低溫甲醇洗氣液分離器的計(jì)算應(yīng)用研究

韓秀穎

(天津興辰工程技術(shù)服務(wù)有限公司,天津 300400)

在化工裝置中,很多工況都需要對氣-液混合的介質(zhì)進(jìn)行分離,從而達(dá)到產(chǎn)品凈化或滿足下游工藝流程要求的目的。比如,許多由油田裝置氣井采出的天然氣、煉化裝置的瓦斯氣中,均含有一定比例的液體(水、凝析油),這些液體的存在會對管道、設(shè)備、儀表等產(chǎn)生腐蝕,還可能堵塞閥門、管線,對安全生產(chǎn)產(chǎn)生極大影響。因此,在氣液混合物進(jìn)入下游裝置以前,必須對其進(jìn)行脫液處理。

氣液分離的方法和設(shè)備已經(jīng)大量應(yīng)用于化工裝置的生產(chǎn)中,分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)各種各樣,進(jìn)料方式也各有不同,罐體形式有立式、臥式,分離介質(zhì)涉及三相分離或者兩相分離;當(dāng)然,不同的分離設(shè)備具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。當(dāng)介質(zhì)和工藝條件發(fā)生變化時,若不能選用合適的分離模型,可能導(dǎo)致氣液分離效果不好,甚至出現(xiàn)嚴(yán)重夾帶。

1 氣液分離器的形式

分離器的主要原理有兩種:一種是利用組分質(zhì)量的不同,對混合物進(jìn)行有效分離;另一種是根據(jù)分散顆粒尺寸大小的不同對混合態(tài)物質(zhì)進(jìn)行有效分離。目前常見的分離方法有4種。

(1)重力沉降式分離。因?yàn)闅怏w和液體的密度差別較大,氣體與液體一起流動時,液體在自身重力作用下,會產(chǎn)生一個相對于氣體向下的速度,而氣體相對于液體,依然可以保持原來的流動方向,由氣體和液體在重力作用下有彼此分離的傾向,向下加速運(yùn)動的液體會沉降在分離器底部,從而實(shí)現(xiàn)分離。

(2)折流式分離。同樣因?yàn)闅怏w和液體密度的不同,當(dāng)氣體和液體一起流動時,若遇到物體阻擋,由于慣性大小的不同,氣體會折流改變方向,但是液體仍然有保持原有運(yùn)動方向的趨勢,繼續(xù)向前運(yùn)動,從而實(shí)現(xiàn)氣體和液體的分離。

(3)離心式分離。同樣也是因?yàn)闅怏w和液體的密度差,當(dāng)氣體和液體混合物高速旋轉(zhuǎn)流動時,氣體受到的離心力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液體受到的,液體附著在分離器外壁然后匯集,實(shí)現(xiàn)分離。

(4)絲網(wǎng)式分離。因?yàn)闅怏w和液體微粒尺寸大小的不同,當(dāng)氣液相混合物一起運(yùn)動時,如果要通過絲網(wǎng),就會像通過篩網(wǎng)一樣,顆粒尺寸極小的氣體可以有效通過,但是液體由于尺寸較大,會被攔截而停留在絲網(wǎng)上,實(shí)現(xiàn)分離。

2 計(jì)算方法

煤化工裝置中的低溫甲醇洗工段的工藝比較成熟,國外專利商主要是林德和魯奇,國內(nèi)專利商有大連理工大學(xué)的技術(shù),通過對比林德或魯奇技術(shù)和大連理工大學(xué)技術(shù)的分離器機(jī)械數(shù)據(jù)單,可以反向推導(dǎo)出各工藝專利商設(shè)計(jì)分離器中采用的關(guān)鍵參數(shù),同時依據(jù)分離器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),比如HG/T 20570—95與GPSA—2012,可以計(jì)算出分離器最優(yōu)的規(guī)格。

為了確保分離器分離后的氣體中液滴的精度達(dá)到10～30 μm,常選用帶絲網(wǎng)除沫裝置的分離器。以金屬絲網(wǎng)過濾網(wǎng)為例,當(dāng)氣態(tài)介質(zhì)流經(jīng)金屬絲網(wǎng)濾芯時,若氣態(tài)介質(zhì)攜帶的液滴尺寸大于金屬絲網(wǎng)的孔徑,液滴就會被金屬絲網(wǎng)攔截下來,通過重力落入分離器底部,進(jìn)而分離出來;若氣態(tài)介質(zhì)中攜帶的液滴直接與金屬絲網(wǎng)碰撞,液滴也將被絲網(wǎng)攔截下來,通過該方式可以分離下來一定量尺寸小于金屬絲網(wǎng)孔徑的顆粒,有助于分離氣態(tài)介質(zhì)中夾帶的細(xì)小液體雜質(zhì)。除此以外,還有下列因素可以使微米級的介質(zhì)被金屬絲網(wǎng)分離:①對于大多數(shù)細(xì)小的懸浮液滴,其形狀不規(guī)則,在金屬絲網(wǎng)的孔道中架橋;②當(dāng)兩個或多個液滴同時流向單一的金屬絲網(wǎng)孔道時,液滴和液滴之間也會產(chǎn)生橋接的現(xiàn)象;③單個液滴一旦被絲網(wǎng)孔道攔截下來,則這個孔道的通過率會因?yàn)橐呀?jīng)被攔截介質(zhì)堵塞了局部孔道,從而降低了孔道的流通能力,這樣就能把粒徑更小的液滴分離出來[4]。本文通過比較多個帶絲網(wǎng)除沫器的立式分離設(shè)備的國內(nèi)外工藝技術(shù)方案,得出一般規(guī)律,給出最經(jīng)濟(jì)的分離器尺寸。

