袁助 華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

付晶華 魯恒升化工股份有限公司 德州 253024

設(shè)計(jì)技術(shù)

低溫甲醇洗氣液兩相流管線工程設(shè)計(jì)

袁助*華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

付晶華 魯恒升化工股份有限公司 德州 253024

以低溫甲醇洗無硫富甲醇閃蒸罐到CO2產(chǎn)品塔的兩相流管線為例，按照SH/T 3035－2007規(guī)定的要求進(jìn)行計(jì)算，通過與工程實(shí)踐的對比，驗(yàn)證其計(jì)算的可行性。總結(jié)了低溫甲醇洗裝置中抑制兩相流的三項(xiàng)措施。

兩相流管線低溫甲醇洗

近年我國以煤為原料生產(chǎn)合成氨及尿素、甲醇及下游產(chǎn)品(醋酸、MTO、MTP)、SNG、乙二醇及合成油(間接法)的工藝得到蓬勃發(fā)展，其主要流程圖見圖1。

圖1 以煤為原料生產(chǎn)合成氨、甲醇及下游產(chǎn)品流程框圖

隨著裝置規(guī)模的大型化，凈化多采用低溫甲醇洗工藝。筆者參與過若干低溫甲醇洗裝置的工程設(shè)計(jì)，認(rèn)為低溫甲醇洗裝置中氣液兩相流管線的設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)過程中一個(gè)容易被忽視的環(huán)節(jié)，本文按照SH/T 3035－2007規(guī)定的計(jì)算方法，通過實(shí)例分析兩相流管線的設(shè)計(jì)。

1 低溫甲醇洗工藝

低溫甲醇洗工藝是由德國林德(Linde)公司和魯奇(Lurgi)公司于上世紀(jì)50年代共同開發(fā)的，該工藝使用冷甲醇作為酸性氣體(CO2、H2S、COS)的吸收劑，通過物理吸收凈化原料氣。之后林德公司和魯奇公司各自對低溫甲醇洗工藝流程進(jìn)行了改進(jìn)，關(guān)于這兩種流程差異可以查閱王顯炎、鄭明峰、張駿馳著的《Linde與Lurgi低溫甲醇洗工藝流程分析》［1］。典型的林德低溫甲醇洗工藝流程見圖2。

圖2 典型的低溫甲醇洗工藝流程簡圖(合成氨)

低溫甲醇洗工藝相比其它工藝有如下特點(diǎn):①既可以同時(shí)脫除原料氣中的H2S、COS、RSH、CO2、HCN等酸性氣體組分，又可以脫水使氣體干燥;②氣體的凈化度很高，凈化氣中總硫含量可脫至0.1ppm(mol)以下，CO2可脫至10ppm (mol)以下;③吸收的選擇性高，H2S和CO2可以在同一設(shè)備的不同部位分別吸收，可在不同的設(shè)備(不同的操作條件下)分別解吸，由于低溫時(shí)H2S和CO2在甲醇中的溶解度都很大，溶液的循環(huán)量較小，特別是當(dāng)原料氣壓力比較高時(shí)尤為明顯;④由于H2和CO等在低溫甲醇中的溶解度都較低以及甲醇在低溫下蒸氣壓較小，使得有效氣體和溶劑的損失小;⑤甲醇的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性都較好，不會(huì)被有機(jī)硫、氰化物等組分所降解，不起泡且操作穩(wěn)定。

2 低溫甲醇洗兩相流管線的計(jì)算

低溫甲醇洗流程中從閃蒸罐V03到CO2產(chǎn)品塔、H2S濃縮塔的管線為兩相流管線，本文以某工程實(shí)際數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析計(jì)算。數(shù)據(jù)見表1。

表1 閃蒸罐液位控制閥閥后到CO2解吸塔管線的物流數(shù)據(jù)

2.1 計(jì)算［2］

在工程設(shè)計(jì)中，僅關(guān)注兩相流在管道中的流型及壓降是不夠的，按照SH/T 3035－2007要求兩相流管線的管徑還應(yīng)滿足5點(diǎn)要求:①當(dāng)流量為正常負(fù)荷值的50%時(shí)，在垂直向上的管段中不應(yīng)發(fā)生塊狀流;②當(dāng)流量為正常負(fù)荷值時(shí)，在水平管段中不宜發(fā)生塊狀流;③兩相流的均相流速應(yīng)小于使管壁受到嚴(yán)重侵蝕的流速;④兩相流的質(zhì)量流速應(yīng)小于管道出口端的極限質(zhì)量流速;⑤管道的壓力降應(yīng)小于由工藝條件決定的進(jìn)、出口壓差。

為使管壁不受流體的嚴(yán)重侵蝕，兩相流的均相流速應(yīng)滿足式(1)要求。

式中，uH為兩相流的均相流速，m/s;ρH為兩相流的均相密度，kg/m3。

uH及ρH的計(jì)算詳見SH/T 3035－2007。

當(dāng)管道進(jìn)出口端的壓差大于進(jìn)口端絕對壓力的30%時(shí)，應(yīng)按式(2)計(jì)算出口端的極限質(zhì)量流速;極限質(zhì)量流速與兩相流質(zhì)量流速的關(guān)系應(yīng)滿足式(3)。

