158-アルキル化装置・硝酸化装置などの中高温で希薄な強酸を含む排ガス用洗浄塔専用の羽根式分離除霧器設計案

石油精製・化学企業のアルキル化装置やポリアミド装置など、強酸または混合強酸が反応に関与する場所では、反応ユニットから排出される排ガスの温度は100～200℃、あるいはそれ以上になることが多く、この排ガスには脱水反応によって生成した水、高価値で腐食性の強い硫黄酸化物ガスや窒素酸化物ガスが含まれており、さらには反応生成物の粒子状物質も混在している。現在、この種の中高温で腐食性の強い排ガスの処理においては、通常、希薄な強酸を用いた高強度の循環式スプレー洗浄によって、排ガス中の腐食性の強いガスや酸性の液滴・泡、そして反応によって生成される粒子状物質を吸収し、その後、排ガスから効率的に霧を除去して規制基準を満たす形で排出する。

石油精製企業には、しばしば硫黄回収装置や酸製造装置もあり、回収された硫黄を酸化して硫酸にする。硫黄回収装置と製酸装置のいずれも、強い腐食性を持つ中高温の排ガスが発生する。この種の排ガスは、強酸によるスプレー洗浄吸収処理によって処理され、これはアルキル化装置や硝酸化・オキシム化装置の排ガス処理方法と類似している。

硫黄回収装置や酸製造装置、アルキル化装置、ニトロ化・オキシム化装置の排ガス状況と類似した処理が行われる他の装置として、石油化学業界には硝酸装置、フッ化水素酸装置、塩酸装置、リン酸装置、酢酸および酸無水物装置などがあり、精密化学の高度加工業界にはスルホン化装置、PVCプロジェクト用の塩化水素装置などがあり、繊維染色業界には織物の定形用直接燃焼乾燥装置があり、これらの排ガス状況や処理方法も同様である。

この投稿は、2020年7月16日10時20分にluoli519によって最終的に編集されました。高温で強い腐食性を持つガスや酸霧を含む排ガスを処理するための循環洗浄吸収塔における排ガスの除霧処理という問題は、常にプラントの運転員や企業の技術管理者たちにとって頭痛の種でした。問題は主に以下の点に表れている：1、排気ガスの基準値が不安定であり、硫黄酸化物や窒素酸化物が基準を超えるか、または排出されたガスが酸性雨となって装置周辺の配管や設備、敷地を腐食させ、「一面が錆色に覆われている」という状態になっている。2、除霧器は腐食により寿命が短くなったり、詰まりが発生したりするため、除泡・除霧の分離動作が不安定になり、これが排ガスによる酸性雨や酸性霧の主な原因となっている。3、装置の運用担当者によると、希酸洗浄塔のスプレー運転強度を高くすることで、排ガス中の硫黄酸化物や窒素酸化物の濃度を効果的に抑制できるが、除霧器の処理能力が不十分なため、排出される排ガスに霧状のものが混じってしまう；洗浄塔の循環酸液スプレー洗浄密度を下げると、排出される排気ガスが雨状になるのを防ぐことができますが、排出ガス中の硫黄酸化物および窒素酸化物が基準値を超えて警報が発せられます。オペレーターは非常に頭を悩ませている。4、企業も除霧器の改造を行ったが、改造後には運転時の圧力降下が大きくなり、排気ガスが圧迫されて排出が滞り、排気ガス中の酸霧が蓄積し、さらには逆流して逆に汚染が起こるようになった。

中高温で強腐食性を持つガスや液体の霧を含む排ガスを、希酸洗浄塔の吸収プロセス装置内の除霧器で処理する際、最も重要に考慮すべき問題は、中高温かつ強酸性のガスや霧による腐食に耐えうる設備の安全性です。材質の観点から見ると、現在の主な除霧器の材質は金属材と非金属材の2つに大別されます。100℃以上の強酸性環境下では、ほぼあらゆる種類の金属材料がその腐食性に長時間耐えることは非常に困難である。長期にわたる安全な運用を考慮すると、非金属材料を用いて除霧器を製造することが、現在および今後の有益な選択肢となるでしょう。

