低溫甲醇洗工藝中換熱設(shè)備的布置與配管

袁建軍，陳立著，馮德林

(航天長征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅 蘭州　730050)

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低溫甲醇洗工藝中換熱設(shè)備的布置與配管

袁建軍，陳立著，馮德林

(航天長征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅 蘭州730050)

摘要：介紹了低溫甲醇洗工藝中換熱設(shè)備的布置設(shè)計(jì)、管道設(shè)計(jì)原則；提出了低溫甲醇洗工藝中換熱設(shè)備配管設(shè)計(jì)需要注意的問題；總結(jié)了這些換熱設(shè)備的配管設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：低溫甲醇洗；換熱設(shè)備；設(shè)計(jì)；配管

在以煤為原材料，生產(chǎn)合成氨或甲醇的現(xiàn)代煤化工工藝中，合成氣里普遍存在大量的H2S、CO2等雜質(zhì)酸性氣體。在工程上，大部分采用低溫甲醇洗工藝去除這些雜質(zhì)酸性氣體。低溫甲醇洗工藝從本質(zhì)上來說是一種物理吸收酸性氣體的凈化工藝系統(tǒng)。當(dāng)甲醇溫度在-60 ℃下時(shí)，甲醇對(duì)CO2、H2S等酸性氣體具有極大的溶解度，利用此特性可以分段選擇性去除合成氣中的CO2、H2S等。但是此工藝中要求操作溫度很低，使用的低溫制冷劑也較多，費(fèi)用較高，換熱系統(tǒng)在此工藝系統(tǒng)中有著重要的作用。合理布置換熱設(shè)備，優(yōu)化換熱設(shè)備管道設(shè)計(jì)，對(duì)低溫甲醇洗工藝系統(tǒng)意義重大。

低溫甲醇洗工藝中的換熱設(shè)備主要包括再沸器、冷凝器、貧/富甲醇換熱器、立式多股流繞管式換熱器等，本文結(jié)合某工程設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)低溫甲醇洗系統(tǒng)中的換熱設(shè)備的布置與配管進(jìn)行了探討，提出了低溫甲醇洗工藝中換熱設(shè)備配管設(shè)計(jì)需要注意的問題，總結(jié)了這些換熱設(shè)備的配管設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

1典型的低溫甲醇洗工藝流程

典型的林德低溫甲醇洗工藝流程見圖1。在變換系統(tǒng)中，原料氣通過脫鹽水洗滌，其中NH3含量在1 mg/m3以下，開始進(jìn)入低溫甲醇洗系統(tǒng)，通過少量甲醇降溫后，進(jìn)入吸收塔C1的水分離段。C1塔從下往上依次分為水分離段、脫硫段及脫碳段。原料氣經(jīng)過水分離后，液體進(jìn)入C5塔中部，氣體進(jìn)入脫硫段，在該段被富含CO2的甲醇液洗滌，其中的H2S、COS和部分CO2被脫除，進(jìn)入脫碳段，在脫碳段，經(jīng)貧甲醇洗滌后的凈化氣由塔頂引出。在C1塔產(chǎn)生的脫硫段含硫甲醇液和脫碳段不含硫甲醇液都進(jìn)入到CO2解析塔C2，CO2產(chǎn)品氣從塔C2頂部引出，塔C2中段引出的液體進(jìn)入H2S濃縮塔C3上段下部閃蒸，CO2和H2S被蒸出。塔C2頂部的不含硫甲醇液進(jìn)入C3塔頂部洗滌尾氣，尾氣達(dá)標(biāo)回收冷量后排放。塔C2底部產(chǎn)生的液體進(jìn)入塔C3下段，氮?dú)鈿馓岷螽a(chǎn)生含CO2較少且溫度較低的甲醇液，經(jīng)過熱再生塔C4后，底部得到貧甲醇，頂部產(chǎn)生富含H2S的氣體送硫回收裝置，底部液體冷卻后大部分送至C1塔頂部，少量送至C5塔頂部回流。C5塔頂部產(chǎn)生的甲醇液送至C4塔中部，塔底廢水達(dá)標(biāo)換熱后排出系統(tǒng)[1]。

圖1 林德低溫甲醇洗流程C1—主洗塔；C2—CO2—解析塔；C3—H2S—濃縮塔；C4—熱再生塔；C5—甲醇水分離塔；P3—貧甲醇泵

2低溫甲醇洗工藝中的換熱設(shè)備及其布置要點(diǎn)

