低温甲醇洗工艺中换热设备的布置与配管

袁建军，陈立著，冯德林

(航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司，甘肃 兰州　730050)



低温甲醇洗工艺中换热设备的布置与配管

袁建军，陈立著，冯德林

(航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司，甘肃 兰州730050)

摘要：介绍了低温甲醇洗工艺中换热设备的布置设计、管道设计原则；提出了低温甲醇洗工艺中换热设备配管设计需要注意的问题；总结了这些换热设备的配管设计经验。

关键词：低温甲醇洗；换热设备；设计；配管

在以煤为原材料，生产合成氨或甲醇的现代煤化工工艺中，合成气里普遍存在大量的H2S、CO2等杂质酸性气体。在工程上，大部分采用低温甲醇洗工艺去除这些杂质酸性气体。低温甲醇洗工艺从本质上来说是一种物理吸收酸性气体的净化工艺系统。当甲醇温度在-60 ℃下时，甲醇对CO2、H2S等酸性气体具有极大的溶解度，利用此特性可以分段选择性去除合成气中的CO2、H2S等。但是此工艺中要求操作温度很低，使用的低温制冷剂也较多，费用较高，换热系统在此工艺系统中有着重要的作用。合理布置换热设备，优化换热设备管道设计，对低温甲醇洗工艺系统意义重大。

低温甲醇洗工艺中的换热设备主要包括再沸器、冷凝器、贫/富甲醇换热器、立式多股流绕管式换热器等，本文结合某工程设计实例，对低温甲醇洗系统中的换热设备的布置与配管进行了探讨，提出了低温甲醇洗工艺中换热设备配管设计需要注意的问题，总结了这些换热设备的配管设计经验。

1典型的低温甲醇洗工艺流程

典型的林德低温甲醇洗工艺流程见图1。在变换系统中，原料气通过脱盐水洗涤，其中NH3含量在1 mg/m3以下，开始进入低温甲醇洗系统，通过少量甲醇降温后，进入吸收塔C1的水分离段。C1塔从下往上依次分为水分离段、脱硫段及脱碳段。原料气经过水分离后，液体进入C5塔中部，气体进入脱硫段，在该段被富含CO2的甲醇液洗涤，其中的H2S、COS和部分CO2被脱除，进入脱碳段，在脱碳段，经贫甲醇洗涤后的净化气由塔顶引出。在C1塔产生的脱硫段含硫甲醇液和脱碳段不含硫甲醇液都进入到CO2解析塔C2，CO2产品气从塔C2顶部引出，塔C2中段引出的液体进入H2S浓缩塔C3上段下部闪蒸，CO2和H2S被蒸出。塔C2顶部的不含硫甲醇液进入C3塔顶部洗涤尾气，尾气达标回收冷量后排放。塔C2底部产生的液体进入塔C3下段，氮气气提后产生含CO2较少且温度较低的甲醇液，经过热再生塔C4后，底部得到贫甲醇，顶部产生富含H2S的气体送硫回收装置，底部液体冷却后大部分送至C1塔顶部，少量送至C5塔顶部回流。C5塔顶部产生的甲醇液送至C4塔中部，塔底废水达标换热后排出系统[1]。

图1 林德低温甲醇洗流程C1—主洗塔；C2—CO2—解析塔；C3—H2S—浓缩塔；C4—热再生塔；C5—甲醇水分离塔；P3—贫甲醇泵

2低温甲醇洗工艺中的换热设备及其布置要点

在低温甲醇洗工艺中，换热设备主要包括再沸器、冷凝器、贫/富甲醇换热器、立式多股流绕管式换热器等。

2.1再沸器的布置

在低温甲醇洗工艺中，甲醇/水分离塔和热再生塔塔底采用再沸器提供热量，其布置需重点考虑以下几点[2]。

(1)在低温甲醇洗工艺中，再沸器与精馏塔关联，宜按照工艺流程顺序靠塔布置，通常安装在单独的支架和框架上。

(2)立式再沸器常位于塔侧面，它需要与塔维持一定高差，高差由工艺设计确定，其上方应留有足够的检修空间。

(3)在低温甲醇洗工艺中，一座塔通常有两台并联的立式再沸器，再沸器一般以塔为中心对称布置，再沸器的位置和安装高度，除与塔维持一定高差之外，仍应满足布置进出集合管的要求并便于操作和检修。

(4)再沸器与塔之间应有1 m的通道。

(5)再沸器属于保温设备，其相关间距应是保温后外壳的净距。

(6)安装高度应保证其最低接管位置标高与地面或平台的净空≥150～250 mm。

2.2氨冷器的布置

在低温甲醇洗工艺中，冷凝器主要为氨冷器。自上而下分别为：富CO2甲醇氨冷凝器、闪蒸甲醇氨冷器、原料气氨冷器、H2S吸收塔进料氨冷器。这些氨冷器一般为卧式换热器，在对这些换热器进行布置时，需考虑的因素主要包括以下几点[3]。

