低温甲醇洗酸性气冷凝系统水力学计算模型的应用

硫磷设计与粉体工程2016年第3期SP& BMH RELATED ENGINEERING23低温甲醇洗酸性气冷凝系统水力学计算模型的应用孙涛(中石化南京工程有限公司,江苏南京211100)摘要:低温甲醇洗单元酸性气冷凝系统中热再生塔冷凝器因循环冷却水供水不足会导致过量甲醇进入下游硫化氩缓冲罐,会造成一定危害。针对这一问题,借助 Aspen Plus和 Matlab软件,对低温甲醇洗单元中甲醇在上述事故状态下进入下游硫化氢缓冲罐的杋理进行了探讨和分析,并建立了水力学计算模型,为量化分析该现象并避免发生类似事故提供了理论依据。关键词:低温甲醇洗;酸性气冷凝系统;水力学;计算糢型;压降中图分类号:TQ051.502文献标识码:B文章编号:1009-1904(2016)03-0023-031概述2建立水力学计算模型的背景某煤化工装置硫化氢缓冲罐在检修作业时发生2.1酸性气冷凝流程火灾事故,经事故分析确定火灾原因是缓冲罐中甲酸性气冷凝流程如图1所示。来自热再生塔富醇外溢,遇明火作业造成火灾,所幸未造成人员伤含甲醇的酸性气经热再生塔冷凝器降温,其中大部亡。正常操作工况下,上游甲醇洗单元产生的克劳分甲醇冷凝后进入热再生塔回流罐,作为回流液由斯气体中甲醇露点-30℃左右,不会把甲醇带入下热再生塔回流泵打回塔顶。酸性气则由下游一系列游硫回收单元。经原因排査最后确定是因为热再生换热器换热降温,冷凝下来的甲醇进入酸性气冷凝塔冷凝器由于循环冷却水供水不足导致过量甲醇进器,由底部的液相连通管返回热再生塔回流罐,气相入下游。作为克劳斯气经换热升温送至下游硫回收单元。克劳斯气LCWR[CWS]酸性气换热器气氨酸性气一⊙热再生塔冷凝器热再生塔回流泵、-酸性气尾气换热器酸性气冷凝器液氨热再生塔回流罐酸性气分离器回流液图1酸性气冷凝流程示意22过量甲醇进入下游的原因分析循环水供水存在问题时,离开该换热器的甲醇蒸气由上述冷凝流程分析可知,正常操作工况下,酸量上升,导致热再生塔回流罐和酸性气分离器之间性气分离器冷凝下来的液体甲醇在液位差(一个框的管道及换热器沿程阻力增加,使得这两个容器的架的层高,约6m)的作用下,足以克服两个容器的压力差增加。当压差大到一定程度时,两容器间的硫磷设计与粉体工24sP& BMH RELATED ENGINEERING016年第3期性气分离器中甲醇液位上升甚至液泛。μ——液相连通管平衡流速,m/sl管件当量长度,m;3模型建立d液相连通管内径,mAspen Plus软件是由美国 Aspen Tech公司开发T——热再生塔顶冷凝器酸性气出口的通用模拟软件,可用于化工及炼油工艺流程的模温度,℃。拟计算,该软件中包括多种热力学模型和大量的物酸性气分离器和热再生塔回流罐之间的管道及性参数,经几十年的经验累积,其功能不断完善,已阻力元件的相关参数见表1。经发展成为国际上功能最强的商品化流程模拟软件。 Matlab软件是 Math Works公司1984年推出的表1管道及阻力元件的相关参数套高性能的数值计算和可视化软件,该软件推向管道类型市场以来得到了广泛的应用和发展,因其功能强、效气相管道液相连通管率高,在科学计算中发挥着非常重要的作用管道内径d;/mn直管段长/m借助 Aspen Plus软件强大的模拟和工艺计算功弯头数/1能,建立酸性气冷凝流程的水力学计算模型,进行甲设备压降/Pa5604.2醇洗单元酸性气冷凝系统各工艺设备的计算,同时利用 Matlab软件在科学计算便捷高效的特点把上设定酸性气分离器和热再生塔回流罐之间的管述工艺设备的计算结果串联起来并考虑到实际化工道及阻力元件的相关参数;通过 Aspen plus软件模过程中的限制性因素,可以完成 Aspen Plus软件单拟酸性气冷凝流程,得到设备的相关工艺参数;再借独无法完成的功能。助 Matlab软件的强大计算功能,可得到酸性气分离3.1模型建立的理论根据器和热再生塔回流罐之间连通管液体传输能力。从由图1可以看到,酸性气分离器和热再生塔回而实时掌握液体连通管内的液体流动情况,及时控流罐之间有一液相连通管道,该液相连通管道起到制酸性气冷凝器的操作参数,避免发生因热再生塔转移在酸性气分离器冷凝下来的液相甲醇的作用。