空分裝置兩相流計算方法介紹

摘要：文章簡要介紹了空分裝置兩相流的計算方法，著重分析了兩相流管路管徑的選擇原則、閥門安裝高度的確定以及其他注意事項，對空分裝置兩相流計算有一定的參考意義。

關鍵詞：兩相流；兩相流管徑；閥門安裝高度；氣泵

中圖分類號：TH134 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）09-0081-02

1 概述

空分裝置詳細的氣液兩相流計算是一個十分復雜的過程，需要多專業之間互相協調工作，首先根據詳細的流程計算和管道布置進行初步的兩相流計算，根據兩相流計算結果反過來又去修正流程計算，確定合適的兩相流管道管徑和閥門安裝高度以及具體的閥門技術規格書，根據各工況的兩相流計算結果，判斷是否需要增設氣泵或者液體增壓泵，甚至有可能還需要更改空分裝置的整體系統設計。

同時，兩相流的計算還需考慮裝置的投資和運行能耗的影響以及裝置的操作維護性和相關安全問題。

2 空分兩相流流型調整的方法

在設計中，一般要求兩相流的流型為分散流或環狀流，避免柱狀流和活塞流，以免引起管路及設備的嚴重振動。柱狀流由于大的氣泡和大液塊交替通過，流體的壓降會產生相應的波動，有時高速運動的液塊沖擊碰撞彎曲的管件以及設備，會引起嚴重的振動，甚至損壞設備及管道；泡沫流管內由于液膜界面波的擾動大，摩擦壓降和重力壓降都較大；而環狀流和霧狀流管內由于液膜界面波的擾動小，重力壓降較小，能夠保證兩相流體低壓降穩定的流動。

流型圖的橫縱坐標為兩相的表觀動量流通量，而兩相流的壓力、流量、含氣率等流動參數決定表觀動量流通量，通過調整兩相流體的壓力、流量和含氣率等參數，可以達到調整流型的目的。但在空分的總體流程設計確定后，兩相流體的壓力和流量可調整的幅度很小，并且壓力的升高直接影響到裝置的投資和能耗，而流量是保證空分裝置能夠達到設計值的前提和保證，因此含氣率的調整是唯一行之有效的調節手段。

通過調整含氣率，使垂直向上管道內的兩相流各段的表觀動量流通量都處于可以接受的環狀流或者霧狀流區域內，或者僅有極少段處于其他區域內。兩相流需要進行微分計算，手動計算很難得到理想的計算效果，一般都要編制軟件輔助計算。以下示例是膨脹機后液體進入粗氬冷凝器流路的兩相流計算。

由以上計算可以看出，該兩相流在設計工況運行時可以正常運行，而在50%低負荷工況運行，需額外增設氣泵時，兩相流的流型才能調整到環狀流和泡沫流區域，這樣才能正常運行。

具體的調整兩相流的含氣率主要有以下方法：選擇合適的兩相流管線管徑，必要時需調整局部管徑，改變流速，影響阻力；調整閥門的安裝高度；增設氣泵；增設液氮增壓泵；增加流體的過冷度等。

3 液體過冷度調整

通過調整工藝流程計算，盡量增加流體的過冷度，最好能保證節流后不出現兩相流或者極小段出現兩相流。對于液氮節流進上塔這股流體，上塔頂部產純氮的流程相對于不產純氮的流程，兩相流更容易通過的原因就是如此，這股液氮在過冷器中能夠被純度過冷到更低的溫度。

4 兩相流管線管徑選擇

氣液兩相流管徑的計算，應采用和流型判斷相結合的方法，并根據流型判斷結果初選管徑。選擇的管徑應使兩相流的均相流速小于使管壁受到嚴重侵蝕的流速，兩相混合物的質量流速應小于管道出口端的極限質量流速，管道的摩擦壓力降應小于由工藝條件決定的進出口壓差。若選用的管路經計算后成為柱狀流，對于垂直或傾斜向上的管路，應在摩擦壓力降允許的情況下盡量縮小管徑，增大流速，使其成為環狀流或霧狀流。對傾斜向下的兩相流管道，宜放大管徑使流型轉為層流或波狀流，也可采取增加旁路、補充氣體、增大流量等其他方法來避免。

5 閥門的安裝位置

兩相流計算的目的之一是把閥門安裝在合適的高度以及選擇合適的口徑，保證在任何工況（包括啟動工況和惡劣工況）都能正常運行。閥門安裝在合適的高度，確保閥前沒有氣相或僅包含少量氣相，保證在任何工況都盡量避免閥前出現兩相流。閥門位置安裝得太低，會導致閥后很長一段都有大量兩相流，管道的下部流速很低而上部流速又很高。

閥門進口管線流速一般控制在1.2m/s以下；閥門出口管線的上升部分管徑的設計要保證兩相流能夠通過氣相攜帶液相上行（環狀流），流速的范圍在5～22m/s之間，過高的流速有可能會損壞鋁管道，盡管目前還沒有實踐證明過高的流速損壞鋁管道或者帶來其他的損壞，但這種風險還是要大于高流速帶來的好處（例如可以縮小管徑），并且過高的流速也會導致管道的阻力損失過大，分配到閥門的允許壓降也會減少（甚至計算上會出現負值），也會增加閥門的成本和影響整個裝置的控制；閥門出口管線的下降部分管道的液體主要靠重力來輸送，根據過去幾年已經正常運行的項目證明，流速盡量控制在3m/s以下。

6 氣泵

通過工藝調整液體的過冷度，調整管徑和閥門安裝高度均不能解決兩相流問題時，就需要考慮增設氣泵了。根據實際的流程配置，氣泵的氣源來自熱態或冷態的空氣或氮氣，氣源不能影響相關產品的純度，氣體在通過閥后液體管道上開設的小孔，噴射進入液體內，混合改變兩相流的含氣率。如果氣泵需要的氣源量比較大時，還需要重新修正工藝流程計算。圖2是氣泵結構示意圖。

7 結語

兩相流計算需要綜合考慮的因素有很多，每個廠家的設計理念也有所不同。兩相流的設計必須考慮空分裝置運行的全過程，在裝置故障或空分停車情況下，管道里面可能全部充滿了液體，兩相流被破壞，重新啟動時，必須要保證進出口處的壓差要能克服進出口位置的高度差。有些工況可能壓差不能滿足要求，這時就需要額外增加氣泵來解決。另外，含氣率的調整并不能解決所有的兩相流問題，如果通過增設氣泵的方法，仍然不能將設計所需要的液體量打入到上部進料點，這時就必須考慮增加液體增壓泵，提升液體壓力來滿足要求。這種方法勢必或增加設備的投資和后期的維護成本，需要根據整體的系統設計來權衡選擇。

圖2 氣泵結構示意圖

參考文獻

[1]HG/T 20570.7-95管道壓力降計算[S].

[2]SH/T 3035-2007石油化工企業工藝裝置管徑選擇導則[S].

[3]空分裝置兩相流基本原理介紹[S].

作者簡介：張行東（1979—），男，中國空分設備有限公司設計開發部副經理，工程師，研究方向：空氣分離。

（責任編輯：秦遜玉）