石油化学分離器とは：種類、サイジング、用途

石油分離器とは何か：種類、サイジング、用途

核心的な質問に答える：石油分離器とは何か、そしてどのようにサイジングされるのか？ 石油分離器とは、混合プロセスストリームを蒸気相と液体相に分離する圧力容器であり、三相分離では、入口運動量低減とミストエリミネーター装置によって重力沈降を利用して、蒸気、炭化水素液体、遊離水に分離します。そのガス処理能力は、Souders-Brownの式、v_max = K x sqrt((rho_L - rho_V) / rho_V) によって設定されます。ここで、Kは容器の向きとミストエリミネーターの種類に依存する経験的係数です。メッシュパッドを備えた垂直分離器の場合、Kは通常0.10～0.15 m/sです。ベーンパックでは0.15～0.25 m/sに上昇します。軸流サイクロンでは0.25～0.35 m/sに達します。適切に仕様設定された分離器は、ガス中の液体の持ち込み量をMMSCFあたり0.1 USガロン未満に制限し、下流のコンプレッサー、反応器、炉に重量比で0.01～0.05%未満の同伴液体を含むガスを供給します。

1. 石油分離器内部の分離メカニズム

分離器は4つの連続したゾーンを通して機能し、いずれかのゾーンでの故障は容器全体の性能を低下させます。

• 入口運動量低減： プライマリ入口装置は最初の防御線です。15～30 m/sで流入する混合ストリームは重力が作用するには大きすぎる運動量を持っているため、流れは半開パイプ、サイクロン入口、接線ベーン、または単にバッフルプレートに導かれます。目標は二重です：運動エネルギーを散逸させてバルク液体を直ちに落下させ、重力セクションで沈降できない微細な液滴に液体を再せん断することを避けることです。入口設計の不良は、性能の低い分離器の最も一般的な根本原因です。なぜなら、容器は紙面上では十分に大きくサイジングされていても、ノズルで生成された再同伴された液滴でミストエリミネーターをフラッディングさせる可能性があるからです。
• 重力沈降セクション： ここでバルク相が分離されます。蒸気は、同伴液滴がガスの上昇よりも速く落下するのに十分な遅さで容器を通過する必要があります。これはまさにSouders-BrownのKファクターが単一の経験的数値で表現していることです。100～500マイクロメートルの範囲の液滴は容易に沈降するため、このセクションがバルク負荷を処理します。ガスは断面全体に均一に分布する必要もあるため、水平容器では穴あき分布バッフルが使用されます。液体相は、用途に応じて1～10分間の滞留時間が保持されます。単純なノックアウトドラムの場合は1～3分、水が炭化水素から分離する必要がある三相分離器の場合は5～10分です。
• ミスト除去： 重力では約100マイクロメートル未満の液滴を除去できないため、ミストエリミネーターが微細な部分を処理します。通常厚さ100～150 mm、密度130～200 kg/m3のニットワイヤメッシュパッドは、5～10マイクロメートル以上の液滴を最大99.9%の効率で捕捉し、圧力損失はわずか25～75 mm H2Oですが、設計負荷の約100%を超えるとフラッディングします。ベーンパックまたはシェブロンは、10～40マイクロメートルの液滴を処理し、固体や高い液体負荷に耐え、ファウリングサービスに適しています。軸流サイクロンは5～8マイクロメートルに達し、フラッディングに耐えますが、100～250 mm H2Oの高い圧力損失がかかります。選択は、効率、ファウリング傾向、許容圧力損失のトレードオフです。
• 液体収集とレベル制御： 最後のゾーンは、液体の品質と下流保護を決定します。レベルは狭い範囲内に保持する必要があります。高すぎるとミストエリミネーターがフラッディングし、液体がガス出口に持ち込まれます。低すぎると、ポンプや下流の容器に深刻な結果をもたらすガスが液体出口を通過します。水平三相分離器は、インターフェースレベルコントローラーと堰板を使用して炭化水素層を保持し、ブーツまたは水脚を使用して遊離水を排出します。すべての液体出口にはボルテックスブレーカーが取り付けられており、ガス同伴を防ぎます。出口ノズルは、容器内の平均速度よりもはるかに低い液体流速に合わせてサイジングする必要があります。

