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摘要：随着化工行业的不断发展，化工产品呈现出多元化和高端化的趋势。在化工产品的分离提纯过程中，闪蒸系统被广泛应用。该系统的工艺设计以及管道布置对化工装置的开车情况和产品质量有直接影响。文章以某石化项目为例，对闪蒸系统涉及的关键工艺要点、设备布置情况、管道配管以及应力分析计算进行了研究与探索。
关键词：闪蒸系统；工艺要点；配管；应力分析；石油化工
0引言
在石油化工装置中经常用到闪蒸分离技术[1-2]，对原料进行回收、产品提纯。该工艺基本原理为将液体混合物加热后经过部分汽化分离，该过程是液体的相变过程。当处于一定温度和压力下的混合液体突然进入低压区时，轻组分沸点低于该压力下的组分沸点温度时，就开始进入饱和区汽化，随着压力不断下降，汽化程度随之提升。汽、液混合物在分离器中分离，易挥发组分在分离器顶部分离提浓，经冷凝后收集，难挥发组分在分离器底部得到提浓。本文旨在介绍某化工项目中闪蒸分离工艺及管道配管布置，从而为同类项目中闪蒸分离工艺技术的优化和配管提供参考。
1闪蒸分离系统工艺研究
该系统包括闪蒸罐、输送泵、循环加热器、旋风分离器设备，以及相应的配套公用工程加热介质、鼓泡介质。工艺流程如图1所示。含醇类的中间产品从N1口进入闪蒸罐内，用蒸汽作为热交换介质，通过控制温度、压力进行闪蒸分离工艺，将汽化的醇类物质从产品中分离出来；经N3口进入旋风分离器，再进入冷凝器，分离过程中的冷却液经N4口回流。中间产品液相一路经闪蒸罐底部出料泵输送至下一反应单元，另一路通过循环管线，经循环加热器再返回闪蒸罐，进行循环分离。
1.1设备的选用原则
(1)闪蒸罐需要耐受该工艺的温度和压力以及最高设计工况。
(2)增加搅拌装置。搅拌可以使温度均匀分布，使混合物中的不同成分均匀分布，以加快物质的混合速度。在这个过程中，搅拌还可以防止混合物结块或分层，保证混合物始终处于均匀的状态，防止单向的汽化和凝结，可以优化闪蒸分离的摄热性能，加速混合过程，从而增加分离速率。
(3)闪蒸罐内增加氮气鼓泡盘。在实际运行中，通过开关氮气自控阀的阀门开度，调节氮气流量，借助氮气鼓泡实现强化传热的目的。用氮气在被分离的较难挥发的中间产品鼓泡，从而起到加速搅拌、加剧沸腾的作用。氮气携带大量醇类气体和热量，经中间产品上部的气室进入旋风分离器分离液化，从而加速了中间产品浓缩，降低了汽化温度，节约能耗。
(4)增加外循环换热器工艺。一方面防止闪蒸罐在运行过程中换热能力下降，汽化温度降低，增加换热器之后回流管线温度升高，弥补闪蒸罐换热能力下降的问题。另一方面外循环管线经N5口进入闪蒸罐时采用喷嘴喷射工艺，物料呈喷淋状态进入闪蒸罐，从而增加分离的汽化速率，增大换热面积。
(5)输送泵的选型。本项目选择转子泵输送液体。理由如下：本项目物料黏度较大，含颗粒物；转子泵转子叶轮数目较少，可利用容积较大，吸入阻力小，吸入能力强；转子泵维修更换转子时可不用拆除电机，维修空间较小，占地利用率高。
1.2设备及管道工艺参数
闪蒸系统设备及管道工艺参数如表1所示。
1.3工艺要点
(1)DCS通过控制氮气调节阀的阀门开度，控制气体流量，从而控制鼓泡速度及闪蒸罐内压力平衡。
(2)闪蒸罐的气相出口N3管线管径为DN150，旋风分离器设备的N2口液相回流管线管径经工艺计算为DN40，为防止闪蒸罐被分离的气相从N3口反串到N4口，故液相回流口管线需设置U型弯，并且最低点距离闪蒸罐N4口垂直距离不超过0.5 m，从而保证纯液相顺利回流到闪蒸罐。
(3)由于该系统的物料黏度比较大，并且含有少量颗粒物，故在物料进泵之前设置了直通篮式过滤器，防止过滤器堵塞时无法被巡检人员及时发现，在过滤器前后增加压差表，并经远传信号接入DCS，内操人员可及时发现过滤器堵塞问题，减少化工事故发生。
(4)该装置为连续化生产，故本系统采用双泵一开一备设计。一方面满足企业生产能力，另一方面防止在一台泵损坏的情况下，可启用备用泵，防止安全事故发生。
(5)对泵的出口管线设置了安全阀泄放管线，防止出现超压现象，从而保护转子泵，避免憋压，导致泵受损，影响设备安全。
(6)由于转子泵的内腔转轮占用空间较大，泵腔内部相对密闭，从而在进行管系统吹扫时，气体无法通过泵内腔吹扫泵出口管线，所以该系统还在泵的进出口设置了低点跨线。一方面进行低点排液，另一方面方便进出口管系统吹扫，节省人力。
