低温甲醇洗工艺是利用甲醇在低温下对酸性气体溶解度大的特性，脱除原料气中酸性气体的一种气体净化工艺，属于典型物理吸收过程。由于吸收的选择性好、气体的净化度高、甲醇热稳定性和化学稳定性都较好、甲醇廉价易得等优势，低温甲醇洗工艺广泛应用于合成氨、合成甲醇及其他羰基合成、城市煤气、工业制氢和天然气脱硫等气体净化装置中［1］。
1工艺流程
国外典型的低温甲醇洗工艺有Linde流程和Lurgi流程，两种流程在设备配置和换热网络方面各有特点［2］。国内以大连理工大学为代表的低温甲醇洗工艺二十多年来也取得了巨大的成就，完全实现了装置的国产化。具体低温甲醇洗工艺流程见图1。本文针对该工艺流程设计和现场操作时出现的影响安全和正常运行的问题进行总结分析，并提出解决方案，以供类似装置参考。
2问题分析与解决方案
2.1氨冷器闪蒸空间及气氨管道设计
低温甲醇洗装置配套的制冷工艺主要为氨或丙烯蒸发制冷。我公司设计的以氨为制冷剂的某氨合成项目开车时，氨压缩机组负荷始终无法提升，经逐项排查后确认为甲醇洗装置氨冷器出口和氨压缩机进口分离器在管廊上形成液袋导致开车时压缩机打气量不足，影响后续装置的安全稳定运行。现场改造时，由于管廊改造难度大，只能通过增加气液分离器将管道内积液排出。而造成管道积液的原因为开车阶段液位波动较大，气氨中夹带的部分液滴在低点积聚最终导致压缩机打气量不足。氨冷器多采用BKM或BKU型式。对于此类型换热设备，壳程上部分离空间的大小是影响换热器正常运行的一个关键因素。如果分离空间太小，则会造成严重的液相夹带，影响系统运行;如果分离空间太大，则会导致设备成本的增加和装置结构框架投资的增加。在装置的开车阶段或操作负荷波动较大时，由于气氨中夹带的液相较多而导致装置无法正常运行的现象发生。为防止液相夹带的发生，尾花英朗建议从最上面的传热管中心线到壳体顶部的距离不应小于壳径的40%［3］，而E．E．Ludwig则建议按下表1中的原则选取［4］。低温甲醇洗装置的氨冷设备，由于冷热物料的温差较小，沸腾传热的热流率一般在8000(Btu/(ft2•h))以下。根据以往装置的设计和运行情况，建议将壳径与管束直径的比值设计为约1.6∶1，并在气相出口内侧增加隔板防止液滴夹带，从而保证装置良好的运行效果。对于气氨管道的设计，在设备布置和管道布置时应预先考虑管线低点和管道3‰～5‰整体坡向以避免“液袋”的出现，尤其与管廊交接部分，确保管道由管廊坡向氨冷器或坡向氨分离器。
2.2CO2吸收塔上段段间冷却器换热管材质选择
CO2吸收塔顶部贫甲醇进料温度为－50～－55℃，由于吸收过程是一个放热过程，贫甲醇吸收酸性气体后温度逐渐上升。为确保良好的吸收效果，通过塔上段设置氨冷器对甲醇进行降温。氨冷器为釜式换热器，液氨－40℃蒸发制冷，管侧高压富甲醇进口为－26.7℃，出口为－33℃。在工程设计中，根据操作条件，氨冷器的管程设计温度一般取－45/50℃，材质选用低温合金钢。在几个装置开车时，由于变换气气量较小而吸收甲醇量较大，导致酸性组分在吸收塔中下部已被吸收完全，此时吸收塔上部进氨冷器甲醇极易出现操作温度低于设计温度的情况，存在安全隐患。此种情况在装置低负荷运行时也会出现，尤其是和液氮洗装置联运时。经系统做安全性分析，设计时将换热器管程的材质由低温合金钢改为不锈钢。这样虽然会增加部分装置投资，却可有效避免因温度过低而可能引起的安全问题。在设计过程中，不应只考虑装置在正常操作时的工况，还要多考虑非正常工况下可能出现的超温、超压等情况，尤其要充分利用HAZOP分析的原理和方法来综合评判以确定合理的设计条件，确保装置安全稳定运行。
2.3尾气放空管道的设计与选材
2.3.1设计脱硫脱碳装置来自C04解吸塔的尾气一般选择复热且经C07塔洗涤后装置内高点放空。在设备布置时，应预先考虑尾气管道走向，将C07塔布置在最高的塔附近，以便放空尾气出塔后就近沿塔向上至高点放空，这样既可避免管道可能因跨越管廊造成的液袋，又能很好的解决管道的支撑问题。对于改造装置或配管时无法避免液袋的情况，建议在低点加排液并增设液位指示报警，定期排液，以保证装置的安全运行。尾气在装置内排放时还应考虑低温甲醇洗装置与其他装置的相对位置和距离。如中央控制室、空分装置等。尤其要注意与空分装置进气口的相对位置，避免因空气中CO2超标引起空分装置跳车。某运行装置就曾因空分装置与低温甲醇洗装置放空管道距离过近、空气中CO2超标而引起冷箱堵塞，进而导致全厂大面积停车。上述项目的尾气排放在改造时经核算管道阻力并明确烟囱的排放压力和设计能力后并入热电装置烟囱排放，改造后尽管阻力增加引起的C07塔和C04塔系统的憋压(在可接收范围)以及管线增长导致的投资增加，但是从深层次解决了因布置缺陷而隐藏的问题。