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(zé)任公司，西安710065）

1 引言

低溫甲醇洗是一種被廣泛應(yīng)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?yàn)橛写罅繗怏w溶解于甲醇當(dāng)中，在一定情況下，管道介質(zhì)會(huì)呈氣液兩相流的形態(tài)，使管道產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，造成管道、設(shè)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(diǎn)

氣體和液體在管道中一起混合流動(dòng)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(zhì)的流態(tài)呈現(xiàn)較大差異。

氣液兩相流介質(zhì)在垂直管道內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)隨著氣體流量的變化而呈現(xiàn)泡狀流、彈狀流、塊狀流和環(huán)狀流。水平管道內(nèi)氣液兩相的流動(dòng)與豎直管道內(nèi)的流動(dòng)純?cè)诓町悺Ｔ谥亓ψ饔孟?，液相和氣相分別傾向于在管道底部和頂部流動(dòng)。因此，隨著氣液兩相流速的變化，會(huì)出現(xiàn)環(huán)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(dòng)與流體的流型關(guān)系密切，環(huán)狀流在垂直管道和水平管道的流動(dòng)形式較穩(wěn)定，管道振動(dòng)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(duì)獨(dú)立，流動(dòng)形式最穩(wěn)定，振動(dòng)也很?。蝗麪盍骱蛷棤盍餍螒B(tài)則容易造成管道較為劇烈的振動(dòng)。因此，可以從管道布置方面減少管線壓力或流速波動(dòng)，改善兩相流介質(zhì)的流型狀態(tài)，達(dá)到減少振動(dòng)的目的。

3 氣液兩相流管線的布置

3.1 液袋對(duì)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(tài)的介質(zhì)，如果管道出現(xiàn)局部低點(diǎn)，則甲醇液體就會(huì)在此聚集。當(dāng)介質(zhì)流速較低時(shí)，甲醇有可能充滿管道低點(diǎn)，形成柱塞，如圖1a所示；隨后氣體把低點(diǎn)中的甲醇推走，形成圖1b所示的狀態(tài)；接下來(lái)又有甲醇聚集在低點(diǎn)中，氣液兩相重復(fù)圖1a和圖1b中所示的狀態(tài)，最后形成塊狀流，如圖1c所示。氣體頻繁地沖擊著低點(diǎn)中的積液，碰撞管件，造成管道振動(dòng)。

在水平管段中發(fā)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(shí)，更加難以避免塊狀流的出現(xiàn)[2]。所以在進(jìn)行設(shè)備布置和管道布置時(shí)，應(yīng)使兩相流管線盡量“步步高”或“步步低”至下游設(shè)備，避免出現(xiàn)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(shí)，應(yīng)縮小立管的管道直徑，增大介質(zhì)流速，從而保持環(huán)狀流的流態(tài)。這種流動(dòng)狀態(tài)比較穩(wěn)定，甲醇液體貼著管道內(nèi)壁流動(dòng)，氣體則沿管中心高速流動(dòng)，可以避免介質(zhì)形成塊狀流引起管線振動(dòng)。所以在立管上翻彎頭處開(kāi)始縮徑，增大氣液兩相介質(zhì)流動(dòng)的轉(zhuǎn)彎半徑，減小對(duì)彎頭處的沖擊，從而削弱管道的振動(dòng)。

3.3 減壓閥的布置

吸收了酸性氣體的富甲醇經(jīng)過(guò)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(chǎn)生兩相流。因此，富甲醇介質(zhì)通過(guò)的調(diào)節(jié)閥組應(yīng)靠近其下游設(shè)備布置，盡量減少兩相流管道的長(zhǎng)度和彎頭數(shù)量，同時(shí)在減壓閥前后設(shè)置限位支架，防止管道振動(dòng)。

減壓閥的出口極易出現(xiàn)閃蒸，嚴(yán)重沖刷破壞閥門的閥芯和閥座，導(dǎo)致閥門的關(guān)閉性能降低，影響閥門的運(yùn)行壽命[3]?；谏鲜鲈?，將調(diào)節(jié)閥形式調(diào)整為角式結(jié)構(gòu)（側(cè)進(jìn)底出），可大大減緩閃蒸現(xiàn)象所造成的閥門損壞，提高閥門的運(yùn)行使用壽命。

3.4 換熱器的管道布置

在兩相流介質(zhì)流動(dòng)時(shí)，介質(zhì)的流量很難通過(guò)儀表準(zhǔn)確測(cè)出，無(wú)法靠調(diào)節(jié)閥連鎖來(lái)控制流量[4]。因此，如果兩相流管線進(jìn)出換熱器有多個(gè)管口時(shí)，應(yīng)保證管道對(duì)稱布置，使各分支管線流量相同，避免偏流，以達(dá)到最好的換熱效果，同時(shí)使得每條支管的受力對(duì)稱、均勻。如果設(shè)備管口較大，且距離較近，沒(méi)有足夠的空間實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)縮小管徑，有利于避免管線的振動(dòng)。但是處于兩相流狀態(tài)的富甲醇進(jìn)入塔體后，又會(huì)因?yàn)榱魉龠^(guò)快對(duì)塔產(chǎn)生較大的沖擊，引起塔的振動(dòng)。所以富甲醇管道在進(jìn)塔之前應(yīng)恢復(fù)至原管徑，同時(shí)在管徑擴(kuò)大后設(shè)置一段水平管，使氣液兩相在進(jìn)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(diǎn)采用縮徑，使之形成穩(wěn)定流動(dòng)的環(huán)狀流；然后在進(jìn)塔彎頭前的立管上擴(kuò)徑，使之對(duì)彎頭的沖擊力度減小，可以極大地減輕管線的振動(dòng)。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(shè)計(jì)

由于氣液兩相流管道不可避免會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)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(shè)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(wú)法約束管線的振動(dòng)。

2）彈簧支撐可以解決管道冷熱位移問(wèn)題，但是對(duì)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(guò)管道的自身補(bǔ)償來(lái)吸收冷熱應(yīng)力。

3）設(shè)置必要的導(dǎo)向和限位支架可以有效地強(qiáng)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?yàn)榱黧w激振力頻率接近固有頻率而產(chǎn)生共振。

4）在介質(zhì)流型發(fā)生較大改變的位置處設(shè)置半固定或固定支架，可以削減管道振動(dòng)的幅度。

5）低溫管道設(shè)置管架時(shí)應(yīng)考慮使用隔冷塊，以避免冷量的損失。同時(shí)，為了避免兩相流管線的振動(dòng)，支架及隔冷塊必須具備一定的剛度及硬度，防止管道出現(xiàn)振動(dòng)時(shí)管架發(fā)生變形和脫落。

4 結(jié)語(yǔ)

在低溫甲醇洗裝置中，氣液兩相流管線數(shù)量多，影響氣液兩相狀態(tài)的因素也很多，很難采用精確的模型分析計(jì)算管道的實(shí)際流動(dòng)形式。但是可以通過(guò)合理的配管布置，避免介質(zhì)出現(xiàn)不利的流形，降低管道出現(xiàn)振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。