低溫甲醇洗酸性氣冷凝系統水力學(xué)計算模型的應用

硫磷設計與粉體工程2016年第3期SP& BMH RELATED ENGINEERING低溫甲醇洗酸性氣冷凝系統水力學(xué)計算模型的應用孫濤(中石化南京工程有限公司,江蘇南京21100摘要:低溫甲醇洗單元酸性氣冷凝系統中熱再生塔冷凝器因循環(huán)冷卻水供水不足會(huì )導致過(guò)量甲醇進(jìn)入下游硫化氬緩沖罐,會(huì )造成一定危害。針對這一問(wèn)題,借助 Aspen Plus、和 Matlab軟件,對低溫甲醇洗單元中甲醇在上述事故狀態(tài)下進(jìn)入下游硫化氫緩沖罐的杋理進(jìn)行了探討和分析,并建立了水力學(xué)計算模型,為量化分析該現象并避免發(fā)生類(lèi)似事故提供了理論依據。關(guān)鍵詞:低溫甲醇洗;酸性氣冷凝系統;水力學(xué);計算模型;壓降中圖分類(lèi)號:TQ051.502文獻標識碼:B文章編號:1009-1904(2016)03-0023-031概述2建立水力學(xué)計算模型的背景某煤化工裝置硫化氫緩沖罐在檢修作業(yè)時(shí)發(fā)生2.1酸性氣冷凝流程火災事故,經(jīng)事故分析確定火災原因是緩沖罐中甲酸性氣冷凝流程如圖1所示。來(lái)自熱再生塔富醇外溢,遇明火作業(yè)造成火災,所幸未造成人員傷含甲醇的酸性氣經(jīng)熱再生塔冷凝器降溫,其中大部亡。正常操作工況下,上游甲醇洗單元產(chǎn)生的克勞分甲醇冷凝后進(jìn)入熱再生塔回流罐,作為回流液由斯氣體中甲醇露點(diǎn)-30℃左右,不會(huì )把甲醇帶入下熱再生塔回流泵打回叫塔頂。酸性氣則由下游一系列游硫回收單元。經(jīng)原因排査最后確定是因為熱再生換熱器換熱降溫,冷凝下來(lái)的甲醇進(jìn)入酸性氣冷凝塔冷凝器由于循環(huán)冷卻水供水不足導致過(guò)量甲醇進(jìn)器,由底部的液相連通管返回熱再生塔回流罐,氣相入下游。作為克勞斯氣經(jīng)換熱升溫送至下游硫回收單元克勞斯氣LCWR[CWS]酸性氣換熱器酸性氣熱再生塔冷凝器熱再生塔回流泵酸性氣尾氣換熱器酸性氣冷凝器液氨熱再生塔回流罐酸性氣分離器回流液圖1酸性氣冷凝流程示意中國煤化工22過(guò)量甲醇進(jìn)入下游的原因分析循CNMHG該換熱器的甲醇蒸氣由上述冷凝流程分析可知,正常操作工況下,酸量上廾,導致熱冉生塔凹流罐和酸性氣分離器之間性氣分離器冷凝下來(lái)的液體甲醇在液位差(一個(gè)框的管道及換熱器沿程阻力增加,使得這兩個(gè)容器的架的層高,約6m)的作用下,足以克服兩個(gè)容器的力差增加。當壓差大到一定程度時(shí),兩容器間的壓力差流入熱再生塔回流罐。在熱再生塔冷凝器的液相連通管會(huì )來(lái)不及轉移冷凝下來(lái)的甲醇,導致酸硫磷設計與粉體工程24sP& BMH RELATED ENGINEERING2016年第3期性氣分離器中甲醇液位上升甚至液泛。μ1——液相連通管平衡流速,m/s3模型建立l管件當量長(cháng)度,md-—液相連通管內徑,mAspen Plus軟件是由美國 Aspen Tech公司開(kāi)發(fā)T——熱再生塔頂冷凝器酸性氣出口的通用模擬軟件,可用于化工及煉油工藝流程的模溫度,℃。