冷凝腐蝕性氣體回流管線液封計算和配管

張夢華 范叢峰

華東理工大學工程設計研究院有限公司 上海 200237

冷凝腐蝕性氣體回流管線液封計算和配管

張夢華*范叢峰

華東理工大學工程設計研究院有限公司 上海 200237

在腐蝕性氣體的冷凝液回流管線上設置U形管液封裝置，提高冷凝效率，阻止氣體逸出。通過計算得出最小液封高度Hmin，繼而得出未冷凝氣體管線在回流管線上的開口位置以及圓塊孔式石墨換熱器的安裝高度。

腐蝕性 回流 液封 安裝高度

某項目氯化反應產生的氯化氫、乙酸乙酯等腐蝕性氣體進圓塊孔式石墨換熱器進行冷卻，絕大部分氣體通過該換熱器冷凝為液體，冷凝液回流返回至反應釜中，未冷凝的氣體進后續吸收系統。為提高冷凝效率，阻止氣體逸出，需要在換熱器回流管線上設置U形管液封裝置。

1 工藝和設備簡介

兩股工藝物料按照一定的比例進連續攪拌反應釜，在一定的溫度和壓力下氯化反應生成產品，同時副產氯化氫、乙酸乙酯氣體，生成的氯化氫、乙酸乙酯氣體從頂部進圓塊孔式石墨換熱器，經過冷卻水換熱冷凝后，冷凝液從石墨換熱器底部通過回流管線返回至連續攪拌反應釜中，未冷凝的氣相(主要是氯化氫)從石墨換熱器底部的出料管線上設置側線排出，至后續鹽酸吸收系統。其工藝流程見圖1。

石墨具有耐腐蝕、不易結垢、傳熱系數大、摩擦阻力小等優點，適用于低壓；且石墨換熱器制造工藝成熟，設備操作穩定，因此石墨換熱器即為首選。本項目中氯化反應操作壓力為微正壓，氯化氫、乙酸乙酯氣體以及冷凝液具有腐蝕性，本項目中選用的是圓塊孔式石墨換熱器[1]，該換熱器為立式安裝。圓塊孔式石墨換熱器縱向孔走腐蝕性介質即氯化氫、乙酸乙酯氣體，橫向孔走非腐蝕性介質即冷卻水。橫向孔從兩側進出料相當于殼程，其殼體不防腐，制造成本降低；縱向孔從高到低進出料相當于管程，利用了石墨塊的防腐。

圓塊孔式石墨換熱器縱向孔為管程，上部進料底部出料，中間為換熱器的換熱石墨塊，氣體部分冷凝，冷凝液主要是乙酸乙酯，未冷凝的氣體主要是氯化氫，此換熱器不同于管殼式換熱器，其未冷凝的氣體可從上部排出，由于石墨換熱器結構特殊，未冷凝的氣體需從底部出料管線上設置側線排出，因此側線氣相開口位置的高度需要考慮液封的高度。

圖1 工藝流程

2 管線液封計算

反應釜頂回流，一般依靠設備位差自流排料，為阻止氣體隨之帶出，一般采用U型管或者液封罐型液封裝置，本項目中壓差不大，因此采用的是U型管液封[2]。

液封可分三個步驟：液封形成、液封液在豎管上達到平衡、冷凝液回流至反應釜中。

(1)液封的形成。在開車前先關閉回流管線閥門A，氣相經過石墨換熱器E冷凝回流，隨著時間的推移液封高度逐漸增加，通過音差液位開關檢測回流管中的液位(也可設置視鏡)，待達到要求的高度h1處時開啟閥門A(液封管底部設為零點)。

(2)當釜內壓力將液封液全部壓至右側管線h2處，且未進入換熱器淹沒部分換熱面積，也未通過未冷凝氣體管線逸出，液封液在豎管上達到平衡。

(3)氣相被迫流經換熱器進行冷凝，待冷凝液凝出時，平衡即將打破，液體將被壓回至左側管線最終回流至反應釜中，此時平衡液封高度h2即為臨界高度2Hmin，最小液封高度Hmin得以確立，具體見計算示意圖2，可按式 (1)計算液封所需高度：

