楊留振

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

以煤為原料生產(chǎn)的合成氣中，都含有不同數(shù)量的CO2、H2S以及COS等雜質(zhì)。為了得到滿足后續(xù)工藝流程的合成氣，需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)化、凈化。凈化的過程包括溶劑吸收、變壓吸附氣體分離等技術(shù)。酸性氣體脫除工藝以其凈化度高、選擇性好、低成本、負(fù)荷處理量大、可循環(huán)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代煤化工凈化裝置。

1 酸性氣體脫除工藝簡述

酸性氣體脫除是一種物理吸收過程，發(fā)生在低溫高壓的狀態(tài)下。該工藝采用甲醇作為溶劑來進(jìn)行物理吸收。甲醇有選擇性的脫除那些對(duì)下游裝置有害的物質(zhì)，例如H2S、COS、CO2，并且還脫除微量的雜質(zhì)，例如HCN。甲醇從20℃降到-40℃時(shí)，CO2溶解度約增加6倍，但對(duì)H2、CO及CH4等的溶解度變化不敏感；在低溫下，例如-40～-50℃時(shí)，H2S的溶解度差不多比CO2大6倍，這樣就有可能選擇性地從原料氣中先脫除H2S，而在甲醇再生時(shí)先解析CO2[1]。酸性氣體脫除裝置的主要流程為：合成氣冷卻、H2S/CO2吸收、中壓閃蒸回收有效氣、H2S氣提富集、熱再生、甲醇水蒸餾及尾氣洗滌放空等。

2 酸性氣體脫除裝置換熱器布置特點(diǎn)

本文結(jié)合典型的工藝流程介紹酸性氣體脫除裝置中換熱設(shè)備布置特點(diǎn)。從工藝流程簡述中可以看出酸性氣體脫除裝置主要用到的換熱器有繞管換熱器、丙烯換熱器、再沸器、貧/富甲醇換熱器、板式換熱器等。

2.1 繞管換熱器布置

繞管換熱器是一種新型高效節(jié)能的換熱設(shè)備。在酸性氣體脫除工藝中，一般尾氣/合成氣/CO2產(chǎn)品氣/變換氣多股物料之間換熱時(shí)采用繞管換熱器，繞管換熱器因參與的換熱介質(zhì)比較多，相應(yīng)的設(shè)備上管口也比較多。根據(jù)繞管換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其要求同種介質(zhì)的管線盡量對(duì)稱設(shè)計(jì)。所以繞管換熱器在布置時(shí)除了考慮其工藝特殊要求外還需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)繞管換熱器設(shè)備的安裝高度應(yīng)滿足工藝流程的要求及設(shè)備連接管線的坡度要求。

(2)繞管換熱器頂部和底部管口比較多，管線設(shè)計(jì)要求對(duì)稱布置，所以布置繞管換熱器的框架層間距要滿足管線的安裝空間、支架設(shè)計(jì)及通道的要求。

(3)因繞管換熱器的管口多，設(shè)備吊裝時(shí)要求的空間比較大，所以布置繞管換熱器的框架應(yīng)充分考慮設(shè)備的空間范圍。

綜述以上特點(diǎn)，繞管換熱器布置在工程設(shè)計(jì)初期階段就是重點(diǎn)考慮的對(duì)象。結(jié)合多個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，繞管換熱器一般會(huì)單獨(dú)框架設(shè)置，這樣可以避免換熱器管線設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其它設(shè)備影響，同時(shí)也方便設(shè)備的安裝。對(duì)于項(xiàng)目占地受限的時(shí)候換熱器也會(huì)與其它工藝設(shè)備同框架布置，需要施工時(shí)控制好設(shè)備、管線及框架的相對(duì)時(shí)間順序。圖1是某工程項(xiàng)目兩臺(tái)繞管換熱器布置在框架中的設(shè)計(jì)。

圖1 繞管換熱器管口示意圖

2.2 丙烯換熱器布置

丙烯換熱器一般為吸收塔的中間換熱設(shè)備。CO2吸收過程產(chǎn)生熱量，使甲醇溫度升高，因此在甲醇進(jìn)入塔下一段之前需要被冷卻。通過丙烯在換熱器中氣化吸熱冷卻甲醇。丙烯換熱器一般采用釜式換熱器，此類換熱器的布置需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)換熱器應(yīng)緊靠相關(guān)聯(lián)的塔設(shè)備布置，并且安裝高度應(yīng)滿足工藝的要求，盡量減少塔中間抽出物料管線的阻力降。

(2)換熱器安裝高度還應(yīng)考慮液相丙烯管線的設(shè)計(jì)，液相丙烯管線設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合丙烯制冷裝置的設(shè)備布置，避免此管線出現(xiàn)”液袋”。此外，設(shè)備布置時(shí)還應(yīng)考慮設(shè)備管殼的排凈口管線安裝高度。

