冷凝器出料管線液封設(shè)計(jì)問(wèn)題研究

王曉寧，喬洪虎

（中海油石化工程有限公司，山東濟(jì)南 250101）

在化工生產(chǎn)過(guò)程中，通常需要連續(xù)或者間斷排放液體，并且防止系統(tǒng)內(nèi)的氣體隨液體帶出或外漏的設(shè)備排液口處，需設(shè)置液封裝置。液封系統(tǒng)也是經(jīng)常用作保持系統(tǒng)壓力或設(shè)備內(nèi)液位穩(wěn)定的方法，但液封僅適用于常壓或很低的正壓系統(tǒng)。常用的液封裝置類型有以下四種：液封罐型、U形管型、π形管型和自動(dòng)排液器型。U形管型液封裝置是通過(guò)在U形管里充滿液體，依靠U形管內(nèi)液體的液封高度，防止物料排放時(shí)將設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)的氣體帶出，并且可以使系統(tǒng)維持一定的壓力。通常選用系統(tǒng)本身的物料液體作為液封介質(zhì)，該類液封裝置相對(duì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用場(chǎng)合較多。某化工項(xiàng)目的生產(chǎn)裝置，在冷凝器的出口管線上設(shè)置了U形管液封來(lái)防止出口物料中的氣相進(jìn)入下一級(jí)反應(yīng)釜。但在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，U形管內(nèi)的液體不能順利流入下一級(jí)釜中。

1 工藝流程簡(jiǎn)介

如圖1工藝流程圖所示，中和反應(yīng)后的含水物料流入精蒸釜中，通過(guò)控制一定的溫度壓力和閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行精蒸處理，經(jīng)過(guò)精蒸后的氣相從冷凝器的頂部進(jìn)料，經(jīng)由循環(huán)水換熱冷卻，循環(huán)水下進(jìn)上出，形成冷凝液從換熱器的底部流出。冷凝器底部出料為氣液兩相。其中一部分液體物料進(jìn)入液堿脫水分水釜，為防止氣相組分隨液體一起進(jìn)入分水釜內(nèi)，以及分水釜形成氣阻不利于下液，故而將U形管液封裝置設(shè)置在冷凝液管線上。在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，精蒸釜換熱器封頭的液體不能正常流進(jìn)液堿脫水分水釜中。只有當(dāng)換熱器封頭的80%充滿液體時(shí)，才可以把物料壓過(guò)去。因該介質(zhì)為甲類物料，可能會(huì)被壓入尾氣系統(tǒng)，若發(fā)生爆炸，會(huì)造成人員傷亡，故存在一定的安全隱患。

圖1 工藝流程圖

2 設(shè)備布置和管道布置簡(jiǎn)介

管殼式換熱器又稱為列管式換熱器，是用封閉在殼體中的管束壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，流通截面較寬，易于清洗水垢，而且造價(jià)低，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是應(yīng)用最廣泛的類型。

如圖2所示，為設(shè)備布置圖立面，該項(xiàng)目冷凝器選用立式管殼式換熱器，外形尺寸φ800×5 508，循環(huán)冷卻水走殼程，反應(yīng)物料走管程，為易爆液體，中度危害，管程工作壓力為-0.05/0.09MPa，工作溫度50/100℃，其設(shè)備的四個(gè)支耳距離上封頭法蘭距離為1 500mm，支撐在裝置13m層樓面上。精蒸釜設(shè)備外形尺寸φ2 200×5 000，工作壓力為0.1MPa，工作溫度100～110℃，設(shè)備支耳距離上封頭600mm，布置在裝置的7m層；液堿脫水分水釜設(shè)備外形尺寸φ2 000×5 600，工作壓力為-0.05～0.09MPa，工作溫度為60℃，設(shè)備支耳距離上封頭670mm，也是支耳型，布置在裝置的7m層。為了便于觀察出口管內(nèi)液體物料的流動(dòng)情況，在冷凝器的出料管線上安裝了視鏡。冷凝器出料管線U形管的上翻高度不能高于視鏡的中心線，視鏡中心線距離7m層樓面2m左右，因此在出料管線由冷凝器流入液堿脫水分水釜時(shí)，如果管道布置在7m層樓板的上面，管線底標(biāo)高1.8m左右，管線由西向東大概16m，由南向北約5m（如圖3設(shè)備布置圖平面），會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)操作檢修人員的正常通行，阻擋通道，故配管時(shí)選擇先將管道下翻到7m層樓板的下面，然后管線在靠近液堿脫水分水釜的位置再向上翻，接入分水釜中，具體走向如圖4所示。