(1)

式中，Hmin為最小液封高度，m；P1為反應釜壓力，Pa；P2為石墨換熱器出口壓力，Pa；ρ為液體密度，kg/m3；hf1為管道壓力降，m；g為重力加速度，m/s2。

圖2 計算示意圖

一般情況下，管道壓力降值較小，可忽略不計，因此式(1)可簡化為式(2)來計算液封高度。

(2)

式中，hf2為換熱器壓力降，m。

換熱器壓力降在沒有已知值的情況下，可以通過HTFS或ASPEN PLUS[3]軟件進行理論計算得出。為保證良好的液封效果，液封高度一般選取比計算所得高度加0.3m～0.5m余量為宜。

3 配管設計

本設計中石墨換熱器為圓塊孔式換熱器，氣體從其頂部進入，冷凝液從石墨換熱器底部返回到反應釜中，未冷凝的氣體從石墨換熱器底部的出料管線上設置側線排出，至后續鹽酸吸收系統。

由此可知石墨換熱器管程的出口管線為兩相流，為保證該管線氣液兩相充分分離，未冷凝氣體管線的開口位置需要合理設計，既要保證未冷凝的氣體能夠順利進后續的吸收系統，也要保證液封液不會反流進氣相管道。從圖2可知，該未冷凝氣體管線的開口位置高度h3必須高于液封管最低點2倍液封高度即h2處，可按式 (3)計算開口位置高度：

h3>h2=2Hmin

(3)

由于液封高度考慮一定的余量，則開口位置可以為液封高度的兩倍，可按式 (4)計算。

h3=2H

(4)

式中，H為液封高度，m。

與此同時，按照流程從未冷凝的氣體管線開口位置配管反推至換熱器出口，石墨冷凝器的最小安裝高度也得以確定。

在配管設計中，防止液相夾帶，氣相管線接管從兩相流豎管向上斜45°引出，具體見圖2，同時整個氣相管線做到“步步高”，避免產生液袋[4]。為防止液封管頂部積存氣體，影響液體排放，應在最高點處設置放空閥或設置與系統相連接的平衡管道。

在停車時為能放凈液封管內液體，在U型管最低點應設置放凈閥。當需要觀察管內液體流動情況時，在出料管一側可設置視鏡，具體位置見圖1。

4 結語

(1)為提高冷凝效率，阻止氣體逸出，在換熱器回流管線上需要設置U形管液封裝置。

(2)當系統操作參數不變時，液封高度主要取決于系統中石墨換熱器的壓降。

(3)石墨換熱器管程的出口管線為兩相流，為保證該管線氣液兩相充分分離，未冷凝氣體管線的開口位置需合理設計。

(4)液封高度確定后，該石墨換熱器的最小安裝高度也得以確定。

(5)為防止液封管頂部積存氣體，影響液體排放，應在最高點處設置放空閥或設置與系統相連接的平衡管道。

(6)在停車時為能放凈液封管內液體，在U型管最低點應設置放凈閥。當需要觀察管內液體流動情況時，在出料管一側可設置視鏡。

1 HG/T 3113-1998,YKA型圓塊孔式石墨換熱器[S]:1-13.

2 HG/T 20570-95,工藝系統工程設計技術規定[S]:465-477.

3 劉 巍, 鄧方義等著. 冷換熱備工藝計算手冊(第二版)[M].北京: 中國石化出版社,2008：89-135.

4 王懷義. 石油化工管道安裝設計便查手冊(第二版)[M].北京: 中國石化出版社,2007：544.

2016-09-27)

*張夢華：工程師，注冊化工工程師。2009畢業于華東理工大學化學工程專業獲碩士學位。從事化工設計工作。聯系電話：13916667449，E-mail：zmh@eccei.com。