149-水素化装置の循環水素脱硫塔における気液分離技術の内部部品について、旋回流式脱水器と羽根板式分離器の適用性に関する分析

この投稿は、2020年4月14日18時14分にluoli519によって最終的に編集されました。水素処理装置の循環水素脱硫塔における気液分離は、石油化学企業にとって避けて通れない技術的課題です。ノウェイ・エナジー・テクノロジー社は、石油化学企業のオーナーや設計会社から技術案の依頼を受けた水素化プロジェクトがありました。具体的には、水素化分解装置、触媒式ディーゼル油水素化改質装置、重油水素化装置、残油水素化装置、水素化精製装置などがあり、その冷却高圧ガス分離タンク、循環水素脱硫塔の入口分離タンク、および循環水素脱硫塔の頂部分離器などでは、気液分離技術に関する内部部品の選定が求められました。スクリーン型消泡器、旋回流式脱水装置（旋回流式脱アミン装置）、それとも羽根板式分離器か？

UOPの水素化装置プロセスパッケージにおいて、UOPは依然として最も伝統的なメッシュ型消泡器を使用し続けている。添付図に示されているUOPの水素化装置用循環水脱硫塔の構造寸法図にある2か所の赤枠で示した位置をご覧いただくと、依然として最も伝統的なメッシュ型消泡器が使用されていることがわかります。

疑う余地なく、スクリーン型脱泡器は最も簡素で粗末な気液分離用の部品である。国内にある多種多様でパラメータも異なるメッシュ型消泡器では循環水脱硫塔における分離性能が悪いのは言うまでもなく、たとえ純正輸入のYORK標準シリーズのメッシュ型消泡器を使用したとしても、その分離性能が大きく向上することはない。メッシュ型消泡器の構造と分離動作の仕組みにより、その運用範囲は通常60～110％、場合によってはそれ以下となり、分離効率の変動が大きく、「液面の上昇」や「液体の噴出」が起こりやすい。また、気流に含まれるゲル状物質や粒子がメッシュを詰まらせて圧力損失が急激に上昇し、運用・保守コストも高くなる。

この投稿は、2020年4月14日18時09分にluoli519によって最終的に編集されました。国内でUOPの水素化処理プロセスを採用している多くの施設において、循環水素脱硫塔内のメッシュ型消泡器の運用に関して実際に問題が生じていることから、石油化学企業や設計会社から、動力学的な分離技術の支援が求められています。彼らは、石油化学業界で使われている多管式サイクロン分離器のような技術構造を利用して、UOPの水素化処理装置の循環水素脱硫塔内のメッシュ型消泡器の性能を向上させたいと考えています。2007年頃、私たちは設計院および発注者から提供されたプロセスパラメータに基づき、精密動力学分離技術を用いた設計システムプラットフォームを構築してシステム設計を行い、その石油化学企業および設計院に「一対一の運転条件に合わせたカスタマイズ設計」のサイクロン分離技術ソリューションと装置を提供しました。その後、同設計院の指導のもと、多くの新設や改修プロジェクトで循環水素脱硫塔が旋回流分離内装ユニットに変更された。しかし、最初の「一対一の運転条件に合わせたカスタム設計」のサイクロン分離技術案および装置以降、他の運転条件や構成を持つ装置プロジェクトに対する技術支援や改良を求めてくる設計院や発注者はいなかった。これは精密動力学分離技術の装置であり、異なる運転条件や気液組成を持つ装置プロジェクトにおいては、信頼性の高い分離性能を得るために、精密動力学計算によるシステムプラットフォームの設計が不可欠です。もしかして、元のスクリーン型脱泡器の「詰まり」問題だけを解決すればよく、分離効率の問題はあまり気にする必要がないのでしょうか？もしそうであるなら、スクリーン型消泡器をそのまま外してしまえば、「分離効率を気にすることなく詰まりを解決する」という目的を達成できるのではないか。以前、この状況についてプロセスパッケージの担当者たちと話したところ、皆大笑いしました。

