酸性氣體脫除工序塔的管道設計

田文濤 彭愛軍

（中國五環(huán)工程有限公司)

以煤為原料制原料氣的工藝過程中，往往會產(chǎn)生H2S、CO2、NH3等酸性氣體。對大型工業(yè)裝置而言，減少溶劑循環(huán)量對降低能耗和操作費用十分重要，因此酸性氣體脫除工序選擇物理吸收法更有利。從有效氣體損失、凈化度、溶劑熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性、工藝技術的成熟可靠性、裝置大型化、投資、操作費用等方面考慮，選用低溫甲醇洗技術更符合當今技術發(fā)展趨勢。低溫甲醇洗技術的一大特點是有大量塔設備 （本文依托項目有9臺）。塔是化工、石油化工、煉油等過程工業(yè)中最重要的設備之一[1]。在酸脫工序中，涉及到的塔往往很復雜，而塔的管道設計是否合理也關系到整個工序的安全運行，甚至影響到整個裝置的產(chǎn)品質量。

本文根據(jù)酸性氣體脫除工序的工藝特點，主要介紹了板式塔的管口方位、兩相流管道、雙吸泵管道和管道支架的設計原則，并對設計要點作了歸納總結。

1 工藝特點

低溫甲醇洗技術成熟，在工業(yè)上擁有很好的應用業(yè)績，廣泛應用于合成氨、合成甲醇、城市煤氣、工藝制氫和天然氣脫硫等裝置中。在國內，以煤、渣油為原料的大型合成氨裝置中也大都采用這一技術。其主要工藝特點如下：

（1）為了脫除原料氣中的H2S、COS、RSH、CO2、HCN以及石蠟烴、芳香烴、精汽油等組分，需要用大量甲醇作為吸收劑，而根據(jù)GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》的規(guī)定，甲醇屬于甲B類液體，易燃、易揮發(fā)、有毒，所以該工序必須設置密閉回收系統(tǒng)。

（2）甲醇黏度不大，在-30℃時，甲醇的黏度與常溫水的黏度相當。低黏度對于低溫下的傳遞過程是有利的。該裝置大量存在耐低溫的合金鋼、不銹鋼等，且大部分管道需要保冷，這就使管道設計時需要考慮的因素增多。

（3）該工藝涉及到的設備種類很多，尤其是塔設備 （共9臺高塔），且塔設備結構復雜。往往一臺塔分為多段，而每段的溢流堰數(shù)又不同，給管道設計增加了很大的難度；同時又由于甲醇中溶解大量氣體，沿塔有多條兩相流管道，這也相應增加了管道設計的難度。

2 塔設備管道設計原則

2.1 塔設備概述

塔設備是使氣 （或汽）液或液液兩相之間進行緊密接觸，達到傳質或傳熱的設備。在化工廠、石油化工廠、煉油廠中，塔設備的性能對整個生產(chǎn)裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量、質量、生產(chǎn)能力和消耗定額以及三廢處理、環(huán)境保護等各個方面都有重大影響，因此塔設備受到化工、煉油等行業(yè)的極大重視。工業(yè)上常用的塔型主要為填料塔和板式塔[2]。由于填料塔配管相對簡單，所以本文主要論述某項目酸脫工序中板式塔 （雙溢流堰，其它可做類似處理）的管道設計要點。

2.2 塔設備管口方位的確定

確定管口方位是完成沿塔管道設計、儀表設計、平臺設計等的前提。根據(jù)設計原則及設計經(jīng)驗，首先應將塔分為操作區(qū)和配管區(qū)。通常情況下，塔體對著管廊或設備框架一側為配管區(qū)，靠近通道一側為操作區(qū) （如圖1所示），這樣便于塔的吊裝、內件安裝和填料裝卸等?；诖?，首先要滿足工藝及內件安裝要求，其次要滿足操作、檢修方面要求，最后還需滿足經(jīng)濟合理性要求。

圖1 塔的配管區(qū)和操作區(qū)

2.2.1 人孔管口

人孔是為檢修和安裝塔內件而設置的，塔的人孔應設在塔的操作側，一般應設在塔板上方的鼓泡區(qū)，不得設在降液管上或降液管口的上方 （如圖2所示）。若一臺塔上有多個人孔，上下人孔應開設在同一條直線位置上[3]。

圖2 雙溢流堰塔開口

2.2.2 回流管管口

塔頂回流或中段回流的管口，一般布置在塔板上方的管道側或操作平臺邊緣?；亓鞴茉谒鹊慕Y構和開口方位與塔板溢流方式有關，一般情況下不能位于降液區(qū)，回流液要求進入受液槽內 （如圖2所示）。

2.2.3 儀表管口

通常，測溫儀表點應開在降液區(qū)內，而測壓元件最好不要開在降液區(qū)，以免測得的結果失真。

2.3 塔的管道設計

塔的管道一般可分為塔頂管道、塔體側面管道和塔底管道。根據(jù)酸脫塔的工藝特點，塔的管道主要分為以下幾種。

2.3.1 塔體兩相流管道

所謂兩相流是指管內的流體既有氣相又有液相。由于部分沿塔甲醇管線中溶有大量氣體，所以在大多數(shù)情況下，這些管線內介質是兩相流狀態(tài)，因此對這類管道的布置要特別加以注意。根據(jù)酸脫設備布置特點，涉及到的兩相流管道走向基本上由兩段組成，即垂直上升管和水平管。本文針對兩相流管道的這兩種走向重點進行了討論。