2.3.2选材低温甲醇洗放空尾气管道的选材一定要考虑各种腐蚀因素的影响。排放尾气的主要成份为CO2，以某合成氨项目低温甲醇洗装置为例，尾气温度12.06℃，压力0.11MPa(A)，气量62150Nm3/h，气体组分见表2。经C07塔洗涤后，排放尾气中又饱和且夹带了部分水分，此种情况下，19酸性CO2气体对管道的腐蚀已不容忽视。尾气放空管道的材质选择主要有碳钢和不锈钢两种。但由于尾气放空管道管径大、管线长、不锈钢造价高等因素，国内业主多倾向于采用碳钢管道加大腐蚀裕量的措施以降低投资。这种方法是以牺牲管道使用寿命为代价的，长期运行还存在安全风险。综合比较安全性和投资还是建议采用不锈钢材质。据相关资料显示［5］，榆林能化公司采用钢塑复合管来解决放空尾气管道腐蚀问题取得了良好的效果，不仅延长了管道的使用寿命，而且投资只有不锈钢管道的1/3，多年来管道运行状况良好，该方案在以后的设计过程中值得借签。
2.4两相流管道的设计
低温甲醇洗装置整体分为高压吸收、中压闪蒸、低压解吸等几部分。循环甲醇在减压过程中会解吸部分溶解气体，呈现出气液两相流动状态。气液两相流体在管道和设备内流动形态复杂多变，能形成多种流型，并且各处的密度不完全相同，在流体流动速度和流动方向发生变化时很容易引起管系的剧烈振动，严重影响装置的安全运行，是设计过程中特别需要注意的地方。某300kt/a甲醇改造项目，由于在设计时未对两相流管道进行仔细核算，造成装置中压闪蒸塔进解吸塔液位调节阀后DN200的垂直管道振动厉害，影响装置的正常运行。具体参数和组成见表3和表4。查阅工艺包条件可知，调节阀后压力为0.75MPa(G)。经计算得出Fr=13.03，Fv=0.769，对应流型为柱状流，不符合工程设计要求，在后续改造过程中，将管径改为DN150，计算结果对比见表5。在后续改造过程中将管道支架也进行了加固和限位，至此，该管道再未出现振动。对两相流管道的设计应从系统设计和管道设计两方面进行考虑。在系统设计时，应按照HG20570.7或者SH/T3035对管径进行计算并对流型进行判断，避免发生管路及设备振动，两相流的流型应为分散流或环状流、雾状流，避免柱状流和活塞流，从根源上避免振动的产生。在管道布置时，一方面在满足应力的前提下应尽量减少弯头数量。由于弯头是被流体冲刷最厉害的部分，故不采用短半径弯头，而三通加管帽的形式会形成盲端，不宜推荐使用;另一方面要加强管道自身的防振措施，减少弹簧的使用数量，能用支架的地方尽量不用吊架，在适当的位置设置导向和限位支架提高管道的自振频率。同时，在管道布置时高压系统到低压系统的自控调节阀如氨冷器液位控制阀、系统退液阀、解吸塔富甲醇流量计和液位阀应尽量靠近低压侧设备布置，缩短两相流管段长度，避免引起振动。
2.5酸性气浓度问题
甲醇洗装置的酸性气处理目前以制硫磺、硫酸和硫铵为主。克劳斯硫回收燃烧炉运行的最低温度要求不低于930℃，则酸性气中的H2S体积分数不能低于20%［6］。低温甲醇洗装置一般要求出口酸性气中H2S保证值≥25%(vol)。但是从实际运行情况来看，很少有厂家的酸性气量和H2S含量能同时达到设计保证值。为保证酸性气中H2S含量，需打开酸性气提浓管线，但随着H2S含量上升，很容易导致C04塔尾气中H2S超标，不能达到尾气排放标准要求。某300kt/a甲醇项目，由于装置运行时酸性气的气量和酸性气中H2S含量都远低于设计值，导致燃烧炉和克劳斯反应器无法正常运行，最后不得不对原流程进行改造，使酸性气不经过燃烧炉和克劳斯反应器，直接进直接氧化反应器进行反应，但造成的结果是产品硫磺品质不好，克劳斯装置尾气排放也不达标，需进行二次处理，且造成多台设备闲置，装置投资增加。由于酸性气量和H2S含量与气化装置使用的煤种有直接关系，虽然企业使用煤种具有不确定性，但设计时还是应该根据企业的实际情况及经验，确定设计煤种，使酸性气量和H2S含量有一可靠的数值，以确保后续装置的正常运行。
3结语
本文对低温甲醇洗装置设计和运行过程中出现的各种问题进行了总结分析，并为类似装置的设计、安全生产及稳定运行提供了以下参考方案:(1)釜式氨蒸发器壳径与管束直径比值建议为1.6∶1，并在气相出口内侧增加隔板。(2)CO2吸收塔上部段间氨冷器的管程材质建议选用不锈钢材料。(3)尾气放空管道材质建议按不锈钢或钢塑复合管设计。(4)两相流管道设计时判断流型和重视管道自振问题。(5)硫回收装置设计时一定要根据项目用煤的实际情况确定装置规模，以保证装置的正常运行。
作者：冯德林 袁本旺 田征 单位：航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司