在低溫甲醇洗工藝中，換熱設(shè)備主要包括再沸器、冷凝器、貧/富甲醇換熱器、立式多股流繞管式換熱器等。

2.1再沸器的布置

在低溫甲醇洗工藝中，甲醇/水分離塔和熱再生塔塔底采用再沸器提供熱量，其布置需重點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn)[2]。

(1)在低溫甲醇洗工藝中，再沸器與精餾塔關(guān)聯(lián)，宜按照工藝流程順序靠塔布置，通常安裝在單獨(dú)的支架和框架上。

(2)立式再沸器常位于塔側(cè)面，它需要與塔維持一定高差，高差由工藝設(shè)計(jì)確定，其上方應(yīng)留有足夠的檢修空間。

(3)在低溫甲醇洗工藝中，一座塔通常有兩臺(tái)并聯(lián)的立式再沸器，再沸器一般以塔為中心對(duì)稱布置，再沸器的位置和安裝高度，除與塔維持一定高差之外，仍應(yīng)滿足布置進(jìn)出集合管的要求并便于操作和檢修。

(4)再沸器與塔之間應(yīng)有1 m的通道。

(5)再沸器屬于保溫設(shè)備，其相關(guān)間距應(yīng)是保溫后外殼的凈距。

(6)安裝高度應(yīng)保證其最低接管位置標(biāo)高與地面或平臺(tái)的凈空≥150～250 mm。

2.2氨冷器的布置

在低溫甲醇洗工藝中，冷凝器主要為氨冷器。自上而下分別為：富CO2甲醇氨冷凝器、閃蒸甲醇氨冷器、原料氣氨冷器、H2S吸收塔進(jìn)料氨冷器。這些氨冷器一般為臥式換熱器，在對(duì)這些換熱器進(jìn)行布置時(shí)，需考慮的因素主要包括以下幾點(diǎn)[3]。

(1)這些換熱器支座的固定端位置需要從所需連接的管道中找出對(duì)柔性計(jì)算最重要(補(bǔ)償量大、管徑大)的管道。

(2)安裝高度應(yīng)保證其最低接管位置標(biāo)高與地面或平臺(tái)的凈空≥150～250 mm；如有導(dǎo)淋，則需要控制在400～500 mm左右。

(3)這些換熱器布置時(shí)，應(yīng)該盡量避免換熱器的中心線與管架或者框架柱子的中心線正對(duì)，以利于換熱器的抽芯和管程污垢的清理。

(4)布置時(shí)要考慮這些換熱器的抽管束和檢修方式及所需的場地。

2.3貧/富甲醇換熱器的布置

在低溫甲醇洗工藝中，甲醇是使用最多的液體，也是換熱系統(tǒng)中換熱最頻繁的物料，甲醇需要與其他多種物料進(jìn)行換熱的裝置。對(duì)這些換熱器進(jìn)行布置時(shí)需要考慮以下幾點(diǎn)。

(1)低溫甲醇洗中貧/富甲醇換熱器是一種物料連續(xù)經(jīng)過多個(gè)換熱器進(jìn)行熱交換，應(yīng)成組布置(見圖2)。

(2)相鄰換熱器之間的凈距離應(yīng)該≥700 mm。

(3)布置時(shí)，為了節(jié)約用地，可以將相同介質(zhì)的換熱器設(shè)在同一個(gè)基礎(chǔ)上，重疊布置，但最好不要超過3臺(tái)，超過3臺(tái)時(shí)，最上一臺(tái)換熱器中心線的高度不宜超過4.5 m。

(4)安裝高度應(yīng)保證其最低接管位置標(biāo)高與地面的凈空≥150～250 mm，如有導(dǎo)淋，則需要控制在凈空400～500 mm左右。

圖2　貧/富甲醇換熱器的布置

2.4繞管式換熱器的布置

在低溫甲醇洗工藝中，變換氣/合成氣/CO2產(chǎn)品氣換熱器一般采用繞管式換熱器。繞管式換熱器的布置是否合適會(huì)對(duì)整個(gè)工藝配管設(shè)計(jì)產(chǎn)生很大影響，這類繞管式換熱器的布置見圖3，通常需考慮的因素主要包括以下幾點(diǎn)。

(1)布置時(shí)需要選擇合適高度的框架，以滿足工藝對(duì)換熱器的需求。

(2)繞管式換熱器的頂部和底部通常具有很多管口，在布置時(shí)需要充分考慮管道空間。

圖3　繞管式換熱器的布置

3低溫甲醇洗工藝的系統(tǒng)特點(diǎn)