在工程設計中，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，以免引起管道和設備嚴重振動。對沿塔管道垂直上升段，應加同心異徑管縮小管徑以增大流速，使其形成環(huán)狀流或分散流。對垂直上升不加熱管道，當氣相含量比乳沫狀流還高時，攪混現(xiàn)象逐漸消失，塊狀流被擊碎，形成氣相軸心，從而產(chǎn)生環(huán)狀流。環(huán)狀流的特征是液相沿管壁周圍連續(xù)流動，中心則是連續(xù)的氣體流。在液膜和氣相核心流之間，存在著一個波動的交界面。由于波動的作用可能造成液膜的破裂，使液滴進入氣相核心流中；氣相核心流中的液滴在一定條件下也能返回到壁面的液膜中來。這種流動型式在兩相流中所在范圍最大，是一種最典型的流動型式。水平不加熱管中的環(huán)狀流與垂直流動的環(huán)狀流很相似，氣相在管道中心流動，而液相貼在管道的四壁上流動。然而，由于重力的影響，周向液膜厚度不均勻，管道底部的液膜比頂部厚。這種流型出現(xiàn)在氣相流速比較高的區(qū)域里，當壁面較粗糙時，液膜還可能不連續(xù)[4-5]。垂直不加熱上升管和水平管中的各種流型如圖3所示，其中標識為6的是水平不加熱管道中環(huán)狀流型，標識為10的是垂直不加熱管道中環(huán)狀流型。由此可知，環(huán)狀流型相對最為穩(wěn)定，可最大程度避免兩相流管道引起的振動。

圖3 垂直不加熱上升管和水平管中的各種流型對比

現(xiàn)針對酸脫工序中S04203（無硫甲醇閃蒸罐）到C04202（CO2解析塔N9管口）的一根雙相流管線進行設計 （如圖4所示）并進行如下分析。該管線設計壓力為0.5 MPa，設計溫度為-70℃，操作壓力為0.19 MPa，操作溫度為-53.44℃，保冷厚度為100 mm，管徑為355.6 mm。

圖4 沿塔雙相流管道設計方式對比

通過應力分析軟件CAESARⅡ進行計算，得出A、B兩種不同管道設計方式時該塔管口 （N9）的受力情況，如表1所示。

由表1可知，采用A型式管道走向，C04202/N9管口在熱態(tài) （操作狀態(tài)）受力為-6705 N，采用B型式管道走向，C04202/N9管口在熱態(tài)受力為-10241 N，幾乎為A型式的兩倍。所以，為了減小塔設備管口受力，增加管道柔性，應該采用A型式管道走向 （不僅針對兩相流沿塔管道，對其它沿塔管道設計，也應采取A型式的管道設計）。同時對兩相流管道設計，還應該滿足以下要求：

表1 A、B兩種型式管道走向應力計算結果對比

（1）沿塔管道垂直上升段增加同心異徑管，使管道內形成環(huán)狀流。

（2）承重管架靠近設備管口。

（3）盡量不用彈簧支架、吊架，多用導向支架，以減少管道振動幾率。

（4）管道按介質流向先垂直走向，后水平走向，且管道宜短而直，減少彎頭使用，并考慮在轉彎處使用大半徑彎頭。

（5）調節(jié)閥后出現(xiàn)的第一個轉向彎頭應該用三通連接，三通的一端應加設盲板。

2.3.2 塔與雙吸泵相連管道的設計

酸脫工序中所涉及的設備雙吸泵和高塔以管道相連接，對此類管道設計，應考慮以下幾方面。

雙吸泵作為離心泵的一種重要形式，因其具有揚程高、流量大等特點，在工程中得到廣泛應用。為了避免雙吸泵的汽蝕，雙吸泵入口管要對稱布置，以保證兩邊流量分配均勻。當入口管沿著與泵軸線方向水平引入并加彎頭進入入口時，需要有一段長7～10倍于泵進口口徑的直管段，且異徑管要頂平布置 （如圖5所示）。當入口管沿著與泵軸線垂直方向水平引入并加彎頭進入入口時，無直管段要求，但異徑管仍需頂平布置。若缺少制造廠數(shù)據(jù)，泵管口允許受力值可按Rosshcim-Markl發(fā)表的數(shù)據(jù)或API 610的規(guī)定。

圖5 沿塔雙吸泵管道設計

2.4 沿塔管道支架設計原則

由于塔設備的管道通常需要支撐在塔壁上，所以沿塔管道的第一個支架需要盡量靠近設備管口以減小設備管口和支撐點的相對熱膨脹位移及熱脹應力[6]。正常情況下，沿塔管道第一個支架應設為承重架，其次應為導向支架，再次為彈簧支架，最后一個導向支架距水平管道距離不宜小于管道公稱直徑的30倍。若沿塔壁垂直管段熱位移量較大，其水平管段應設彈簧支架；若熱位移不大，可設導向支架，以滿足受力要求。

3 結語

酸性氣體脫除工序的塔配管具有很強的代表性，對其設計原則進行歸納和總結，有利于后續(xù)工作 （包括其他管道布置）的順利開展，同時，對類似裝置塔的管道設計，也將有很大的幫助。

[1] 王松，銀建中.塔設備新標準輔助設計系統(tǒng)開發(fā) [J].化工裝備技術，2010，31（6）：36-40.

[2] 路秀林，王者相.化工設備設計全書：塔設備 [M].北京：化學工業(yè)出版社，2004.

[3] 王懷義.石油化工管道安裝設計便查手冊 [M].第2版.北京：中國石化出版社，2007.

[4] 中華人民共和國化學工業(yè)部.HG/T 20570.7—1995管道壓力降計算 [S].1996.

[5] 閻昌琪.氣液兩相流 [M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1985.

[6] 鄭茂鼎.管道支架的設計及計算 [M].北京：化工部工程建設標準編輯中心，1994.