周则禹
天津辰力工程设计有限公司 天津 300400
摘要：近些年来，伴随着我国煤化产业的高速发展，低温甲醇洗技术凭借着净化性能好、溶解度大等优势在酸性气体的消除中得到了十分广泛的应用，而科学的管道设计对于改线技术的高效应用来说起着非常重要的作用。因此，本文主要针对低温甲醇洗技术的主要特点、装置管道设计原则以及具体应用三大方面的内容进行简单分析，希望能为我国煤化产业的发展提供一定的参考。
关键词：煤化工；低温甲醇洗；工艺管道
由于世界石油储备资源的日益减少，因此，目前煤逐渐代替石油成为社会生产的主要动力。技术人员一般通过将煤气化制造甲醇，然而在该过程中，极其容易产生二氧化碳、亚硫化氢等气体，因此，低温甲醇洗装置在煤化业中具有十分广泛的应用。其能够有效实现气体的净化，并且针对性相对较强，这在很大程度上避免了资源的浪费。目前我国大部分企业都使用低温甲醇洗技术来实现杂气的清除。
一、低温甲醇洗工艺特点
1.1.低温
低温甲醇洗工段最突出的特点之一就是低温，甲醇在温度低于-30°C时，吸收CO2、H2S、COS等酸性气体的溶解度增加。利用甲醇在低温下（最低-60°C以下）的选择吸收性，分段吸收合成气中的H2S、CO2，使其净化。为保证管系在低温工况中有足够柔性、不会因脆变导致损坏，故需选取低温钢或不锈钢管道，如A333Gr6或0Gr18Ni9、00Gr19Ni10等材料。随着温度的降低，普通碳钢在低温条件下会出现韧性下降，而本工段采用的不锈钢在低温时能保持足够的韧性。由于不锈钢比碳钢价格较高，设计人员在配管时应在满足工艺和应力要求下，要尽量考虑经济性。另外，低温设备和低温管件（如低温阀门）的采购周期较长，对项目的进度影响很大。因此，在选择和采购低温阀门的过程中，各方参与人员应格外注意。
1.2.介质有毒
低温甲醇洗吸收剂为甲醇，处理的工艺介质包括H2、CO、CO2、H2S等，其中CO、H2S和甲醇为有毒、有害介质，而H2、CO为易燃、易爆气体，因此相关的技术人员在配管时应严格选用密封材料，尽量采用焊接的链接方式，防止有毒有害介质泄漏。
1.3.两相流管道多
低温甲醇洗属吸收、解吸工艺过程，富甲醇液中溶解了大量的H2、CO2、H2S等气体，在减压和加热过程中会有不同程度的闪蒸，会形成不稳定的两相流。而系统中存在两相流的管线很多，气液两相流体在管道内流动形态复杂多变，能形成多种流型，并且各处的密度不完全相同，在流体流动速度和流动方向发生变化时很容易引起管系的剧烈振动，在设计过程中要特别关注。
1.4.阀门安装要求较高
一般称可用于-20°C以下温度条件下的阀为低温阀。低温也是严酷工况的一种，对于用于低温工况的阀门，需考虑诸多因素，其中最主要的是材料和填料的密封问题。在低温场合下，大气中的水分会在温度低于冰点时凝结，形成一层霜冻。如果霜冻在阀杆表面形成，当阀杆被执行机构驱动着上下运动时，这层霜冻有可能会被拉入填料造成撕裂，从而破坏密封。因此，应采用伸长型的上阀盖。以低温闸阀为例，其结构特点为具有伸长型的上阀盖，即气柱，其目的是避免低温流体与填料直接接触，使填料远离低温区域，保证填料函底部的温度在0°C以上。需要注意到是，应用场合温度越低，伸长型上阀盖及阀杆越长，占用空间的也会越大。低温阀门应安装在水平管道上，并且应其阀杆尽量垂直朝上，不得已时可倾斜安装，其倾斜角度可以根据不同装置特点，根据经验确定，如果阀杆倾斜与竖直向上的角度过大，低温流体会进入气柱，使其失去隔冷效果，填料变脆，失去密封效果，造成泄漏，阀门会因此结冰变得难以操作。
二、气液两相流管道的设计原则
2.1.综合考虑各大因素
气液两相流在管道中的流动是石油化工装置中常见的流体流动过程之一，具有单相流动中所不存在的许多复杂因素，其流动状态不能仅由层流和湍流确定，而是要取决于不同的流动形态（分层流、泡状流、波状流、塞状流、柱状流、环雾状流）和两相间的自由界面等因素。为了避免柱状流对设备和管道产生的振动，在工程上，气液两相流的流型一般要求为环状流或分散流，尽量避免柱状流。甲醇易汽化，使得甲醇液体中溶有甲醇气体，管线中呈两相流动的情况比较多，所以对于低温甲醇洗工段的两相流管线要综合考虑多方面因素。
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2.2.避免气袋
不同的流动形态对管道产生的震动也不同，柱状流时，压力波动，管件受到冲击、碰撞，会引起管道严重振动，甚至损坏管道和设备。因此，在管道布置中，要尽量做到“步步高”或“步步低”，特别是气液两相流管道的最高点极易产生气袋，因此在管道的布置时对于不可避免的高点，应在最高点设置放空阀，
2.3.避免液袋
