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分子筛各类事故底层诱因的数值分析与处理

   2024-10-17 74
导读

分子筛吸附系统是化工类工业中的核心工艺系统,用于吸附、置换、催化等操作。但是由于工业工艺的不稳定性,分子筛的生产、安装、

分子筛吸附系统是化工类工业中的核心工艺系统,用于吸附、置换、催化等操作。但是由于工业工艺的不稳定性,分子筛的生产、安装、使用又分别归属于不同的专业和公司,技术衔接中经常出现各类问题。在实际生产应用中,分子筛的事故往往与分子筛的核心吸附能力无关,而大多是由于三方技术人员对吸附器的底层设计数据不了解导致。

本文不是单纯地将分子筛事故案例罗列,而是参照大量的施工中的实际问题,以及基于计算机仿真数值分析,系统全面地梳理了分子筛吸附设备的各类工程特征,并对部分工程处理量化解析。让不同专业间有一个统一的认识,尽可能地避免多方沟通上的误判。

本文的量化解析选取的模型为某特定设备或国标查询数据,解析数据不代表全部类型吸附设备应用情况下的数值,但是其结论对所有应用环境具有参考价值。 

1.吸附器的应力与变形。

1.1.卧式床的附加应力。

卧式床结构中,支撑床层除了承受分子筛颗粒的重量,还要承受外壳变形产生的横向拉应力。其实此拉应力才是导致卧式床故障率高的核心要素。

在设备安装之初的调试阶段,这种拉应力可以忽略;但是分子筛吸附器处于长期的温度和受力交变情况下,设备慢慢产生一定程度的变形。在设备运行后期,圆柱外壳发生扁塌,随着床层横向拉力的不断增大,床层受力情况发生变化。绝大多数分子筛更换的施工人员文化基础差,不能正视这些受力变化,依旧按照最初的装填模式更换分子筛颗粒。最终导致“床层撕裂破损”。

ANSYS仿真数据显示:卧式床在外壳刚度降低,发生扁塌形变后,局部应力集中点的拉应力是未发生变形时剪应力的数十倍。如上图所示案例中,假设罐体线变形1‰(1mm/1M线弯曲挠度),最中心处工字钢焊缝受力增大约15倍(拉应力和剪应力之和)。超过了几乎全部常用钢材的最大许用应力。

吸附器设备蠕变,刚度失效导致床层内部应力增加,是卧式床发生泄漏的第一诱因。但在已知的各类分子筛事故案例中都不关注这一底层诱因,而是简单地认定为分子筛更换团队的“施工水平不行”。

1.2.立式径向流的多应力交错现象。

立式床结构中,所有的分子筛颗粒的重量并不是“堆放”在塔体底层,而是被隔离网“悬挂”在顶端。(如下以径向流双层床为例,单层床情况类似。)

分子筛和氧化铝中间层隔离网的板层孔竖向布置,承受全部的分子筛颗粒重量,竖向拉应力为8MPa±10%,变形量约为1.7mm/M(线变形1.7‰,材质估算材质为压容钢),几乎已经达到了选材的应力和变形极限。应力集中点出现在上下两条环焊缝中,其中底层环焊缝由于同时受到剪切应力作用,焊缝故障率较高。

受气流和颗粒压力的双重影响,外层隔离网承受交变的周向拉应力,内层隔离网承受交变的周向压应力,交变值通常为+5KPa~-15KPa之间。这几乎达到了薄壁筒体设计变形极限的25%左右(100%时筒体扁塌)。

气流影响下,圆柱壁的径向变形比约为5mm/M;但是底层支撑圆盘为刚度设计,径向变形比为0。上下变形比相差极大,导致底层焊缝在承受数百吨物料重量时,还要承受变形产生的剪切应力,以及气流变化产生的交变应力。此处焊缝包含三种极限状态下的应力状况(过载、剪切、交变),包含三种材质和厚度的物料交汇(底板12-20mm热锻制钢、竖板6-8mm冷轧钢、内纱网1mm铜质),因此底层焊缝极易发生损伤,而且损伤发生后形成的连锁反应也非常严重。


2.分子筛颗粒的状态。

2.1.卧式床的颗粒漂浮现象。

在卧式床中,气流上下往复流动。气流自下而上吹动时,分子筛颗粒受气流影响而产生一定的悬浮。尤其是底层隔离网附近的氧化铝颗粒,整体呈现悬浮状态。通常情况下,50%~110%重力被气流吹起(实际生产中受控,不会大面积悬浮,而是局部喷涌),产生类似于“流沙”的流动态,床层顶部局部喷流而呈现环形坑痕迹。相反地气流自上而下流动情况下,底层隔离网承受150%~200%的颗粒重量。

