合成氨技術(shù)
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新型剛性高分子微孔精密過濾工藝具有過濾效率高、可反吹再生、操作簡單、使用壽命長的特點(diǎn)，是對傳統(tǒng)的精密過濾技術(shù)的重大革新，因而快速地在化工化肥、生化醫(yī)藥、食品輕工等行業(yè)獲得了大量的工業(yè)應(yīng)用，解決了許多疑難的過濾需求，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
例如湖南金信化工有限公司，該公司年產(chǎn)合成氨180kt，其氣體凈化系統(tǒng)的脫碳工序采用改良DEA循環(huán)脫碳工藝。原裝置對于脫碳液吸收CO2再生后的雜質(zhì)精密過濾，采用傳統(tǒng)的活性炭介質(zhì)吸附提純的工藝。它存在過濾效果不佳、效率較低；過濾質(zhì)量不穩(wěn)定、易造成脫碳液發(fā)泡；1年左右就飽和失效、經(jīng)濟(jì)性差；制約了凈化系統(tǒng)的氣體處理能力的現(xiàn)象。為解決活性炭法過濾的問題，2002年，金信公司經(jīng)過技術(shù)招標(biāo)，采用了溫州東甌微孔過濾有限公司提出的改造方案，以高分子微孔精密過濾工藝取代原活性炭過濾工藝。改造后過濾分離效果可達(dá)97％以上；系統(tǒng)生產(chǎn)穩(wěn)定、消除了脫碳液發(fā)泡現(xiàn)象；提高了系統(tǒng)氣體處理能力1％以上、年新增收益超過26萬元。與此同時(shí)，精密過濾機(jī)操作方便、微孔管再生簡單快楗，使用壽命較長(已運(yùn)行5年無檢修)。
同例，金信公司合成氨凈化系統(tǒng)銅洗工序的銅洗塔內(nèi)循環(huán)工作的銅氨液，其吸收CO還原、再生后的雜質(zhì)精密過濾，原來采用絲瓜絡(luò)作為過濾介質(zhì)，也屬于分散型過濾介質(zhì)的精密澄清過濾。它存在過濾效果較差、效率較低、不能適應(yīng)銅洗塔內(nèi)件由鮑爾環(huán)散堆填料改造成新型高效規(guī)整填料后更高的過濾質(zhì)量要求；銅氨液容易發(fā)泡、易引發(fā)凈化氣帶液事故；易飽和失效、使用壽命較短(不到1年)；更換很不方便等弊端。為克服絲瓜絡(luò)過濾的嚴(yán)重不足，該公司2002年經(jīng)過技術(shù)招標(biāo)，也采用了溫州東甌微孔過濾有限公司提出的改造方案，將原絲瓜絡(luò)過濾器更換成高分子微孔精密過濾機(jī)。改造后銅過濾效果好、效率高、系統(tǒng)雜質(zhì)含量下降明顯加快、滿足了規(guī)整填料銅洗塔對銅氨液的品質(zhì)要求，該改造與銅洗塔規(guī)整填料改造同步竣工后，取得了顯著的節(jié)能降耗效益，每年直接效益達(dá)220萬元；出口銅氨液不發(fā)泡，消除了安全隱患；操作方便，系統(tǒng)生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定：銅氨液過濾機(jī)使用壽命長、主要易損件已運(yùn)行5年尚未檢修。
但是，根據(jù)了解，也有極少數(shù)用戶由于對高分子精密過濾機(jī)的過濾原理不了解，設(shè)備設(shè)計(jì)選型不妥當(dāng)、開停車及正常運(yùn)行時(shí)對設(shè)備的維護(hù)不周全，致使過濾機(jī)運(yùn)行周期短、使用壽命低，造成非常被動(dòng)的局面。