この投稿は、2020年7月16日14時08分にluoli519によって最終的に編集されました。現在使用されている、高温・高耐腐食性のガス用の除霧器の種類としては、メッシュ式、繊維式、旋回流式、羽根式などがあります。2つの大きなカテゴリーに分けることができ、第1のカテゴリーは従来の遮断型除霧器で、すなわちメッシュ式と繊維式です。第二の大きなカテゴリーは動力学的分離型除霧器で、すなわち旋回流分離型と羽根分離型です。 第一の大きなカテゴリーである従来型の遮断式除霧器の中では、メッシュ式除霧器の単繊維の直径はやや大きめの傾向があり、一方、繊維式除霧器の繊維の単繊維直径はやや小さめで、比表面積はより大きい傾向がある。繊維分離式除霧器であれ、メッシュ分離式除霧器であれ、いずれも気流中の重相懸濁物を分離・捕捉する仕組みは本質的に同じであり、繊維糸同士が互いに「橋渡し」を行うことで形成される大きさの異なる「格子」を利用して、主に遮断する方法で分離を行う。見た目上は、まるでふるいが気流を「ろ過」しているかのようだ。「グリッド」より大きなサイズの重相キャリアは遮断されて繊維の表層や深層に留まるが、「グリッド」より小さなサイズの重相キャリアは気流に運ばれて内部層を通過する。気流が運ぶ重相の懸濁質が粒子状の場合、内部構造物の「メッシュ」を通過する際にその等価寸法がほぼ一定であるため、内部構造物によって容易に捕捉される。しかし、気流が運ぶ重相の懸濁質が液滴である場合、内部部品の「メッシュ」を通過する際にその等価寸法が流速に応じて伸長変形し、内部部品を通過した後は流体の減速効果と液滴の表面張力の作用によって元の大きな寸法の形状に戻る。したがって、このような「グリッド」による遮断方式を用いた内部部品は、気固分離性能に優れているが、気液分離性能は劣り、操作の柔軟性も狭い。 気流の重相が液滴や固体粒子を運ぶ状況において、粒子が効果的に捕捉されて内部部品の表面や内部深層に堆積し、気流の通路を塞ぐため、運転時間が経つにつれて塞がれる通路が増え、内部部品の運転抵抗もますます大きくなる。大気へ排出される排気ガスの作動圧力は、もともと大気圧に近い；内部部品の動作抵抗が次第に増大し、排気がスムーズに行われなくなることで、「圧力が溜まる」「空気が詰まる」という現象が発生する。上記の気流において重相が粒子状物質を含んでいる場合、脱泡器の選定にあたっては、可能な限りメッシュ式や繊維式の内部部品は避けるべきである。もしスクリーン式または繊維式の内部部品を使用している場合は、定期的でないメンテナンスや交換に備える必要があります。できれば1台を使用しもう1台を予備として用意しておくとよく、これにより内部部品が詰まった際に迅速に切り替えてメンテナンスや交換を行え、生産ラインの連続的かつスムーズな稼働を妨げることがありません。

第二の大きなカテゴリーである動力学的除霧器は、その分離手法が主に流体力学に基づく分離原理に依存しており、本質的に第一の大きなカテゴリーである従来の遮断型除霧器とは異なります。 第2のタイプの動力学的除霧器は、「格子」を用いた捕捉方式に頼らないため、部品の配置間隔が広くなります。これにより、第1のタイプの除霧器の内部部品が運転中に粒子によって詰まるという問題を効果的に解決できます。そのため、気流中に含まれる粒子やゲル状の重質物質を処理する場面において、大きな利点があります。 前述の通り、第二の大きなカテゴリーである動力学的除霧器には、旋回流式除霧器と羽根板式除霧器が含まれる。回転流分離型除霧器は、流体の高速回転によって生じる遠心力の差を利用して、気流と重相中の懸濁物質を分離するものです。流体の回転速度が大きくなるほど、気流と重相によって運ばれる物質の遠心分離差が大きくなり、分離効率は向上する；また、流体の回転速度が大きくなるほど、流体の微小要素同士や流体と内部部品との間の摩擦による圧力損失が大きくなり、圧力差も大きくなる。したがって、旋回流式除霧器においては、その安定動作領域内で運転圧力差が大きいほど、分離効果は高くなる；逆に、運転圧力差が小さいほど、分離効率は悪くなる。しかし、前述の排気ガスを大気に直接排出する場合と同様に、排気ガスの作動圧力は大気圧に近く、許容される圧力差が小さいため、この作動条件では旋回流式除霧器を使用しても実際の運用効率は理想的ではない。一部の装置には除霧器が設置されており、回転流式除霧器が採用されている。大きな圧力損失での運転に対応するため、配管ラインに1段または複数段の軸流ファンを追加して圧力を上げる必要がある。補足しておくべき点として、サイクロンセパレータは運転条件の安定性に非常に厳しい要求があり、その分離効率は運転条件の変動に敏感であるため、運転条件が安定した場所での使用が求められます。

