柱段的顶部插入上圆柱段、并固连在上圆柱段上；微旋流强化分离器采用180°蜗壳式进口。

上述微旋流强化分离器对游离态水的计算分离精度为3微米，对7微米以上粒径水滴脱除效率超过95%，所产生压力降不超过1kPa，且结构紧凑，弹性操作范围为60%-120%，对进口的含水量的增加不敏感，长周期运行而不需要更换滤芯，可使Szorb装置中补充氢气脱水设施的连续运行周期从3个月延长到4年以上。

不同于传统旋风分离器所采用的切向进口，本申请气液微旋流分离器采用180°蜗壳式进口，这样可以避免进口气流直接冲刷溢流管外壁，减少短路流的产生，并且还可以为气流从入口到旋流器内提供一个较平稳的气体动力学过渡过程，减少对内部流场的扰动，另外这半圈蜗壳还为气液混合物提供了一定的预分离空间，并且入口半径的增加会造成进流旋转动量增加，内旋涡旋转速度增加，切割粒径随之减小。

上述进气管为减缩进气管，进气管的纵截面为矩形，进气管的进气口上对接有喇叭口。

现有技术中的旋风分离器进气管的纵截面形状为两边平行的不收缩的通道，申请人经经研究发现：渐缩形进气管可使气体在进气管处加速，以加强旋流器内的离心力强度，更加有利于捕集微细颗粒，并且渐缩形进气管还可补偿气体由进气管向旋流腔转变过程中的局部能量损失，使进口流量维持恒定，以保证其足够的进口流速。最为重要的是，渐缩形进气管对于气液微旋流分离器所处理的气液混合物更具强化分离意义，在进气管内细小液滴随着流道面积的减小势必发生凝聚现象，伴随着细小液滴逐渐凝聚长大，其粒径也随之增加，提高了细小液滴被旋流器捕集的可能性，间接提升了旋流器对微细颗粒物的捕集能力。

上述进气管采用渐缩形进气管，并且在进气管前端设置“喇叭口”，强化了渐缩效果，使原料气体中夹带的液滴迅速碰撞，促进了液滴的凝聚效果。

进气管是旋流器用以改变进料方向和运动轨迹的关键部件，并作为旋流场进料的预排列区域，对整体分离效率影响明显，并能起到降低能耗的作用。申请人经研究发现：有相同截面面积的圆形和矩形进气口，矩形进气口能使分离效率得到改善。这主要是因为矩形进气口的断面形状能紧贴旋流器上圆柱段壁面，消除了引起进气短路的死区，使进气更平稳和流畅。且进口横截面为矩形的进料管能使进气口处流体的湍流扰动程度减弱，从而降低旋流器内能量耗损。

进气管包括四个面，分别为上底面、下底面和两侧面，下底面在通向上圆柱段的方向上沿水平向下倾斜10°。

上述下底面在通向上圆柱段的方向上沿水平向下倾斜10°，减少了短路流，此举不仅可以有效减少进入柱段后向上旋转的气流，减少直接由溢流管排出的液滴颗粒，而且可将进口的强旋流动变成近似直线运动，因此该结构还能有效降低旋流器的压力损失。

溢流管管径为0.44D，其中，D为上圆柱段的直径。

上述溢流管优选薄壁直管溢流管，由于旋流器内气体流场是由外部向下的外旋流和内部向上的内旋流组成，申请人经研究发现：溢流管管径变小意味着内旋流区变小，最大切向速度值增大，离心力场增强，因此分离效率会有所上升，然而伴随着溢流管内的气速增大，压力降也会上升；如果继续减小溢流管管径，内旋流的轴向速度也随之加大，此时对分离效率的提升就不再明显了，而压力降却一直上升，本申请溢流管管径优选为为0.44D。这样可将分离效率提高到最高。

