氫氣除水干燥工藝改進(jìn)

高冠英

(江西理文化工有限公司，江西 九江 332207)

江西理文化工有限公司(以下簡稱“江西理文化工”)建設(shè)有30萬t/a離子膜法燒堿、16萬t/a甲烷氯化物、30萬t/a雙氧水、4萬t/a氯化亞砜、1萬t/a聚合四氟乙烯等裝置。其中15萬t/a雙氧水裝置是2套，采用蒽醌法、鈀催化、固定床工藝，分別于2018年6月和2019年10月建成投產(chǎn)運行。

隨著雙氧水裝置的長期連續(xù)運行，系統(tǒng)中有些問題逐漸顯現(xiàn)出來，特別是氫化效率出現(xiàn)緩慢下降，降解物增多，雙氧水產(chǎn)量降低，催化劑再生頻繁，廢水量增加。針對生產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)的異常情況，江西理文化工組織技術(shù)力量進(jìn)行攻關(guān)，研究改進(jìn)方案。

1 原有氫氣輸送工藝

燒堿裝置氫氣處理設(shè)計為1套處理裝置。來自電解工序的高溫濕氫氣進(jìn)入氫氣冷卻器，用循環(huán)水降溫冷卻，進(jìn)入氫氣洗滌塔。在洗滌塔中采用工業(yè)水循環(huán)、洗滌、冷卻降溫后送入氫氣柜。氫氣自氣柜到氫氣分配臺分配，經(jīng)過往復(fù)式壓縮機(jī)加壓后進(jìn)入氫氣緩沖罐，通過管道輸送供雙氧水崗位使用。

原有氫氣輸送工藝流程如圖1所示。

2 生產(chǎn)運行中存在的問題

經(jīng)過幾年的連續(xù)運行，逐漸發(fā)現(xiàn)原有的氫氣夾帶水分，輸送到雙氧水車間會影響到雙氧水車間的穩(wěn)定運行。

2.1 氫氣夾帶水分導(dǎo)致催化劑活性下降

美國專利USP 2867507給出了相對濕度與催化劑活性的對比數(shù)據(jù)，詳見表1。

表1數(shù)據(jù)表明：相對濕度在42%～92%時活性最好。如果水分過高會使催化劑的活性下降很快。加壓輸送過來的氫氣存在液相水霧的夾帶，在管道、設(shè)備的低點積存到一定量后，短時間大量進(jìn)入氫化塔的催化劑床層時就可能會附著在催化劑顆粒的表面，影響加氫反應(yīng)的進(jìn)行。

2.2 氫氣夾帶水分導(dǎo)致催化劑消耗增加

載體鈀催化劑是將氧化鋁載體浸泡在定量的氯化鈀溶液中制造的。氯化鈀負(fù)載在氧化鋁表面，形成薄薄的蛋殼狀鈀鹽層，經(jīng)過烘干轉(zhuǎn)型變成黃褐色的氧化鈀催化劑。使用前氧化鈀載體催化劑經(jīng)過氫氣活化轉(zhuǎn)變成鈀黑和水。鈀黑的活性很強(qiáng)，1體積的鈀黑可以吸附780體積的氫氣[1]。鈀催化劑技術(shù)指標(biāo)見表2。

由表2數(shù)據(jù)可知：江西理文化工選用的催化劑產(chǎn)率高，抗壓碎力度相對較低。原料氫氣帶入的水分可能會加快催化劑的破碎、粉化、損失。

2.3 氫氣夾帶水分含微量堿分至催化劑性能下降

催化劑的載體是氧化鋁。氧化鋁是兩性的，長期接觸堿，會使氧化鋁的晶格破壞，氫化塔內(nèi)的催化劑被粉碎或結(jié)塊，造成工作液分布不均勻而影響生產(chǎn)。對送往雙氧水車間去的氫氣緩沖罐排出的冷凝水進(jìn)行采樣分析，數(shù)據(jù)見表3。

表3 氫氣緩沖罐排出的冷凝水采樣分析結(jié)果Table 3 Analysis results of sample ofcondensate out of hydrogen buffer vessel

表3分析數(shù)據(jù)表明：冷凝水中含有微量的堿分，即使加大洗滌水量等方法也無法徹底消除。

3 問題分析

氫氣的下游雙氧水車間在生產(chǎn)中反映出來的問題來看，氫氣輸送過程中的水分夾帶對生產(chǎn)運行的影響的確存在。

氫氣經(jīng)過管道長距離輸送會受到環(huán)境溫度的影響，特別是冬季溫度較低時會有凝結(jié)水產(chǎn)生，所以去除夾帶的水分很有必要。于是開始研究改進(jìn)氫氣除水的方法，降低對雙氧水裝置的影響。