羽根付き分離式除霧器は、第二の大きなカテゴリーである動力学的分離式除霧器に属し、運動量エネルギー変換分離、凝集分離、ベクトル分離、および液体表面の自由エネルギー捕捉分離といったさまざまな分離手法を統合して動的に協同して作用させるものです。他のタイプの除霧器の長所を兼ね備えつつその欠点を克服しており、多様な運転条件に対応できるだけでなく、高い操作性、高効率かつ安定した分離性能、低い運転圧損といった技術的特長を有しています。 羽根板式除霧器は、そのコアとなる内部部品群が、G50D型の予凝集分配内部部品群、G50型の羽根板式分離精密内部部品群、G50LD型の「サイフォン短絡」防止用降液システム、およびG50SP型のオンラインスプレー洗浄清掃システムの4つの構成要素から成っている。以下、各部分の機能について簡単に紹介します。

この投稿は、2020年7月16日16時08分にluoli519によって最終的に編集されました。羽根式除霧器のG50D型プリコンジュゲーション分配内部部品セットは、モジュール式で取り外し可能な構造で設計・製造されており、分解やメンテナンスが簡単かつ便利です。その機能は3つある。第一に、気流が運ぶ可能性のある粒子を遮断し、後続の精密な羽根式分離部品を保護する役割を果たす。第二に、混合流体の運動エネルギーと運動量をさらに分配し、混合流体が後続の精密羽根分離内部部品群に入る前に、その動力学的な分離作動条件を備えさせることで、後続の精密羽根分離内部部品群が安定かつ高効率な分離性能の範囲で動作するようにする。第三に、混合流体が後段の精密羽根式分離ユニットに入る前に、その中に含まれる微小な重相粒子を事前に凝集・成長させ、その後後段の精密羽根式分離ユニットで徹底的に除去することで、セパレーターから得られるガスの品質をより高めるのである。国内外のほとんどの供給業者はこの構造を備えておらず、その結果セパレーターで生成されるガスの品質が不安定になっている。

この投稿は、2020年7月16日16時32分にluoli519によって最終的に編集されました。羽根板式除霧器のG50型精密羽根板式内部部品セットも、モジュール式で取り外し可能な構造で設計・製造されています。NOVELの精密な動力学分離技術を用いたシステムプラットフォームを基盤として、信頼性の高く精密な技術ソリューションの設計および製造が行われます。羽根状の分離要素の内部構造には、4～6段階の直列構造を持つ分離ユニットが設けられており、ごく少量の漏れ出した流体を何度も連続して分離することが可能です。特に、高速で変動する気流中に含まれる、大きさの異なる液滴や泡を効率的に分離・除去でき、高効率かつ正確に液滴や泡を除去することができます。例えば、運転条件が大きく変動する場合、第1段階の分離ユニットにおける液体分離効率は90％まで低下し、生成されるガス中の残留液量は10％（つまり100％－90％）となる。ガスが第2段階の分離ユニットを通過した後のガス中の残留液量は10％×10％となり、第3段階の分離ユニットを通過した後は10％×10％×10％、第4段階の分離ユニットを通過した後は10％×10％×10％×10％となる。このようにして、漏れ出た残留液の補正分離効果は顕著になる。一方、メッシュ、フィルターエレメント、充填材、および遠心式の従来型分離器は、通常1段階の分離ユニットしか持たず、気流に運ばれる多くの液滴や液膜が専用の液相収集用マイクロチャネルに入りにくい。そのため、流量が変動する状況下で液体を含んだ流体が漏れ出すのを防ぐことが難しく、また、高速で混合された流体から、幅広いサイズ分布を持つ液滴や液膜を効率的かつ正確に分離・除去することも困難である。

羽根板式除霧器のG50LD型は、「サイフォン現象」および「短絡」に対処する液滴降下システムであり、モジュール式で取り外し可能な構造設計が採用されています。作用：装置の運転状態が大きく変動し、分離システムの運転圧力差が急上昇した場合でも、G50LD型降液システムによって、異常な運転状態下での「サイフォン現象」や「短絡」による分離機能の低下を防ぐことができます。通常の「降液管＋液封筒」構造では、降液管内部の構造的制約により、システムの動作条件が大きく変動して分離システムの運転圧力差が急上昇すると、既に分離された大量の液体がサイフォン作用によって瞬時に降液管や分離用内部部品群へ逆流し、再び分離済みの清浄な気流に混入して液体を多量に含む状態が生じ、分離効率が大幅に低下する。また、G50LD型降液システムには、大量の原料ガスが降液システムに侵入し、「短絡」して分離用内部部品群を迂回するのを防ぐ機能もあり、これにより出口のガス流に液体が混入し、浄化要件を満たせなくなるのを防ぎます。