溢流管的底部高于进气管的下底面。

溢流管插入上圆柱段的深为0.7D，其中，D为上圆柱段的直径；溢流管底部的周边设有裙边，裙边为波纹状。

申请人经研究发现：溢流管插入深度对压降的影响不明显，但它对分离效率的影响尤为显著，如果溢流管插入柱段较浅，即溢流管下端位于进口底板之上，此时虽然压降减小了，制造费用节省了，且通过切向进口检查和维修比较方便，但是部分气体会直接进入溢流管逃逸，因此这部分气体中所夹带的液滴未经分离便直接离开旋流器，这部分气体流量便是短路流，短路流的存在使气体旋流器的分离性能大为降低。当溢流管插入深度S小于0.7D时，分离效率受短路流影响较为严重，而当溢流管插入深度S超过0.7D时，分离效率的上升趋缓，在0.7D处分离效率接近最高，而0.8D和0.9D时分离效率已基本不变，而0.8D和0.9D时的压降值高于0.7D所对应的压降值，因此优选0.7D为最佳溢流管插入深度。

申请人经研究发现：由于微旋流分离器所要分离的液滴容易在旋流器上部壁面形成液膜，并且该液膜不是静止不动的，而是在二次气流驱动下先沿壁面向上移动再沿顶板径向向内移动，最后沿溢流管外壁向下流动，最后从溢流管进口处跑逸，如果不采用导流措施，这层液膜会大大降低旋流器分离效率，将溢流管底部的周边设置裙边有效防止了上述问题，且波纹状的结构可以促使液膜脱落，这样进一步提高了分离效率。

底流口上设有隔离板，底流口和隔离板之间留有空隙。

上述设置保证了旋流器气体内旋涡的底部不与其下面的液面接触，避免已被分离的液体返混进上行气流中，隔离板的设置不是中断气体旋涡，而是降低湍流和削弱旋涡强度。

上述微旋流强化分离器和高效吸附干燥器均可为串联和/或并联的一以上，微旋流强化分离器和高效吸附干燥器均可以单台使用，多台使用，具体可根据需要设定，这样既可进一步提高分离效率，又可切换使用，方便维护和维修。

本发明未提及的技术均为现有技术。

本发明对Szorb装置中补充的氢气脱除水分的方法，所用装置投资成本低，占地面积小，分离效能提高，故障率低，设备免维护，补充氢气效果好，有效解决了氢气带水、干燥吸附器使用周期短等问题可连续使用4年以上，避免了补充氢气压缩机由于带液引起的不正常振动和电流过大现象，提高了其安全稳定性，同时降低了能耗。

附图说明

图1为具体实施方式中对Szorb装置中补充的氢气脱除水分的流程图。

图2为微旋流强化分离器的主视图。

图3为图2的俯视图。

图4为现有技术中微旋流强化分离器的切向进口示意图。

图5为微旋流强化分离器分离效率与压降对应关系。

图6为微旋流强化分离器在不同浓度条件下的分离效率。

图7为微旋流强化分离器在进出口液滴粒径的对比，图中（1）为进口粒径，大小为7μm，（2）为溢流管出口的粒径，大小为2μm。

图8为溢流管插入深度对分离效率的影响。

图中，1为原料泵，2为加热炉，3为反应器，4为热高分，5为冷高分,6为高效吸附干燥器，7为微旋流强化分离器，8为进出料换热器，9为反吹/补充氢压缩机，10为隔离板，11为溢流管，12为进气管，13为喇叭口，14为裙边，15为上圆柱段，16为下圆锥段，17为底流口。

