超滤技术在化工工艺过程中的应用 - 文章

超滤技术在化工工艺过程中的应用

作者：西安超滤净化工程公司李大明兰明安

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摘要：本文从分离机理、设备结构和具体应用等方面论述了西安超滤公司的超滤技术在化工工艺过程中的应用。结合粒子分布理论和粒子极性理论，提出了设备结构、过滤精度和材料极性有机结合实现高效气液分离技术。并列举在化工工艺过程中的具体应用以供参考。
关键词：过滤分离化工工艺粒子材料技术

1、公司简况

西安超滤公司位于西安高新技术产业开发区高新三路6号，是国内专业从事流体分离与净化设备开发、生产、经营的高新技术企业。公司经过多年的探索与实践，在流体分离与净化领域，尤其是非均相高效气液分离方面，已拥有全国领先的研发和生产能力。产品广泛应用于气动技术、化工、石油、天然气化工、能源/资源、军工科研、气体分离、果蔬保鲜、环保工程等领域。

2、问题的提出及其基本原理和结构

2.1 问题的提出

长期以来，化工生产过程中突出的难题是气体中夹带的微小液滴和油雾难以分离，在合成氨、尿素、硝酸、硝铵等生产过程中，油污能使各种触媒中毒失效、换热设备换热效率下降、阻力增加。更有甚者，由于气氨中油含量超标引起重大爆炸事故，由于氨合成工艺中传统的氨分不能彻底分离雾状氨液而影响NH3产量。

西安超滤公司采用超滤技术及高效、低阻、长寿命的过滤材料，开发出了各种高效气液分离装置。超滤技术成功解决了传统惯性分离存在的缺陷，利用新技术、新材料在传统惯性分离技术基础上实现设备的结构、过滤分离材料的精度和材料极性有机结合，其效率可达99%~99.99%。

2.2 粒子的形成及其分布

研究证明，速度变化（重力沉降）形成的雾滴粒径多在100μm以上，压力变化形成的雾化粒子粒径在10μm~100μm，温度变化形成的冷凝粒子粒径在0.01~10μm，且形成的1μm粒子的重量百分比高达40%。其中极性粒子约为1~10μm以上，非极性粒子约为0.01~1μm。如图所示：

传统分离设备依靠惯性折转、旋流，重力沉降，丝网除沫方式，仅对10μm～100μm范围的液体粒子效果较好，而对于10μm以下的粒子分离效果较差，为有效分离10μm以下的小粒子，须采用超滤技术进行高效气液分离。

各种分离技术适用情况一览表：

西安超滤公司推出的超滤技术--主要包括高效过滤分离技术和凝聚式过滤分离技术--已在化工工艺过程中成功推广应用，并获得国家实用新型专利（专利号：ZL 99 2 34469.7）和国家科技部科技型中小企业技术创新基金无偿资助。

2.3 分离机理

我公司率先推出超滤方法进行高效气液分离，并首先确定了设备的结构、过滤分离材料的精度与过滤分离材料的极性三位一体的思路，即根据不同的介质和工艺条件，确定采用过滤材料--滤芯种类及其组合。比如烧结不锈钢纤维毡滤芯（以下简称SF滤芯），可用于水、液氨等极性分子，而超细玻璃纤维滤芯（以下简称MF滤芯）则适用于润滑油、凝析油等非极性分子。SF滤芯采用外进里出的气体流动方式，利用了该材料的极性和巨大的表面积，而MF滤芯采用里进外出方式，利用过滤层的亲油疏水性能及扩散、碰撞和拦截等综合过滤机理（凝聚式过滤），在通过组合滤层时凝聚长大，最终在背风面依靠重力降落实现气液分离。

2.4 极性选择与结构

介质的极性可以用偶极矩衡量，偶极矩等于分子正电中心或负电中心上的电量乘以两个中心之间的距离所得的积。偶极矩为零的分子都是非极性分子，他们的正负电中心都重合在一起。偶极矩不等于零的分子称为极性分子如H2O，NH3。极性分子之间存在取向、诱导和色散作用，这三种作用都是吸引作用。不同介质的极性大小不一样其凝聚力也不相同。因此针对需分离粒子极性不同选择不同的分离材料也是影响分离效果的关键因素，比如分离极性粒子可采用单级高效分离元件，而分离油气溶胶粒子或乳化油粒子则必须采用两级高效分离元件。

超滤技术主要采用高效率低阻力纤维过滤材料，为了提高过滤材料的连续使用寿命，我们采用了如下方法：

a、增大孔隙率，采用更先进的材料，纤维更细，精度更高（如图二），孔隙率增大一倍，容尘量增大一倍，过滤材料连续使用寿命增加两倍（如图三）。

图二纤维粗细对孔隙率的影响

图三孔隙率对寿命的影响　　　　　图五流通面积对寿命的影响

b、增大过滤面积，采用折叠式滤芯（如图四），在阻力相同情况下，流通面积增加一倍，纳污量增加三倍，寿命增加三倍（如图五）

此外，结构设计上应保留传统惯性分离技术的优点，最大限度发挥各种分离作用以达到最佳效果。

3 超滤技术的应用

3.1 合成氨

3.1.1 高压机后新鲜气油分离

用途：除去新鲜气中的油水尘等杂质，保护合成触煤、降低能耗。

应用举例：四川广宇化工股份有限公司在新鲜气管路上采用了两级高效过滤器，每年排放油水16.2吨为理论水量的92.36%，分离效率比原来的45～47%大大提高，自98年投产以来，一直运行良好。由于采用了超滤技术，大大改善了冷交换器的油污和积碳堵塞现象，进一步优化了操作条件，有效保护了合成塔触媒。该公司是合成氨原料气中最早使用超滤技术的用户，使用过程中，充分显示了超滤技术特点和强大生命力，使多年来长期得不到解决的合成氨新鲜气带油问题得到了解决，为合成氨工业全面推广应用该项技术开辟了一条成功道路。