羽根板式除霧器用のG50SP型オンラインスプレー洗浄システムは、変動する運転条件下で空気流によって運ばれてくる過剰な粉塵や汚れを定期的に間欠的にオンラインでスプレー洗浄することを主な目的としています。これにより、羽根板式除霧器の内部部品を常に清潔に保ち、汚れの核が内部部品内に蓄積し、硬い汚れとなって流体の流れの特性に悪影響を与えるのを防ぎます。

皆様が羽根板式分離除霧器をより具体的に理解できるよう、中高温かつ強腐食性ガスを扱う洗浄塔用の羽根板式分離除霧器の写真を以下にご紹介します

上記の中高温で腐食性の強いガス用洗浄塔専用の羽根付き分離除霧器に搭載される旋回流式スプレー部品の写真を、もう一枚ご紹介します

ここでは、ある硝化装置の反応排ガス用スプレー洗浄塔における除泡・除霧装置を、羽根式除霧装置によって技術的に改良した事例をもとに説明する。 この硝酸化装置は、混合法による発煙硝酸と硫酸を用いて反応を行い、反応器から排出される排ガスの温度は約190℃である。排ガスの主成分は窒素と水蒸気であり、反応物の粒子や混合酸液の液滴、さらに二酸化硫黄、三酸化硫黄、窒素酸化物などが含まれている。 リアクターから排出される排ガスは、洗浄塔の出口配管を通じて送風機によって洗浄塔内に導かれる。そこで濃度5％～15％の希酸を用いて強力な循環噴霧洗浄が行われ、排ガスの温度を約110℃まで下げると同時に、排ガス中に含まれる粒子状物質も除去される。また、混合酸や強腐食性ガスも排出基準に適合するように回収される。その後、洗浄塔の上部に設置された消泡装置によって、排ガス中に含まれる希酸の液滴や泡が除去され、最終的に送風機によって外に排出される。 オーナーは当初、特殊なニッケル合金製のメッシュ型消泡器を採用したが、2ヶ月も経たないうちに腐食によりワイヤーが切れて大きな穴ができ、頻繁に停止して交換する必要があり、装置の稼働性や運用・保守コストが高止まりした。その後、海外製の非金属繊維式分離除霧器に交換したが、この非金属繊維式分離除霧器によって使用寿命は大幅に延びたものの、導入当初から運転時の圧力損失が大きく、送風機の駆動に多大な負担がかかった。その後、出力を倍にした大型送風機に交換することで、やっとこの大きな圧力損失を相殺できるようになった。しかし、排気ガスに含まれる粒子状物質が徐々に繊維分離除霧器に堆積し、約3ヶ月ごとに繊維分離除霧器の内部部品を塔外で逆送して再生する必要があり、労働強度は元のメッシュ分離除霧器よりもかえって大きくなる。オーナーは現在、NOVEL社の耐腐食性羽根式分離除霧器を採用することを決定しました。

現場でオーナーおよび装置操作員から収集した運転状態データは以下の通りです：1、運転状態温度：110℃； 2、動作圧力：0.1MPaA； 3、排気流量：165kg/h； 4、ガス密度：1.18kg/標準立方メートル； 5、気流粘度：0.018cp； 6、排ガス中の液体混入：5～15％の希硫酸液体で、搬送量は33kg/h； 7、液滴密度：992.2kg/m^3； 8、液滴粘度：0.656cp； 9、液滴の表面張力：46ダイン/cm。

ノウェイ・エナジー・テクノロジー社は、上記で収集された現場データに基づき、NOVEL精密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・構築し、前述の洗浄塔排ガス用の羽根式分離除霧器に関する主な情報は以下の通りです。一、除霧器の技術タイプ：羽根式分離除霧器の特許技術を搭載した装置； 二、内部構成要素：予凝集分配用内部部品群＋羽根状分離用高精度内部部品群＋「サイフォン短絡」防止用降下液システム＋オンラインスピナーブーストシステム； 三、分離効率：99.99％で、7.12マイクロメートル以上のサイズを持つ液滴、液しぶき、および粒子状物質を分離除去する； 四、運転時の圧力降下：上記の定格設計条件において、その運転時の圧力降下は0.002psiを超えない。

この投稿は、2024年4月7日10時54分にluoli519によって最終的に編集されました。下の図は、ノウェイ・エネルギー技術社が独自の精密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・構築し、上記の洗浄塔から排出される排気ガス用に開発した羽根式分離除霧装置を示したものです。「数図汇表」：

ノウェイ・エナジー・テクノロジーズ社の、高温度で強腐食性のガスや粒子状物質を含む排ガスを処理するための洗浄塔用の目詰まり防止用羽根式除霧装置に関する特許技術や装置の詳細については、ノウェイ・エナジー・テクノロジーズ社のウェブサイトをご覧いただくか、直接同社にお問い合わせいただき、協力についてご相談ください。