聞くところによると、「おおよそ＋推測」や、場合によっては「勘だけ」で案を出す人々は、国内外の販売業界だけでなく、実際にはデザイン業界にも多くいるそうだ。精密な動力学分離技術を用いてシステムプラットフォームを設計するのではなく、「大まかな見積もり」や「単なる直感」だけで案を出して済ませることができるのは、多くの場合、発注者が技術に詳しくないことを利用しているからだ。オーナーは装置設計時に分離技術をあまり理解していないためだまされがちですが、装置の実際の運用で分離効率の不安定さや気流による液体の混入、配管内の液体による抵抗といった問題が発生すると、それが直ちに装置に問題があることをオーナーに警告するのです！

東北のある石油化学企業の水素化装置にある循環水素脱硫塔が正常に動作しなくなったため、ある設計院に技術改良の設計を依頼した。同設計院も、いわゆる「旋回流脱液器」を用いて、この循環水素脱硫塔の技術をアップグレードしている。 しかし、その設計院は専門の動力学解析技術会社に依頼することなく、「おおよその見積もり」と「勘」に頼っていた”；しかし、このような方式での技術改良の効果が不透明で心配になり、結局いわゆる「旋回流式脱液装置」にさらにメッシュ式消泡装置を追加した。:lol

この投稿は、2020年4月14日18時11分にluoli519によって最終的に編集されました。添付されている図は、ある設計会社がある石油化学企業の水素化装置用の循環水脱硫塔の改良工事において、「旋回流式脱液器」と呼ばれる装置を採用した際のMRファイルです。赤枠で示されているのが、その設計院が「おおよその見積もり」や「適当な判断」に頼りつつ、案の技術改良効果に自信が持てず、いわゆる「旋回流脱液装置」にさらにメッシュ式脱泡装置を追加するという技術的要求です。 そうするよりも、UOP水素化装置の循環水脱硫プロセスパッケージにある「メッシュ消泡器」をそのまま採用した方が、責任を果たしていないことにならないでしょうか？

スクリーン型消泡器については、ここまでです。 以下、一つの実例設計を用いて、「旋回流脱水装置」と「羽根板分離器」の設計選定について比較分析し議論する。

この投稿は、2020年4月14日20時34分にluoli519によって最終的に編集されました。これは、年間370万トンの処理能力を持つ水素化分解装置における循環水脱硫塔（2401-C-0101）の気液分離用内部部品の選定設計です。 その上部の給料の性質は以下の通りです：1、操作温度：52℃； 2、操作圧力：16.6MPaG； 3、気相定格流量：226565kg/h；初期流量：205968kg/h；終端流量：183334kg/h；4、気相平均分子量：3.3；5、気相組成：水素、アミン液、水、および少量の硫化水素、気相密度17.71kg/m^3； 6、油相流量：0.05kg/h； 7、油相密度：956kg/m^3; 8、油相粘度：0.522cp； 9、油相の表面張力：0.065N/m。

この投稿は最終的にluoli519によって2020年4月14日18時39分に編集されました。設計院が定めた主な分離技術の要件は以下の通りです：1、動作範囲：60～110％； 2、許容最大圧力差：10kPa；3、気相出口における液滴のd50切断粒径は3マイクロメートル以下であり、C5+以上の成分も3マイクロメートル以下である。または、5マイクロメートル以上の液滴の除去率は約95％である； 4、サイクロンでは、サイクロンチューブが取り外し可能であることを確保し、必要に応じてチューブの閉塞処理を行う必要がある。

この実例プロジェクトにおいて、設計院は何の説明もなく、循環水素脱硫塔の気液分離内部部品群を「旋回流脱液器」と規定してしまったのでしょうか？添付の図から抜粋したMVファイルをご覧ください：