(1)这些换热器支座的固定端位置需要从所需连接的管道中找出对柔性计算最重要(补偿量大、管径大)的管道。

(2)安装高度应保证其最低接管位置标高与地面或平台的净空≥150～250 mm；如有导淋，则需要控制在400～500 mm左右。

(3)这些换热器布置时，应该尽量避免换热器的中心线与管架或者框架柱子的中心线正对，以利于换热器的抽芯和管程污垢的清理。

(4)布置时要考虑这些换热器的抽管束和检修方式及所需的场地。

2.3贫/富甲醇换热器的布置

在低温甲醇洗工艺中，甲醇是使用最多的液体，也是换热系统中换热最频繁的物料，甲醇需要与其他多种物料进行换热的装置。对这些换热器进行布置时需要考虑以下几点。

(1)低温甲醇洗中贫/富甲醇换热器是一种物料连续经过多个换热器进行热交换，应成组布置(见图2)。

(2)相邻换热器之间的净距离应该≥700 mm。

(3)布置时，为了节约用地，可以将相同介质的换热器设在同一个基础上，重叠布置，但最好不要超过3台，超过3台时，最上一台换热器中心线的高度不宜超过4.5 m。

(4)安装高度应保证其最低接管位置标高与地面的净空≥150～250 mm，如有导淋，则需要控制在净空400～500 mm左右。

图2　贫/富甲醇换热器的布置

2.4绕管式换热器的布置

在低温甲醇洗工艺中，变换气/合成气/CO2产品气换热器一般采用绕管式换热器。绕管式换热器的布置是否合适会对整个工艺配管设计产生很大影响，这类绕管式换热器的布置见图3，通常需考虑的因素主要包括以下几点。

(1)布置时需要选择合适高度的框架，以满足工艺对换热器的需求。

(2)绕管式换热器的顶部和底部通常具有很多管口，在布置时需要充分考虑管道空间。

图3　绕管式换热器的布置

3低温甲醇洗工艺的系统特点

3.1低温

在低温甲醇洗工艺中，最大的特点就是低温。通常当甲醇溶液的温度低于-30 ℃时，H2S、CO2、COS等物质在甲醇中的溶解度会大大增加。系统的低温特点要求系统配管中的管材选取一般为含镍的低合金钢[4]。

另外，换热设备的固定点正常在筒体上，在配换热器封头管口的管道时，一定要考虑筒体的冷热膨胀将产生的位移影响。同时，上下两层之间的换热器的管道口连接尽量避免直管连接，消除管口推力。

3.2换热系统中两相流的管道较多

在低温甲醇洗工艺中的甲醇通常溶解了大量的CO2、H2S等气体，因而系统中存在两相流的管线很多，尤其是在换热设备中。两相流管线中流动的测量仪表无法精确测量，也不能使用阀门调节，这就要求进入换热器的两相流管线需要对称布置，使得分配到支管上的流体平均[5]。

4低温甲醇洗工艺中换热设备的配管要点

4.1再沸器的配管设计

在低温甲醇洗工艺中，再沸器是常见的一种换热设备，其配管要点主要包括以下几点。

(1)在能满足管道应力的条件下，再沸器的升汽管与降液管应该尽量短而直，弯头数量尽量少，这样可以减小压降。

(2)再沸器中抽出的液体一般为饱和液体，当管道系统中出现压降差时，液体通常会产生闪蒸，进而产生两相流，这对仪表的控制和测量会产生很大的影响。因而在布置再沸器的管道时，应尽量使压力降最小，同时在控制或测量仪表前不要出现垂直的上升管段。

(3)甲醇为易爆易燃物品，挥发性强且有毒，不能够随意排放，因而再沸器配管时应该将排污管线连接至回收系统。

(4)与再沸器连接的进出管口方位应根据塔板的结构型式和再沸器的布置来决定。要特别注意，如果塔釜设有挡板，塔底再沸器的液相管和再沸器返回塔的管口应位于挡板一侧。某项目热再生塔开车时发现塔釜温度提不上去，但在提高塔釜液位后温度马上就正常了，经分析可能是与再沸器连接的进出口不在挡板同侧造成的。再沸器的管口方位的设计见图4。