中间层隔离网通常为软材质网,装填时上下层之间不受力。但是在吸附生产过程中,隔离网被下层氧化铝顶起,整体承受向上的横向撕裂力。与大多数工程人员的理解不同,中间层隔离网的作用并不是防止颗粒下漏的,而是阻止颗粒上流。中间隔离网的作用是防止下层悬浮状态的流体颗粒流入上层分子筛;同时束缚下层氧化铝的扰动,均衡各处不稳定、不平衡的气流。在很多施工中,经常出现对中间网的作用理解错误,导致铺设过于随意,多块隔离网之间没有相互缝合,起不到隔离效果,最终影响分子筛装填效果。

底层隔离网通常为软硬结合的双层网(硬骨架网和软隔离网缝合)。活化时气流自上而下,骨架网承受数十吨的颗粒重量和气流压力。吸附时气流自下而上,软隔离网承受气流吹力,进而软硬两层网相互分离。在装填施工时,施工人员不了解两层网之间的受力关系,经常只是简单拼接铺设,而不是将软硬隔离网相互缝合加固。最终容易在软隔离两层网受相反力后,软硬网相互分离进而撕裂,导致泄漏现象发生。

2.2.立式床的颗粒装填量的选取。

立式吸附器的物料颗粒呈竖直布置,气流与分子筛装填方向垂直,这样没有了颗粒悬浮的气流问题,但是对于装填量有了新的要求。在立式吸附器的顶端通常设置有1.5米左右的封闭区域,在该区域内的颗粒不参与置换,称为“不流通死区”。同时由于该区域颗粒不能进行活化反应,经常发生吸湿粉化现象。

实际生产中,八成以上的用户不知道最佳装填高度,而是“尽量装满”(多数用户即使知道装填高度限制,依旧选择装满。潜意识里认为装满是最好的)。由于顶端“不流通死区”的存在,其实装的越多粉化问题越严重。

针对这一问题,我用Fluent仿真分析系统,还原不同装填高度下分子筛颗粒的流通情况。仿真分析数据显示:顶端的不流动死区的大小程度,仅与相对装填高度有关。与区域宽度、颗粒大小、气流速度等关系较小。当装填过线高度ΔH约为装填宽度T的0.92倍时(ΔH≈0.92T),顶部空腔气流流速最低。当相对装填高度低于0.5时,局部气流增大而出现“悬浮短路”风险;当相对装填高度高于1.3时,死区内气流基本静止,“吸湿粉化”风险增大。

参考颗粒沉降比例,推荐相对装填过线高度定为1.3倍(ΔH=1.3T)。(已查询的设备装填标准均遵循此数值设定,如果哪家单位的装填高度有自己的规定,请联系作者microslim,我们更新你们专门仿真模型分析。此仿真模型使用了二维正方形网格、多孔材质球形粒度4mm、介质为常温1bar空气。)

3.热腐蚀现象与选材问题。

与施工导致的故障相似,几乎所有的事故都涉及选材错误问题。这是一个容易忽视又很重要的问题。

3.1.隔离网的“漏”与“补”。

床层发生泄漏后,通常由于生产工艺限制,无法及时完整修复,只能采取局部修补方案。修补中常见的错误为“必须堵严实了”,用一块更密实的网或铁板隔离出一个大的区域,以防泄漏扩大。

由上文我们知道,封堵位置附近会存在一个“不流通死区”,这个区域内的分子筛颗粒容易吸湿粉化。实际案例中显示的工程风险远不止于此,粉化区域的“高湿”和“高温”产生一个复合环境:热腐蚀。

3.2.“热腐蚀”现象。

市场上的纱网,通常看起来为“黄铜网”或者“不锈钢网”。但是实际情况是:黄铜脆性大,不适合编织;不锈钢为碳基材料,不适合冷加工。这导致严格的“黄铜”和“不锈钢”几乎不能快速机械化加工,也很难出现批量的网材。通常市场上的这两种常见材质:八成以上为合金材质,选材纯度都达不到要求。(纯度合格的隔离网由于成本高,大多需要专门订制。)

经过实际选材测试和合金比例估算,最常见的软材质“20目黄铜合金网”,热退火温度仅约为550℃左右;存在冷加工痕迹的“不锈钢网”属于马氏体类不锈钢合金,热退火温度约为600℃左右(中国市场的常见网材测试,温度按照合金比例估算,无法试验验证。该结论不代表部分高规格订制网材的性质)。