擬計算,該軟件中包括多種熱力學(xué)模型和大量的物酸性氣分離器和熱再生塔回流罐之間的管道及性參數,經(jīng)幾十年的經(jīng)驗累積,其功能不斷完善,已阻力元件的相關(guān)參數見(jiàn)表1。經(jīng)發(fā)展成為國際上功能最強的商品化流程模擬軟件。 Matlab軟件是 Math Works公司1984年推出的表1管道及阻力元件的相關(guān)參數套髙性能的數值計算和可視化軟件,該軟件推向管道類(lèi)型項目名稱(chēng)市場(chǎng)以來(lái)得到了廣泛的應用和發(fā)展,因其功能強效氣相管道液相連通管率高,在科學(xué)計算中發(fā)揮著(zhù)非常重要的作用。管道內徑d;/mm直管段長(cháng)/m借助 Aspen Plus軟件強大的模擬和工藝計算功彎頭數/1能,建立酸性氣冷凝流程的水力學(xué)計算模型,進(jìn)行甲設備壓降/kPa0醇洗單元酸性氣冷凝系統各工藝設備的計算,同時(shí)利用 Matlab軟件在科學(xué)計算便捷高效的特點(diǎn)把上設定酸性氣分離器和熱再生塔回流罐之間的管述工藝設備的計算結果串聯(lián)起來(lái)并考慮到實(shí)際化工道及阻力元件的相關(guān)參數;通過(guò) Aspen plus軟件模過(guò)程中的限制性因素,可以完成 Aspen Plus軟件單擬酸性氣冷凝流程,得到設備的相關(guān)工藝參數;再借獨無(wú)法完成的功能。助 Matlab軟件的強大計算功能,可得到酸性氣分離3.1模型建立的理論根據器和熱再生塔回流罐之間連通管液體傳輸能力。從由圖1可以看到,酸性氣分離器和熱再生塔回而實(shí)時(shí)掌握液體連通管內的液體流動(dòng)情況,及時(shí)控流罐之間有一液相連通管道,該液相連通管道起到制酸性氣冷凝器的操作參數,避免發(fā)生因熱再生塔轉移在酸性氣分離器冷凝下來(lái)的液相甲醇的作用。冷凝器由于循環(huán)冷卻水供水不足導致過(guò)量甲醇進(jìn)入酸性氣分離器和熱再生塔回流罐的壓力在事故下游的事故發(fā)生工況下(熱再生塔冷凝器循環(huán)冷卻水供水不足)并3.2模型假設條件非固定不變,而是隨熱再生塔頂冷凝器酸性氣出口為簡(jiǎn)化計算且不引起較大的計算偏差前提下作溫度變化。P1P2之間的關(guān)系見(jiàn)列伯努利方程23:以下假設:①兩個(gè)容器間的氣相連通管道的壓降與Z1+u2/(2g)+P1/(pg)=2+21(2g)+2(g)+H熱再生塔冷凝器出口氣體的體積流量成正比;②假(1)設兩容器間的液位差相對恒定;③假設來(lái)自熱再生H1=An2(+∑L)/(2gd1)(2)塔酸性氣的量不變。f(T)=p2=P1(3)式中:Z——酸性氣分離器中正常液位的標高,m4結果與分析1——酸性氣分離器中液體流速,m/4.1計算結果g——重力加速度,m/s2;采用 Aspen plus軟件建立酸性氣冷凝流程的水P—酸性氣分離器壓力,Pa;力學(xué)計算模型,借助 MATLAB軟件的強大計算功p液相甲醇的密度,kg/m3能,得到酸性氣分離器和熱再生塔回流罐之間連通Z2——熱再生塔回流罐中正常液位的標高,m;管u2——熱再生塔回流罐中液體流速,m/saH中國煤化工見(jiàn)表2。CNMHGP2——熱再生塔回流罐壓力,Pa;連通管所需液體傳輸能力是指為維持酸性氣分H壓頭損失,m;離器液體甲醇的物料平衡不發(fā)生液泛需要連通管具λ——摩擦系數,1備的液體傳輸能力。