火炬分液罐设计计算研究

马兴亮，王增辉，韩 雪

(中海油石化工程有限公司，山东 青岛 266101)

火炬系统是用于处理无法再回收利用的可燃或可燃有毒的气体或蒸汽的燃烧设施，多用于炼油厂、石油化工厂等，对工厂的安全生产、环境保护有着重要的作用。各装置安全阀放空排放的气体中带有液相或者固体，若不移除放空管线中携带的凝液量，会导致液滴被夹带到火炬造成下火雨。因此增加火炬分液罐有利于火炬系统管网运行，保证火炬安全。同时便于对火炬系统的凝液回收处理[1]。

1 火炬分液罐的工作原理及分类

1.1 火炬分液罐的工作原理

气液两相分离根据分离动力差异可分为重力分离、惯性分离与旋流分离。火炬分液罐的工作原理是运用气液两相密度差实现两相的重力分离,即液滴所受重力大于其所受的浮力时,液滴向下运动，液滴被气相带出罐体前到达火炬分液罐底部，实现分离。

1.2 火炬分液罐类型

图1 卧式罐示意图

(1)卧式罐(图1)：卧式罐筒体水平放置，气相进料从容器的一端顶部进入而从另一端的顶部排出(内部无挡板)，卧式罐又分单流式与双流式：单流式即一个进口。气体的入口和出口分设在容器两端的顶部，内部没有挡板。双流式即二个入口，气相由水平方向的两端输入，从中心出口排出。

(2)立式罐(图2)：立式罐筒体竖直放置，气相出口管在容器顶部，进料管在容器中部水平进料；为了保证气体的方向朝下，在火炬气入口处要加设挡板。

图2 立式罐示意图

火炬分液罐选择卧式罐还是立式罐要综合考虑经济成本，工艺条件以及具体使用工况。卧式罐适用于液相含量高、气相量大、安装空间大的条件下使用。双流式卧式罐可减小筒体直径，但会增加罐长度，因此当DK>3.6m时才采用。立式罐占地面积小，高位架设较方便，且有效气液分离的空间较大，中间的混合层可以连续分离，但液面稳定性小，因此适用于液相含量低，空间狭小的情况下使用[2]。

2 火炬分液罐工艺管道设计

(1)分液罐的分离能力为至少将≥600μm的液滴分离下来，最好将≥300μm液滴也分离下来，尽量减少液滴夹带。

(2)分液罐体积为火炬气连续排放20～30min凝结液体积与气液分离所需的体积。

(3)分液罐应设置进气管、出气管、排凝液管、放水管、蒸汽吹扫管、放空管、人孔以及梯子、平台等，分液罐应设液位计、高液位报警、和压力表。

(4)卧式分液罐内最高液面之上气体流动的截面积应大于入口管道横截面积的3倍。

(5)罐体设计压力不低于0.35MPa(G)，外压不得小于30kPa。

(6)设计完善的凝液回收输送措施，可采用泵送。

(7)如果有可能出现两种液相且须分离时，则需设集液包，集液包直径宜为500～800 mm，不宜大于罐体直径的1/3且不得小于300 mm。集液包高度不宜小于500 mm。

(8)如果排放温度低或粘稠的物料，在气温低时易冻结，则须设伴热设施[3]。

图3 火炬分液罐工艺管道设计

3 火炬分液罐计算方法

火炬分液罐的计算主要是确定火炬分液罐的直径，当液滴在分液罐中停留的时间大于或等于液体粒子下落所需的时间，并且流体流速低至允许液滴下落时，液体粒子便分离出来。目前SH3009-2013经过更新后与API521的计算方法基本一致。均需要估算。运用流体力学的知识，将液滴在气体中的阻力系数公式化，消除查表的误差，并且实现程序化。方便准确快速的计算。

计算依据：临界分离直径为600um。

分液罐积液体积为火炬连续排放25min产生的凝液体积[3]。

卧式分液罐直径需试算，当DSk≤Dk，假定的Dk就是卧式分液罐的直径。

Dsk-试算卧式分液罐直径，m；a-罐内液面高度与罐直径比值；b-罐内液体截面积与罐总截面积比值；qv-入口气体流量，Nm3/h；p-操作条件下的气体压力，kPa；φ-系数，宜取2.5～3.0；Uc-液滴沉降速度，m/s；Dk-假定的分液罐直径，m；Lk-气体入口至出口的距离，m；g-重力加速度，取9.81 m/s2；dl-液滴直径，m；ρl-操作条件下液滴密度，kg/m3；ρv-操作条件下气体密度，kg/m3；C-液滴在气体的阻力系数；ql-分液罐内储存的凝液体积，m3；

液滴在气体中的阻力系数C为计算火炬分液罐直径的难点。

μ-气体粘度，cp；Re-雷诺数；

标准规范采用查图的方法得到阻力系数，但查图法具有误差且不可程序化。引入流体力学阿基米德准数Ar判断两相流流型及计算雷诺数。

当Ar≤36时，

Re=0.056×Ar；

当36≤Ar≤83000时，

Re=0.056×Ar0.714；

当Ar≥83000时，

Re=1.74×Ar0.5。

计算出卧式分液罐的直径后按下式进行校核，并满足卧式分液罐内最高液面之上气体流动的截面积大于入口管道横截面积的3倍。

q-操作条件下入口气体流量，m3/s；Vc-卧式分液罐内气体水平流动的临界流速，m/s；其值由图4查的。

图4 卧式罐内气体水平流动临界流速

4 MTBE装置分液罐校核计算

MTBE作为提高汽油辛烷值主要的添加剂，由C4馏分中的异丁烯与工业甲醇在大孔强酸性阳离子交换树脂催化剂发生加成反应，生成甲基叔丁基醚，简称MTBE。下面校核中海油某炼厂10万t/a MTBE装置的火炬分液罐。

经装置安全阀计算得知，本装置最大泄放量为停水停电条件下。最大泄放量为催化蒸馏塔上塔C-102的塔顶泄放量。由于积液量很少，按照火炬泵连续运行15min要求的液相量计算。具体尺寸见图5。

图5 火炬分液罐尺寸图

经过计算，分液罐计算直径Dsk为2.79 m，分液罐实际直径Dk>Dsk，且气相的停留时间6.9s大于液滴的停留时间4.53s，表明液滴在被气相携带出去之前已经到达液相界面，实现液滴的沉降。校核参数为1.69，分液罐直径大于校核参数。气相的有效通过体积为7.8 m2，远大于入口横截面积的3倍。因此此装置的火炬分液罐设计较合理，满足实际应用。但进出口距离与罐直径比值为1.28，较一般值2.5～3.0小。可调整修正。

5 结论

装置火炬分液罐由于处理量小，可采用单流式卧式分液罐。分液罐的工作原理较简单，主要依靠气液相密度差实现重力沉降。火炬分液罐的计算依据SH3009-2013，运用流体力学修正阻力系数计算过程，根据阿基米德准数计算雷诺数避免查图的不准确性，并可编程快速计算。校核中海油某炼厂MTBE装置火炬分液罐，验证其合理性。