火炬分液罐設(shè)計(jì)計(jì)算研究

馬興亮，王增輝，韓 雪

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101)

火炬系統(tǒng)是用于處理無法再回收利用的可燃或可燃有毒的氣體或蒸汽的燃燒設(shè)施，多用于煉油廠、石油化工廠等，對(duì)工廠的安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)有著重要的作用。各裝置安全閥放空排放的氣體中帶有液相或者固體，若不移除放空管線中攜帶的凝液量，會(huì)導(dǎo)致液滴被夾帶到火炬造成下火雨。因此增加火炬分液罐有利于火炬系統(tǒng)管網(wǎng)運(yùn)行，保證火炬安全。同時(shí)便于對(duì)火炬系統(tǒng)的凝液回收處理[1]。

1 火炬分液罐的工作原理及分類

1.1 火炬分液罐的工作原理

氣液兩相分離根據(jù)分離動(dòng)力差異可分為重力分離、慣性分離與旋流分離。火炬分液罐的工作原理是運(yùn)用氣液兩相密度差實(shí)現(xiàn)兩相的重力分離,即液滴所受重力大于其所受的浮力時(shí),液滴向下運(yùn)動(dòng)，液滴被氣相帶出罐體前到達(dá)火炬分液罐底部，實(shí)現(xiàn)分離。

1.2 火炬分液罐類型

圖1 臥式罐示意圖

(1)臥式罐(圖1)：臥式罐筒體水平放置，氣相進(jìn)料從容器的一端頂部進(jìn)入而從另一端的頂部排出(內(nèi)部無擋板)，臥式罐又分單流式與雙流式：?jiǎn)瘟魇郊匆粋€(gè)進(jìn)口。氣體的入口和出口分設(shè)在容器兩端的頂部，內(nèi)部沒有擋板。雙流式即二個(gè)入口，氣相由水平方向的兩端輸入，從中心出口排出。

(2)立式罐(圖2)：立式罐筒體豎直放置，氣相出口管在容器頂部，進(jìn)料管在容器中部水平進(jìn)料；為了保證氣體的方向朝下，在火炬氣入口處要加設(shè)擋板。

圖2 立式罐示意圖

火炬分液罐選擇臥式罐還是立式罐要綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本，工藝條件以及具體使用工況。臥式罐適用于液相含量高、氣相量大、安裝空間大的條件下使用。雙流式臥式罐可減小筒體直徑，但會(huì)增加罐長度，因此當(dāng)DK>3.6m時(shí)才采用。立式罐占地面積小，高位架設(shè)較方便，且有效氣液分離的空間較大，中間的混合層可以連續(xù)分離，但液面穩(wěn)定性小，因此適用于液相含量低，空間狹小的情況下使用[2]。

2 火炬分液罐工藝管道設(shè)計(jì)

(1)分液罐的分離能力為至少將≥600μm的液滴分離下來，最好將≥300μm液滴也分離下來，盡量減少液滴夾帶。

(2)分液罐體積為火炬氣連續(xù)排放20～30min凝結(jié)液體積與氣液分離所需的體積。

(3)分液罐應(yīng)設(shè)置進(jìn)氣管、出氣管、排凝液管、放水管、蒸汽吹掃管、放空管、人孔以及梯子、平臺(tái)等，分液罐應(yīng)設(shè)液位計(jì)、高液位報(bào)警、和壓力表。

(4)臥式分液罐內(nèi)最高液面之上氣體流動(dòng)的截面積應(yīng)大于入口管道橫截面積的3倍。

(5)罐體設(shè)計(jì)壓力不低于0.35MPa(G)，外壓不得小于30kPa。

(6)設(shè)計(jì)完善的凝液回收輸送措施，可采用泵送。

(7)如果有可能出現(xiàn)兩種液相且須分離時(shí)，則需設(shè)集液包，集液包直徑宜為500～800 mm，不宜大于罐體直徑的1/3且不得小于300 mm。集液包高度不宜小于500 mm。

(8)如果排放溫度低或粘稠的物料，在氣溫低時(shí)易凍結(jié)，則須設(shè)伴熱設(shè)施[3]。

圖3 火炬分液罐工藝管道設(shè)計(jì)

3 火炬分液罐計(jì)算方法

火炬分液罐的計(jì)算主要是確定火炬分液罐的直徑，當(dāng)液滴在分液罐中停留的時(shí)間大于或等于液體粒子下落所需的時(shí)間，并且流體流速低至允許液滴下落時(shí)，液體粒子便分離出來。目前SH3009-2013經(jīng)過更新后與API521的計(jì)算方法基本一致。均需要估算。運(yùn)用流體力學(xué)的知識(shí)，將液滴在氣體中的阻力系數(shù)公式化，消除查表的誤差，并且實(shí)現(xiàn)程序化。方便準(zhǔn)確快速的計(jì)算。

