低溫甲醇洗裝置氣液兩相流管線的布置

姚凱

（華陸工程科技有限責任公司，西安710065）

1 引言

低溫甲醇洗是一種被廣泛應用的氣體凈化工藝，常用于脫除煤制合成氣中的CO2、H2S等。但是正因為有大量氣體溶解于甲醇當中，在一定情況下，管道介質會呈氣液兩相流的形態，使管道產生劇烈振動，造成管道、設備和儀表組件的損壞。因此，低溫甲醇洗中氣液兩相流管道的布置具有特殊性和重要性。

2 氣液兩相流的特點

氣體和液體在管道中一起混合流動的情況稱為氣液兩相流。不同壓力和流速條件下，兩相流介質的流態呈現較大差異。

氣液兩相流介質在垂直管道內的流動形態隨著氣體流量的變化而呈現泡狀流、彈狀流、塊狀流和環狀流。水平管道內氣液兩相的流動與豎直管道內的流動純在差異。在重力作用下，液相和氣相分別傾向于在管道底部和頂部流動。因此，隨著氣液兩相流速的變化，會出現環狀流、彈狀流、波狀流、分層流、塞狀流和泡狀流[1]。

兩相流管道的振動與流體的流型關系密切，環狀流在垂直管道和水平管道的流動形式較穩定，管道振動也就較小；分層流在水平管道中，由于流速慢氣液兩相分布相對獨立，流動形式最穩定，振動也很小；塞狀流和彈狀流形態則容易造成管道較為劇烈的振動。因此，可以從管道布置方面減少管線壓力或流速波動，改善兩相流介質的流型狀態，達到減少振動的目的。

3 氣液兩相流管線的布置

3.1 液袋對氣液兩相流管線的影響

低溫甲醇洗中氣液兩相流管線中含有甲醇和酸性氣體等多種相態的介質，如果管道出現局部低點，則甲醇液體就會在此聚集。當介質流速較低時，甲醇有可能充滿管道低點，形成柱塞，如圖1a所示；隨后氣體把低點中的甲醇推走，形成圖1b所示的狀態；接下來又有甲醇聚集在低點中，氣液兩相重復圖1a和圖1b中所示的狀態，最后形成塊狀流，如圖1c所示。氣體頻繁地沖擊著低點中的積液，碰撞管件，造成管道振動。

在水平管段中發生塊狀流的流速范圍很大，很難完全避免。特別是既有水平管段又有垂直向上管段時，更加難以避免塊狀流的出現[2]。所以在進行設備布置和管道布置時，應使兩相流管線盡量“步步高”或“步步低”至下游設備，避免出現液袋。

圖1 氣液兩相流在液袋管道中的流型圖

3.2 立管的布置

氣液兩相流管道豎直爬升時，應縮小立管的管道直徑，增大介質流速，從而保持環狀流的流態。這種流動狀態比較穩定，甲醇液體貼著管道內壁流動，氣體則沿管中心高速流動，可以避免介質形成塊狀流引起管線振動。所以在立管上翻彎頭處開始縮徑，增大氣液兩相介質流動的轉彎半徑，減小對彎頭處的沖擊，從而削弱管道的振動。

3.3 減壓閥的布置

吸收了酸性氣體的富甲醇經過減壓閥后，壓力降低，富甲醇閃蒸出部分酸性氣體從而容易產生兩相流。因此，富甲醇介質通過的調節閥組應靠近其下游設備布置，盡量減少兩相流管道的長度和彎頭數量，同時在減壓閥前后設置限位支架，防止管道振動。

減壓閥的出口極易出現閃蒸，嚴重沖刷破壞閥門的閥芯和閥座，導致閥門的關閉性能降低，影響閥門的運行壽命[3]。基于上述原因，將調節閥形式調整為角式結構（側進底出），可大大減緩閃蒸現象所造成的閥門損壞，提高閥門的運行使用壽命。

3.4 換熱器的管道布置

在兩相流介質流動時，介質的流量很難通過儀表準確測出，無法靠調節閥連鎖來控制流量[4]。因此，如果兩相流管線進出換熱器有多個管口時，應保證管道對稱布置，使各分支管線流量相同，避免偏流，以達到最好的換熱效果，同時使得每條支管的受力對稱、均勻。如果設備管口較大，且距離較近，沒有足夠的空間實現對稱分布，也要盡量使各支管的壓力降保持接近。

3.5 附塔管線的布置

低溫甲醇洗裝置中兩相流管線主要圍繞變換氣洗滌塔、未變換氣洗滌塔、H2S濃縮塔和熱再生塔。前文指出管道上升時縮小管徑，有利于避免管線的振動。但是處于兩相流狀態的富甲醇進入塔體后，又會因為流速過快對塔產生較大的沖擊，引起塔的振動。所以富甲醇管道在進塔之前應恢復至原管徑，同時在管徑擴大后設置一段水平管，使氣液兩相在進塔之前有更好的分離效果。

氣液兩相流的附塔管線在立管低點采用縮徑，使之形成穩定流動的環狀流；然后在進塔彎頭前的立管上擴徑，使之對彎頭的沖擊力度減小，可以極大地減輕管線的振動。另外，使用雙45°彎頭連接，降低管線阻力降。

3.6 管道支吊架的設計

由于氣液兩相流管道不可避免會產生振動而且本裝置的氣液兩相流管道大部分都是低溫管道，所以其管支架的設置不同于普通管道的支架。

1）剛性支撐避免采用吊桿，吊桿無法約束管線的振動。

2）彈簧支撐可以解決管道冷熱位移問題，但是對管道的約束非常弱，十分不利于氣液兩相流管道的防振。因此，氣液兩相流管線的支撐中盡量少用彈簧架，通過管道的自身補償來吸收冷熱應力。

3）設置必要的導向和限位支架可以有效地強化氣液兩相流管線的約束條件，提高管道的固有頻率，避免因為流體激振力頻率接近固有頻率而產生共振。

4）在介質流型發生較大改變的位置處設置半固定或固定支架，可以削減管道振動的幅度。

5）低溫管道設置管架時應考慮使用隔冷塊，以避免冷量的損失。同時，為了避免兩相流管線的振動，支架及隔冷塊必須具備一定的剛度及硬度，防止管道出現振動時管架發生變形和脫落。

4 結語

在低溫甲醇洗裝置中，氣液兩相流管線數量多，影響氣液兩相狀態的因素也很多，很難采用精確的模型分析計算管道的實際流動形式。但是可以通過合理的配管布置，避免介質出現不利的流形，降低管道出現振動的風險。