氫氣純化脫氧器參數設計

2015-08-273318人瀏覽

概述

    氫氣純化中催化脫氧是制取高純氫氣必經工藝,而脫氧器的設計是否合理科學是保證催化脫氧的關鍵所在。如何設計脫氧器應充分考慮多方因素才能對脫氧器進行合理科學的設計。譬如根據原料氣的含氧量、所需純化的深度(即殘氧量)、處理的氣體量及工作壓力(常壓脫氧器<0.05MPa;中壓脫氧器>0.8MPa;高壓脫氧器>15MPa)已選定的脫氧催化劑,來進行設計和確定脫氧劑用量、脫氧器內置脫氧催化劑床層高度以及內部結構和相應尺寸等。

催化劑的選擇及內部結構

    在選擇催化劑時,通常遵循以下原則:根據對氣體純度要求,在可以達到同純度的催化劑,可以選擇工作溫度較低,催化活性強、機械強度高、熱穩定性好,以適應生產工況的變化和延長其催化使用壽命。

    結構上脫氧器分內筒和外筒,在外筒與內筒之間填裝催化劑。催化劑的支托應采用托篦和瓷球。其托篦支托方式是在碳鋼或不銹鋼絲網上鋪上一層耐熱瓷球(放置在催化劑層下部),并在催化劑上下端設置溫度傳感器。脫氧器的進出氣管口在催化劑床外,后著則在催化劑床層內,且端口應有不銹鋼絲網,催化劑的裝卸預留裝卸料口。脫氧器的保溫雖然有的脫氧過程是在常溫下工作,但在活化還原時需進行加熱(在脫氧器內筒設置加熱器)。所以一般仍需進行處理,保溫保溫材料宜選用優質保溫材料,以減少熱量損失和防止燙傷。

催化劑用量

    在確定選擇好催化劑后,根據催化劑活性,即設計空速或催化劑的脫氧能力(因該方法涉及因素較多,確定所需催化劑用量較繁瑣,通常采用催化劑活性來確定其所需催化劑體積和重量)來計算確定。具體公式如下:

            U理論 = V / ω0  (m3)   ---------------(1)

式中: 理論--------------- 所需催化劑體積 (m3)

       V ---------------  處理氣體量  (Nm3 / h )

       ω0 -------------  催化劑設計空速 (h -1)

    U實際 = 1.2 U理論   1.2倍系數是考慮填裝催化劑可靠性,需要在加裝時留有一定的富裕量。

所需催化劑重量可按下式進行換算:

           G = U實際 ×γ ----------------- (2)

式中: G --------- 所需催化劑重量 (kg)

       γ--------- 催化劑堆比重  (kg / m3 )

 在上述公式中ω0 催化劑設計空速(h -1)、 γ催化劑堆比重(kg / m3 )

 均可在所選擇催化劑技術參數中查出。如催化劑選擇活性氧化鋁鍍鈀其參數:ω  5000 ~1000 -1 ,γ= 1200 kg / m空速取值為一定范圍,如何取值根據實際情況來選取,一般無特殊要求選范圍最小值即可。

脫氧器尺寸

    選取適宜的氣體線速度,不僅僅確定了脫氧器主要尺寸,還關系到脫氧效果及氣體壓力降。當催化過程以外擴散傳質為主時,影響更加明顯,過大的線速度雖可以提高脫氧能力和效果,但使阻力降增加,還容易造成催化劑的磨損。如在氣流自下而上流動時,不使催化劑層產生運動的允許氣流線速度為最大取值。一些常用銅、鎳合金和活鋁鍍鈀催化劑通常按下列數據來選取:低壓工作時氣體線速度u3m/s ;高壓下工作時,可按0.02 ~ 0.03 m/s 選取。

3.1脫氧器的截面積

脫氧器截面積的確定,按下式計算:

          S = V / 3600 u p (m2) --------------------(3)

式中:  V ----------------- 氣體處理量 Nm3 / h

        U -----------------氣體線速度 m / s

        p ----------------- 工作壓力 (kg / cm2 絕壓)

    因脫氧器設計為帶內筒(設置加熱器),所以脫氧器實際截面積為圓環面積:

   S = ( D2 - d2 ) / 4  式中 D、 分別為脫氧器外筒內筒直徑

3.2 脫氧器的直徑及有效高度

  D =  ------------------4)     脫氧器內筒直徑

  H = U / S ------------------ (5)       H 有效高度(m)

3.3 脫氧器徑高比

  Z = H / D -------------------(6)       Z 經高比

    脫氧器的經高比對脫氧效果,脫氧能力都有一定影響,根據各種催化劑的實驗數據,有的影響明顯,便提供了必須遵循的經高比選擇范圍或經高比對脫氧性能的影響曲線的有關數據,這些可作為設計依據;有的影響不明顯,也可以按一般的常用經高比Z = 0.5 ~ 2.0 確定。設計和選用的脫氧器尺寸應能滿足經高比和氣體線速度的要求。

結束語

     氫氣純化脫氧器的設計主要涉及上述技術參數,而文中的理論公式為脫氧器設計的主導方向,因在設計脫氧器時涉及如氣體純度、露點、工作壓力、催化劑的選擇、脫氧器結構及內部工藝要求等諸多參數,所以在具體設計時還需要參考實際經驗值,只有如此,才能設計出符合實際需求的脫氧器。

 

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