1.4闪蒸罐管口方位要求
(1)因为N1、N5管口均具有喷射器，液相进料时均为雾沫状态，为防止雾沫随蒸馏的气相进入旋风分离器，影响气相物料的纯度，因此，将N1、N3、N5管口尽量远离，呈正三角形排列，管口方位图如图2所示。
(2)N4口为液相回流口，液相回流时需设置贴壁流，因此注意布置管口方位时要考虑N4口要避开闪蒸罐侧壁上的液位计口等一些侧壁管口。
(3)闪蒸罐配备了搅拌器，设备内部筒体上需要设置均布挡板，注意挡板与侧壁口的位置，防止管口碰撞挡板，影响设备制造施工。
2闪蒸系统设备布置
该装置内闪蒸系统的立面设备布置如图3所示。受场地限制以及工艺要求，闪蒸罐位于EL22.000 m；气液分离罐为满足气液两相的分离，以及液相顺利地回流到闪蒸罐，需将该设备布置在EL29.000 m；两台转子泵布置在EL0.000 m地面，基础标高为EL0.300 m。为满足泵检修要求以及周边人员巡检操作等，两泵基础净间距为1.000 m；循环换热器布置在EL22.000 m，满足工艺要求。因为该系统物料黏度较大、低温易凝固，因此管道需要伴热维持物料温度在90℃。该系统选用的是蒸汽伴热，受限于装置占地面积，本项目采用集成式伴热站，占地面积小，操作方便。
3配管布置
该闪蒸系统配管布置如图4所示。
(1)该系统配管时需考虑人员操作以及工艺要求，满足高点排气、低点排净、不出现袋形等基本要求。因为该物料黏度较大，在配管时尽量满足管道短且直、减少弯头的使用，以免因阻力过大造成管道堵塞，导致管道压力增高，影响设备安全。
(2)目前为闪蒸罐配备一开一备两台泵，配管时需考虑工艺压降问题，从闪蒸罐到泵入口管道步步低进泵，中间尽量减少弯头和U形弯以免影响泵的气蚀余量。同时需考虑切换泵时管道存料问题，因此在切换泵的三通处的两个阀门距离最近，从而可避免切换时管道存料较多，导致检修泵时存料浪费甚至泄漏发生安全事故，危害人身安全。泵前的直通篮式过滤器考虑到易堵塞等问题，在过滤器前后直管段处设置压差表，接入DCS，通过电脑端监控过滤器前后压力的变化，告知巡检人员及时处理问题。因为直通篮式过滤器清洗滤袋时需要操作人员完全提出过滤器筒体，因此过滤器的旁路管线在空间允许的情况下尽量水平布置，若空间不允许，需要垂直布置时要考虑滤袋的抽出空间，以免造成滤袋无法抽出的情形；同时过滤器底部离地最低高度为400 mm。
(3)为保证纯液相中间物料回流到闪蒸罐，旋风分离器的底部液相回流口管线需设置U型弯防止和气相管线串料，并且最低点距离闪蒸罐回流口垂直距离不超过0.5 m。
(4)该闪蒸系统的管线设计温度、设计压力均超过管道机械专业的临界管系所划定的范围，所以本系统配管时不仅要考虑工艺要求，而且要考虑管道的柔性，防止因管道端点位移过大，导致管口力过大，造成设备管口变形或法兰泄漏。同时还需考虑预留支架位置空间，以免后期管机专业经计算之后需要修改管道走向时，出现管道支架安装空间不足、管道调整走向与其余设施碰撞等问题。
4管道应力分析
该闪蒸系统的部分物料管径超过DN150 mm，设计温度为210℃,这部分管道均为首次设计，没有与前期运行良好的管道做对比，因此均需要进行管道详细的应力分析。一方面可提高管道的设计质量、优化配管走向、延长管道使用寿命、提高管道的输送效率，另一方面可避免管道后期运行时由于应力原因导致管道破损等问题。
管道应力分析包括一次应力、二次应力分析[3-4]，一次应力主要包括地震荷载等重力因素以及外部长期压力因素对管道的影响，因为这些因素均可以通过增加支吊架或调整支吊架作用点以及支吊架类型来解决。下面主要分析该闪蒸系统由于管道热胀冷缩等引起的二次应力。
4.1闪蒸罐出口管道应力分析
在该项目中由于闪蒸罐距离地面泵较高，泵出口的循环管线距离循环换热器也较高，这两处位置配管需注意管道柔性，如果采用直上直下的配管方式，管道运行时出现热膨胀，将导致无法吸收管道膨胀量，可能破坏管道，引起泄漏等事故。出现这种设备布置时要考虑自然补偿，增加水平直管段，吸收由于竖直方向热膨胀产生的热位移。闪蒸罐物料出口部分管道应力分析建模如图5所示。