由于气液两相流管线是由气体和液体两种流体组成，如果配管时形成液袋，则液体就会在低点积聚，当介质流动速度过低时，有可能充满低点管子，接下来后面的气体则会把低点所积聚的液体推走，随后又会有液体在低点积聚，气体再把液体推走，如此反复，最后形成柱状流，这种情况下气体以比液体平均速度大得多的速度推着液体流动，从而引起管道的严重振动，因此，在低温甲醇洗工段配管时，要避免形成液袋。
三、煤化工低温甲醇洗装置工艺管道的具体设计
3.1泵管道的设计
由于甲醇的易汽化性，因此在对泵进行配管设计时，应特别注意，以免发生气蚀现象。首先在吸入管段不得有气袋产生（因为吸入管管系由于气体积聚，也会发生气蚀），并且当泵的吸入管线有变径时，水平入口管线要采用顶平的偏心异径管，以防变径处气体积聚，产生气袋。另外，当塔、槽最低液面与泵入口中心线高度确定后，为提高有效汽蚀余量，应减少入口管系的阻力。例如泵的入口在满足应力允许的范围内，应尽量缩短长度，减少弯头，其管径应比泵入口管口直径大1到2级，以减少阻力。
3.2.塔设备的管道设计
低温甲醇洗的配管，主要是围绕二个低温塔（H2S、CO2吸收塔、H2S浓缩塔）和一个高温解析塔（热再生塔）进行。因此，塔的配管就显得尤为重要。塔的配管和其它设备的配管相比，其特点是首先要满足工艺和塔内塔盘的布置要求，另外还要求做到布置简化、操作简便、检修容易、用材经济。因此要在充分了解塔的内部结构、工艺操作的基础上，精心设计。一方面，对于含有甲醇的进料管设计，由于含有气体的甲醇为气液两相流动流体，其开设方位受塔内塔盘的降液管位置限制最严格，必须开设在上下两块塔盘的非降液区域，且将管口设在距降液板或降液管最远的位置上，才能有效的利用相应的塔盘，提高塔盘的效率；另一方面，对于人孔的设计，从检修和操作上考虑，人孔方位应朝向检修侧，并设有平台。人孔开设的方位必须注意同内部构件的关系，应开设在没有降液板的部位，且在塔的操作侧，对单溢流和双溢流塔盘的人孔开设应予注意。
3.3.仪表接口的设计
由于液位计及液位调节器的接口应开设在能从平台或梯子上容易观测和检修的位置，并且不应开设在降液区，以免受流入液体的影响而计量不准。温度计的测量口一般应开设在液相区域，而压力计的测量口则应开设在汽相区域内；塔上管线的布置：管道布置应从塔顶部到塔底部自上而下进行规划，并且应首先考虑塔顶和大直径的管道的位置和自流管道的走向，再布置压力管道和一般管道，最后考虑塔底和小直径管道。为了便于支撑，管线离开塔的管口后应立即向下，并沿着与塔平行的方向尽可能集中布置，以利统一支撑。并沿着与塔体平行的方向布置。塔与管线最外边缘的净距为300mm。其水平管段的高度，一般受管廊高度的影响，尽可能排成一排且取同一标高。并且，由于塔顶管线内的介质一般为气相，管径较大，管道应尽可能的短，且应按步步低的要求布置，不得出现“袋形”管，并应具有一定的柔性。每一根沿塔管道需在上部设承重支架，并在适当位置设导向支架，以免管嘴受力过大。
3.4.塔的安全放空
由于安全阀后要接往泄压系统，因此安全阀要安装在高于泄压总管的最低平台处，使阀后排出管线最短，而且管内不积存液体。由于夹带、溶解于甲醇中的H2、CO、H2S等气体有毒且易燃，不能直接排入大气，须送入火炬系统燃烧后排放。安全阀出口接往泄压总管时，要由上部顺着流向以45°角插入总管，以免总管内的凝液倒入支管，这样做也可以减少安全阀的背压。在整个低温甲醇洗管道布置中，塔及其管系的管道布置占有有重要的位置，然而塔及其管系的配管又往往与其它设备及管廊的配置有密切的联系，因此，在塔及其管系的设计中，应该对塔及管系所在的装置进行统筹规划，全面考虑，以便使塔及其管系及整个装置都能设计的更合理。
四、结论
综上所述，低温甲醇洗装置的管道合理设计对于气体的洁净效果来说起着非常重要的作用，因此，在设计过程中，相关的工作人员应该加强对路线科学性的重视，避免由于气液两相流导致气袋与液袋的形成。与此同时，由于施工过程中低温的特点，所以，设计人员需要充分根据实际情况加强对材料的选择与使用，进一步防止气蚀现象的产生，为装置的长期使用奠定良好的基础。
参考文献：
[1]康健低温甲醇洗技术及其在煤化工中的应用[J]-《能源技术与管理》-2017（05）
[2]沈瀚低温甲醇洗技术及其在煤化工中的应用研究[J]-《工程技术：全文版》-2017（03）
论文作者:周则禹
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/7
标签：低温论文; 甲醇论文; 管道论文; 气体论文; 柱状论文; 两相论文; 管线论文; 《建筑模拟》2018年第1期论文;