4 改進(jìn)措施

根據(jù)對現(xiàn)有的氫氣輸送流程的分析，江西理文化工采取工藝技術(shù)改進(jìn)，降低氫氣含水量，詳見圖2。

圖2 改進(jìn)后氫氣輸送工藝流程圖Fig.2 Process flow diagram of improved hydrogen delivery

4.1 氫氣壓縮機(jī)前增加預(yù)冷器除水

在氫氣分配臺到壓縮機(jī)進(jìn)口的管道上增加1臺氫氣預(yù)冷器，采用7 ℃低溫冷凍水將氫氣柜來的40 ℃氫氣降溫至15 ℃左右，使氫氣中的水分被冷凝排出，減少了氫氣中水的含量。

預(yù)冷器選型核算見表4、表5。

表4 預(yù)冷器氫氣熱負(fù)荷計算表Table 4 Calculation of hydrogen heat load in precooler

表5 預(yù)冷器冷水熱負(fù)荷計算表Table 5 Calculation of cooling waterheat load in precooler

經(jīng)核算并考慮換熱效率等因素，選用1臺面積為12 m2的換熱器，對進(jìn)入壓縮機(jī)前的氫氣進(jìn)行冷卻除水。

4.2 氫氣壓縮機(jī)后增加終冷器除水

在氫壓機(jī)二級冷卻器出口的管道上增加1臺氫氣終冷器，采用7 ℃低溫冷凍水，將二級冷卻器出口冷卻到4 ℃的氫氣再次冷卻降溫到18 ℃，使部分水被冷凝排出。終冷器選型核算見表6、表7。

表6 終冷器氫氣熱負(fù)荷計算表Table 6 Calculation of hydrogen heat load in final cooler

表7 終冷器冷水熱負(fù)荷計算表Table 7 Calculation of cooling waterheat load in final cooler

經(jīng)核算并考慮換熱效率等因素，選用1臺面積為20 m2的換熱器，對進(jìn)入壓縮機(jī)后二級冷卻器出口的氫氣進(jìn)行再次冷卻除水。

4.3 氫氣緩沖罐結(jié)構(gòu)改造除水

對氫氣緩沖罐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，將原進(jìn)入緩沖罐的進(jìn)氣口改為切向進(jìn)氣，使進(jìn)緩沖罐的氫氣形成旋流，利于氣液兩相的分離；緩沖罐內(nèi)壁增加旋流板，在氣體向上流動過程中利于液相水霧的分離；緩沖罐頂?shù)臍庀喑隹谠黾臃佬靼澹詼p少水霧夾帶。

4.4 氫氣緩沖罐后增加除霧器除水

在氫氣緩沖罐出口送往雙氧水車間的管道上增加氫氣水霧除霧器。采用高效除霧器，對液態(tài)水霧中1 μm及以上的液態(tài)顆粒的脫除效率可達(dá)99%以上。根據(jù)各地區(qū)差異，北方地區(qū)的企業(yè)或輸送距離較遠(yuǎn)的企業(yè)將除霧器安裝在雙氧水車間進(jìn)氫化塔之前的位置效果較好。

4.5 氫氣疏水方式改為連續(xù)排水

原來氫氣疏水方式為間歇式定時定點排水。在排水點增加水封桶，將疏水改為連續(xù)排放，盡早盡全地將產(chǎn)生的冷凝水排出系統(tǒng)。

5 改進(jìn)后的經(jīng)濟(jì)效益

鈀催化劑的設(shè)計使用壽命為4年，鈀元素的設(shè)計損耗為每年0.2%的流失率，設(shè)計再生周期6個月。氫化塔催化劑床層進(jìn)入大量液態(tài)水分會使球形催化劑的強(qiáng)度下降并逐漸破裂、粉化、流失。

改造后運行2年的床層取樣檢測硬度和含量數(shù)據(jù)均優(yōu)于設(shè)計值，使用壽命可延長至少1年以上，僅這一項就可以節(jié)約850萬元/a。氫化塔再生周期由6個月延長到10個月，每次再生需要停車3天時間，影響產(chǎn)量約1 350 t，影響銷售利潤約30萬元；再生一次產(chǎn)生廢水量約300 t，處理費用按照100元/t，處理費用就需要3萬元。延長再生周期節(jié)約廢水處理成本。

通過改造，穩(wěn)定了生產(chǎn)運行，減少了催化劑消耗，經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。

6 結(jié)語

江西理文化工通過技術(shù)改造，降低輸送到雙氧水車間的氫氣含水，徹底解決氫氣中液態(tài)水分夾帶的問題，為雙氧水車間穩(wěn)定運行提供有力的支撐和保障。需要注意的是氫氣屬于易燃易爆氣體，技術(shù)改造涉及到壓力管道、壓力容器等變更，需要經(jīng)過安全風(fēng)險評價、有資質(zhì)的設(shè)計單位進(jìn)行變更后再組織實施，變更完成后經(jīng)過相關(guān)部門驗收再投入使用。