134- リアクター専用熱交換ドラムの気液分離内部部品群の設計配置に関する検討
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この投稿は、2024年4月7日10時08分にluoli519によって最終的に編集されました。2日前、業界の同僚から、合成反応用の専用ドラムにおける気液分離の設計について相談がありました。これは普遍的で非常に意義のある議論のテーマです。かつて海川化学フォーラムで、EO/EGプロジェクトにおけるエチレン酸化反応器のドラムタンク技術設計について話し合ったことを覚えています。当社が設計した反応型ドラムには、分解反応器用ドラム、変換反応器用ドラム、還元反応器用ドラム、フィッシャー・トロプシュ反応器用ドラム、クラウス反応器用ドラム、軽質炭化水素変換反応器用ドラム、カルボニル化反応器用ドラム、脱水素反応器用ドラム、水素化反応器用ドラム、酸化反応器用ドラムなどがあります。ここでは、反応用専用ドラムの気液分離設計上の課題と、顧客が直面する問題について簡単に論じます。
反応器のドラムの主な機能は、1、十分な気液二相の質量容量空間および変換空間を提供し、反応系の熱をタイムリーに反応器内に供給または除去することで、反応がプロセス要件で求められる安定性、制御性、および深さの条件を満たすようにすることです。2、効率的な気液分離技術を提供し、ボイラーから送り出される蒸気相および液相の流れがシステム外の配管設備において安定かつスムーズに流れるようにする。これにより、システム内での熱交換プロセスが安定して制御可能になるだけでなく、システム外の配管設備における流体輸送も安定して制御可能になる。
反応器のドラムの設計においては、必然的にドラムの外形と内部構造が関わってくる。反応器のドラムの形状から見ると、主に分離タワーを備えたドラムと、分離タワーを持たないドラムの2種類に分かれる。ドラムに分離タワーヘッドを設置する必要があるかどうかは、主にプロセスパッケージがドラム内のシステムに戻すことを要求する液相フローの種類、プロセスパラメータ、および組成の違いに依存します。プロセスパッケージでドラム内部のシステムに戻す必要がある液相物流の種類が少なく、プロセスパラメータや組成の違いも小さい場合は、通常のドラムタイプで十分です。もしプロセスパッケージでドラム内部のシステムに戻す必要のある液相フローの種類が多く、プロセスパラメータや組成に大きな違いがある場合は、分離タワーヘッドを設置し、各戻し液フローが分離ヘッド内で十分に物質移動・混合して擬似均一相の液流となった後、ドラム底部の液相集積領域に流れ込ませなければならない。
この投稿は、2019年7月2日15時33分にluoli519によって最終的に編集されました。石油化学企業のEO/EG装置における酸化反応器のボイラーは、分離タワーを備えた反応器ボイラーに該当します。下の図をご覧ください：
この投稿は最後にluoli519によって2019年7月2日15時33分に編集されました。D-110のような、分離タワーを備えた反応器用ドラムというのは、通常のドラムの上にタワー本体、支持盤、分配盤、充填材、そして各種の入口・出口管が付加されたものです。海川化工フォーラムでそのリアクターのドラムについて特別に話したことがあるのを覚えています。皆さん、そのスレッドを探してよくご覧ください。ここでは繰り返し説明しません。下図はD-110反応器のドラムの側面図です：
ここで、反応器のドラムタンクに共通する、下部の水平容器内部における気液分離用の内部部品の設計・配置について、皆さんと重点的に議論し、共有したいと思います。
