空分裝置兩相流計(jì)算方法介紹

摘要：文章簡要介紹了空分裝置兩相流的計(jì)算方法，著重分析了兩相流管路管徑的選擇原則、閥門安裝高度的確定以及其他注意事項(xiàng)，對空分裝置兩相流計(jì)算有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：兩相流；兩相流管徑；閥門安裝高度；氣泵

中圖分類號：TH134 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）09-0081-02

1 概述

空分裝置詳細(xì)的氣液兩相流計(jì)算是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，需要多專業(yè)之間互相協(xié)調(diào)工作，首先根據(jù)詳細(xì)的流程計(jì)算和管道布置進(jìn)行初步的兩相流計(jì)算，根據(jù)兩相流計(jì)算結(jié)果反過來又去修正流程計(jì)算，確定合適的兩相流管道管徑和閥門安裝高度以及具體的閥門技術(shù)規(guī)格書，根據(jù)各工況的兩相流計(jì)算結(jié)果，判斷是否需要增設(shè)氣泵或者液體增壓泵，甚至有可能還需要更改空分裝置的整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

同時(shí)，兩相流的計(jì)算還需考慮裝置的投資和運(yùn)行能耗的影響以及裝置的操作維護(hù)性和相關(guān)安全問題。

2 空分兩相流流型調(diào)整的方法

在設(shè)計(jì)中，一般要求兩相流的流型為分散流或環(huán)狀流，避免柱狀流和活塞流，以免引起管路及設(shè)備的嚴(yán)重振動(dòng)。柱狀流由于大的氣泡和大液塊交替通過，流體的壓降會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng)，有時(shí)高速運(yùn)動(dòng)的液塊沖擊碰撞彎曲的管件以及設(shè)備，會(huì)引起嚴(yán)重的振動(dòng)，甚至損壞設(shè)備及管道；泡沫流管內(nèi)由于液膜界面波的擾動(dòng)大，摩擦壓降和重力壓降都較大；而環(huán)狀流和霧狀流管內(nèi)由于液膜界面波的擾動(dòng)小，重力壓降較小，能夠保證兩相流體低壓降穩(wěn)定的流動(dòng)。

流型圖的橫縱坐標(biāo)為兩相的表觀動(dòng)量流通量，而兩相流的壓力、流量、含氣率等流動(dòng)參數(shù)決定表觀動(dòng)量流通量，通過調(diào)整兩相流體的壓力、流量和含氣率等參數(shù)，可以達(dá)到調(diào)整流型的目的。但在空分的總體流程設(shè)計(jì)確定后，兩相流體的壓力和流量可調(diào)整的幅度很小，并且壓力的升高直接影響到裝置的投資和能耗，而流量是保證空分裝置能夠達(dá)到設(shè)計(jì)值的前提和保證，因此含氣率的調(diào)整是唯一行之有效的調(diào)節(jié)手段。

通過調(diào)整含氣率，使垂直向上管道內(nèi)的兩相流各段的表觀動(dòng)量流通量都處于可以接受的環(huán)狀流或者霧狀流區(qū)域內(nèi)，或者僅有極少段處于其他區(qū)域內(nèi)。兩相流需要進(jìn)行微分計(jì)算，手動(dòng)計(jì)算很難得到理想的計(jì)算效果，一般都要編制軟件輔助計(jì)算。以下示例是膨脹機(jī)后液體進(jìn)入粗氬冷凝器流路的兩相流計(jì)算。

由以上計(jì)算可以看出，該兩相流在設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)可以正常運(yùn)行，而在50%低負(fù)荷工況運(yùn)行，需額外增設(shè)氣泵時(shí)，兩相流的流型才能調(diào)整到環(huán)狀流和泡沫流區(qū)域，這樣才能正常運(yùn)行。

具體的調(diào)整兩相流的含氣率主要有以下方法：選擇合適的兩相流管線管徑，必要時(shí)需調(diào)整局部管徑，改變流速，影響阻力；調(diào)整閥門的安裝高度；增設(shè)氣泵；增設(shè)液氮增壓泵；增加流體的過冷度等。

3 液體過冷度調(diào)整

通過調(diào)整工藝流程計(jì)算，盡量增加流體的過冷度，最好能保證節(jié)流后不出現(xiàn)兩相流或者極小段出現(xiàn)兩相流。對于液氮節(jié)流進(jìn)上塔這股流體，上塔頂部產(chǎn)純氮的流程相對于不產(chǎn)純氮的流程，兩相流更容易通過的原因就是如此，這股液氮在過冷器中能夠被純度過冷到更低的溫度。

