141－羽葉分離および多因子旋流子母分離技術・装置のPVCプロジェクトにおけるアセチレン製造および精製への応用

PVCプロジェクト、ビニロンプロジェクト、PMMAプロジェクト、BDOプロジェクト、そしてあらゆるアルキンオール系のビタミンや医薬品中間体のプロジェクトにおいては、例外なく、頭を悩ますアセチレンの製造および精製工程技術の確保という問題が伴う。さもなければ、最初に直面するのは人員と装置の安全な運用リスクである；同時に、生産ラインの安定した高効率で長期間にわたる円滑な運転、およびその運用保守コストの問題も生じ、これはプロジェクト全体の効益に関わってくる。これもまた、同業他社の方々がアセチレンの製造および精製工程で直面する分離に関する悩みを、私たちNOVELテクノロジー社に相談し依頼してくる理由です。ここで、皆さんと一緒にこのような業界共通の技術的課題について議論したいと思います。

ご存知の通り、現在、国内の化学工業分野における各プロジェクトで用いられているアセチレンの工業的生産方法には、主に2つのルートがあります。すなわち、湿式アセチレン法と乾式アセチレン法です。湿式アセチレン法は、従来の古い技術プロセスですが、業界内で占める割合は決して少なくなく、主に流動水による浸漬式反応方式で熱を移動させます。一方、乾式アセチレン法は、近年に開発された革新的なプロセスであり、業界の既存設備における割合はまだ大きくないものの、水霧を用いて反応蒸気から熱を移す方式として、運用上の安全性や環境面での優位性が顕著であり、主流のプロセスとして発展していくことになるだろう。

この投稿は最終的にluoli519によって2020年3月12日12時11分に編集されました。乾式アセチレン法であれ湿式アセチレン法であれ、アセチレンの製造および精製に関する工程には、アセチレンの生成、除去・泥洗い、冷却、一次貯蔵、圧縮、精製、中和、貯蔵といった工程が含まれます。ここでは、お客様から当社に技術サポートを依頼される分離技術について主に説明します。これは当社NOVELの強みとなる技術です。 アセチレン生成工程において、アセチレンと水蒸気は、液滴やスラリー、粉塵を伴い、発生器の上部空間に設置された気流出口管から下流の配管設備へと送られる。この段階で、気流に運ばれる重相物質を初めて分離・浄化する必要があります。これは、液滴やスラリー、粉塵などの重相物質が後続の送気管路や装置内に蓄積して詰まり、生産ラインの連続的な稼働を妨げたり、後続の装置の保守費用を増加させたりするのを防ぐためです。従来の分離プロセス装置では、簡易なメッシュ式内部部品が使用されることが多く、気流によって運ばれてくる泥や粉塵、カルシウム系物質がメッシュ上に容易に堆積して内部部品を詰まらせ、排気不良や圧力上昇を引き起こし、交換やメンテナンスの頻度が非常に高くなります。一部の企業のオペレーターは、メッシュの交換やメンテナンスにかかる負担が大きいため、単純にメッシュ内部の部品を取り除いてしまうことがあります。その結果、気流に運ばれた液滴や泥、粉塵などの重い粒子が後続の配管設備に障害なく流入し、配管設備の詰まりや運転障害を引き起こすのです。