この投稿は最後にluoli519によって2020年4月14日19時02分に編集されました。まず、MRファイルの分離技術における要件と作業条件との対応関係を分析してみましょう。1つ目は「操作余裕度：60～110％」という数値ですが、これはどこかで見たような馴染みのある表現です。“「60～110％の運転柔軟性」とは、スクリーン型消泡器の業界規格で定められているもので、設計院は国内のサイクロン式脱水装置に懸念を抱いており、とりあえずスクリーン型消泡器の柔軟性要件の低い基準を「サイクロン式脱水装置」にも適用しているようだ。また、運転状態における気相流量の定格値／終期流量値は、明らかに60～110％の範囲を超えている。設計院が供給業者のサイクロン式脱水装置の運用の柔軟性に対して無念の意を抱いていることを示している。 2、分離効率に関しては、「気相出口の液滴のd50切断粒径が3マイクロメートル以下であり、C5+以上の成分も3マイクロメートル以下であるか、または5マイクロメートル以上の液滴の除去率が約95％」とされており、これもスクリーン型消泡器の規格や実際の運用と同様である。 3、「サイクロンでは旋回管が取り外し可能でなければならず、必要に応じて管の塞ぎ処理を行うべきだ」という要求を出したのは、設計者や発注者が、供給業者が「大まかな見積もり」や「思いつき」で案を出したことにより実際の運用結果と乖離が生じた際、言い訳として利用されているからである。考えてみてください。年間370万トンの処理能力を持つ水素化分解装置を、販売業者が実験のために「分解したり」「配管を塞いだり」するために使うことなどできるでしょうか？これは16.6MPaGの水素環境下での作業です。減圧、停止、置換、取り付け・取り外し、配管の塞ぎ、再置換、昇圧しての運転など、そんなに簡単にできるものでしょうか？国内の水素化装置における循環水素脱硫塔のサイクロン式脱液器の実際の運用効果は理想的でないものが多いが、途中で分解・組み立てや配管の塞ぎを行った企業はどれほどあるのだろうか？国内は言うまでもなく、海外でも、やむを得ず再改造する場合を除き、業者が言うような手間のかかる「分解」「配管の塞ぎ」処理はほとんど行われていない。

設計院がMR文書で「旋回流式脱水装置」の採用を求めているので、この機会にその運転条件において「旋回流式脱水装置」と「羽根板式分離器」の両方の案を用いて比較検討するのが良いだろう。

NOVEL社は、MRファイルに記載された運転条件データをもとに、精密な動力学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、上記の水素化分解装置用循環水脱硫塔用サイクロン型脱液器の技術データを算出しました。以下がその内容です：一、気液分離器の名称：サイクロン型脱液器； 二、機器型式：NOVEL-G54AX-145.7/2530.8； 三、多因子旋流子母分離内件組型番：NOVEL G54AX-684.5； 四、分離効率：99.9％で3.66マイクロメートル以上のサイズの液滴や液しぶきを分離除去し、ガス相出口の残留液量は0.1G/MMSCF未満； 五、運転時の圧力降下：1.42psi； 六、最大/最小動作許容比：～4:1。

この投稿は、2020年4月14日21時51分にluoli519によって最終的に編集されました。添付されている図は、NOVEL社がMRファイルに記載された運転条件に基づき、精密な動力学計算およびコンフィギュレーション設計システムを用いて作成した、上記の水素化分解装置用の循環水脱硫塔用旋回流式脱水装置に関する「数値データ一覧表」です

