酸性气体脱除装置换热器的布置

杨留振

(中石化宁波工程有限公司，浙江 宁波 315103)

以煤为原料生产的合成气中，都含有不同数量的CO2、H2S以及COS等杂质。为了得到满足后续工艺流程的合成气，需要进一步转化、净化。净化的过程包括溶剂吸收、变压吸附气体分离等技术。酸性气体脱除工艺以其净化度高、选择性好、低成本、负荷处理量大、可循环等优点而被广泛应用于现代煤化工净化装置。

1 酸性气体脱除工艺简述

酸性气体脱除是一种物理吸收过程，发生在低温高压的状态下。该工艺采用甲醇作为溶剂来进行物理吸收。甲醇有选择性的脱除那些对下游装置有害的物质，例如H2S、COS、CO2，并且还脱除微量的杂质，例如HCN。甲醇从20℃降到-40℃时，CO2溶解度约增加6倍，但对H2、CO及CH4等的溶解度变化不敏感；在低温下，例如-40～-50℃时，H2S的溶解度差不多比CO2大6倍，这样就有可能选择性地从原料气中先脱除H2S，而在甲醇再生时先解析CO2[1]。酸性气体脱除装置的主要流程为：合成气冷却、H2S/CO2吸收、中压闪蒸回收有效气、H2S气提富集、热再生、甲醇水蒸馏及尾气洗涤放空等。

2 酸性气体脱除装置换热器布置特点

本文结合典型的工艺流程介绍酸性气体脱除装置中换热设备布置特点。从工艺流程简述中可以看出酸性气体脱除装置主要用到的换热器有绕管换热器、丙烯换热器、再沸器、贫/富甲醇换热器、板式换热器等。

2.1 绕管换热器布置

绕管换热器是一种新型高效节能的换热设备。在酸性气体脱除工艺中，一般尾气/合成气/CO2产品气/变换气多股物料之间换热时采用绕管换热器，绕管换热器因参与的换热介质比较多，相应的设备上管口也比较多。根据绕管换热器的结构特点，其要求同种介质的管线尽量对称设计。所以绕管换热器在布置时除了考虑其工艺特殊要求外还需要注意以下几点：

(1)绕管换热器设备的安装高度应满足工艺流程的要求及设备连接管线的坡度要求。

(2)绕管换热器顶部和底部管口比较多，管线设计要求对称布置，所以布置绕管换热器的框架层间距要满足管线的安装空间、支架设计及通道的要求。

(3)因绕管换热器的管口多，设备吊装时要求的空间比较大，所以布置绕管换热器的框架应充分考虑设备的空间范围。

综述以上特点，绕管换热器布置在工程设计初期阶段就是重点考虑的对象。结合多个项目的设计经验，绕管换热器一般会单独框架设置，这样可以避免换热器管线设计时对其它设备影响，同时也方便设备的安装。对于项目占地受限的时候换热器也会与其它工艺设备同框架布置，需要施工时控制好设备、管线及框架的相对时间顺序。图1是某工程项目两台绕管换热器布置在框架中的设计。

图1 绕管换热器管口示意图

2.2 丙烯换热器布置

丙烯换热器一般为吸收塔的中间换热设备。CO2吸收过程产生热量，使甲醇温度升高，因此在甲醇进入塔下一段之前需要被冷却。通过丙烯在换热器中气化吸热冷却甲醇。丙烯换热器一般采用釜式换热器，此类换热器的布置需要注意以下几点：

(1)换热器应紧靠相关联的塔设备布置，并且安装高度应满足工艺的要求，尽量减少塔中间抽出物料管线的阻力降。

(2)换热器安装高度还应考虑液相丙烯管线的设计，液相丙烯管线设计应结合丙烯制冷装置的设备布置，避免此管线出现”液袋”。此外，设备布置时还应考虑设备管壳的排净口管线安装高度。

(3)丙烯换热器布置时应考虑U型管的抽出空间及检修场地。

2.3 再沸器布置

酸性气体脱除工艺中再沸器主要采用立式再沸器，其主要是给热再生塔、甲醇/水分离塔提供热量，立式再沸器依靠塔釜内的液体静压头和再沸器内两相流的密度差产生推动力形成热虹吸式的运动[2]。立式再沸器布置需要注意以下几点：

(1)再沸器通常位于塔侧面，再沸器与塔的安装高差应由工艺计算确定。

(2)再沸器利用塔体支撑时应根据塔釜内液面的位置设计再沸器的管板尺寸，根据安装高度确定上下管口长度，确定支耳高度时需要考虑设备支撑梁在塔体上的支撑位置，避免设备预埋板与设备焊缝线及塔的梯子平台碰撞。并且保证再沸器上方和下方应有检修空间。再沸器与塔设备中心间距在满足支撑梁安装要求的前提下尽量减少。

(3)再沸器利用框架支撑时，再沸器与塔的相对位置在满足管线柔性的前提下应尽量短而直，减少弯头数量，减少管线阻力降。框架支撑面高度应根据管线柔性计算结果确定。

(4)当一台塔需要两台再沸器并联设置时，再沸器一般以塔为中心对称布置，再沸器的布置除应满足工艺要求外，尚应满足管道布置要求，并便于操作和检修。

(5)再沸器与塔的水平方向布置关系应结合塔板的设置，对于塔釜内设置有挡板时，再沸器的液相和汽相管口应位于挡板一侧，同时还应注意管口与塔釜位置液位计的相对关系。图2为某工程项目中再沸器的布置图。

图2 再沸器塔体支撑和框架支撑

2.4 贫/富甲醇换热器

酸性气体脱除装置中贫/富甲醇换热器一般成组布置，且换热器多采用两台设备重叠布置，根据装置规模不同，换热器的高度也不一致。对于小规模及占地紧凑的工程可以布置在框架下方，框架的高度应满足换热器顶部管线的安装高度。对于大规模装置如果贫/富甲醇换热器布置在框架下方则会造成项目投资上不经济，这就需要单独布置这组换热设备。此组换热器多采用U型管结构，所以换热器在布置时除应考虑设备和管线的安装空间外还应考虑换热器轴线方向上的抽芯及检修空间。

贫/富甲醇换热器布置位置还应结合其管线的设计，特别是设备顶部的放空管线，这部分管线都是含有甲醇、硫化氢等毒性介质需要密闭回收至地下污甲醇罐，管线上设置双阀加盲板，为方便这组阀门的操作一般是在换热器上方设置平台，放空管线的阀门设置在平台上。所以在布置换热器间距时应充分考平台的支撑钢柱和加固横梁的安装空间，如果换热器的数量比较多使设备顶部平台长度超过8 m，则按设计规范的要求需要设置两部可以通往地面的梯子。图3为某项目中贫/富甲醇换热器的布置及设备顶部平台的设置。

图3 贫/富甲醇换热器的布置及顶部平台的设置

2.5 板式换热器

板式换热器一般靠近甲醇/水分离塔设置，换热器布置主要考虑设备管板的拆卸和检修，设备支撑基础设计时应考虑设备移动端的活动空间，与设备有关的管线设计时应留有拆卸短节，避免管线包围设备的情况。

3 结束语

酸性气体脱除工艺流程中换热系统复杂，换热设备繁多，不同的工艺流程有不同的换热特点，不同的流程所用的换热器种类和数量也不一样，本文主要介绍几种特殊换热器布置及在工程项目中的设计经验，希望对以后的工程设计质量、效率有一定的借鉴和提高。