低溫甲醇洗氣液兩相流管線工程設計

袁助 華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

付晶華 魯恒升化工股份有限公司 德州 253024

設計技術

低溫甲醇洗氣液兩相流管線工程設計

袁助*華陸工程科技有限責任公司 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產品塔的兩相流管線為例，按照SH/T 3035－2007規定的要求進行計算，通過與工程實踐的對比，驗證其計算的可行性。總結了低溫甲醇洗裝置中抑制兩相流的三項措施。

兩相流管線低溫甲醇洗

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

圖1 以煤為原料生產合成氨、甲醇及下游產品流程框圖

隨著裝置規模的大型化，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計，認為低溫甲醇洗裝置中氣液兩相流管線的設計是工程設計過程中一個容易被忽視的環節，本文按照SH/T 3035－2007規定的計算方法，通過實例分析兩相流管線的設計。

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50年代共同開發的，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行了改進，關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:①既可以同時脫除原料氣中的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可以在同一設備的不同部位分別吸收，可在不同的設備(不同的操作條件下)分別解吸，由于低溫時H2S和CO2在甲醇中的溶解度都很大，溶液的循環量較小，特別是當原料氣壓力比較高時尤為明顯;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甲醇的熱穩定性和化學穩定性都較好，不會被有機硫、氰化物等組分所降解，不起泡且操作穩定。

2 低溫甲醇洗兩相流管線的計算

低溫甲醇洗流程中從閃蒸罐V03到CO2產品塔、H2S濃縮塔的管線為兩相流管線，本文以某工程實際數據為例進行分析計算。數據見表1。

表1 閃蒸罐液位控制閥閥后到CO2解吸塔管線的物流數據

2.1 計算［2］

在工程設計中，僅關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滿足5點要求:①當流量為正常負荷值的50%時，在垂直向上的管段中不應發生塊狀流;②當流量為正常負荷值時，在水平管段中不宜發生塊狀流;③兩相流的均相流速應小于使管壁受到嚴重侵蝕的流速;④兩相流的質量流速應小于管道出口端的極限質量流速;⑤管道的壓力降應小于由工藝條件決定的進、出口壓差。

為使管壁不受流體的嚴重侵蝕，兩相流的均相流速應滿足式(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的計算詳見SH/T 3035－2007。

當管道進出口端的壓差大于進口端絕對壓力的30%時，應按式(2)計算出口端的極限質量流速;極限質量流速與兩相流質量流速的關系應滿足式(3)。

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

V03罐到CO2產品塔的兩相流管線計算結果見表2。

表2 V03罐到CO2產品塔兩相流管線計算結果匯總表

從表2的計算結果可知，甲醇閃蒸罐(V03)到CO2產品塔的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%負荷時，流型為沫狀流;均相流速也沒有超過管壁受流體嚴重侵蝕的極限流速，完全滿足式(1)的要求;兩相流的質量流速也完全滿足式(3)的要求;工藝流程(管線進出口允許壓差大于0.6MPa)決定了進出壓差大于兩相流管線的阻力降。工程實踐也證明該兩相流管線的設計是合理的，說明低溫甲醇洗氣液兩相流管線按照SH/T 3035－2007的要求設計是可行的。

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，詳細情況可查閱SH/T 3035－2007第22頁格里菲思流型圖，筆者認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不足。

2.2 配管

低溫甲醇洗裝置的兩相流管線的配管設計應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，應在初步設計階段進行管道研究，在詳細設計開始時給系統專業提供兩相流管線的單線圖，為工藝專業確定兩相流的流型、管徑、壓降、均相流速及質量流速是否超過允許值提供設計基礎。

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行局部優化，筆者根據工程實踐，歸納如下:

(1)提高上游(設備)壓力，避免兩相流，見圖3。

通過適當增加富甲醇泵Ⅰ的揚程，使富甲醇與貧甲醇換熱升溫后，在塔釜液位調節閥的閥前仍然保持液相，避免調節閥前出現兩相流。

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

某項目低溫甲醇洗有一根兩相流管線，很難通過調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)合理布置設備，使兩相流管線坡向下游設備，向下的兩相流管線不會出現柱塞流。

3 結語

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行工程設計是可行的。在設計中采取合理措施，抑制或減少兩相流管線的數量(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則［S］．

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

4 劉衛坤．煤制合成氣氣液兩相流管道布置探討［J］．化工設計通訊，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年畢業于浙江大學化學工藝專業獲碩士學位。從事化工工藝設計工作。聯系電話:(029)87989318。

(修改回稿2011－11－13)