この投稿は最終的にluoli519によって2020年4月14日20時31分に編集されました。ここで旋回分離技術について語るのであれば、いくつか詳しく分析してみましょう。1、旋回分離技術は純粋な動力学的分離技術に属し、完全な運転条件や物質データに基づき、正確な動力学的分離技術および設計システムプラットフォームを通じてこそ、信頼性の高い技術案を得ることができます；逆に、「おおよそ＋推定」や、さらには「勘」だけで生まれたいわゆる「サイクロン式脱水装置」の案は、信頼性に欠ける。 2、サイクロン分離技術は、運転条件や物質系の安定性に厳しい要求があり、流体微粒子の運動エネルギーと運動量は特定の閾値範囲内でなければ効果的な分離が行えない；運転条件や物質系の安定性が悪い場合、分離操作において敏感な変動が生じ、さらには「分離」という目的とは正反対の強力な「分散」作用が生じることさえある。 3、旋回流分離用内部部品群の操作弾性は、運転条件や流れの形状・状態に関するパラメータ、気流中の液体量、気流の回転半径といった要因と密接に関連している。例えば、気流による液体量の上昇は、操作の柔軟性を低下させる；気流の回転半径が大きくなるほど、操作の柔軟性は低下する。 4、回転流分離方式は、流体の回転による各相の運動エネルギーと運動量の差を利用して分離を行う。流体微小要素の運動エネルギーと運動量は、正常な分離が行われる特定の閾値領域において、回転速度が大きくなるほど分離効率は高くなり、運転時の圧力損失も大きくなる。 5、サイクロン式脱水装置は、構造上、たいてい単一の分離ユニットのみで構成されており、設計が不適切であったり、運転条件に変動が生じたりすると、「逃げ出した」液滴や液しぶきを自ら捕捉することが難しい；一部の設計院では、その後ろに一段目のメッシュ型脱泡器を追加しており、ある程度補完効果はあるものの、メッシュ型脱泡器の欠点も引き継いでしまっている。 6、サイクロンセパレータは、流れの形態によって反射流型と軸向流型に分けられる。反射流型は、同等の運転条件、特に気相密度が非常に高い条件下では、その分離効率が軸流型よりも高くなる傾向がある。設計院のMR文書で要求されているサイクロン式脱水装置の構造は軸流型に属し、海外では中高圧や準高圧の運転条件でよく使用されるが、これも技術選定の逸脱にあたる。 7、運用条件が許す場合には、専門の動力学分離技術会社によって最適な分離技術案が提案されるべきであり、非専門の動力学分離技術者や営業担当者によって分離技術案が決定されるべきではない。気液二相の微小要素の運動エネルギーと運動量の差が特定の閾値まで縮小した場合にのみ、「操作の柔軟性」と「運転時の圧力損失」を犠牲にして、サイクロン分離技術の内部部品を選択せざるを得ない。

この投稿は最後にluoli519によって2020-4-14 21:47に編集されました。「高圧の作業条件では旋回分離式を、中高圧以下の作業条件では羽根式を選ぶと聞きますが？」と尋ねる人もいるでしょう これは特定の作業条件下での現象の記述です。本質的に、気相と液相の密度比が0.2を超える場合、回転流分離を用いる方が分離効率において優れている；逆に、羽葉の分離を優先的に選択する。なぜなら、羽根の分離に適した条件下では、羽根による分離は、操作の柔軟性、分離効率、運転時の圧力損失、コストパフォーマンス、さらには運用保守の容易さやコストといった点において、旋回流式の分離よりも優れているからです。 この設計例においては、作動圧力が16.6MPaGであるにもかかわらず、気相の密度は17.71kg/m³、液相の密度は956kg/m³であり、気相の密度は非常に小さい。これは合成メタノール装置の循環ガス用フィンセパレーターで使用される合成循環ガスの密度の約1/4に過ぎない。また、気相密度と液相密度の比も約2％にすぎないため、フィンセパレーション技術を用いた内部部品を使用することが十分可能である。

NOVEL社は、MRファイルに記載された運転条件データをもとに、精密な動力学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、上記の水素化分解装置用循環水脱硫塔用羽根板式セパレーターに関する技術データを算出しました。以下がその内容です：一、気液セパレーターの名称：羽根板式セパレーター； 二、機器型式：NOVEL G50 D-BANK-146/2530.9； 三、羽葉分離内件組型番：G50 D-BANK-152/1050； 四、抗「サイフォン」降液内部部品セットの型番：G50LD20P； 五、分離効率：99.9％で3.43マイクロメートル以上のサイズの液滴や液しぶきを分離除去し、ガス相出口の残留液量は0.1G/MMSCF未満； 六、運転時の圧力降下：0.046psi； 七、最大/最小動作余裕率：～8.5:1。

この投稿は、2020年4月14日21時50分にluoli519によって最終的に編集されました。添付されている図は、NOVEL社がMRファイルに記載された運転条件データをもとに、精密な動力学計算およびコンフィギュレーション設計システムを用いて作成した、上記の水素化分解装置用の循環水脱硫塔用羽根板分離器に関する「数値図表」であり、皆さんが比較検討するためのものです