低温甲醇洗装置气液两相流管线的布置

姚凯

（华陆工程科技有限责任公司，西安710065）

1 引言

低温甲醇洗是一种被广泛应用的气体净化工艺，常用于脱除煤制合成气中的CO2、H2S等。但是正因为有大量气体溶解于甲醇当中，在一定情况下，管道介质会呈气液两相流的形态，使管道产生剧烈振动，造成管道、设备和仪表组件的损坏。因此，低温甲醇洗中气液两相流管道的布置具有特殊性和重要性。

2 气液两相流的特点

气体和液体在管道中一起混合流动的情况称为气液两相流。不同压力和流速条件下，两相流介质的流态呈现较大差异。

气液两相流介质在垂直管道内的流动形态随着气体流量的变化而呈现泡状流、弹状流、块状流和环状流。水平管道内气液两相的流动与竖直管道内的流动纯在差异。在重力作用下，液相和气相分别倾向于在管道底部和顶部流动。因此，随着气液两相流速的变化，会出现环状流、弹状流、波状流、分层流、塞状流和泡状流[1]。

两相流管道的振动与流体的流型关系密切，环状流在垂直管道和水平管道的流动形式较稳定，管道振动也就较小；分层流在水平管道中，由于流速慢气液两相分布相对独立，流动形式最稳定，振动也很小；塞状流和弹状流形态则容易造成管道较为剧烈的振动。因此，可以从管道布置方面减少管线压力或流速波动，改善两相流介质的流型状态，达到减少振动的目的。

3 气液两相流管线的布置

3.1 液袋对气液两相流管线的影响

低温甲醇洗中气液两相流管线中含有甲醇和酸性气体等多种相态的介质，如果管道出现局部低点，则甲醇液体就会在此聚集。当介质流速较低时，甲醇有可能充满管道低点，形成柱塞，如图1a所示；随后气体把低点中的甲醇推走，形成图1b所示的状态；接下来又有甲醇聚集在低点中，气液两相重复图1a和图1b中所示的状态，最后形成块状流，如图1c所示。气体频繁地冲击着低点中的积液，碰撞管件，造成管道振动。

在水平管段中发生块状流的流速范围很大，很难完全避免。特别是既有水平管段又有垂直向上管段时，更加难以避免块状流的出现[2]。所以在进行设备布置和管道布置时，应使两相流管线尽量“步步高”或“步步低”至下游设备，避免出现液袋。

图1 气液两相流在液袋管道中的流型图

3.2 立管的布置

气液两相流管道竖直爬升时，应缩小立管的管道直径，增大介质流速，从而保持环状流的流态。这种流动状态比较稳定，甲醇液体贴着管道内壁流动，气体则沿管中心高速流动，可以避免介质形成块状流引起管线振动。所以在立管上翻弯头处开始缩径，增大气液两相介质流动的转弯半径，减小对弯头处的冲击，从而削弱管道的振动。

3.3 减压阀的布置

吸收了酸性气体的富甲醇经过减压阀后，压力降低，富甲醇闪蒸出部分酸性气体从而容易产生两相流。因此，富甲醇介质通过的调节阀组应靠近其下游设备布置，尽量减少两相流管道的长度和弯头数量，同时在减压阀前后设置限位支架，防止管道振动。

减压阀的出口极易出现闪蒸，严重冲刷破坏阀门的阀芯和阀座，导致阀门的关闭性能降低，影响阀门的运行寿命[3]。基于上述原因，将调节阀形式调整为角式结构（侧进底出），可大大减缓闪蒸现象所造成的阀门损坏，提高阀门的运行使用寿命。

3.4 换热器的管道布置

在两相流介质流动时，介质的流量很难通过仪表准确测出，无法靠调节阀连锁来控制流量[4]。因此，如果两相流管线进出换热器有多个管口时，应保证管道对称布置，使各分支管线流量相同，避免偏流，以达到最好的换热效果，同时使得每条支管的受力对称、均匀。如果设备管口较大，且距离较近，没有足够的空间实现对称分布，也要尽量使各支管的压力降保持接近。

3.5 附塔管线的布置

低温甲醇洗装置中两相流管线主要围绕变换气洗涤塔、未变换气洗涤塔、H2S浓缩塔和热再生塔。前文指出管道上升时缩小管径，有利于避免管线的振动。但是处于两相流状态的富甲醇进入塔体后，又会因为流速过快对塔产生较大的冲击，引起塔的振动。所以富甲醇管道在进塔之前应恢复至原管径，同时在管径扩大后设置一段水平管，使气液两相在进塔之前有更好的分离效果。

气液两相流的附塔管线在立管低点采用缩径，使之形成稳定流动的环状流；然后在进塔弯头前的立管上扩径，使之对弯头的冲击力度减小，可以极大地减轻管线的振动。另外，使用双45°弯头连接，降低管线阻力降。

3.6 管道支吊架的设计

由于气液两相流管道不可避免会产生振动而且本装置的气液两相流管道大部分都是低温管道，所以其管支架的设置不同于普通管道的支架。

1）刚性支撑避免采用吊杆，吊杆无法约束管线的振动。

2）弹簧支撑可以解决管道冷热位移问题，但是对管道的约束非常弱，十分不利于气液两相流管道的防振。因此，气液两相流管线的支撑中尽量少用弹簧架，通过管道的自身补偿来吸收冷热应力。

3）设置必要的导向和限位支架可以有效地强化气液两相流管线的约束条件，提高管道的固有频率，避免因为流体激振力频率接近固有频率而产生共振。

4）在介质流型发生较大改变的位置处设置半固定或固定支架，可以削减管道振动的幅度。

5）低温管道设置管架时应考虑使用隔冷块，以避免冷量的损失。同时，为了避免两相流管线的振动，支架及隔冷块必须具备一定的刚度及硬度，防止管道出现振动时管架发生变形和脱落。

4 结语

在低温甲醇洗装置中，气液两相流管线数量多，影响气液两相状态的因素也很多，很难采用精确的模型分析计算管道的实际流动形式。但是可以通过合理的配管布置，避免介质出现不利的流形，降低管道出现振动的风险。