酸性氣體脫除裝置換熱器的布置

楊留振

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

以煤為原料生產(chǎn)的合成氣中，都含有不同數(shù)量的CO2、H2S以及COS等雜質(zhì)。為了得到滿足后續(xù)工藝流程的合成氣，需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)化、凈化。凈化的過(guò)程包括溶劑吸收、變壓吸附氣體分離等技術(shù)。酸性氣體脫除工藝以其凈化度高、選擇性好、低成本、負(fù)荷處理量大、可循環(huán)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代煤化工凈化裝置。

1 酸性氣體脫除工藝簡(jiǎn)述

酸性氣體脫除是一種物理吸收過(guò)程，發(fā)生在低溫高壓的狀態(tài)下。該工藝采用甲醇作為溶劑來(lái)進(jìn)行物理吸收。甲醇有選擇性的脫除那些對(duì)下游裝置有害的物質(zhì)，例如H2S、COS、CO2，并且還脫除微量的雜質(zhì)，例如HCN。甲醇從20℃降到-40℃時(shí)，CO2溶解度約增加6倍，但對(duì)H2、CO及CH4等的溶解度變化不敏感；在低溫下，例如-40～-50℃時(shí)，H2S的溶解度差不多比CO2大6倍，這樣就有可能選擇性地從原料氣中先脫除H2S，而在甲醇再生時(shí)先解析CO2[1]。酸性氣體脫除裝置的主要流程為：合成氣冷卻、H2S/CO2吸收、中壓閃蒸回收有效氣、H2S氣提富集、熱再生、甲醇水蒸餾及尾氣洗滌放空等。

2 酸性氣體脫除裝置換熱器布置特點(diǎn)

本文結(jié)合典型的工藝流程介紹酸性氣體脫除裝置中換熱設(shè)備布置特點(diǎn)。從工藝流程簡(jiǎn)述中可以看出酸性氣體脫除裝置主要用到的換熱器有繞管換熱器、丙烯換熱器、再沸器、貧/富甲醇換熱器、板式換熱器等。

2.1 繞管換熱器布置

繞管換熱器是一種新型高效節(jié)能的換熱設(shè)備。在酸性氣體脫除工藝中，一般尾氣/合成氣/CO2產(chǎn)品氣/變換氣多股物料之間換熱時(shí)采用繞管換熱器，繞管換熱器因參與的換熱介質(zhì)比較多，相應(yīng)的設(shè)備上管口也比較多。根據(jù)繞管換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其要求同種介質(zhì)的管線盡量對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)。所以繞管換熱器在布置時(shí)除了考慮其工藝特殊要求外還需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)繞管換熱器設(shè)備的安裝高度應(yīng)滿足工藝流程的要求及設(shè)備連接管線的坡度要求。

(2)繞管換熱器頂部和底部管口比較多，管線設(shè)計(jì)要求對(duì)稱(chēng)布置，所以布置繞管換熱器的框架層間距要滿足管線的安裝空間、支架設(shè)計(jì)及通道的要求。

(3)因繞管換熱器的管口多，設(shè)備吊裝時(shí)要求的空間比較大，所以布置繞管換熱器的框架應(yīng)充分考慮設(shè)備的空間范圍。

綜述以上特點(diǎn)，繞管換熱器布置在工程設(shè)計(jì)初期階段就是重點(diǎn)考慮的對(duì)象。結(jié)合多個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，繞管換熱器一般會(huì)單獨(dú)框架設(shè)置，這樣可以避免換熱器管線設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其它設(shè)備影響，同時(shí)也方便設(shè)備的安裝。對(duì)于項(xiàng)目占地受限的時(shí)候換熱器也會(huì)與其它工藝設(shè)備同框架布置，需要施工時(shí)控制好設(shè)備、管線及框架的相對(duì)時(shí)間順序。圖1是某工程項(xiàng)目?jī)膳_(tái)繞管換熱器布置在框架中的設(shè)計(jì)。

圖1 繞管換熱器管口示意圖

2.2 丙烯換熱器布置

丙烯換熱器一般為吸收塔的中間換熱設(shè)備。CO2吸收過(guò)程產(chǎn)生熱量，使甲醇溫度升高，因此在甲醇進(jìn)入塔下一段之前需要被冷卻。通過(guò)丙烯在換熱器中氣化吸熱冷卻甲醇。丙烯換熱器一般采用釜式換熱器，此類(lèi)換熱器的布置需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)換熱器應(yīng)緊靠相關(guān)聯(lián)的塔設(shè)備布置，并且安裝高度應(yīng)滿足工藝的要求，盡量減少塔中間抽出物料管線的阻力降。

(2)換熱器安裝高度還應(yīng)考慮液相丙烯管線的設(shè)計(jì)，液相丙烯管線設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合丙烯制冷裝置的設(shè)備布置，避免此管線出現(xiàn)”液袋”。此外，設(shè)備布置時(shí)還應(yīng)考慮設(shè)備管殼的排凈口管線安裝高度。

