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摘要：本文根据煤制甲醇低温甲醇洗工艺技术的特点，对其中气液两相流管道布置在本工段设计时的一些特殊要求进行探讨，以供类似项目工程设计的参考。
关键词：低温甲醇洗、气液两相流、管道布置
煤制合成气低温甲醇洗工艺是一种气体净化工艺。该工艺用冷甲醇作为酸性气体的吸收剂，在一定压力和低温条件下，把变换气中所含的酸性气体如：CO2、H2S等脱除。由于此工艺技术成熟，在工业上有着很好的应用业绩。目前，国内以煤为原料建成的大型甲醇装置中净化工艺也大都采用这一技术。
1．低温甲醇洗的工艺特点
低温甲醇洗已被广泛用于煤制合成气的酸性气体脱除。它是一种物理洗涤法。甲醇在低于–30℃时，吸收CO2、H2S等酸性气体的溶解度增加，因此，低温是该工艺过程的关键所在[3]。另外由于甲醇中溶有大量气体，所以在大多数情况下，管道中的介质状态呈气液两相流的态势，因其复杂的流动过程决定了气液两相流的管道布置也有特殊的要求。一旦管道布置不当就会引起管道严重振动，从而导致管道和设备的破坏。并且在低温条件下，为保证管道材料在低温时的韧性，本工段管道材料多采用含镍的低合金钢，这种材质价格昂贵，因此在做管道布置时要在满足工艺流程和管道应力要求的前提下，对气液两相流管道要特别认真布置并且要尽量考虑其经济性。鉴于此，本文以工程实例中低温甲醇洗工段为例，论述在这个工段中气液两相流管道布置的一些特殊要求和注意事项。
2．气液两相流的定义及特点
液体及其蒸汽或组分不同的气体及液体在管道中一起流动的现象称为气液两相流。前者称为单组分气液两相流，后者称为多组分气液两相流。气液两相流在动力、化工、石油、冶金等行业最为常见。气液两相流有多种流动形态：泡状流、弹状流、环状流、块状流等，因此气液两相流流动过程比单相流流动过程更为复杂。
对于垂直管道上的气液两相流动，当气体流量小,气泡尺寸远小于管道尺寸时,易形成泡状流；
当气体流量较小,气泡尺寸接近于管道尺寸时,易形成弹状流；
当气体流量较大,气泡尺寸接近于管道尺寸时,易形成块状流；
当气体流量进一步增大,气体流速较高时,形成外圈为液膜、中心为气芯的环状流。
对于水平的气液两相流动，流型与垂直流动的流型不一样，由于重力的影响，液相趋于管道底部流动，造成流动不对称性，因而更复杂。水平流动的气泡流与垂直流动时的类似，只是气泡趋于在管道上部流动，当含气率提高，则出现气塞，形成塞状流。分层流出现在气相和液相的流速都比较低的情况下，气相在管道上部流动，液相在管道下部流动，两者之间有比较光滑的交界面，当气相流速高度一定程度时，在气相和液相的交界面上会产生波纹，形成波状流，如果气相流速进一步提高，则液波会加大，最终触及管道顶部，断开气相，导致气弹出现，形成弹状流。
环状流在垂直管道和水平管道的流动形式较稳定，振动较小；而分层流在水平管道流动形式中，由于流速慢气液两相分布相对独立，振动最小。同一根气液两相流管线在水平管、垂直管中会有不同的流动形式，从而带动管道的振动形式和振幅也会不同。
3．管道布置对气液两相流管线的影响
3．1液袋的布置对气液两相流管线的影响
由于气液两相流管线是由气体和液体两种流体组成，如果配管时形成液袋，则液体就会在低点积聚，当介质流动速度过低时，有可能充满低点管道，接下来后面的气体则会把低点所积聚的液体推走，接下来又会有液体在低点积聚，气体再把液体推走，如此反复，最后形成块状流，这种情况下，气体以比液体平均速度大得多的速度推着液体流动，碰撞回弯管件，形成激振力，从而引起管道的严重振动。
3．2立管的布置对气液两相流管线的影响