本文值此對如何提高脫碳液、銅氨液高分子精密過濾機(jī)運(yùn)行周期，提出一些意見，僅供各位參考。
1 了解高分子過濾機(jī)的工作原理
高分子微孔精密過濾的核心元件——過濾介質(zhì)，是一種以燒結(jié)聚乙烯為原料的高分子微孔管，經(jīng)過活化、改性、復(fù)合等特殊工藝而制成，其管壁上充滿了毛細(xì)小孔，平均孔徑為2～140μm，過濾精度為0.5～1μm。微孔管具有剛性，可耐外壓0.2～0.3MPa，耐內(nèi)壓0.4～1MPa。
其過濾機(jī)的基本原理是：利用微孔管正向過濾，反向沖洗、再生(見圖1)。工作時(shí)，待過濾物流向微孔管，其中的固體雜質(zhì)微粒被微孔管捕捉，在管外形成濾渣定期排出：過濾液穿越微孔管后，匯集到出料口流出，從而實(shí)現(xiàn)溶液的過濾分離。當(dāng)微孔管堵塞嚴(yán)重時(shí)，可暫停過濾，從反向沖洗口或正向沖洗口通入清洗物，將其沖洗(反向沖洗為主)，微孔管再生后繼續(xù)過濾……。
2 把握高分子精密過濾機(jī)的正確選型
2.1 過濾裝置需要的主要硬件
微米級高分子微孔精密過濾裝置的硬件包括：高分子微孔精密過濾機(jī)(內(nèi)裝高分子微孔過濾管)、輔助裝置(小型空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐與物料輸送泵等)、工藝管道及其相應(yīng)的連接、控制設(shè)施。
2.1.1 高分子微孔精密過濾機(jī)
微孔精密過濾機(jī)是過濾工程的最主要硬件。目前，廣泛應(yīng)用的PG型高分子精密過濾機(jī)已按照工業(yè)精密過濾的各種特點(diǎn)、不同需要開發(fā)為多系列產(chǎn)品供選，其外殼材料有不銹鋼(304L或316L)、碳鋼或碳鋼內(nèi)襯防腐層(橡膠、塑料或其他防腐材料)；微孔管材料有PE(耐溫不超過80℃)、PA型(耐溫不超過120℃)；機(jī)殼工作壓力從0.2～1.0MPa。按照過濾機(jī)的過濾面積、用途、結(jié)構(gòu)區(qū)分，主要包括以下系列：
(1)PGR系列。過濾面積1～150 m2，用于含固體很少的液體精密澄清過濾。結(jié)構(gòu)為圓柱形殼體內(nèi)垂直安裝一系列微孔管，過濾機(jī)底部有小直徑氣缸操作的排渣底蓋。
(2)PGK系列。過濾面積5～300 m2，用于含固量較多且需較干濾餅的液體精密濾餅過濾。結(jié)構(gòu)為圓柱形殼體內(nèi)垂直安裝一系列微孔管或由微孔管組裝成的過濾管排，過濾機(jī)底部是由氣缸傳動(dòng)或油缸傳動(dòng)的直徑400～1200mm的快開底蓋。
(3)PGH系列。過濾面積3～200 m2，用于含固量較多，每批物料要全部濾完、無剩料回流、上下批料不混批，需要較干濾餅的液體精密濾餅過濾，也可用于含固量很少、要求上下批不混批的液體精密澄清過濾。結(jié)構(gòu)為圓柱形殼體內(nèi)垂直或水平安裝微孔管，底部為氣缸或油缸操作的大排渣底蓋，底蓋上安裝過濾介質(zhì)。
(4)PGP系列。過濾面積0.2～100m2，用于液體總量較少而固體濃度很高的液體精密濾餅過濾，如細(xì)結(jié)晶體的過濾及濾餅的洗滌。結(jié)構(gòu)為圓柱形殼體，底部安裝微孔過濾板。如上頂蓋為快開蓋，卸濾餅時(shí)簡體向下翻轉(zhuǎn)。如底蓋為快開底蓋，卸濾餅時(shí)筒體不動(dòng)，底蓋打開從下部卸濾餅。