冷凝器由于循环冷却水供水不足导致过量甲醇进入酸性气分离器和热再生塔回流罐的压力在事故下游的事故发生。工况下(热再生塔冷凝器循环冷却水供水不足)并3.2模型假设条件非固定不变,而是随热再生塔顶冷凝器酸性气出口为简化计算且不引起较大的计算偏差前提下作温度变化。P1P2之间的关系见列伯努利方程23:以下假设:①两个容器间的气相连通管道的压降与Z1+u2/(2g)+1/(pg)=Z2+n21(2g)+2(pg)+H1热再生塔冷凝器出口气体的体积流量成正比;②假(1)设两容器间的液位差相对恒定;③假设来自热再生H1=Au2(l+∑l)/(2gd1)(2)塔酸性气的量不变。f(T)=p2-p(3)式中:Z1—酸性气分离器中正常液位的标高,m;4结果与分析1——酸性气分离器中液体流速,m/s41计算结果g—重力加速度,m/s2采用 Aspen Plus软件建立酸性气冷凝流程的水P1—酸性气分离器压力,Pa;力学计算模型,借助 MATLAB软件的强大计算功p液相甲醇的密度,kg/m3;能,得到酸性气分离器和热再生塔回流罐之间连通Z2——热再生塔回流罐中正常液位的标高,m;管液体的传输能力计算结果,见表2。u2——热再生塔回流罐中液体流速,m/s4.2结果分析P2——热再生塔回流罐压力,Pa;连通管所需液体传输能力是指为维持酸性气分H—压头损失,m;离器液体甲醇的物料平衡不发生液泛需要连通管具2016年第3期孙涛低温甲醇洗酸性气冷凝系统水力学计算模型的应用表2酸性气分离器和热再生塔回流罐之间连通管液体传输能力计算结果热再生塔冷凝器出口温度/℃两个分离器间气体管道压降/kPa液体连通管道平衡流速/m·s1极限传输能力/t·h-1所需传输能力/t·h17.00002,724920.34070.3934985212,638019.69150.624811.78272.577419.239714.20832,499318.656417.31742.395417.88101.192821.40152,25171472434.78482,26980.97587.28422.8682体的传输能力,将表2中的连通管液体流量(即传醇液,导致酸性气分离器内的液位上升,直至液泛进输能力)的计算结果与热再生塔冷凝器岀口温度的人下游硫化氢缓冲罐。关系绘制成图2笔者査阅该装置的运行记录得知,热再生塔冷凝器的出口温度在85℃以上时,酸性气分离器的液连通管极限传输能力位计一直处于满量程状态,从而印证了上述分析4结束语根据低温甲醇洗单元酸性气冷凝系统的水力学模型计算结果和该装置的实际运行情况,笔者得出连通管所需的传输能力以下结论。1对甲醇洗装置热再生塔冷凝器的循环冷却水供应要格外重视,循环水供应不足会导致甲醇以蒸40455055606570758气形式进入下游换热器,加大了下游换热器和酸性热再生塔冷凝器出口温度/℃气分离器的负荷,严重时会导致甲醇外溢进入下游图2液体连通管传输能力硫回收装置,2.酸性气分离器和热再生塔回流罐之间的液体从图2可以看出,随着热再生塔冷凝器出口温连通管道的公称直径通常是DN50,这个管径可以转度的升高,液体连通管的极限传输能力下降,所需传移因循环水供应不足导致在酸性气分离器分离下来输能力上升。这是由于热再生塔回流罐和酸性气分的甲醇。离器之间的气相流量随着热再生塔冷凝器出口温度3.建议酸性气分离器设置高液位报警。的升高而增高,导致两分离器间的气相压降增加,液体连通管的可用压头变小。参考文献:随着热再生塔冷凝器出口温度的升高,连通管[1]刘卫国. MATLAB程序设计与应用[M].北京:高等教育出版极限传输能力呈下降趋势,尤其是70℃以后急剧下社,2006:83-94降;而连通管所需传输能力呈上升趋势,从图2不难2姚玉英化工原理[M.天津:天津大学出版社,199:19-27估计,这两条曲线会在80℃后的某一点相交。说明[3]吴德荣.化工工艺设计手册[M].4版.北京:化学工业出版社液相连通管酸性气分离器冷凝器冷凝下来的甲醇液与转移量相等。作者简介:孙涛(1984-),男,山东青岛人,硕士,国家注册化工工程师,国家注册设备(动力)工程师,长期从事煤化工低温甲随着热再生塔冷凝器出口温度的上升,连通管5051899108