集塵工程においては、通常、気流に運ばれる粉塵を除去する必要がある。乾式アセチレン法の場合、カルシウムカーバイドを約3mmの微細な粒子にするために超微粉砕装置を使用する必要があるため、破砕、ふるい分け、輸送、反応といった工程で、湿式アセチレン法に比べてより多くの粉塵が発生し、その処理量も増えます。ご存知の通り、粉塵、特に乾燥した粉塵は容易に帯電して爆発を起こしやすく、カルシウムカーバイドの粉塵においてはさらに危険です。一方、超微粒子粉塵に対しては、通常のメッシュやフィルターエレメント、フィルターバッグなどを用いて捕捉するが、送気時の圧力損失が絶えず上昇し、フィルター部品の寿命が短くなるため、設備の運用・保守コストが高額になる。この工程においては、湿式アセチレンプロセスで使用される洗気塔、または洗泥塔を利用することを推奨する。まず水幕を用いて、気流中のさまざまなサイズの粒子や泥分を湿らせ、その大部分を除去した後、塔の上部に含まれる液滴や泡、およびそれらに溶け込んだカルシウム塩をさらに分離する。この方法は、運転の安全性、スムーズさ、分離効率、そして運用・メンテナンスコストの面で優れているため、選択に値する。ガス化装置において、ガス中に含まれるマイクロメートル級以下の微細な粉塵を効果的に除去するために、効率的でスムーズな動作を誇り、運用・保守コストが低いガス洗浄塔がよく選ばれ、乾式集塵法よりも実際の運用面で優位性があることが多い。

この投稿は、2020年3月12日14時54分にluoli519によって最終的に編集されました。圧縮工程においては、通常、圧縮機の入口配管に専用の入口セパレータを設置する必要があります。コンプレッサー機器メーカーは、コンプレッサー機器を供給する際にすでに入口フィルターキャニスターを搭載しているのだから、それを共有できないかという質問が出るかもしれませんはい、一部のオーナーは圧縮機機器メーカーと圧縮機機器の供給契約を結ぶ際に、メーカーに入口フィルタータンクの設置を特別に要求しています。しかし、この圧縮機メーカーは入口にフィルターキャニスターを設置する際、経験則に基づいて適当なサイズのキャニスターにフィルター要素を取り付けるだけで済ませがちであり、フィルター要素の材質や濾過精度、気流の配分といった技術的な詳細は全く考慮されていない。そのため、運転時の圧力損失が大きくなったり、使用寿命が短くなったり、フィルターの交換やメンテナンスにかかるコストが高くなったりする問題が生じる。結局のところ、彼らは圧縮機メーカーであって、専門の分離・濾過技術会社ではないのだから、これも無理はない。

また、フィルター要素は、気流に運ばれる等価寸法が一定の固体粒子を捕捉するのに有効だが、気流に運ばれる液滴やスラリーなど、内部部品を通過する際にその等価寸法が縮小する液体系のものに対しては、分離効果は低い。ご存知の通り、アセチレンガスタンクの出口配管はウォーターシールを通過しなければならない。システムの圧力変動などの理由で、タンクの出口配管に水分が混入することがあり、液撃を防ぐためには、圧縮機の入口配管に設置された専用の気液分離器を通して、気流に含まれる液滴や泡を効率的に除去した上で圧縮機に送り込む必要がある。一方、フィルタータンクでは液滴や泡の分離・除去能力が十分でなく、またカルシウムやアルカリが析出してフィルターの内部部品を詰まらせやすい。

クリーン化工程において、アセチレンの異なる工程ルートによって、ここで差が生じます。 湿式アセチレン法においては、浄化工程として通常2基の塔を直列に設置し、次亜塩素酸ナトリウム溶液を用いて2段階のスプレー洗浄を行う。これは主に、アセチレンガス中の硫化物やリン化物などの不純物ガスを分解するためである。次亜塩素酸ナトリウム溶液とアセチレンガスがクリーニングタワー内で逆方向に接触するため、不純物ガスを十分なスプレー強度で反応させ変換することを前提として、多くの次亜塩素酸ナトリウムの液滴や泡が上昇する気流によってクリーニングタワーの頂部にある気相出口まで運ばれてしまう。そのため、ナトリウム塩の結晶による詰まりに耐えられる高性能な気液分離除泡器を用いて、気流に含まれる塩素やナトリウムを含む液滴や泡を除去する必要がある。伝統的な工程で使用されるメッシュ型消泡器は、分離効率が低く、気流に運ばれた液滴や泡が容易に漏れ出し、下流の配管に液体が溜まりやすく、腐食も進みやすい；また、ナトリウム塩はスクリーンの内部部品に容易に結晶として析出し、気流通路を塞いでしまうため、運転時の圧力損失が急速に上昇し、頻繁な交換やメンテナンスが必要となり、作業量が多く、運用・保守コストも高くなります。

