酸性氣體脫除裝置換熱器的布置

楊留振

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

以煤為原料生產的合成氣中，都含有不同數量的CO2、H2S以及COS等雜質。為了得到滿足后續工藝流程的合成氣，需要進一步轉化、凈化。凈化的過程包括溶劑吸收、變壓吸附氣體分離等技術。酸性氣體脫除工藝以其凈化度高、選擇性好、低成本、負荷處理量大、可循環等優點而被廣泛應用于現代煤化工凈化裝置。

1 酸性氣體脫除工藝簡述

酸性氣體脫除是一種物理吸收過程，發生在低溫高壓的狀態下。該工藝采用甲醇作為溶劑來進行物理吸收。甲醇有選擇性的脫除那些對下游裝置有害的物質，例如H2S、COS、CO2，并且還脫除微量的雜質，例如HCN。甲醇從20℃降到-40℃時，CO2溶解度約增加6倍，但對H2、CO及CH4等的溶解度變化不敏感；在低溫下，例如-40～-50℃時，H2S的溶解度差不多比CO2大6倍，這樣就有可能選擇性地從原料氣中先脫除H2S，而在甲醇再生時先解析CO2[1]。酸性氣體脫除裝置的主要流程為：合成氣冷卻、H2S/CO2吸收、中壓閃蒸回收有效氣、H2S氣提富集、熱再生、甲醇水蒸餾及尾氣洗滌放空等。

2 酸性氣體脫除裝置換熱器布置特點

本文結合典型的工藝流程介紹酸性氣體脫除裝置中換熱設備布置特點。從工藝流程簡述中可以看出酸性氣體脫除裝置主要用到的換熱器有繞管換熱器、丙烯換熱器、再沸器、貧/富甲醇換熱器、板式換熱器等。

2.1 繞管換熱器布置

繞管換熱器是一種新型高效節能的換熱設備。在酸性氣體脫除工藝中，一般尾氣/合成氣/CO2產品氣/變換氣多股物料之間換熱時采用繞管換熱器，繞管換熱器因參與的換熱介質比較多，相應的設備上管口也比較多。根據繞管換熱器的結構特點，其要求同種介質的管線盡量對稱設計。所以繞管換熱器在布置時除了考慮其工藝特殊要求外還需要注意以下幾點：

(1)繞管換熱器設備的安裝高度應滿足工藝流程的要求及設備連接管線的坡度要求。

(2)繞管換熱器頂部和底部管口比較多，管線設計要求對稱布置，所以布置繞管換熱器的框架層間距要滿足管線的安裝空間、支架設計及通道的要求。

(3)因繞管換熱器的管口多，設備吊裝時要求的空間比較大，所以布置繞管換熱器的框架應充分考慮設備的空間范圍。

綜述以上特點，繞管換熱器布置在工程設計初期階段就是重點考慮的對象。結合多個項目的設計經驗，繞管換熱器一般會單獨框架設置，這樣可以避免換熱器管線設計時對其它設備影響，同時也方便設備的安裝。對于項目占地受限的時候換熱器也會與其它工藝設備同框架布置，需要施工時控制好設備、管線及框架的相對時間順序。圖1是某工程項目兩臺繞管換熱器布置在框架中的設計。

圖1 繞管換熱器管口示意圖

2.2 丙烯換熱器布置

丙烯換熱器一般為吸收塔的中間換熱設備。CO2吸收過程產生熱量，使甲醇溫度升高，因此在甲醇進入塔下一段之前需要被冷卻。通過丙烯在換熱器中氣化吸熱冷卻甲醇。丙烯換熱器一般采用釜式換熱器，此類換熱器的布置需要注意以下幾點：

(1)換熱器應緊靠相關聯的塔設備布置，并且安裝高度應滿足工藝的要求，盡量減少塔中間抽出物料管線的阻力降。

(2)換熱器安裝高度還應考慮液相丙烯管線的設計，液相丙烯管線設計應結合丙烯制冷裝置的設備布置，避免此管線出現”液袋”。此外，設備布置時還應考慮設備管殼的排凈口管線安裝高度。