图5中，管道走向存在二次应力问题，闪蒸罐筒体受热时从支耳(固定点)往下膨胀，产生-Y(向下)方向的热位移，而节点1760支架属于承重+x方向导向的刚性支架，此节点处产生+y(向上)方向的热位移，从而导致闪蒸罐管口节点210荷载过大，超过设备要求的许用荷载值。如果不处理可能会导致运行过程中管口损坏，造成泄漏事故。管道布置实际走向已经无法增加弯头或n型，因此，为解决此问题，需要修改1760节点的支架类型，改为弹簧支架，消除热膨胀导致的管口荷载超出许用值的影响。管道节点荷载如表2、表3所示，表2～表5中，Fx为x方向作用力，Fy为y方向作用力，Fz为z方向作用力，Mx为x方向作用力矩，My为y方向作用力矩，Mz为z方向作用力矩。
由表2和表3比较可明显看出，管口210节点的受力显著减小，如果其他项目中出现类似设备布置以及管道走向无法修改时，可按此方法解决热膨胀对管口受力的影响。
4.2转子泵进出口管道应力分析
泵都属于回转精密机械，需要认真考虑管线热膨胀对泵进出口管嘴的影响，因此泵的进出口管道的配管研究尤为重要。管道的热膨胀产生的二次应力荷载一旦超过泵管嘴的许用荷载，很容易引起泵自身结构变形、产生噪音、振动过大等情况，引起泵损坏，影响装置运行。本装置中闪蒸系统配备一开一备两台转子泵，如果交替运行的话，就会因为开停车切换泵时导致冷热相间，泵体连接的进出口管道也会导致冷热相间，冷热管道相互作用热位移量变化较大，因此在进行应力分析时必须考虑到此运行工况。
图6为该闪蒸系统两台转子泵的配管建模情况，由于设计场地受限、布局空间不足以及工艺要求，该配管模型管道走向只能微调，因此主要通过调整支架位置及类型设置来消除二次应力对泵管口荷载的影响。转子泵的管嘴允许荷载一般由设备的厂家提供，如果发现泵厂家设备资料中未体现管口荷载时，需要根据API610进行泵管嘴应力校核。一般按API610要求的3倍执行，同时告知厂家。这样既可以保障管口受力，也能减少已配管道的布置改动以及二次应力计算的难度。
从图6可知，当两台转子泵进出口支架全部为刚性支架时，经应力分析计算得出P-1泵的进口超过了API610要求的3倍，存在管口损坏的危险，具体各管口的受力分析结果如表4所示。
图7所示的是当两台泵的出口管线增加弹簧支架时，各管口的受力分析结果如表5所示。
通过比较表4和表5可看出，增加弹簧支架时，管口荷载均在API60要求的3倍以内，符合设计要求。
在泵的配管设计中，如果空间富余，对工艺要求不高的情况下，可通过设置n型弯、增加弯头数量，从而增大管道柔性，减小管道产生的二次应力；如果空间受限，工艺要求较高时，可通过改变支架类型的方式减小二次应力对管口的影响。
5结语
本文探讨了闪蒸系统整个设计流程，包括工艺研究、设备布置、配管研究及相应的管道应力分析，主要结论有以下3点。
(1)闪蒸系统在工艺设计过程中通过了解物料特性、增加鼓泡、喷淋系统来增加物料传热，满足了业主的设计要求，可高效产出闪蒸气，节约能耗，同时从业者可借鉴研究的工艺要求，提高设计质量。
(2)本设计对设备布置及配管布置进行了优化，解决了场地空间不足的问题，同时在满足工艺要求的前提下，配管更加贴近业主操作习惯，获得业主的认可。
(3)在设计场地受限、布局空间不足以及工艺要求的情形下，可通过调整支架位置及类型设置来消除二次应力对泵管口荷载的影响。
参考文献：
[1]张罡，沈晃宏，何斌鸿.闪蒸技术在氯化铵生产中的应用[J].化肥工业，2007(5)：28-31.
[2]张天健，蒋剑春，陈水根，等.闪蒸技术在甘油生产中的应用[J].生物质化学工程，2010，44(1)：31-33.
[3]于大鹏.石油化工管道应力分析[J].化工设计通讯，2023，49(2)：13-15.
[4]刘俞瀚.石油化工管道设计中基于应力分析的柔性设计[J].石化技术，2019，26(1)：316.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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石化项目闪蒸系统的工艺及布置研究论文
人参与 2025-01-15 10:46:24 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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