(3)丙烯換熱器布置時(shí)應(yīng)考慮U型管的抽出空間及檢修場地。

2.3 再沸器布置

酸性氣體脫除工藝中再沸器主要采用立式再沸器，其主要是給熱再生塔、甲醇/水分離塔提供熱量，立式再沸器依靠塔釜內(nèi)的液體靜壓頭和再沸器內(nèi)兩相流的密度差產(chǎn)生推動(dòng)力形成熱虹吸式的運(yùn)動(dòng)[2]。立式再沸器布置需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)再沸器通常位于塔側(cè)面，再沸器與塔的安裝高差應(yīng)由工藝計(jì)算確定。

(2)再沸器利用塔體支撐時(shí)應(yīng)根據(jù)塔釜內(nèi)液面的位置設(shè)計(jì)再沸器的管板尺寸，根據(jù)安裝高度確定上下管口長度，確定支耳高度時(shí)需要考慮設(shè)備支撐梁在塔體上的支撐位置，避免設(shè)備預(yù)埋板與設(shè)備焊縫線及塔的梯子平臺(tái)碰撞。并且保證再沸器上方和下方應(yīng)有檢修空間。再沸器與塔設(shè)備中心間距在滿足支撐梁安裝要求的前提下盡量減少。

(3)再沸器利用框架支撐時(shí)，再沸器與塔的相對(duì)位置在滿足管線柔性的前提下應(yīng)盡量短而直，減少彎頭數(shù)量，減少管線阻力降。框架支撐面高度應(yīng)根據(jù)管線柔性計(jì)算結(jié)果確定。

(4)當(dāng)一臺(tái)塔需要兩臺(tái)再沸器并聯(lián)設(shè)置時(shí)，再沸器一般以塔為中心對(duì)稱布置，再沸器的布置除應(yīng)滿足工藝要求外，尚應(yīng)滿足管道布置要求，并便于操作和檢修。

(5)再沸器與塔的水平方向布置關(guān)系應(yīng)結(jié)合塔板的設(shè)置，對(duì)于塔釜內(nèi)設(shè)置有擋板時(shí)，再沸器的液相和汽相管口應(yīng)位于擋板一側(cè)，同時(shí)還應(yīng)注意管口與塔釜位置液位計(jì)的相對(duì)關(guān)系。圖2為某工程項(xiàng)目中再沸器的布置圖。

圖2 再沸器塔體支撐和框架支撐

2.4 貧/富甲醇換熱器

酸性氣體脫除裝置中貧/富甲醇換熱器一般成組布置，且換熱器多采用兩臺(tái)設(shè)備重疊布置，根據(jù)裝置規(guī)模不同，換熱器的高度也不一致。對(duì)于小規(guī)模及占地緊湊的工程可以布置在框架下方，框架的高度應(yīng)滿足換熱器頂部管線的安裝高度。對(duì)于大規(guī)模裝置如果貧/富甲醇換熱器布置在框架下方則會(huì)造成項(xiàng)目投資上不經(jīng)濟(jì)，這就需要單獨(dú)布置這組換熱設(shè)備。此組換熱器多采用U型管結(jié)構(gòu)，所以換熱器在布置時(shí)除應(yīng)考慮設(shè)備和管線的安裝空間外還應(yīng)考慮換熱器軸線方向上的抽芯及檢修空間。

貧/富甲醇換熱器布置位置還應(yīng)結(jié)合其管線的設(shè)計(jì)，特別是設(shè)備頂部的放空管線，這部分管線都是含有甲醇、硫化氫等毒性介質(zhì)需要密閉回收至地下污甲醇罐，管線上設(shè)置雙閥加盲板，為方便這組閥門的操作一般是在換熱器上方設(shè)置平臺(tái)，放空管線的閥門設(shè)置在平臺(tái)上。所以在布置換熱器間距時(shí)應(yīng)充分考平臺(tái)的支撐鋼柱和加固橫梁的安裝空間，如果換熱器的數(shù)量比較多使設(shè)備頂部平臺(tái)長度超過8 m，則按設(shè)計(jì)規(guī)范的要求需要設(shè)置兩部可以通往地面的梯子。圖3為某項(xiàng)目中貧/富甲醇換熱器的布置及設(shè)備頂部平臺(tái)的設(shè)置。

圖3 貧/富甲醇換熱器的布置及頂部平臺(tái)的設(shè)置

2.5 板式換熱器

板式換熱器一般靠近甲醇/水分離塔設(shè)置，換熱器布置主要考慮設(shè)備管板的拆卸和檢修，設(shè)備支撐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮設(shè)備移動(dòng)端的活動(dòng)空間，與設(shè)備有關(guān)的管線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留有拆卸短節(jié)，避免管線包圍設(shè)備的情況。

3 結(jié)束語

酸性氣體脫除工藝流程中換熱系統(tǒng)復(fù)雜，換熱設(shè)備繁多，不同的工藝流程有不同的換熱特點(diǎn)，不同的流程所用的換熱器種類和數(shù)量也不一樣，本文主要介紹幾種特殊換熱器布置及在工程項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，希望對(duì)以后的工程設(shè)計(jì)質(zhì)量、效率有一定的借鑒和提高。