在气液两相流管道布置时，在工艺允许的前提下，立管的管径应比水平管的管径小，以提高介质流速，使之形成环状流。在这种情况下，液体呈膜状沿管内壁流动，气体则沿管中心高速流动，部分液体为雾状而被气体带走。这种流动的形式比较稳定，可以避免介质在低速下形成的块状流所带给管道的振动情况。所以最好是在立管弯头处加异径管，异径管加在垂直管道上，使气液两相介质流动的转弯半径大，可以减小对弯头处的冲击，从而减小管道的振动。异径管管径可与工艺专业商量决定。
3．3调节阀的布置对气液两相流管线的影响
两相流管道中的调节阀如果结构形式为直通式，则阀的出口极易产生闪蒸现象，闪蒸会对阀门的阀芯产生严重的冲刷破坏，使阀芯和阀座接触处及附近都会被冲蚀，阀门地关闭性能随之严重降低，最终影响阀门的运行寿命。基于上述原因，建议与仪表专业协商，更改调节阀的结构形式。比如调节阀形式改为角式结构（侧进底出），通过这种改进，可大大减缓闪蒸现象所造成的阀门损坏，提高阀门的运行使用寿命。在此注意调节阀组布置时要留出足够的空间。
3．4换热器的管道布置对气液两相流管线的影响
在两相流介质流动时，测量仪表不能准确测量流量，也不能靠阀门来调节流量，因此对进换热器和出换热器的两相流管线，应采用对称布置，使流体被平均分配到两个支管中，以达到最好的换热效果，同时使得每条支管的受力对称、均匀。
3．5塔的管道布置对气液两相流管线的影响
低温甲醇洗工段的管道布置，主要是围绕两个低温吸收塔（甲醇吸收塔、再吸收塔）和一个高温解析塔（热再生塔）进行，因此塔的管道布置就显得尤为重要。塔的管道布置和其他设备的管道布置相比，其特点是首先要满足工艺和塔内塔盘的布置要求，管口方位布置的合理与否对管道布置的优化，操作、检修的方便，是否经济等有很大的影响。因此，从事塔的管道设计需要对塔的内部结构，塔的操作进行充分的了解，并进行精心的考虑。下面着重探讨一下气液两相流管道进塔的管口方位的确定和配管的要求。
3．6管道支吊架对气液两相流管线的影响
由于气液两相流管道不可避免会产生振动而且本工段的气液两相流管道大部分都是低温管道，所以其管支架的设置不同于普通管道的支架。一般刚性支撑采用支架，不采用吊架，吊架对管道振动的约束较弱。
弹簧支撑为解决管道冷热位移问题而被采用几乎不可避免，但在气液两相流管线的支撑中尽量少用弹簧架，弹簧架对管道振动的约束作用非常弱，十分不利于气液两相流管道的防振，解决方法就是合理的规划管道走向以减小管道的冷热位移，并恰当的选择支撑位置。
4．工程实例探讨
在某搬迁一体化项目中，业主提出由于CO2产品塔和H2S浓缩塔之间的气液两相流管线管口标高较高，管径大等特点，如果将调节阀管线布置在主框架上，会使调节阀后的气液两相流管线振动带动着主框架振动，大大提高了日后开车生产和人员操作的危险性。
经过与结构专业协商，在两塔之间设计独立框架，所有两塔之间的气液两相流管线的调节阀都设计在独立框架上。这样在设计上满足管道应力的前提下，不仅使调节阀后的管道至进塔管口的距离缩短，还使调节阀后的管线弯头数量减少，同时也便于在独立框架上的管道支架的生根，从而使得气液两相流管线的振动减到最小。由于主框架与小框架相对独立，这就使得之前气液两相流管线振动带动主框架振动的问题得到的解决，此方案也得到了业主的认可。
5．总结
影响气液两相流动的因素很多，实际的流动形式也非常复杂和随机，难以进行精确的管道振动分析和评定。但是可以通过工艺的优化和合理的配管布置使得气液两相流管线的振动尽量的减小。
综上所述，对于煤制甲醇低温甲醇洗工段来说，在满足工艺要求的前提下，气液两相流管道布置也要特别注意。
参考文献：
[1]王显炎等.Linde与Lurgi低温甲醇洗工艺流程分析[J].煤化工2010.38.(1)
[2]李波，沈贵生等.低温甲醇洗工艺在兖矿国宏50万t甲醇应用[J].化工技术与开发.2009.38.(12)