图4　再沸器的管口方位设计

4.2氨冷器的配管设计

在低温甲醇洗工艺中，换热系统复杂，存在大量氨冷器设备，这些换热设备经常布置在塔的附近框架中，其配管设计见图5，配管时需考虑的因素主要包括以下几点。

(1)在这些换热设备的进出口管道中，现场指示仪表，如温度计、压力计、变送器、转子流量计、孔板等应该设置于靠近操作的通道便于观测与检修，必要时配置操作平台。

(2)在管道设计中，管道穿过平板时，应避开板下的肋和梁；管道不得碰撞构架梁、立柱旁边的牛腿。

(3)管道的支吊架点的位置应该合理。

(4)连接换热器端头的管口管道，需要考虑管道的拆除，便于设备维修。

图5　氨冷器的配管设计

4.3成组换热器的配管设计

在低温甲醇洗工艺中，甲醇是换热系统中换热最频繁的物料，需要与其他多种物料进行换热，常采用成组布置。这些换热设备在配管时，考虑的因素主要包括以下几点。

(1)换热器并排布置时，冷却介质和阀门宜按相同方式布置，管道应该对称布置。

(2)管道不宜布置在换热器轴线的正上方。

(3)管底应该设排液阀，管底距地面净空应>150 mm。

(4)工艺管道布置应注意冷、热物流的流向，这主要是从流体密度改变来考虑的。冷流体被加热，密度下降，自行上浮，为减小阻力和混流宜采用下进上出；相反可以得出热流体上进下出，同时换热器配管时需要设置排气孔和排液导淋。冷流被加热可能出现气泡下进利于排气，热蒸汽被冷凝，上进利于排液。

(5)管道布置应该美观、整齐。

4.4绕管式换热器的配管设计

绕管式换热器可以实现管程多股物料与壳程单股物料的冷热交换，适用于负荷、高压物料的换热[6]，因而在低温甲醇洗工艺中也得到很大程度的应用，绕管式换热器在配管时通常需要考虑以下几点[7]。

(1)不建议选择直管式配管方案，通常采用全盘管式或者半管式配管；选择半盘管式还是全盘管式配管主要根据设备管口的管口方位和管道的走向，尽量做到同一股物流进入换热器各管口分布均匀。

(2)在做管道布置前首先应该熟悉工艺流程，了解绕管式换热器的换热流股是什么，从哪里来到哪里去；了解设备工程图，根据设备布置给出的支撑点标高，在设备工程图中计算出绕管式换热器的主要管口的标高，检查管口标高是否合适；检查设备布置中几个绕管式换热器是否满足配管间距，是否符合工艺流程的要求。

(3)管间距和管架在配管时需要重点考虑。

(4)配管时需要注意坡向，尽量不要出现低点，当必须出现低点时，需要设置回流管。

5结语

(1)针对低温甲醇洗工艺中的换热设备的布置设计、管道设计进行了探讨，分析总结了低温甲醇洗工艺中换热设备的布置设计、管道设计经验，对今后的工程设计具有一定的借鉴意义。

(2)换热设备在低温甲醇洗工艺中具有重要的作用，整个系统换热复杂，设备繁多，管道布置的技巧因人而异，但这些基本原则相同，善于总结与归纳其共性的东西有助于工程设计质量、效率的提高。

参考文献：

[1] 张沫．低温甲醇洗换热网络优化[D]．大连：大连理工大学，2011.

[2] 张德姜，王怀义，刘绍叶．石油化工装置工艺管道安装设计手册[M]．北京：中国石化出版社，2007.

[3] 徐宝东，齐福海．化工管路设计手册[M]．北京：化学工业出版社，2011.

[4] 沈军．煤制合成气低温甲醇洗工序管道布置总结[J]．贵州化工，2007，32(1):28-30.

[5] 刘俊．低温甲醇洗工序管道布置总结[J]．山东化工，2012，41(7): 58-59,63.

[6] 阚红元．绕管式换热器的设计[J]．大氮肥，2008，31(3): 145-148.

[7] 李澍．绕管式换热器管道设计与应用浅析[J]．硅谷，2013，11(13): 129-133.

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Arrangement and Piping Design for Heat Exchangers in Rectisol Process Plant

YUAN Jian-jun，CHEN Li-zhu，FENG De-lin

(LanzhouBranch,ChangchengEngineeringCo.,Ltd.,LanzhouGansu730050China)

Abstract：The paper introduces the design principles of equipment arrangement and piping for heat exchangers in Rectisol process plant, and presents the issues to be noticed in piping design of heat exchangers; and summarizes the piping design experience of heat exchangers in Rectisol process plant.

Keywords：rectisol; heat exchanger; design; piping

收稿日期：2015-10-15

中图分类号：TQ 223.121

文献标识码：B

文章编号：1004-8901(2016)01-0020-04

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.006 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.006

作者简介：袁建军(1989年-)，男，江西丰城人，2014年毕业于中国石油大学(华东)化学工程与技术专业，硕士，助理工程师，现主要从事煤化工工艺设计工作。