(5)PGX系列。內(nèi)裝攪拌葉，主要用于處理量大并對濾餅進(jìn)行攪拌打漿洗滌，最后排出干濾餅的精密濾餅過濾。
(6)PGW系列。類似管道過濾器結(jié)構(gòu)，主要用于含固量很少，總過濾量也很少的液體精密濾餅過濾或液體精密澄清過濾。
2.1.2 微孔精密過濾輔助裝置
(1)過濾物料輸送裝置。常用泵(離心泵、膠管泵或隔膜泵)或氣壓或真空料漿輸送裝置。
(2)氣體反吹系統(tǒng)。由空壓機(jī)和儲(chǔ)氣罐及管路組成，用于反吹排濾餅與反吹再生微孔管。
(3)化學(xué)再生系統(tǒng)。被過濾的固體微粒如能用化學(xué)物質(zhì)溶解或降解的，應(yīng)備有化學(xué)再生系統(tǒng)，包括再生液儲(chǔ)罐和再生液循環(huán)泵。
2.2 高分子精密過濾工藝的兩種基本流程
根據(jù)工業(yè)化生產(chǎn)的特點(diǎn)和需要，物料的精密過濾有兩種形式供選擇，即物料全部過濾和物料部份過濾。
物料全部過濾工藝流程見圖2。待過濾物料從生產(chǎn)系統(tǒng)的上道工序通過管道全部輸送到高分子精密過濾機(jī)(其輸送的壓力源來自系統(tǒng)余壓或本裝置輔設(shè)的物料輸送泵)，過濾合格后進(jìn)入下道工序。該流程適合于物料必須一次性全部過濾合格的要求，特別是適合產(chǎn)品的最終過濾。
物料部分過濾的工藝流程見圖3。來自生產(chǎn)系統(tǒng)上道工序的物料，輸送到本過濾裝置時(shí)一分為二，一部分通過管道泵進(jìn)入高分子精密過濾機(jī)(管道泵的作用是克服過濾機(jī)的阻力，防止物料走“短路”)，過濾合格后，與另一部分未經(jīng)過濾的物料匯合，再進(jìn)入下一道工序。該流程也稱為旁路過濾，它適合于物料不必一次性全部過濾合格的場合，即生產(chǎn)系統(tǒng)的物料維持“過濾一工作一再生一過濾”的循環(huán)流程，只需要對物料工作時(shí)新增的雜質(zhì)過濾，并能使系統(tǒng)物料的雜質(zhì)維持在一定的水平即可。由于旁路過濾只實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的部分物料過濾，因此過濾面積可減少，投資相對較低。
本文開頭所述的脫碳液、銅氨液高分子精密過濾機(jī)，即采用了旁路過濾的工藝流程。
2.3 過濾機(jī)的設(shè)計(jì)選型要點(diǎn)
為了在生產(chǎn)應(yīng)用中充分發(fā)揮新型高分子精密過濾的優(yōu)越性能，在選用前必須對要過濾的物料進(jìn)行嚴(yán)格的過濾性能參數(shù)的測定與平均濾速的計(jì)算，按照計(jì)算結(jié)果正確選擇微孔精密過濾機(jī)的結(jié)構(gòu)型號與規(guī)格。
2.3.1 物料過濾性能測試、濾速計(jì)算及過濾機(jī)選型
物料過濾性能測試與物料平均濾速的計(jì)算。按照上海東甌微孔過濾研究開發(fā)中心宋顯洪教授等提出的計(jì)算公式，計(jì)算方法如下：
(1)液體精密濾餅過濾的平均濾速按公式(1)-(3)計(jì)算：
求得平均濾速W，再根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)所需的過濾液流量，即可算出所需的過濾面積。由濾液流量、過濾面積、最大濾餅厚度等即可確定微孔精密濾餅過濾機(jī)的各種參數(shù)及相關(guān)尺寸。