4 兩相流管線管徑選擇

氣液兩相流管徑的計(jì)算，應(yīng)采用和流型判斷相結(jié)合的方法，并根據(jù)流型判斷結(jié)果初選管徑。選擇的管徑應(yīng)使兩相流的均相流速小于使管壁受到嚴(yán)重侵蝕的流速，兩相混合物的質(zhì)量流速應(yīng)小于管道出口端的極限質(zhì)量流速，管道的摩擦壓力降應(yīng)小于由工藝條件決定的進(jìn)出口壓差。若選用的管路經(jīng)計(jì)算后成為柱狀流，對于垂直或傾斜向上的管路，應(yīng)在摩擦壓力降允許的情況下盡量縮小管徑，增大流速，使其成為環(huán)狀流或霧狀流。對傾斜向下的兩相流管道，宜放大管徑使流型轉(zhuǎn)為層流或波狀流，也可采取增加旁路、補(bǔ)充氣體、增大流量等其他方法來避免。

5 閥門的安裝位置

兩相流計(jì)算的目的之一是把閥門安裝在合適的高度以及選擇合適的口徑，保證在任何工況（包括啟動(dòng)工況和惡劣工況）都能正常運(yùn)行。閥門安裝在合適的高度，確保閥前沒有氣相或僅包含少量氣相，保證在任何工況都盡量避免閥前出現(xiàn)兩相流。閥門位置安裝得太低，會(huì)導(dǎo)致閥后很長一段都有大量兩相流，管道的下部流速很低而上部流速又很高。

閥門進(jìn)口管線流速一般控制在1.2m/s以下；閥門出口管線的上升部分管徑的設(shè)計(jì)要保證兩相流能夠通過氣相攜帶液相上行（環(huán)狀流），流速的范圍在5～22m/s之間，過高的流速有可能會(huì)損壞鋁管道，盡管目前還沒有實(shí)踐證明過高的流速損壞鋁管道或者帶來其他的損壞，但這種風(fēng)險(xiǎn)還是要大于高流速帶來的好處（例如可以縮小管徑），并且過高的流速也會(huì)導(dǎo)致管道的阻力損失過大，分配到閥門的允許壓降也會(huì)減少（甚至計(jì)算上會(huì)出現(xiàn)負(fù)值），也會(huì)增加閥門的成本和影響整個(gè)裝置的控制；閥門出口管線的下降部分管道的液體主要靠重力來輸送，根據(jù)過去幾年已經(jīng)正常運(yùn)行的項(xiàng)目證明，流速盡量控制在3m/s以下。

6 氣泵

通過工藝調(diào)整液體的過冷度，調(diào)整管徑和閥門安裝高度均不能解決兩相流問題時(shí)，就需要考慮增設(shè)氣泵了。根據(jù)實(shí)際的流程配置，氣泵的氣源來自熱態(tài)或冷態(tài)的空氣或氮?dú)?，氣源不能影響相關(guān)產(chǎn)品的純度，氣體在通過閥后液體管道上開設(shè)的小孔，噴射進(jìn)入液體內(nèi)，混合改變兩相流的含氣率。如果氣泵需要的氣源量比較大時(shí)，還需要重新修正工藝流程計(jì)算。圖2是氣泵結(jié)構(gòu)示意圖。

7 結(jié)語

兩相流計(jì)算需要綜合考慮的因素有很多，每個(gè)廠家的設(shè)計(jì)理念也有所不同。兩相流的設(shè)計(jì)必須考慮空分裝置運(yùn)行的全過程，在裝置故障或空分停車情況下，管道里面可能全部充滿了液體，兩相流被破壞，重新啟動(dòng)時(shí)，必須要保證進(jìn)出口處的壓差要能克服進(jìn)出口位置的高度差。有些工況可能壓差不能滿足要求，這時(shí)就需要額外增加氣泵來解決。另外，含氣率的調(diào)整并不能解決所有的兩相流問題，如果通過增設(shè)氣泵的方法，仍然不能將設(shè)計(jì)所需要的液體量打入到上部進(jìn)料點(diǎn)，這時(shí)就必須考慮增加液體增壓泵，提升液體壓力來滿足要求。這種方法勢必或增加設(shè)備的投資和后期的維護(hù)成本，需要根據(jù)整體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)來權(quán)衡選擇。

圖2 氣泵結(jié)構(gòu)示意圖

參考文獻(xiàn)

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[2]SH/T 3035-2007石油化工企業(yè)工藝裝置管徑選擇導(dǎo)則[S].

[3]空分裝置兩相流基本原理介紹[S].

作者簡介：張行東（1979—），男，中國空分設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)部副經(jīng)理，工程師，研究方向：空氣分離。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）