(3)丙烯換熱器布置時(shí)應(yīng)考慮U型管的抽出空間及檢修場(chǎng)地。

2.3 再沸器布置

酸性氣體脫除工藝中再沸器主要采用立式再沸器，其主要是給熱再生塔、甲醇/水分離塔提供熱量，立式再沸器依靠塔釜內(nèi)的液體靜壓頭和再沸器內(nèi)兩相流的密度差產(chǎn)生推動(dòng)力形成熱虹吸式的運(yùn)動(dòng)[2]。立式再沸器布置需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)再沸器通常位于塔側(cè)面，再沸器與塔的安裝高差應(yīng)由工藝計(jì)算確定。

(2)再沸器利用塔體支撐時(shí)應(yīng)根據(jù)塔釜內(nèi)液面的位置設(shè)計(jì)再沸器的管板尺寸，根據(jù)安裝高度確定上下管口長(zhǎng)度，確定支耳高度時(shí)需要考慮設(shè)備支撐梁在塔體上的支撐位置，避免設(shè)備預(yù)埋板與設(shè)備焊縫線及塔的梯子平臺(tái)碰撞。并且保證再沸器上方和下方應(yīng)有檢修空間。再沸器與塔設(shè)備中心間距在滿足支撐梁安裝要求的前提下盡量減少。

(3)再沸器利用框架支撐時(shí)，再沸器與塔的相對(duì)位置在滿足管線柔性的前提下應(yīng)盡量短而直，減少?gòu)濐^數(shù)量，減少管線阻力降。框架支撐面高度應(yīng)根據(jù)管線柔性計(jì)算結(jié)果確定。

(4)當(dāng)一臺(tái)塔需要兩臺(tái)再沸器并聯(lián)設(shè)置時(shí)，再沸器一般以塔為中心對(duì)稱(chēng)布置，再沸器的布置除應(yīng)滿足工藝要求外，尚應(yīng)滿足管道布置要求，并便于操作和檢修。

(5)再沸器與塔的水平方向布置關(guān)系應(yīng)結(jié)合塔板的設(shè)置，對(duì)于塔釜內(nèi)設(shè)置有擋板時(shí)，再沸器的液相和汽相管口應(yīng)位于擋板一側(cè)，同時(shí)還應(yīng)注意管口與塔釜位置液位計(jì)的相對(duì)關(guān)系。圖2為某工程項(xiàng)目中再沸器的布置圖。

圖2 再沸器塔體支撐和框架支撐

2.4 貧/富甲醇換熱器

酸性氣體脫除裝置中貧/富甲醇換熱器一般成組布置，且換熱器多采用兩臺(tái)設(shè)備重疊布置，根據(jù)裝置規(guī)模不同，換熱器的高度也不一致。對(duì)于小規(guī)模及占地緊湊的工程可以布置在框架下方，框架的高度應(yīng)滿足換熱器頂部管線的安裝高度。對(duì)于大規(guī)模裝置如果貧/富甲醇換熱器布置在框架下方則會(huì)造成項(xiàng)目投資上不經(jīng)濟(jì)，這就需要單獨(dú)布置這組換熱設(shè)備。此組換熱器多采用U型管結(jié)構(gòu)，所以換熱器在布置時(shí)除應(yīng)考慮設(shè)備和管線的安裝空間外還應(yīng)考慮換熱器軸線方向上的抽芯及檢修空間。

貧/富甲醇換熱器布置位置還應(yīng)結(jié)合其管線的設(shè)計(jì)，特別是設(shè)備頂部的放空管線，這部分管線都是含有甲醇、硫化氫等毒性介質(zhì)需要密閉回收至地下污甲醇罐，管線上設(shè)置雙閥加盲板，為方便這組閥門(mén)的操作一般是在換熱器上方設(shè)置平臺(tái)，放空管線的閥門(mén)設(shè)置在平臺(tái)上。所以在布置換熱器間距時(shí)應(yīng)充分考平臺(tái)的支撐鋼柱和加固橫梁的安裝空間，如果換熱器的數(shù)量比較多使設(shè)備頂部平臺(tái)長(zhǎng)度超過(guò)8 m，則按設(shè)計(jì)規(guī)范的要求需要設(shè)置兩部可以通往地面的梯子。圖3為某項(xiàng)目中貧/富甲醇換熱器的布置及設(shè)備頂部平臺(tái)的設(shè)置。

圖3 貧/富甲醇換熱器的布置及頂部平臺(tái)的設(shè)置

2.5 板式換熱器

板式換熱器一般靠近甲醇/水分離塔設(shè)置，換熱器布置主要考慮設(shè)備管板的拆卸和檢修，設(shè)備支撐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮設(shè)備移動(dòng)端的活動(dòng)空間，與設(shè)備有關(guān)的管線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留有拆卸短節(jié)，避免管線包圍設(shè)備的情況。

3 結(jié)束語(yǔ)

酸性氣體脫除工藝流程中換熱系統(tǒng)復(fù)雜，換熱設(shè)備繁多，不同的工藝流程有不同的換熱特點(diǎn)，不同的流程所用的換熱器種類(lèi)和數(shù)量也不一樣，本文主要介紹幾種特殊換熱器布置及在工程項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，希望對(duì)以后的工程設(shè)計(jì)質(zhì)量、效率有一定的借鑒和提高。