550℃和600℃的退火温度特性,使得这两种选材对温度和腐蚀较为敏感,进而容易在温度不高情况下出现“热腐蚀现象”。即:设备的工艺温度明明不高,滤网却呈现显著的灼烧痕迹。如下图,隔离网被烧毁穿透的“热腐蚀”照片。

3.3.隔离网的选材。

在中国市场中,由于隔离网普遍存在“合金”情况,因此在隔离网的耗材选择上需要增加一项———灼烧,将购置的滤网放在燃气炉上灼烧10分钟。

十分钟后,黄铜网表面擦拭后依旧为黄铜本色即为合格,发生裂、断、黑等即可认定为合金铜。不锈钢网焰色为黄色,擦拭后光亮为合格;焰色发绿、发红,材质发生裂、断、黑等即可认定为合金,不宜使用。

3.4.隔离网“补丁”的选择。

隔离网发生泄漏后,选择合适的“补丁”是必要的。但是介于以上分析,隔离网的补丁应遵循以下原则。

3.4.1.同目数或低目数原则。选择补丁时,严格限制所选择的补丁网的目数,尽可能选择低网眼密度的稀疏网。网层不易多层折叠使用。

3.4.2.充分考虑弹性余量。隔离网的补丁在气流冲击下是不停抖动的,受力也在频繁变化中。这就需要隔离网的补丁需要充分考虑变形余量,在隔离网的紧固压紧装置中留有足够的弹性余量。

3.4.3.压紧装置尽可能选择窄条。主要为了减小补丁后的流通死区。

3.4.4.硬骨架网和软隔离网缝合处理。由于受力的形式不同,两层隔离网分离是泄漏事故的原因之一。用钢丝缝合两层网能尽可能地减少事故复发几率。

3.4.5.隔离网的纹理与应力变形方向呈一定角度。隔离网铺设时,隔离网额外承受应力变形是重要的损伤原因之一。隔离网的交错铺设使得网格具有一定的变形承受力,缓和吸附器变形引起的撕裂损伤。

4.装填方式的选择。

在分子筛装填中,客户经常对装填的方式提出各类要求,如:物料面必须严格平整、6个孔要同时同量装填、第1个孔装填30秒装填第2个孔,等等。

对于如上要求,我们通常尽量满足。本文通过计算的方式,给每一个操作一个量化的结论。并不是让施工人员用量化的原则和客户争论对错,而是让我们在执行每一项操作时都能有一个心底的尺度。哪一个原则必须坚持?哪一项操作习惯其实并不重要,可以通过其它方式缓和矛盾?

4.1.颗粒的流动性。

分子筛颗粒通常为球形,球形颗粒堆成的锥型堆,最大静置锥角仅为25°至30°,振动或气流扰动情况下锥角仅为5°至8°(长条颗粒分别为35°~40°和10°~15°)。这样的流动性,即使装填孔不均匀装填,系统开启后各个孔的最大高度差仅为0.2米。

吸附器在气流影响下,床层移位变形约为为5mm/M,0.2米的偏差会在两个置换周期后消失。不会对系统稳定性产生影响。

4.2.颗粒对筒体的径向力。

在径向流床体中,颗粒装填不均衡,产生的最大径向力Fmax仅为50~60KN。相比之下气流产生的径向力为450~600KN。对筒体产生变形(1‰)的最小力Bmin约为1.2~1.8MN。

由此可以看出,装填的偏差对设备的影响力是很微弱的。

5.内部施工时的几点易忽略常识。

5.1.金属网丝是可燃物。

与常识不相同。不锈钢和铜质的细丝网,由于其絮状结构,其本质上是一种极易燃烧的可燃物。吸附器内的任何切割和焊接都是极具风险的操作,需要严格的防护措施。

5.2.分子筛颗粒可长时间贮存氮气。

分子筛颗粒具有极高的气体贮存效果。即使经过长时间置换,施工人员进入吸附器内后也会存在很高的缺氧风险。抽风机连续抽风是不可缺少的操作。

5.3.分子筛颗粒是流体。

与施工人员的常识不同,分子筛颗粒不应理解为沙滩的沙子。它是流动性很强的流体。尤其是在气流流动、设备振动情况下,分子筛的流动性尤为明显。施工人员操作时一旦发生泄漏,被颗粒掩埋的风险极大,逃生的时间也很短暂。同时分子筛的密度小于人体,一旦掩埋事故发生,颗粒的流动性会使受困人员陷入最底层,施救难度大。


 
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