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この投稿は最後にluoli519によって2019-7-1 21:07に編集されました。ここでは、ある合成反応器の熱移動用ドラムを例にして説明します。 このドラムのプロセスパラメータは以下の通りです：1、通常運転温度：256℃； 2、最大動作温度：260℃； 3、正常運転圧力：4.37MPaA； 4、最大/最小動作圧力：4.64/3.72MPaA； 5、通常の補水量：88245kg/h； 6、通常の給水温度：217℃；7、リアクターの正常な蒸気量：97005kg/h； 8、通常の蒸気発生量：86514 kg/h。 技術要件：1、設計温度：275℃； 2、設計圧力：5MPaG/F.V.; 3、安全弁2組、作動圧力はそれぞれ5MPaGおよび5.15MPaG; 4、安全弁2組、負荷はそれぞれ50%および50%; 5、安全弁の処理流量：62770 kg/h； 6、安全弁の動作温度：235 ℃； 7、Cp/Cv:1.36; 8、気液分離内部部品の材質：316Lステンレス鋼； 9、ドラムケーシング材質：炭素鋼； 10、スプレー洗浄量：総量の2%。
ドラムケーシングは、関連する設計・製造の資格を有するボイラー圧力容器メーカーに依頼し、規格に従って設計・製造してもらうことができる。私たちは、分離技術の高度さが求められ、専門的な動力学分離技術を持つ企業による、高度で正確な動力学に基づく気液分離の計算および設計プラットフォームを通じて初めてプロセス要件を満たすことができるものに焦点を当てています。
しかし、同業者の友人が当社にこの種のリアクター専用のドラムについて相談してきたのは、そのドラムの動作が正常でないからです。提供された画像を見て、具体的に議論してみましょう。 まず、反応器で生成された熱エネルギーはドラムを通じて供給される飽和水によって気液混合の蒸気水流となり、この混合蒸気水流はドラムの側面下の管口からドラムの断熱壁内に入り、初期的な気液分離・沈降を行った後、サイクロン分離筒に入る。サイクロン分離筒は操作の柔軟性が低く、分離効率も低いため、しばしばサイクロン筒の接線方向の入口にメッシュなどの簡易的な分離用内部部品を設置する必要がある。
この投稿は最終的にluoli519によって2019年7月2日15時34分に編集されましたが、写真に写っている内部部品の供給業者がサイクロンタンクの入口に設置した金網というのは、実に滑稽です。このメッシュの構造から判断すると、このドラム内部部品の供給業者は、ドラムに関するプロジェクトを一切手がけたことがなく、ましてや専門的な動力学に基づく気液分離技術を持つ企業であるはずもない。皆さん、サイクロンチューブの入口に設置された、滑稽で笑えるこの金網の写真を見てみましょう。この形で設置された金網は、分離機能なんて全くありませんよ。
この投稿は最後にluoli519によって2019年7月2日15時35分に編集されました。皆さん、一緒にそのサイクロンチューブの配置状況を下の図で見てみましょう。写真から推測するに、この内部部品の供給業者はコンロ用ファンやドライヤーのような機器しか作ったことがなく、そのためこのようにサイクロンチューブを配置しているのだろう。この方法で設置されたサイクロンタンクの分離効果は非常に悪い。
サイクロンタンクの気液分離操作は柔軟性に欠け、変動する運転条件に適さず、分離効果も低い。さらに、専門的な動力学的分離技術を持つ企業ではないため、サイクロンタンクの設計は「経験」や「大まかな推測」に頼って行われている。そのため、サイクロンタンクの上部出口に、コストの安い簡易な折り返し板という内部部品を追加せざるを得ないのである。この折り返し板型の内部部品を追加すること自体は不可能ではないが、旋回流型の内部部品と折り返し型の内部部品の間に、気流を整流・分配するための内部部品を追加する必要がある。なぜなら、スパイラルインレイは回転する流体の流動状態に対応するのに対し、バッフル板は流体の流れを安定かつ均一にする必要があり、流体の流動状態の変化を実現するためには気流を整流して分布させるインレイが必要だからである。上図からわかるように、サイクロンタンクの配置方法が間違っているだけでなく、補償として気流を整流するための内部部品や簡易な折り返し板型の内部部品も設置されていない。その分離効果は非常に悪いと予想される。