現(xiàn)對多個項(xiàng)目進(jìn)行研究,采用HG/T 20570—95中氣液分離器設(shè)計(jì)推薦的方法[5]進(jìn)行常數(shù)(KG)的計(jì)算:

式中,uG為與絲網(wǎng)自由橫截面積相關(guān)的氣體流速,m/s;ρL、ρG分別為液體和氣體的密度,kg/m3;KG為常數(shù),通常KG選取0.107。如果氣流中有較大的液體量被分離,則建議KG取0.075。在高黏度液體、高壓或高真空工藝中,KG可取0.06。

式中,uG為絲網(wǎng)自由截面積上的氣體流速,m/s;DG為絲網(wǎng)直徑,m。

由于安裝的原因(比如支承環(huán)的尺寸50/70×10mm),容器的直徑必須至少比絲網(wǎng)的直徑大100mm。

3 氣液分離器的直徑選擇

3.1 原料氣分液罐

從變換工段輸送的變換氣含有少量水分,由于低溫甲醇洗工段主要是在低溫下吸收CO2與H2S,設(shè)計(jì)時會在變換氣中噴入少量甲醇,以降低凝固點(diǎn),防止水在管線中凝固,氣液兩相的氣體進(jìn)甲醇洗滌塔之前,進(jìn)入原料氣分液罐進(jìn)行分液操作。通過計(jì)算,原料氣分液罐的計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 原料氣分液罐的計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算推導(dǎo)KG,可以看出,原料氣分液罐的KG取值在0.083～0.121之間。從表中可以看出,項(xiàng)目1、項(xiàng)目3、項(xiàng)目4和項(xiàng)目5是基于林德工藝包計(jì)算出的數(shù)據(jù),工藝包KG取值略小于0.107,取值偏保守。采用大理工大學(xué)工藝包的計(jì)算結(jié)果普遍略大于0.107,取值相比于林德略微激進(jìn)。對比不同項(xiàng)目的工藝包數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),對于低溫甲醇洗洗滌塔入口的原料氣分液罐,KG選擇0.107是合適的,兩家專利商對于該值的選取偏差不大,整體上林德取值更加保守,分離器的分離效果更好。

通過比較國內(nèi)外工藝包,原料氣分液罐的最終直徑可確定為計(jì)算出的絲網(wǎng)除沫器圓整+100 mm或200 mm,計(jì)算出的設(shè)備尺寸適用于工程運(yùn)行。

根據(jù)GPSA—2012的說明,KG取值在低壓、低液氣比及低黏度的介質(zhì)體系中一般選取0.11 m/s,還可根據(jù)壓力選取比例系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

根據(jù)如上的關(guān)系進(jìn)行模擬,計(jì)算的直徑都比最終實(shí)際選取的直徑要大,并沒有找出相關(guān)的規(guī)律。

因此,筆者認(rèn)為對于低溫甲醇洗工段的原料氣分液罐,罐的直徑可采用計(jì)算出的絲網(wǎng)除沫器圓整+100 mm或200 mm解決。

比例系數(shù)表與壓力關(guān)系見表2。

表2 比例系數(shù)表與壓力關(guān)系

3.2 H2S氣體分液罐

除了上文提到的原料氣分液罐,本文還研究了H2S氣液分液罐,此罐分離出的氣體經(jīng)過換熱后進(jìn)入硫回收。不同項(xiàng)目的計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 H2S氣體分液罐的計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算推導(dǎo)的KG結(jié)果可以看出,H2S氣液分液罐的KG取值在0.052～0.113 m/s之間。除項(xiàng)目4外,其余項(xiàng)目取值都小于0.107,但整體偏差不大?？傮w來說,H2S氣液分液罐,KG選擇0.107 m/s是合適的。

根據(jù)比較國內(nèi)外工藝包,可采用計(jì)算出的絲網(wǎng)除沫器圓整+200 mm或300 mm解決。

4 分液罐高度的選擇

選擇直徑之后,進(jìn)行罐高度的計(jì)算(見表4)。

5 封頭的選擇

對于原料氣分液罐與H2S氣液分液罐封頭的選取,兩個分液罐的頂封頭型式不一樣。原料氣分液罐采用的是橢圓封頭,而H2S氣液分液罐更多采用的是平板封頭。

選擇橢圓形封頭的主要目的是可以避免出現(xiàn)熱應(yīng)力與邊緣應(yīng)力疊加,使焊縫轉(zhuǎn)移到圓筒的區(qū)域。采用橢圓形封頭,因?yàn)榉忸^壁厚筒體壁厚差不多,因此,可以采用同樣厚度的鋼板。通常選用橢圓形封頭作為圓筒體的封頭。平板封頭也是化工設(shè)備或容器常采用的一種封頭,通常用于低壓和常壓的設(shè)備上,具有制造方便、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)。

表4 高度的計(jì)算公式

綜上所述,從受力分析的角度來看,橢圓形的封頭比平板封頭受力更好。從制造的難易程度來看,平板封頭要比橢圓形封頭更有優(yōu)勢。

6 結(jié)語

根據(jù)上述研究結(jié)果可以看出,不同項(xiàng)目采用的KG不盡相同,但整體取值偏差不大,因此只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行類比選擇。對于原料氣分液罐可采用KG為0.107 m/s,根據(jù)計(jì)算出的絲網(wǎng)除沫器圓整+100/200 mm解決。H2S氣液分液罐可以采用KG為0.107 m/s,根據(jù)計(jì)算出的絲網(wǎng)除沫器圓整+200/300 mm解決。對于分液罐高度的設(shè)計(jì),可參考本文表4進(jìn)行選取。對于封頭形式的選擇,原料氣分液罐操作壓力較高,建議采用橢圓封頭,H2S氣液分液罐可采用平板封頭。