变压吸附制氢装置噪声分析与控制技术研究＊

卜令兵，殷文华，曾凡华，李克兵，郜豫川

(四川天一科技股份有限公司变压吸附分离工程研究所，成都 610225）

变压吸附制氢装置噪声分析与控制技术研究＊

卜令兵，殷文华，曾凡华，李克兵，郜豫川

(四川天一科技股份有限公司变压吸附分离工程研究所，成都 610225）

对变压吸附制氢系统产生噪声的原因以及噪声源进行了分析，提出解决系统噪声的途径:优化工艺过程，增加隔声装置和消声装置，优化管道消声器结构。计算结果显示，优化后的管道消声器的性能与原管道消声器相比有了大幅提高。

变压吸附;氢气;噪声;消声器;结构优化

变压吸附是获得氢气的一个重要途径，可以从多种含氢气源中将氢气提纯，并以其适应压力范围大 (0.5～10.0 MPa）、能耗低、自动化程度高、开停车方便等特点，广泛应用于石油、化工、冶金、能源、环保等领域。四川天一科技股份有限公司在吸附工艺、吸附剂、吸附塔结构、程控阀、控制系统以及管路计算方面做了大量的研究工作［1-4］，保证了大型变压吸附制氢装置长期稳定高效的运行。

随着变压吸附制氢装置的大型化和环保要求的提高，装置所产生的噪声被越来越多的关注，因此，本文对变压吸附制氢装置噪声的产生和控制进行了深入分析。

1 变压吸附制氢系统噪声分析

1.1 变压吸附制氢系统

变压吸附制氢主要是利用吸附质在吸附剂上的平衡吸附容量差异，以及吸附量随压力增加而增加的特性，通过周期性的压力变化实现吸附和解吸过程的交替进行，从而实现氢气提纯的目的。一般的变压吸附制氢工艺包括吸附、多级均压降压、顺放、解吸、多级均压升等步骤，解吸步骤包括逆放、冲洗或抽空等过程。其中压力变化步骤主要在均压步骤、顺放步骤和逆放步骤。

变压吸附制氢系统主要包括吸附塔、管道、程控阀、顺放罐和逆放缓冲罐等，其中程控阀完成控制系统发出的指令，去实现各个步骤。在压力变化步骤的初期，系统的压差比较大，因此在塔内和管路系统中会产生很大的流速，从而产生非常大的噪声。以某50 000 Nm3/h变压吸附制氢装置的均压为例，第一步均压时系统中压力和流速的分布如图1所示。由图1可以看出在两吸附塔出口的主管路里气流的速度较低，而在两程控阀之间的均压管路里流速很高，都达到了超音速，系统的压力降也主要集中在两程控阀之间，而程控阀的阻力系数较大，在部分均压过程中，其阻力占到总阻力的一半以上，因此程控阀也是压力变化比较大的地方。在变压吸附的瞬态过程中，随着压力的逐步降低，气体密度的不断减小，过程开始时的系统流速将逐步增加［2］。

图1 PSA提氢一均时系统压力和速度的分布Fig.1 The distribution of pressure and velocity when PSA-H2 1ED

1.2 变压吸附制氢噪声源

按照噪声的发生原因，噪声分为三类:空气动力性噪声、机械性噪声和电磁噪声。空气动力性噪声是由于气体振动而产生的，当气体中产生了涡流或发生了压力突变等情况，就会引起气体的扰动，由于气体的扰动而产生的噪声，就称作空气动力性噪声。对比变压吸附制氢系统，噪声主要是在瞬态过程中由于高速气流而产生的空气动力性噪声和气流冲击产生的机械振动性噪声。其中，在阀门处流场的变化较为复杂，不仅产生涡流，同时高速气流冲击阀体。因此，在阀门处将产生强度较大的空气动力性噪声，通过对某变压吸附提纯装置中均压时阀门处的噪声计算显示，在管壁外1 m处的噪声加权声级为113 dB(A）［5］。

在缓冲罐内，气体流通面积的突然放大，就产生了类似于管道放空的噪声;这是由于管道内高速喷出的气流冲击和剪切周围静止气体，引起剧烈的气体扰动而产生的。这种噪声称为喷注噪声。

2 变压吸附制氢装置噪声控制

噪声是由声源—传播途径—受者三方面构成。噪声控制的各种措施，也主要是针对上述三方面而提出的。变压吸附制氢装置噪声控制中，可以采用工艺手段降低声源噪声，控制噪声的传播途径。

2.1 噪声源的控制

变压吸附制氢装置中的两个主要噪声源是阀门和缓冲罐，都是由于高速气流产生的。因此，通过优化变压吸附制氢工艺，降低瞬态过程中的流速就可以大为降低噪声。

对于均压过程，适当延长均压时间，降低均压时气流的速度，部分变压吸附制氢装置的均压时间在15 s以内，而一般的设计值是20～30 s。因此，通过准确的管路计算，将均压时间控制在25 s左右，均压时的最高流速降低将近50%，均压时阀门产生的噪声也将大为降低。此外，均压时阀门如果采用调节阀也可以大幅降低均压时的最大流速，从而降低噪声。