3.1低溫

在低溫甲醇洗工藝中，最大的特點(diǎn)就是低溫。通常當(dāng)甲醇溶液的溫度低于-30 ℃時(shí)，H2S、CO2、COS等物質(zhì)在甲醇中的溶解度會(huì)大大增加。系統(tǒng)的低溫特點(diǎn)要求系統(tǒng)配管中的管材選取一般為含鎳的低合金鋼[4]。

另外，換熱設(shè)備的固定點(diǎn)正常在筒體上，在配換熱器封頭管口的管道時(shí)，一定要考慮筒體的冷熱膨脹將產(chǎn)生的位移影響。同時(shí)，上下兩層之間的換熱器的管道口連接盡量避免直管連接，消除管口推力。

3.2換熱系統(tǒng)中兩相流的管道較多

在低溫甲醇洗工藝中的甲醇通常溶解了大量的CO2、H2S等氣體，因而系統(tǒng)中存在兩相流的管線很多，尤其是在換熱設(shè)備中。兩相流管線中流動(dòng)的測量儀表無法精確測量，也不能使用閥門調(diào)節(jié)，這就要求進(jìn)入換熱器的兩相流管線需要對(duì)稱布置，使得分配到支管上的流體平均[5]。

4低溫甲醇洗工藝中換熱設(shè)備的配管要點(diǎn)

4.1再沸器的配管設(shè)計(jì)

在低溫甲醇洗工藝中，再沸器是常見的一種換熱設(shè)備，其配管要點(diǎn)主要包括以下幾點(diǎn)。

(1)在能滿足管道應(yīng)力的條件下，再沸器的升汽管與降液管應(yīng)該盡量短而直，彎頭數(shù)量盡量少，這樣可以減小壓降。

(2)再沸器中抽出的液體一般為飽和液體，當(dāng)管道系統(tǒng)中出現(xiàn)壓降差時(shí)，液體通常會(huì)產(chǎn)生閃蒸，進(jìn)而產(chǎn)生兩相流，這對(duì)儀表的控制和測量會(huì)產(chǎn)生很大的影響。因而在布置再沸器的管道時(shí)，應(yīng)盡量使壓力降最小，同時(shí)在控制或測量儀表前不要出現(xiàn)垂直的上升管段。

(3)甲醇為易爆易燃物品，揮發(fā)性強(qiáng)且有毒，不能夠隨意排放，因而再沸器配管時(shí)應(yīng)該將排污管線連接至回收系統(tǒng)。

(4)與再沸器連接的進(jìn)出管口方位應(yīng)根據(jù)塔板的結(jié)構(gòu)型式和再沸器的布置來決定。要特別注意，如果塔釜設(shè)有擋板，塔底再沸器的液相管和再沸器返回塔的管口應(yīng)位于擋板一側(cè)。某項(xiàng)目熱再生塔開車時(shí)發(fā)現(xiàn)塔釜溫度提不上去，但在提高塔釜液位后溫度馬上就正常了，經(jīng)分析可能是與再沸器連接的進(jìn)出口不在擋板同側(cè)造成的。再沸器的管口方位的設(shè)計(jì)見圖4。

圖4　再沸器的管口方位設(shè)計(jì)

4.2氨冷器的配管設(shè)計(jì)

在低溫甲醇洗工藝中，換熱系統(tǒng)復(fù)雜，存在大量氨冷器設(shè)備，這些換熱設(shè)備經(jīng)常布置在塔的附近框架中，其配管設(shè)計(jì)見圖5，配管時(shí)需考慮的因素主要包括以下幾點(diǎn)。

(1)在這些換熱設(shè)備的進(jìn)出口管道中，現(xiàn)場指示儀表，如溫度計(jì)、壓力計(jì)、變送器、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、孔板等應(yīng)該設(shè)置于靠近操作的通道便于觀測與檢修，必要時(shí)配置操作平臺(tái)。

(2)在管道設(shè)計(jì)中，管道穿過平板時(shí)，應(yīng)避開板下的肋和梁；管道不得碰撞構(gòu)架梁、立柱旁邊的牛腿。

(3)管道的支吊架點(diǎn)的位置應(yīng)該合理。

(4)連接換熱器端頭的管口管道，需要考慮管道的拆除，便于設(shè)備維修。

圖5　氨冷器的配管設(shè)計(jì)