(2)液體精密澄清過濾的平均濾速按公式(4)計(jì)算：
W=b／(t－a) (4)
式中：t——每1周期內(nèi)的過濾時(shí)間，s；
a、b——與物料內(nèi)微粒性質(zhì)、濃度及t值有關(guān)的參數(shù)，可通過小型試驗(yàn)測定。
同理(1)，得出物料平均濾速后，即可由流量計(jì)算所需過濾面積，再選取合適的微孔精密澄清過濾機(jī)相應(yīng)的規(guī)格參數(shù)。
2.3.2 輔助設(shè)備的選型
(1)高分子微孔精密過濾裝置輔助設(shè)備的選型設(shè)計(jì)，最主要、也是最重要的是物料輸送泵的選擇，即選擇合適的物料壓力問題。曾經(jīng)有一些用戶，在進(jìn)行過濾設(shè)計(jì)選型時(shí)，因?yàn)槲锪蠅毫栴}沒有處理好，產(chǎn)生了諸多不必要的麻煩和問題。
從前述的高分子微孔精密過濾的原理可知，一方面，要使物料穿過剛性高分子微孔管，必須提供一定的動(dòng)力以克服其阻力：另一方面，隨著過濾雜質(zhì)的不斷累積于微孔管外壁，其過濾阻力必然逐步增大。所以要達(dá)到維持過濾機(jī)的正常工作，必須為微孔管提供適當(dāng)?shù)膬?nèi)外壓力差(外壓力)。目前，剛性高分子微孔管設(shè)計(jì)的許可外壓力為0.15～0.20 MPa，也就是說，當(dāng)微孔管內(nèi)、外壓差達(dá)到0.15～0.20 MPa時(shí)，微孔管必須進(jìn)行反向(正向)沖洗、再生，以保持過濾效率，并保護(hù)微孔管，延長使用壽命。因此根據(jù)過濾機(jī)的微孔管技術(shù)特性，過濾物料的壓力選擇，以能夠提供微孔管最大內(nèi)、外壓力差0.15～0.20MPa為基本設(shè)計(jì)原則。
對于圖2所示的物料全過濾流程，由于出過濾機(jī)的物料壓力接近0，因此只要保證進(jìn)入過濾機(jī)的最大物料壓力為0.15～0.20MPa即可。如果進(jìn)入本工序的物料尚保持有0.15～0.20 MPa的余壓，則不必輔設(shè)物料輸送泵；否則，應(yīng)酌情配設(shè)適當(dāng)揚(yáng)程的輸送泵，以確保物料輸出總壓力最大為0。15～0.20MPa。此時(shí)，過濾機(jī)的外殼工作壓力(內(nèi)壓)也為0.15～0.20MPa。
對于圖3所示的旁路過濾流程，由于進(jìn)、出過濾機(jī)的物料壓力相等，因此必須增設(shè)管道泵，為微孔管工作時(shí)提供過濾壓差。其管道泵的揚(yáng)程通常為15000～20000mmH2O，以確保過濾機(jī)工作時(shí)，能提供給微孔管最大過濾外壓力差0.15～0.20MPa。揚(yáng)程過小，壓差小，影響過濾機(jī)的過濾效率與能力的發(fā)揮；揚(yáng)程過大，則壓差大，操作管理不慎，極易使微孔管超壓工作而損壞，常造成微孔管沖洗再生周期縮短、再生效果越來越差、堵塞頻繁、使用壽命較短的現(xiàn)象。
值得特別注意的是，旁路過濾流程的過濾機(jī)外殼的最大工作壓力是系統(tǒng)物料壓力與管道泵的揚(yáng)程壓力的總和，由于有時(shí)物料系統(tǒng)壓力較高，其工作壓力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過全過濾時(shí)的0.15～0.20MPa。因此，必須相應(yīng)提高過濾機(jī)的壓力級別的選擇，以確保過濾機(jī)的安全、穩(wěn)定、長周期工作。