对于逆放和顺放工序，在总管增加调节阀，控制气体的释放速度来降低噪声。研究表明，喷注噪声与气流速度的8次方成正比［6］。

2.2 传播途径的控制［7-8］

1．隔声。隔声是噪声控制中一个比较传统的方法，其原理是用高密度、高比重的材料将声源封闭起来，从而使声源的噪声不影响到其他环境等。然而，要达到很好的隔声效果要根据噪声源的频率特征，设计合理的隔声结构和有效的隔声材料。

2．消声。在噪声控制技术中，消声器是应用最多最广的降噪设备，既可使气流顺利通过并有效降低噪声，也是具有吸声内衬或有效降低噪声的特殊结构形式气流管道，广泛应用于各类动力设备的进排气口消声以及放空排气消声。根据消声器的原理、形式以及性能，可以分为阻性、抗性、复合式及共振式。在阀门处增加管道消声器，在缓冲罐内增加喷注式放空消声器，可以降低系统的噪声。

2.3 开发高性能管道消声器

对于工业变压吸附装置而言，在程控阀门后安装消声器可以起到降低噪声的效果，然而，由于管道的空间有限，对消声器的结构有很大的限制，目前主要采用的是一种类似小孔消声器的结构。变压吸附制氢瞬态过程中的瞬时流速很大，消声器的消声量有限，主要是由于阀门处产生的空气动力学噪声不仅噪声强度较大，而且频率范围也比较宽，而常用的管道消声器消声频率范围比较窄。

图2是采用数值模拟计算得到的某管道消声器的特性曲线，由图2可以看出，该管道消声器仅在1080～1220 Hz的消声量达到15 dB(A）以上，最大消声量为35.2 dB(A）。

结构优化是提高消声器性能的有效途径，图3是结构优化后的消声器特性曲线，由图3可以看出，该消声器的消声性能大幅提高，740～1995 Hz的消声量达到15 dB(A）以上，最大消声量达115 dB(A）。

3 小 结

随着变压吸附制氢装置的大型化，装置的噪声越来越受到人们的重视，通过优化变压吸附的工艺管道和工艺过程，实施隔声和消声技术，可以有效降低装置的噪声。针对目前管道消声器消声效果不好的实际状况，通过模拟计算的方法优化后的管道消声器消声性能得到大幅的提高。

［1］李克兵，曾凡华，殷文华，等．带两个顺放罐的变压吸附制氢新技术 ［J］．天然气化工，2009，(34）2: 60-63．

［2］卜令兵，李克兵，张杰，等．变压吸附系统流体力学研究［C］//2011年全国天然气化工与碳一化学信息中心变压吸附网三届三次全网大会暨技术交流会论文集．成都:全国天然气化工与碳一化学信息中心变压吸附网秘书处，2011:49-56．

［3］卜令兵，郜豫川，李克兵，等．气体分布器流场测量［C］//2011年全国天然气化工与碳一化学信息中心变压吸附网三届三次全网大会暨技术交流会论文集．成都:全国天然气化工与碳一化学信息中心变压吸附网秘书处，2011:57-61．

［4］周晓峰，李英．变压吸附工艺多塔任意切换控制方案在OMRON中PLC控制系统上的实现［J］．广东化工，2001(4）:47-49．

［5］苏超．变压吸附管道流体力学特性研究 ［D］．烟台:山东科技大学，2010．

［6］潘敦银，王勇．高压排气放空噪声及消声设计 ［J］．安全、环境和健康，2002，2(3）:18-19．

［7］洪有明，仪垂杰，刘志红，等．某煤压机房外煤气管道的噪声治理［J］．能源与环境，2009(1）:88-89．

［8］陈永生，武萍．噪声防治在化工装置中的研究应用［J］．油气田环境保护，2009(19）:43-44．

Analysis of Noise of PSA-H2Device And Research on Its Control

BU Lingbing，YINWenhua，Zeng Fanhua，LIKebing，GAO Yuchuan

(PSA Business Group，Sichuan Tianyi Science and Technology Co．，Ltd．，Chengdu 610225，China）

The article analysis the causes ofnoise and noise source of PSA-H2，proposeways to solve the system noise:optimization process，increased sound insulation device and noise elimination device，optimization themuffler structure．The simulation results show that themuffler＇s performance is improved sharply through structure optimization．

pressure swing adsorption;hydrogen;noise;muffler;structure optimization

TQ051.8+6

A

1007-7804(2012）03-0025-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2012.03.006

2011-12-08

卜令兵 (1978），男，河南滑县人，从事变压吸附技术的研究开发与工程应用，E-mail:blb_ustb@sina.com。