計(jì)算依據(jù)：臨界分離直徑為600um。

分液罐積液體積為火炬連續(xù)排放25min產(chǎn)生的凝液體積[3]。

臥式分液罐直徑需試算，當(dāng)DSk≤Dk，假定的Dk就是臥式分液罐的直徑。

Dsk-試算臥式分液罐直徑，m；a-罐內(nèi)液面高度與罐直徑比值；b-罐內(nèi)液體截面積與罐總截面積比值；qv-入口氣體流量，Nm3/h；p-操作條件下的氣體壓力，kPa；φ-系數(shù)，宜取2.5～3.0；Uc-液滴沉降速度，m/s；Dk-假定的分液罐直徑，m；Lk-氣體入口至出口的距離，m；g-重力加速度，取9.81 m/s2；dl-液滴直徑，m；ρl-操作條件下液滴密度，kg/m3；ρv-操作條件下氣體密度，kg/m3；C-液滴在氣體的阻力系數(shù)；ql-分液罐內(nèi)儲(chǔ)存的凝液體積，m3；

液滴在氣體中的阻力系數(shù)C為計(jì)算火炬分液罐直徑的難點(diǎn)。

μ-氣體粘度，cp；Re-雷諾數(shù)；

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范采用查圖的方法得到阻力系數(shù)，但查圖法具有誤差且不可程序化。引入流體力學(xué)阿基米德準(zhǔn)數(shù)Ar判斷兩相流流型及計(jì)算雷諾數(shù)。

當(dāng)Ar≤36時(shí)，

Re=0.056×Ar；

當(dāng)36≤Ar≤83000時(shí)，

Re=0.056×Ar0.714；

當(dāng)Ar≥83000時(shí)，

Re=1.74×Ar0.5。

計(jì)算出臥式分液罐的直徑后按下式進(jìn)行校核，并滿足臥式分液罐內(nèi)最高液面之上氣體流動(dòng)的截面積大于入口管道橫截面積的3倍。

q-操作條件下入口氣體流量，m3/s；Vc-臥式分液罐內(nèi)氣體水平流動(dòng)的臨界流速，m/s；其值由圖4查的。

圖4 臥式罐內(nèi)氣體水平流動(dòng)臨界流速

4 MTBE裝置分液罐校核計(jì)算

MTBE作為提高汽油辛烷值主要的添加劑，由C4餾分中的異丁烯與工業(yè)甲醇在大孔強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂催化劑發(fā)生加成反應(yīng)，生成甲基叔丁基醚，簡(jiǎn)稱MTBE。下面校核中海油某煉廠10萬t/a MTBE裝置的火炬分液罐。

經(jīng)裝置安全閥計(jì)算得知，本裝置最大泄放量為停水停電條件下。最大泄放量為催化蒸餾塔上塔C-102的塔頂泄放量。由于積液量很少，按照火炬泵連續(xù)運(yùn)行15min要求的液相量計(jì)算。具體尺寸見圖5。

圖5 火炬分液罐尺寸圖

經(jīng)過計(jì)算，分液罐計(jì)算直徑Dsk為2.79 m，分液罐實(shí)際直徑Dk>Dsk，且氣相的停留時(shí)間6.9s大于液滴的停留時(shí)間4.53s，表明液滴在被氣相攜帶出去之前已經(jīng)到達(dá)液相界面，實(shí)現(xiàn)液滴的沉降。校核參數(shù)為1.69，分液罐直徑大于校核參數(shù)。氣相的有效通過體積為7.8 m2，遠(yuǎn)大于入口橫截面積的3倍。因此此裝置的火炬分液罐設(shè)計(jì)較合理，滿足實(shí)際應(yīng)用。但進(jìn)出口距離與罐直徑比值為1.28，較一般值2.5～3.0小。可調(diào)整修正。

5 結(jié)論

裝置火炬分液罐由于處理量小，可采用單流式臥式分液罐。分液罐的工作原理較簡(jiǎn)單，主要依靠氣液相密度差實(shí)現(xiàn)重力沉降。火炬分液罐的計(jì)算依據(jù)SH3009-2013，運(yùn)用流體力學(xué)修正阻力系數(shù)計(jì)算過程，根據(jù)阿基米德準(zhǔn)數(shù)計(jì)算雷諾數(shù)避免查圖的不準(zhǔn)確性，并可編程快速計(jì)算。校核中海油某煉廠MTBE裝置火炬分液罐，驗(yàn)證其合理性。