(2)為確保微孔管的有效工作，供氣體反吹用空壓機(jī)最好用無油空壓機(jī)，壓力為0.7 MPa，排氣量視每臺(tái)過濾機(jī)的過濾面積而定。儲(chǔ)氣罐耐壓1.0MPa，容積視每臺(tái)過濾機(jī)的過濾面積而定。多臺(tái)安在同一場所的過濾機(jī)可共用1套氣體反吹裝置。
(3)再生液儲(chǔ)罐不需耐壓，容積視每臺(tái)過濾機(jī)的體積而定，材質(zhì)視再生液性質(zhì)而定，一般需防腐。再生液循環(huán)泵為離心泵，揚(yáng)程與流量視過濾機(jī)的容積而定。固體微粒不能用化學(xué)方法清除時(shí)，不必設(shè)化學(xué)再生系統(tǒng)。
3 制定科學(xué)的過濾機(jī)管理與操作規(guī)范，并確保有效執(zhí)行
剛性高分子微孔過濾裝置最大的“弱點(diǎn)”是：機(jī)內(nèi)的微孔管承受外壓的能力有限，必須小心操作，以保護(hù)微孔管，提高過濾機(jī)的使用壽命。因此，在操作管理上，必須制訂嚴(yán)格的操作管理規(guī)程，以“呵護(hù)”微孔管過濾機(jī)的“壓力”不發(fā)生問題。其操作要點(diǎn)主要包括：
(1)過濾機(jī)操作的核心要點(diǎn)是，在開停車、操作、微孔管再生的任何工況下，確保高分子微孔管承受的最大外壓差必須不高于設(shè)計(jì)規(guī)定的0.15～0.20MPa。這種要求對于圖3所示的旁路過濾工藝尤其重要，因?yàn)槠溥^濾機(jī)出口壓力有發(fā)生迅速降低或接近0的工況，此時(shí)微孔管的外壓差可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)定而失去保護(hù)。因此，相應(yīng)地，為了方便操作管理有效，在過濾工程設(shè)計(jì)時(shí)，對于旁路過濾的流程，除在過濾機(jī)頂部設(shè)置壓力指示外，還必須在過濾機(jī)出口增設(shè)壓力指示，以便對比觀察微孔管外壓差。
(2)過濾操作管理的另外一個(gè)重要原則是，微孔管承受外壓力差不能發(fā)生突變，只能漸進(jìn)式增長，以利保護(hù)微孔管。這在開停車、反(正)向沖洗時(shí)必須特別注意。
(3)過濾操作管理中還有一個(gè)值得注意的問題是，當(dāng)微孔管工作一段時(shí)間后，隨著阻力的增加，壓差達(dá)到0.15～0.20 MPa的最大設(shè)計(jì)外壓差時(shí)，應(yīng)及早再生微孔管。由于過濾工程設(shè)計(jì)時(shí)，選擇了合適的物料輸送泵揚(yáng)程，故壓差不會(huì)再上漲，有些用戶則聽之任之保持過濾機(jī)的這種“安全”工作狀態(tài)，只有當(dāng)生產(chǎn)系統(tǒng)分析檢測到過濾效果“較差”時(shí)才停車再生處理。
筆者認(rèn)為這種微孔管長期“滿負(fù)荷”工作，也將直接影響微孔管的再生效果及相應(yīng)的使用壽命。
4 結(jié)語
只要了解了高分子微孔精密過濾機(jī)的過濾原理，正確把握了過濾機(jī)及其輔助設(shè)備的選型，并在運(yùn)行過程中嚴(yán)格按規(guī)范操作，那么，提高高分子精密過濾機(jī)的使用壽命就不成問題。湖南金信化工有限公司的脫碳液、銅氨液過濾機(jī)運(yùn)行5年無檢修，就是一個(gè)范例。