2. 主要な構成と用途

4つの構成がほとんどの石油化学分離器の用途をカバーしています：

• 垂直分離器： 垂直容器は、ガス流量が液体流量に対して高い場合、設置スペースが限られている場合、または液体負荷が小さく、コンプレッサー吸込スクラバーのように主にスラグ駆動される場合に標準的な選択肢です。ガスは重力に逆らって垂直に移動する必要があるため、容器の直径はSouders-BrownのKファクターによって直接決定され、シェル高さは液体の保持要件に加えて、ミストエリミネーターと入口装置用のスペースによって設定されます。垂直ユニットはレベル制御をうまく処理し、自己排出され、底部のヘッドに堆積した固体をドレンとクリーナーで許容します。それらの弱点は、与えられた直径に対して液体の保持時間が短いことであり、そのため三相の油・水・ガス分離にはめったに使用されません。
• 水平分離器： 水平容器は、大きな液体表面積と長い液体保持時間を提供するため、高液体流量、発泡サービス、三相分離のデフォルトとなります。垂直方向の沈降距離は短く、シェル直径のみであり、長い水平経路は液滴が界面に到達する時間を与えます。これらの容器は、3～10分間の液体保持が必要な場合、油・水界面を制御する必要がある場合、または供給が発泡しており、泡を壊すために表面積が必要な場合に仕様設定されます。トレードオフは、大きな設置面積、オフショアでの動き下でのレベル制御の難しさ、および出口に向かうチャネリングを避けるための長さにわたる慎重なガス分布の必要性です。
• ノックアウトドラムとフレアノックアウト： ノックアウトドラム、またはKODは、製品回収よりも保護を目的とした単純な分離器です。コンプレッサーの前に設置され、インペラやバルブを損傷する可能性のあるスラグを除去します。炉の前に設置され、液滴による炎の衝突やコークス化を防ぎます。フレアの前に設置され、そうでなければ危険な雨として燃焼する可能性のある液体をノックアウトします。フレアノックアウトドラムは、通常の流量ではなく緊急時の放出ケースに合わせてサイジングされ、サイジング基準は通常、プロセス分離器で使用される微細なカットではなく、フレアチップに持ち込まれない最大液滴（しばしば300～600マイクロメートル）です。それらはほとんどの時間乾燥状態で運転され、放出イベント後に蓄積した液体を除去するためにポンプまたはエジェクターを含める必要があります。
• 三相分離器とリフラックスドラム： 三相分離器は、堰を使用して炭化水素層を保持し、インターフェースレベルコントローラーで水を管理することにより、蒸気、軽質炭化水素液体、遊離水を分離します。サイジングには、2つの基準を独立してチェックする必要があります。Souders-Brownからのガス容量、および水滴が炭化水素層を沈降するために必要な液体保持時間（通常5～10分）、水中の油滴サイズを使用したStokesの法則を使用します。蒸留塔のリフラックスドラムは、より単純な二相ケースですが、通常の還流と留出液の両方の流量と、塔の異常によって生成される過渡状態に合わせてサイジングする必要があります。リフラックスポンプが吸引を失うか、ドラムがオーバーヘッドラインにフラッディングする前に、オペレーターが対応するのに十分な保持時間（3～5分）が必要です。

石油化学分離器構成比較マトリックス

よくある質問（FAQ）

Q: Kファクターとは何ですか、そしてどのように選択しますか？

A: Kファクターは、Souders-Brownの蒸気速度制限を1つの経験的定数に凝縮します。v_max = K x sqrt((rho_L - rho_V) / rho_V) で、vはm/sです。容器の向き、入口装置、ミストエリミネーターが、液体が持ち込まれなくなる最大の蒸気速度に与える複合効果を捉えます。典型的な値は、メッシュパッド付き垂直容器で0.10～0.15 m/s、ベーンパックで0.15～0.25 m/s、軸流サイクロンで0.25～0.35 m/s、水平容器で長さ対直径比に応じて0.10～0.25 m/sです。発泡性またはファウリング性のサービス、入口装置が不良な容器、および遠心コンプレッサーや改質炉のようにわずかな液体でも敏感な下流機器の場合には、保守的に選択してください。

Q: 分離器で液体の持ち込みが発生する原因は何ですか？

A: 5つの原因が支配的です。Souders-Brownの制限を超えるガス速度。通常、スループットを増加させたが容器の再評価を行わなかったボトルネック解消プロジェクトによるものです。フラッディングまたは損傷したミストエリミネーター。固体やポリマーがメッシュをファウリングしたか、容量を超えた液体負荷によるものです。レベルコントローラーの故障またはワックス、スケール、コークスによってブリッジされたレベルトランスミッター。これにより、液体レベルがガス空間に上昇します。発泡。界面活性剤、アミン分解生成物、または凝縮炭化水素が、容器が壊せず、ガス出口に直接引き込まれる泡層を安定化させます。そして、入口設計の不良。流入するジェットが液体を再霧化し、設計カットサイズよりもはるかに小さい液滴を生成します。

Q: 三相分離器のサイジングはどのように行いますか？

A: 2つの独立した基準の両方を満たす必要があり、大きい方の容器が優先されます。第一に、ガス容量：適切なKファクターを使用してSouders-Brownの式を適用し、最小直径または有効ガス面積を求めます。第二に、液体保持時間：炭化水素相について、水滴（通常100～300マイクロメートル）が油層を界面に沈降するのに十分な時間を与えます。これは通常、保持時間5～10分を意味し、容器の長さまたはシェル直径を決定します。また、インターフェース制御帯域が操作に十分な幅（通常150～300 mm）であり、ブーツまたは水脚が予想される水流量とスラグの余裕に合わせてサイジングされていることを確認します。最後に、ターンダウンを確認します。設計流量の30%では、速度が低下し分離が改善されますが、レベル制御と堰の完全性は依然として保持する必要があります。

Q: 石油化学分離器に適用される材料と規格は何ですか？

A: ほとんどの分離器は、ASME VIII Division 1にUスタンプ付きで、または欧州サービスの場合はPED 2014/68/EUのようなCEマーキング付きの現地同等品で製造されています。SA-516 Grade 70のような炭素鋼は、非腐食性の炭化水素用途の標準です。塩化物が存在する場合は316Lまたは二相ステンレス鋼が使用されます。硫化水素を含むストリームの場合、NACE MR0175 / ISO 15156は、硫化物応力割れを防ぐための材料硬度と熱処理を規定しており、湿潤H2Sサービスでは、鋼はしばしばHIC試験を受け、溶接後熱処理されて200 HV未満になります。高温水素サービスでは、API 941 Nelson曲線による高温水素攻撃のチェックが必要であり、1.25Cr-0.5Moまたは2.25Cr-1Moのようなクロムモリブデン合金を強制する場合があります。容器が塩化物とCO2を含む生産水を分離する場合、3～6 mmの腐食代に加えて内部コーティングまたは耐食合金クラッドが一般的です。