图中箭头方向为物料流动方向。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

对Szorb装置中补充的氢气脱除水分的方法，包括顺序相接的如下步骤：

A、在压力小于11MPa、温度不超过110℃的条件下，对补充的氢气脱游离水，得夹带饱和水的氢气，夹带饱和水的氢气中水含量不大于50ppm；

B、在压力小于11MPa、温度不超过110℃的条件下，脱除步骤A中所得夹带饱和水的氢气中的饱和水，得到净化的补充氢气，净化的补充氢气中水含量不大于20ppm。

如图1-3所示，步骤A中脱游离水所用装置为微旋流强化分离器；步骤B中脱饱和水所用装置为高效吸附干燥器，所述微旋流强化分离器与高效吸附干燥器串联。

微旋流强化分离器包括上圆柱段、下圆锥段、进气管和溢流管，其中，下圆锥段对接在上圆柱段的底部，下圆锥段底部设有底流口；进气管对接在上圆柱段的中上部；溢流管从上圆柱段的顶部插入上圆柱段、并固连在上圆柱段上；微旋流强化分离器采用180°蜗壳式进口；进气管为减缩进气管，进气管的纵截面为矩形，进气管的进气口上对接有喇叭口；进气管包括四个面，分别为上底面、下底面和两侧面，下底面在通向上圆柱段的方向上沿水平向下倾斜10°；溢流管管径为0.44D，其中，D为上圆柱段的直径；溢流管的底部高于进气管的下底面，溢流管插入上圆柱段的深为0.7D，其中，D为上圆柱段的直径；溢流管底部的周边设有裙边，裙边为波纹状；底流口上设有隔离板，底流口和隔离板之间留有空隙。

微旋流强化分离器分离效率与压降对应关系如图5所示，微旋流强化分离器在不同浓度条件下的分离效率如图6所示，微旋流强化分离器在进出口液滴粒径的对比如图7所示。

图1所示的为中国石化金陵分公司SZorb装置补充氢气脱水装置，所用微旋流强化分离器为如上所述，且微旋流强化分离器上圆柱段的直径为800mm，上圆柱段和下圆锥段的总高度为3600mm，设备处理量为5000Nm3/h；高效吸附干燥器的直径为800mm，高度为3600mm。

微旋流强化分离器和高效吸附干燥器操作压力为2.6～3.15Mpa，操作温度为40℃。

微旋流强化分离器脱游离水高效稳定，在工作状态下有效脱除环境变化时的水分，经过气相色谱分析，其中游离水平均从1000ppm降低到50ppm以内，微旋流强化分离器定期从排水口排出大量的水。高效吸附干燥器连续使用18个月仍不需要更换干燥剂（在此指出的是，该高效吸附干燥器在与聚结式脱水器串联时，其干燥剂更换周期为三个月)，所得净化的补充氢气中水含量不大于20ppm，压缩机一直稳定运行，无任何故障。

Claims (10)

1.一种对Szorb装置中补充的氢气脱除水分的方法，其特征在于：包括顺序相接的如下步骤：

A、在压力小于11MPa、温度不超过110℃的条件下，对补充的氢气脱游离水，得夹带饱和水的氢气；

B、在压力小于11MPa、温度不超过110℃的条件下，脱除步骤A中所得夹带饱和水的氢气中的饱和水，得到净化的补充氢气。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤A中所得夹带饱和水的氢气中水含量不大于50ppm；步骤B所得到净化的补充氢气中水含量不大于20ppm。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤A中脱游离水所用装置为微旋流强化分离器；步骤B中脱饱和水所用装置为高效吸附干燥器，所述微旋流强化分离器与高效吸附干燥器串联。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：微旋流强化分离器包括上圆柱段、下圆锥段、进气管和溢流管，其中，下圆锥段对接在上圆柱段的底部，下圆锥段底部设有底流口；进气管对接在上圆柱段的中上部；溢流管从上圆柱段的顶部插入上圆柱段、并固连在上圆柱段上；微旋流强化分离器采用180°蜗壳式进口。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：进气管为减缩进气管，进气管的纵截面为矩形，进气管的进气口上对接有喇叭口。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：进气管包括四个面，分别为上底面、下底面和两侧面，下底面在通向上圆柱段的方向上沿水平向下倾斜10°。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：溢流管管径为0.44D，其中，D为上圆柱段的直径。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：溢流管的底部高于进气管的下底面。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：溢流管插入上圆柱段的深为0.7D，其中，D为上圆柱段的直径；溢流管底部的周边设有裙边，裙边为波纹状。

10.如权利要求4所述的方法，其特征在于：底流口上设有隔离板，底流口和隔离板之间留有空隙。

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