圖2 設(shè)備布置圖立面

圖3 設(shè)備布置圖平面

圖4 管道軸測(cè)圖

3 原因分析

冷凝器封頭的液體不能正常流進(jìn)液堿脫水分水釜中，分析可能造成該問(wèn)題的原因：

1）冷凝器出口管線阻力過(guò)大，冷凝器與液堿脫水分水釜之間的高差不夠。

2）管線走向中有兩個(gè)倒U形彎，兩個(gè)倒U彎的高點(diǎn)均有氣體積聚，局部氣體阻力過(guò)大，造成液體無(wú)法順利流入。

通過(guò)計(jì)算分析找出根本原因，制定相應(yīng)的解決方案。

3.1 管線阻力計(jì)算

冷凝器下部出料口與液堿脫水分水釜進(jìn)料口高度差為H=1.3m，計(jì)算該管線的阻力降如下：

式（1）中：

Hn為管道阻力降，m；

λ為摩擦系數(shù)，自流流速低，可近似層流計(jì)算；

L為管道長(zhǎng)度，m；

d為管子內(nèi)徑，m；

u為液體流速，m/s；

g為重力加速度，9.81m/s2

式（2）中

Δp為壓力差；

H為冷凝器下部出料口與液堿脫水分水釜進(jìn)料口高度差，m

γ為相對(duì)液體密度；

p1為冷凝器下封頭氣相壓力，3×105Pa；

p2為分水釜壓力，5×105Pa；

經(jīng)計(jì)算，阻力降為0.4m，壓力差為0.65m＞0，壓力理論上能保證液體順利流入液堿脫水分水釜中，因此管線阻力不是造成該問(wèn)題的主要原因。

3.2 局部氣體阻力過(guò)大

冷凝器出口管線的管道布置圖中有兩個(gè)倒U形彎，兩個(gè)倒U彎的高點(diǎn)均有氣體積聚，特別是第一個(gè)倒U形彎的高點(diǎn)處氣體不能順利排出，造成局部氣體阻力過(guò)大，導(dǎo)致液體無(wú)法順利流入液堿脫水分水釜中，推測(cè)該問(wèn)題是主因，通過(guò)重新設(shè)計(jì)管線走向，解決該問(wèn)題。

4 解決方案

重新設(shè)計(jì)冷凝器出料管線的走向，取消管線第一個(gè)倒U彎，在第二個(gè)倒U彎高點(diǎn)增加排氣口并入到尾氣管線中，并且在低點(diǎn)處設(shè)置截止閥作為放凈閥，如圖5管道軸測(cè)圖所示。

圖5 管道軸測(cè)圖

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)停車(chē)改造后，冷凝器出口的液體可以順利流入到液堿脫水分水釜中，從而消除了裝置運(yùn)行的安全隱患。

U形管液封所需高度是由系統(tǒng)內(nèi)壓力及排料出口壓力等參數(shù)計(jì)算確定的，核算U彎的最小液封高度如下：

U彎最小液封高度計(jì)算：

式（3）中：

Hmin為最小液封高度，m。

經(jīng)計(jì)算，最小液封高度為0.25m

實(shí)際液封高度0.57m，滿足計(jì)算要求。

5 結(jié)語(yǔ)

在化工生產(chǎn)過(guò)程的許多場(chǎng)合都會(huì)用到液封裝置，要保證其安全穩(wěn)定的運(yùn)行，需要注意以下幾點(diǎn)：

1）為提高冷凝的效率，同時(shí)防止系統(tǒng)內(nèi)的氣體隨液體帶出，往往需要在冷凝器的排液口處設(shè)置液封裝置[4]。

2）設(shè)置液封裝置時(shí)，必須確定所需正確的液封高度，才能起到液封的效果，為了達(dá)到液封目的，通常在液封計(jì)算高度的基礎(chǔ)上增加0.3～0.5m余量作為實(shí)際高度。

3）為防止管頂部積存氣體，從而影響到管道中液體的排放，選用U形管或π形管作液封時(shí)，需要在管道的最高點(diǎn)位置處安裝相應(yīng)的排氣閥，或者增加一根平衡管線與系統(tǒng)相連接。

4）當(dāng)U型管的最低點(diǎn)時(shí)，此處應(yīng)設(shè)置排凈閥，以用于停車(chē)時(shí)將液封管內(nèi)的液體放凈。如果想觀察管道內(nèi)的液體流動(dòng)情況，可以在出料管線上安裝視鏡。