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(wú)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(lèi)

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?；鹁娣忠汗薜墓ぷ髟硎沁\(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(lèi)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(wú)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(méi)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(zhǎng)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(lái)，最好將≥300μm液滴也分離下來(lái)，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(lái)。目前SH3009-2013經(jīng)過(guò)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(yáng)離子交換樹(shù)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(wàn)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(jiàn)圖5。

圖5 火炬分液罐尺寸圖

經(jīng)過(guò)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(guò)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?；鹁娣忠汗薜挠?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(guò)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。