乾式アセチレンルートの精製工程では、通常、濃硫酸を用いてアセチレンガス流中の不純物ガスを変換・除去する。アセチレンの精製過程において濃硫酸は、次第に黒赤色の高粘度液体に変化し、高炭素炭化水素やリン酸などの不純物を含む。湿式アセチレン浄化工程と同様に、アセチレンガス流も硫酸の液滴や泡を分散させて装置の上部にあるアセチレンガス出口まで運びます。そのため、アセチレンガス流が運んでくる硫酸や不純物を分離・除去するために、目詰まりに強く効率的な気液分離器を使用する必要があります。これにより、これらの重い成分が下流の配管や装置に持ち込まれて腐食を引き起こしたり、処理コストが高騰するのを防ぐことができます。 従来のメッシュ型脱泡器は、本来分離効率が低く、また高粘度の硫酸やそれに含まれる高炭化水素などの不純物がすぐにメッシュ構造内に蓄積し、気流通路を塞いでしまう。その結果、運転時の圧力損失が急激に上昇し、分離性能がさらに悪化する。そのため、内部部品を頻繁に交換・メンテナンスする必要があり、作業負荷が大きく、過酷な環境下での作業となるため、装置の操作員にとっては大きな悩みの種となっている。

アセチレンガス流の中和工程において、浄化処理を経たアセチレンガス流が中和塔内に入り、十分な噴霧強度を持つアルカリ液と逆方向から接触して中和反応が起こる。アセチレンガスに含まれる酸性成分は、スプレーされたアルカリ液と中和・洗浄され、基準を満たしたアセチレンガスのみが下流の貯蔵場所へ送られるか、直接使用装置へ供給される。 中和塔内で、アセチレンガス流が塔底から上方に流れる際、噴霧されるアルカリ液と中和反応で生成した塩が、アセチレンガス流によって塔の頂部にあるガス出口付近まで運ばれます。この際、結晶による閉塞を防ぐ高性能な気液分離器を用いて、アセチレンガス流に含まれる塩分やアルカリを含む液滴や泡を除去する必要があります。これにより、後続の配管や機器に塩分を含んだ液体が蓄積し、「液抵抗」や腐食が発生するのを防ぐことができます。

前述のアセチレン製造および精製プロセスにおける各分離工程の段階で、アセチレンガス流に含まれる重相成分を効果的に除去するため、目詰まりに強く高効率な分離技術装置を用いる必要がある。これによって、生産ラインが長期間にわたって安定かつ低コストで稼働し、プロジェクトが比較的理想的な技術的・経済的・環境的効果をもたらすことができる。 伝統的な工芸技術でよく用いられるメッシュ型消泡器やフィルターは、その分離メカニズムとしてメッシュ繊維同士が架橋して形成される物理的な「孔格」を利用し、気流に運ばれてくる重相物質を捕捉・分離するものです。メッシュ繊維による橋渡し作用で形成される物理的な「孔」のサイズは一様ではなく、一部の小さなサイズの「孔」がある重相物質を捕捉する一方で、もっと大きなサイズの「孔」は、前述の小さなサイズと同じ大きさの重相物質がその大きな孔を通って逃げ出すことを許してしまう。したがって、国際的にはこのようなメッシュ状の内部部品による分離効果は、「定量的」な分離ではなく「定性的」な分離と見なされている。気流に高粘度の液滴や泡、および固体粒子が含まれている場合、これらの重い粒子はメッシュ表面に留まり続けて蓄積し、メッシュ内部の気流通路を塞いでしまいます。その結果、メッシュ内部の圧力損失が増大し、処理能力が低下します。そのため、これらの部品をタイムリーに交換・保守する必要があり、それによってより大きな保守作業負荷と高額な運用・保守コストが発生します。 そして、気流が液滴や泡を運んでいるとき、これらの液滴や泡がメッシュ状の内部構造の「孔」を通過する際、その形状は紡錘形に変わり、等価寸法も変化する。液滴や液しぶきがメッシュの隙間を通過して変形した後、表面張力の作用によって再び楕円形の液滴状態に戻る。したがって、分離媒体を通過する際に重相運搬質の等価サイズが変化する液滴や泡に対しては、等価サイズが変わらない固体粒子のフィルタリングといった技術や内部装置をそのまま適用することはできず、そうすれば効果がない。