式中，Gc為兩相流在管道出口端的極限質(zhì)量流速，kg/(m2·s);G為兩相流的質(zhì)量流速，kg/(m2·s); γ為氣體的絕熱指數(shù)(Cp/Cv);P2為氣相在管道出口端的絕對壓力，kPa;χ2為兩相流在管道出口端的質(zhì)量含氣率;vg2為氣相在管道出口端的比容，m3/kg。

V03罐到CO2產(chǎn)品塔的兩相流管線計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 V03罐到CO2產(chǎn)品塔兩相流管線計(jì)算結(jié)果匯總表

從表2的計(jì)算結(jié)果可知，甲醇閃蒸罐(V03)到CO2產(chǎn)品塔的18英寸豎直向上兩相流管線滿足SH/T 3035－2007的要求，在50%及100%負(fù)荷時(shí)，流型為沫狀流;均相流速也沒有超過管壁受流體嚴(yán)重侵蝕的極限流速，完全滿足式(1)的要求;兩相流的質(zhì)量流速也完全滿足式(3)的要求;工藝流程(管線進(jìn)出口允許壓差大于0.6MPa)決定了進(jìn)出壓差大于兩相流管線的阻力降。工程實(shí)踐也證明該兩相流管線的設(shè)計(jì)是合理的，說明低溫甲醇洗氣液兩相流管線按照SH/T 3035－2007的要求設(shè)計(jì)是可行的。

需要說明，格里菲思流型圖中沒有塊狀流和沫狀流的清晰分界，詳細(xì)情況可查閱SH/T 3035－2007第22頁格里菲思流型圖，筆者認(rèn)為這是利用格里菲思流型圖判定豎直向上管線中兩相流流型的一個(gè)不足。

2.2 配管

低溫甲醇洗裝置的兩相流管線的配管設(shè)計(jì)應(yīng)盡量避免液袋及氣袋［3～4］。低溫甲醇洗裝置的兩相流管線多為管徑較大的管道，應(yīng)在初步設(shè)計(jì)階段進(jìn)行管道研究，在詳細(xì)設(shè)計(jì)開始時(shí)給系統(tǒng)專業(yè)提供兩相流管線的單線圖，為工藝專業(yè)確定兩相流的流型、管徑、壓降、均相流速及質(zhì)量流速是否超過允許值提供設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

2.3 兩相流管線的抑制措施

近年來，低溫甲醇洗工藝也在進(jìn)行局部優(yōu)化，筆者根據(jù)工程實(shí)踐，歸納如下:

(1)提高上游(設(shè)備)壓力，避免兩相流，見圖3。

通過適當(dāng)增加富甲醇泵Ⅰ的揚(yáng)程，使富甲醇與貧甲醇換熱升溫后，在塔釜液位調(diào)節(jié)閥的閥前仍然保持液相，避免調(diào)節(jié)閥前出現(xiàn)兩相流。

(2)在兩相流管線上加裝孔板，抑制兩相流，使其流型在較為穩(wěn)定的流型區(qū)域內(nèi)，見圖4。

某項(xiàng)目低溫甲醇洗有一根兩相流管線，很難通過調(diào)整管徑得到合適的兩相流流型，后采取在管線接近塔頂部處加裝孔板，抑制閃蒸量，得到合適的兩相流流型。

圖3 富甲醇泵Ⅰ流程圖

圖4 兩相流管線加裝孔板示意圖

(3)合理布置設(shè)備，使兩相流管線坡向下游設(shè)備，向下的兩相流管線不會(huì)出現(xiàn)柱塞流。

3 結(jié)語

通過分析，依照SH/T 3035－2007的要求對低溫甲醇洗的兩相流管線進(jìn)行工程設(shè)計(jì)是可行的。在設(shè)計(jì)中采取合理措施，抑制或減少兩相流管線的數(shù)量(或長度)。

1 王顯炎等．Linde與Lurgi低溫甲醇洗工藝流程分析［J］．煤化工，2010，38(1)．

2 SH/T 3035－2007，石油化工工藝裝置管徑選擇導(dǎo)則［S］．

3 沈軍．煤制合成氣低溫甲醇洗工序管道布置總結(jié)［J］．貴州化工，2007，32(1)．

4 劉衛(wèi)坤．煤制合成氣氣液兩相流管道布置探討［J］．化工設(shè)計(jì)通訊，2006，32(3)．

In this paper the calculation of the gas-liquid two-phase line from V03 to CO2 product column in Rectisol unit is made in accordance with SH/T 3035-2007．The feasibility of such calculation in line with SH/T 3035-2007 is verified by comparison with the actual engineering design．Three proven measures to restrain two-phase flow in engineering design of Rectisol unit have been summarized．

Engineering Design of Two-Phase Line in Rectisol Unit

Yuan Zhu，et al
(Hualu Engineering and Technology Co.，Ltd．Xi'an 710065)

two-phase lineRectisol process

*袁助:工程師。2002年畢業(yè)于浙江大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè)獲碩士學(xué)位。從事化工工藝設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話:(029)87989318。

(修改回稿2011－11－13)