為了方便直觀(guān)地分析連通管液2016年第3期孫濤低溫甲醇洗酸性氣冷凝系統水力學(xué)計算模型的應用表2酸性氣分離器和熱再生塔回流罐之間連通管液體傳輸能力計算結果熱再生塔冷凝器出口溫度/℃兩個(gè)分離器間氣體管道壓降kPa液體連通管道平衡流速/m·s-極限傳輸能力/h-所需傳輸能力/t·h17,00002,72490.39342.686020.05019,85212,638019.69150.624l1.78272.577414.20832,499318.656417.31742.39541788102,251747242.040682146.58250.97587.28422.8682體的傳輸能力,將表2中的連通管液體流量(即傳醇液,導致酸性氣分離器內的液位上升,直至液泛進(jìn)輸能力)的計算結果與熱再生塔冷凝器岀口溫度的人下游硫化氫緩沖罐。關(guān)系繪制成圖2。筆者査閱該裝置的運行記錄得知,熱再生塔冷凝器的出口溫度在85℃以上時(shí),酸性氣分離器的液連通管極限傳輸能力位計一直處于滿(mǎn)量程狀態(tài),從而印證了上述分析4結束語(yǔ)蘭樂(lè )枷黑根據低溫甲醇洗單元酸性氣冷凝系統的水力學(xué)模型計算結果和該裝置的實(shí)際運行情況,筆者得出連通管所需的傳輸能力以下結論。1.對甲醇洗裝置熱再生塔冷凝器的循環(huán)冷卻水供應要格外重視,循環(huán)水供應不足會(huì )導致甲醇以蒸氣形式進(jìn)入下游換熱器,加大了下游換熱器和酸性熱再生塔冷凝器出口溫度/℃氣分離器的負荷,嚴重時(shí)會(huì )導致甲醇外溢進(jìn)入下游圖2液體連通管傳輸能力硫回收裝置。2.酸性氣分離器和熱再生塔回流罐之間的液體從圖2可以看出,隨著(zhù)熱再生塔冷凝器出口溫度的升高,液體連通管的極限傳輸能力下降所需傳連通管道連通管道的公稱(chēng)直徑通常是DN50,這個(gè)管徑可以轉移因循環(huán)水供應不足導致在酸性氣分離器分離下來(lái)輸能力上升。這是由于熱再生塔回流罐和酸性氣分離器之間的氣相流量隨著(zhù)熱再生塔冷凝器出口溫度的甲醇3.建議酸性氣分離器設置高液位報警的升高而增高,導致兩分離器間的氣相壓降增加,液體連通管的可用壓頭變小參考文獻隨著(zhù)熱再生塔冷凝器出口溫度的升高,連通管[1]劉衛國. MATLAB程序設計與應用[M].北京:高等教育出版極限傳輸能力呈下降趨勢,尤其是70℃以后急劇下社,2006:83-94降;而連通管所需傳輸能力呈上升趨勢,從圖2不難21姚玉英化周里M天津:天津大學(xué)出版社19819-27估計,這兩條曲線(xiàn)會(huì )在80℃后的某一點(diǎn)相交。說(shuō)明3中國煤化工4版北京:化學(xué)工業(yè)出版社CNMHG液相連通管酸性氣分離器冷凝器冷凝下來(lái)的甲醇液與轉移量相等作者簡(jiǎn)介:孫濤(1984-),男,山東青島人,碩士,國家注冊化工工程師,國家注冊設備(動(dòng)力)工程師,長(cháng)期從事煤化工低溫甲隨著(zhù)熱再生塔冷凝器出口溫度的上升,連通管醇洗工序的設計和改造,電話(huà):150518908內不能及時(shí)轉移酸性氣分離器冷凝器冷凝下來(lái)的甲(收稿日期:2016-04-26)