4.3成組換熱器的配管設(shè)計(jì)

在低溫甲醇洗工藝中，甲醇是換熱系統(tǒng)中換熱最頻繁的物料，需要與其他多種物料進(jìn)行換熱，常采用成組布置。這些換熱設(shè)備在配管時(shí)，考慮的因素主要包括以下幾點(diǎn)。

(1)換熱器并排布置時(shí)，冷卻介質(zhì)和閥門宜按相同方式布置，管道應(yīng)該對(duì)稱布置。

(2)管道不宜布置在換熱器軸線的正上方。

(3)管底應(yīng)該設(shè)排液閥，管底距地面凈空應(yīng)>150 mm。

(4)工藝管道布置應(yīng)注意冷、熱物流的流向，這主要是從流體密度改變來考慮的。冷流體被加熱，密度下降，自行上浮，為減小阻力和混流宜采用下進(jìn)上出；相反可以得出熱流體上進(jìn)下出，同時(shí)換熱器配管時(shí)需要設(shè)置排氣孔和排液導(dǎo)淋。冷流被加熱可能出現(xiàn)氣泡下進(jìn)利于排氣，熱蒸汽被冷凝，上進(jìn)利于排液。

(5)管道布置應(yīng)該美觀、整齊。

4.4繞管式換熱器的配管設(shè)計(jì)

繞管式換熱器可以實(shí)現(xiàn)管程多股物料與殼程單股物料的冷熱交換，適用于負(fù)荷、高壓物料的換熱[6]，因而在低溫甲醇洗工藝中也得到很大程度的應(yīng)用，繞管式換熱器在配管時(shí)通常需要考慮以下幾點(diǎn)[7]。

(1)不建議選擇直管式配管方案，通常采用全盤管式或者半管式配管；選擇半盤管式還是全盤管式配管主要根據(jù)設(shè)備管口的管口方位和管道的走向，盡量做到同一股物流進(jìn)入換熱器各管口分布均勻。

(2)在做管道布置前首先應(yīng)該熟悉工藝流程，了解繞管式換熱器的換熱流股是什么，從哪里來到哪里去；了解設(shè)備工程圖，根據(jù)設(shè)備布置給出的支撐點(diǎn)標(biāo)高，在設(shè)備工程圖中計(jì)算出繞管式換熱器的主要管口的標(biāo)高，檢查管口標(biāo)高是否合適；檢查設(shè)備布置中幾個(gè)繞管式換熱器是否滿足配管間距，是否符合工藝流程的要求。

(3)管間距和管架在配管時(shí)需要重點(diǎn)考慮。

(4)配管時(shí)需要注意坡向，盡量不要出現(xiàn)低點(diǎn)，當(dāng)必須出現(xiàn)低點(diǎn)時(shí)，需要設(shè)置回流管。

5結(jié)語

(1)針對(duì)低溫甲醇洗工藝中的換熱設(shè)備的布置設(shè)計(jì)、管道設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，分析總結(jié)了低溫甲醇洗工藝中換熱設(shè)備的布置設(shè)計(jì)、管道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)今后的工程設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

(2)換熱設(shè)備在低溫甲醇洗工藝中具有重要的作用，整個(gè)系統(tǒng)換熱復(fù)雜，設(shè)備繁多，管道布置的技巧因人而異，但這些基本原則相同，善于總結(jié)與歸納其共性的東西有助于工程設(shè)計(jì)質(zhì)量、效率的提高。

參考文獻(xiàn)：

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Arrangement and Piping Design for Heat Exchangers in Rectisol Process Plant

YUAN Jian-jun，CHEN Li-zhu，F(xiàn)ENG De-lin

(LanzhouBranch,ChangchengEngineeringCo.,Ltd.,LanzhouGansu730050China)

Abstract：The paper introduces the design principles of equipment arrangement and piping for heat exchangers in Rectisol process plant, and presents the issues to be noticed in piping design of heat exchangers; and summarizes the piping design experience of heat exchangers in Rectisol process plant.

Keywords：rectisol; heat exchanger; design; piping

收稿日期：2015-10-15

中圖分類號(hào)：TQ 223.121

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-8901(2016)01-0020-04

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.006 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.006

作者簡介：袁建軍(1989年-)，男，江西豐城人，2014年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程與技術(shù)專業(yè)，碩士，助理工程師，現(xiàn)主要從事煤化工工藝設(shè)計(jì)工作。