(3)丙烯換熱器布置時應考慮U型管的抽出空間及檢修場地。

2.3 再沸器布置

酸性氣體脫除工藝中再沸器主要采用立式再沸器，其主要是給熱再生塔、甲醇/水分離塔提供熱量，立式再沸器依靠塔釜內的液體靜壓頭和再沸器內兩相流的密度差產生推動力形成熱虹吸式的運動[2]。立式再沸器布置需要注意以下幾點：

(1)再沸器通常位于塔側面，再沸器與塔的安裝高差應由工藝計算確定。

(2)再沸器利用塔體支撐時應根據塔釜內液面的位置設計再沸器的管板尺寸，根據安裝高度確定上下管口長度，確定支耳高度時需要考慮設備支撐梁在塔體上的支撐位置，避免設備預埋板與設備焊縫線及塔的梯子平臺碰撞。并且保證再沸器上方和下方應有檢修空間。再沸器與塔設備中心間距在滿足支撐梁安裝要求的前提下盡量減少。

(3)再沸器利用框架支撐時，再沸器與塔的相對位置在滿足管線柔性的前提下應盡量短而直，減少彎頭數量，減少管線阻力降。框架支撐面高度應根據管線柔性計算結果確定。

(4)當一臺塔需要兩臺再沸器并聯設置時，再沸器一般以塔為中心對稱布置，再沸器的布置除應滿足工藝要求外，尚應滿足管道布置要求，并便于操作和檢修。

(5)再沸器與塔的水平方向布置關系應結合塔板的設置，對于塔釜內設置有擋板時，再沸器的液相和汽相管口應位于擋板一側，同時還應注意管口與塔釜位置液位計的相對關系。圖2為某工程項目中再沸器的布置圖。

圖2 再沸器塔體支撐和框架支撐

2.4 貧/富甲醇換熱器

酸性氣體脫除裝置中貧/富甲醇換熱器一般成組布置，且換熱器多采用兩臺設備重疊布置，根據裝置規模不同，換熱器的高度也不一致。對于小規模及占地緊湊的工程可以布置在框架下方，框架的高度應滿足換熱器頂部管線的安裝高度。對于大規模裝置如果貧/富甲醇換熱器布置在框架下方則會造成項目投資上不經濟，這就需要單獨布置這組換熱設備。此組換熱器多采用U型管結構，所以換熱器在布置時除應考慮設備和管線的安裝空間外還應考慮換熱器軸線方向上的抽芯及檢修空間。

貧/富甲醇換熱器布置位置還應結合其管線的設計，特別是設備頂部的放空管線，這部分管線都是含有甲醇、硫化氫等毒性介質需要密閉回收至地下污甲醇罐，管線上設置雙閥加盲板，為方便這組閥門的操作一般是在換熱器上方設置平臺，放空管線的閥門設置在平臺上。所以在布置換熱器間距時應充分考平臺的支撐鋼柱和加固橫梁的安裝空間，如果換熱器的數量比較多使設備頂部平臺長度超過8 m，則按設計規范的要求需要設置兩部可以通往地面的梯子。圖3為某項目中貧/富甲醇換熱器的布置及設備頂部平臺的設置。

圖3 貧/富甲醇換熱器的布置及頂部平臺的設置

2.5 板式換熱器

板式換熱器一般靠近甲醇/水分離塔設置，換熱器布置主要考慮設備管板的拆卸和檢修，設備支撐基礎設計時應考慮設備移動端的活動空間，與設備有關的管線設計時應留有拆卸短節，避免管線包圍設備的情況。

3 結束語

酸性氣體脫除工藝流程中換熱系統復雜，換熱設備繁多，不同的工藝流程有不同的換熱特點，不同的流程所用的換熱器種類和數量也不一樣，本文主要介紹幾種特殊換熱器布置及在工程項目中的設計經驗，希望對以后的工程設計質量、效率有一定的借鑒和提高。