上記のメッシュに存在する欠点に対し、国際的には動力学的分離技術を用いて、従来の「孔格」型の遮断・分離方式を高度化することが認められている。 気固分離の場合には、「多因子旋回流分離」という動力学的な分離技術および装置を推奨し、従来のメッシュフィルターやフィルターバッグに代わってこの技術を導入することが望ましい。 気液分離の場合は、「羽根板分離」という動力学的な分離技術および装置を推奨し、従来のメッシュフィルターやフィルターバッグに代わって技術をアップグレードすることが望ましい。

羽根の分離や多因子スパイラルによる親子分離といった動力学的な分離技術は、流体自体の運動エネルギーと運動量を利用して、特殊な構造を持つ動力学的分離要素内で効率的な運動量変換を実現し、多数の微小半径での回転を引き起こす。これにより流体の微小粒子が効率的に凝集・成長し、強力なベクトル場の中で強制的に分離される；持ち運ばれる液相の質量においても、表面張力の作用により、微小な分散相が効率的に凝集・成長し、強力なベクトル場の中で強制的に分離されやすくなる。 一般的に、分離の要求が厳しい場合には、複数段階のさまざまな動力学的分離技術を組み合わせて用いることで、高い運用柔軟性と段階的かつ効率的な分離を実現する。また、動力学的分離技術の装置内部部品は、遮断・捕捉方式を主とする従来の分離技術の装置内部部品とは異なり、部品間の距離が数十ミリメートルにも及ぶため、目詰まり防止や耐腐食性においてより優れた技術的利点を発揮します。

この投稿は、2020年3月12日18時07分にluoli519によって最終的に編集されました。下の図は、羽葉分離技術と従来のシルクスクリーン分離法の主な違いを示したもので、参考までにご覧ください

ここでは、あるビニロン企業のアセチレン発生装置の出口用専用分離器の実際の運転状況を例にして議論する。 1、動作温度：89.7℃； 2、動作圧力：3.6KPa； 3、気相体積流量：1445.5 m3/h； 4、気相組成（mol%）：アセチレン=0.63～0.65；水蒸気＝0.32～0.33；固相粉塵=0.02~0.05； 5、気流中の重相による運搬質：（0.093～0.243）kg/m3； 6、重相質の見かけの密度：700 kg/m3； 技術要件：1、分離効率：8マイクロメートル以上のサイズを持つ重相に含まれる不純物を99.5％除去する； 2、運転圧損：1kPa未満。

この投稿は、2020年3月19日17時50分にluoli519によって最終的に編集されました。乾式アセチレンプロセスにおいては、多因子旋回流式の親子分離器の使用が推奨されます。NOVELは、オーナーの運用条件に基づき、NOVELの精密な動力学分離計算およびコンフィギュレーション設計システムプラットフォームを用いて作成した技術的解決策の数値データや図表を以下に示します

この投稿は、2020年3月19日17時49分にluoli519によって最終的に編集されました。湿式アセチレン製造プロセスにおいて、気流中に含まれる液滴やスラリーなどの湿式で運ばれる物質を分離・除去するためには、羽根式セパレーターの使用が推奨されます。下の図は、NOVEL社が顧客向けに提供する羽根板分離器システムの出力データの集計表で、皆様と共有させていただきます

羽葉分離や多因子旋流子母分離技術に関する詳細な機器情報については、ノウェイエネルギーテクノロジー社の分離技術専用サイトにアクセスしてご確認ください。