この投稿は、2019年7月2日15時35分にluoli519によって最終的に編集されました。蒸気が出口からドラムの外に出る前に、ドラムの内側にある蒸気出口管の先端に、高性能で精密な消泡セパレータを設置する必要があります。写真から見ると、ドラムの内側にある蒸気出口管の先端には「V」字型の折り返し板式の消泡インレットが設置されている。しかし、この消泡内部部品によって分離された液流は、専用に設けられた「サイフォン」防止および「ショート」防止の降液機構を通過しなければならない。写真には降液管や液封筒が設置されている様子は見えず、ましてや「サイフォン」や「短絡」を防ぐための専用の降液機構などは存在しない。
この投稿は、2019年7月1日22時07分にluoli519によって最終的に編集されました。スカム除去用の内部部品から分離された液体の流れについては、降液管や液体封入筒ではなく、特別に設計された「サイフォン現象」および「短絡」を防ぐ降液機構を使用する必要があると強調します。これは、気流が消泡内部部品群を通過する際に顕著な圧力損失が生じるためであり、特に運転条件の温度や圧力が変動すると、消泡内部部品群の実際の運転圧力降下が断続的に上昇する可能性があるからです；従来の降下管と液封筒を使用する場合、圧力差が大きすぎるために液封筒内の液体が降下管内に押し込まれてしまう。また、降下管が液体で完全に満たされてできた液柱だけでは、除泡部品群によって生じる高い圧力差を相殺するには不十分であり、その結果、液封筒内の液体が継続的に「サイフォン現象」によって引き出されて気流と再び混ざり合うだけでなく、気流の一部も液封筒や降下管を通って直接除泡部品の先端に「ショート回路」して流れ込み、効果的な気液分離が行えなくなる。 下図は、圧縮機入口セパレーターの設計に関する記事で示した、消泡用内部部品群、降液管、液封筒からなる連通系における圧力バランス図を借用したもので、「サイフォン現象」と「ショート回路現象」が発生する原因を理解するのに役立ちます。
この投稿は、2019年12月5日20時57分にluoli519によって最終的に編集されました。消泡用の内部部品向けに特別に設計された、「サイフォン現象」や「短絡」を防ぐための液降下機構の写真は、下図の通りです
この投稿は、2019年7月2日12時34分にluoli519によって最終的に編集されました。下の図は、ある専門の動力学関連企業である分離技術会社が、前述の反応器用のボイラー仕様に基づいて設計したものです。ご参考までにご覧ください
この投稿は、2019年12月5日20時58分にluoli519によって最終的に編集されました。これは、ある専門の動力学関連企業である分離技術会社が、前述の反応器用のボイラーパッケージの要件に基づいて設計したもので、ボイラーの上面図です。こちらでは、配管の接続部分がより明確に示されています。皆さんの参考に。
上面から見ると、ドラム内に新鮮な補給水を用いたスプレー洗浄用の配管が設けられており、蒸気に含まれる微細な塩分を含む可溶性物質の液滴をさらに洗い流すことができる。これにより、出口の蒸気に含まれる可溶性物質の量を極めて少なく抑えることができる。結局のところ、ドラム内の液相は絶えず循環して蒸発し、その循環倍率は約20倍にも達し、その液滴が運ぶ溶解質の含有量は新たな補給水よりもはるかに高い。
この投稿は、2023年9月26日16時55分にluoli519によって最終的に編集されました。ここに、ドラム専用の羽根式分離器や反応用ドラムに関する画像を2枚追加しておきますので、皆さんの議論のためにご活用ください：
この投稿は、2023年9月26日16時54分にluoli519によって最終的に編集されました。リアクター用の専用ドラムに関する技術資料については、Novel Separation Techの専用ウェブサイトwww.novelseparationtech.comにアクセスしてご確認いただき、直接NOVEL北京支社にお問い合わせください。