3.1.2 氨分离改造

用途：高效氨分离，从气体分离出雾状液氨，能降低入塔氨含量，降低能耗。直接经济效益明显。

应用举例：湖南湘氮实业有限公司利用其原高压氨分外筒，用超滤技术对内件进行改造，自2000年10月开始投入运行，取得很好的效果，透平循环机能正常运转，合成塔进口氨含量降低1.4%，年产量氨增加18768吨，增收3500多万元（详见湘氮实业有关论文）。

3.1.3 循环机后油分离器

用途：除去气体中夹带的油水杂质，保护合成触煤，降低能耗。

应用举例：湖南湘氮实业，用于往复式循环机油分改造，自2001年1月投运以来，排放油水量明显比以前增加，合成触煤的寿命已由改造前的3个月左右，延长到现在的7-8个月，目前仍在高效低阻状态下运行。

3.1.4 变换气后过滤器

用途：除去变换气中的油水杂质，保护变换触煤。

应用举例：陕西化肥厂在新鲜气压缩机三段出口采用了二级超滤过滤器，自2000年4月投产以来，每小时平均排油水100余公斤，有效保护低变触煤。

3.2 尿素

用途：除去CO2气体中的油污，降低能耗，提高产品质量。

应用举例：山东章丘第二化肥厂在CO2压缩机后使用了超滤过滤器，使用后发现，一、二段分解加热器的油污垢情况大大改善，提高了传热效果，蒸汽消耗量稳定，尿素产品颜色洁白。首台CO2高效除油器的成功应用为后续厂家改造起到了典范作用

3.3 硝酸

用途：除去氨气中的油污，保护昂贵的触煤铂网，延长其工作寿命。

应用举例：山东海化潍坊硝铵厂在销酸氧化炉前气氨过滤器采用了超滤过滤器，使用后，氧化炉铂金属丝网寿命延长，现已连续运转2年多，同时过滤清洗周期比原布袋过滤器长，减少了不少工作量。

注：空气系统亦需要注意加装空气过滤器，除去空气中的杂质（铁粉、油污等），保护触煤，延长寿命。

3.4 硝铵

用途：除去氨气中夹带的油污，防治氨气带油进入硝铵中和工段，提高系统安全性能，防止意外。

应用举例：兰州化学工业公司化肥厂硝铵车间，在氨压缩机气氨档板过滤器之后加装了超滤过滤器，根据2000年8月份投产以来的情况看，气氨中的油含量，由进口状态的50-60ppm降至6-10ppm，完全满足硝铵中和工段的要求，对系统的安全运行起到了重要的作用。

3.5 炼油厂尾气回收

用途：从气体中分离出杂质，保护中空纤维膜，延长膜的使用寿命。

安庆石化总厂柴油加氢尾气回收膜分离器前原旋风分离器后采用了SF+MF+SMF三级超滤技术，过滤精度达到了0.01μm，效率达到了99.99%，现已连续使用2年多，分离出大量含硫化氢、柴油和水混合液体，有效保护中空纤维膜，延长了膜的使用寿命。

3.6 天然气净化及凝析油回收

用途：从气体中分离出杂质，保护中空纤维膜，延长膜的使用寿命。

长庆油田在天然气中空纤维膜干燥器前设置三级超效过滤器，用于净化气体保护中空纤维膜，使用中意外发现分离出大量凝析油，现已推广至工业大规模应用。

3.7 西安超滤正在就石化行业的炼厂气、裂解气等分离问题做前期选型和试用。

4 经验教训

在使用超滤技术的过程中出现过问题，这不足为奇，因为任何技术或产品都有其特定的适用范围和条件。超滤技术在应用中必须注意以下问题：

a、超滤技术不适用高浓度、高粘度的气固分离。
b、绝不能在低压大流量的条件下操作，高压条件下最好设置旁通，无条件设旁通时，则必须在操作中缓慢开启阀门，建立背压后方可全开阀门。开停车、处理事故时必须注意低压大流量气体正（反）方向冲击滤芯，导致滤芯破损。

参考文献
［1］王保明，李大明，高效氨分离器气液分离机理与应用［J］，化肥设计，2001，39（1）：19－20
［2］穆中，改进完善工艺延长氨合成催化剂使用寿命［J］，化肥设计，1997，35（4）：36
［3］王本玉，全低变工艺改造实施中的几个问题［J］，化肥设计，1997,35（5）：34(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/6/2004)


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