空分装置两相流计算方法介绍
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摘要：文章简要介绍了空分装置两相流的计算方法，着重分析了两相流管路管径的选择原则、阀门安装高度的确定以及其他注意事项，对空分装置两相流计算有一定的参考意义。
关键词：两相流；两相流管径；阀门安装高度；气泵
中图分类号：TH134 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）09-0081-02
1 概述
空分装置详细的气液两相流计算是一个十分复杂的过程，需要多专业之间互相协调工作，首先根据详细的流程计算和管道布置进行初步的两相流计算，根据两相流计算结果反过来又去修正流程计算，确定合适的两相流管道管径和阀门安装高度以及具体的阀门技术规格书，根据各工况的两相流计算结果，判断是否需要增设气泵或者液体增压泵，甚至有可能还需要更改空分装置的整体系统设计。
同时，两相流的计算还需考虑装置的投资和运行能耗的影响以及装置的操作维护性和相关安全问题。
2 空分两相流流型调整的方法
在设计中，一般要求两相流的流型为分散流或环状流，避免柱状流和活塞流，以免引起管路及设备的严重振动。柱状流由于大的气泡和大液块交替通过，流体的压降会产生相应的波动，有时高速运动的液块冲击碰撞弯曲的管件以及设备，会引起严重的振动，甚至损坏设备及管道；泡沫流管内由于液膜界面波的扰动大，摩擦压降和重力压降都较大；而环状流和雾状流管内由于液膜界面波的扰动小，重力压降较小，能够保证两相流体低压降稳定的流动。
流型图的横纵坐标为两相的表观动量流通量，而两相流的压力、流量、含气率等流动参数决定表观动量流通量，通过调整两相流体的压力、流量和含气率等参数，可以达到调整流型的目的。但在空分的总体流程设计确定后，两相流体的压力和流量可调整的幅度很小，并且压力的升高直接影响到装置的投资和能耗，而流量是保证空分装置能够达到设计值的前提和保证，因此含气率的调整是唯一行之有效的调节手段。
通过调整含气率，使垂直向上管道内的两相流各段的表观动量流通量都处于可以接受的环状流或者雾状流区域内，或者仅有极少段处于其他区域内。两相流需要进行微分计算，手动计算很难得到理想的计算效果，一般都要编制软件辅助计算。以下示例是膨胀机后液体进入粗氩冷凝器流路的两相流计算。
由以上计算可以看出，该两相流在设计工况运行时可以正常运行，而在50%低负荷工况运行，需额外增设气泵时，两相流的流型才能调整到环状流和泡沫流区域，这样才能正常运行。
具体的调整两相流的含气率主要有以下方法：选择合适的两相流管线管径，必要时需调整局部管径，改变流速，影响阻力；调整阀门的安装高度；增设气泵；增设液氮增压泵；增加流体的过冷度等。
3 液体过冷度调整
通过调整工艺流程计算，尽量增加流体的过冷度，最好能保证节流后不出现两相流或者极小段出现两相流。对于液氮节流进上塔这股流体，上塔顶部产纯氮的流程相对于不产纯氮的流程，两相流更容易通过的原因就是如此，这股液氮在过冷器中能够被纯度过冷到更低的温度。
4 两相流管线管径选择
气液两相流管径的计算，应采用和流型判断相结合的方法，并根据流型判断结果初选管径。选择的管径应使两相流的均相流速小于使管壁受到严重侵蚀的流速，两相混合物的质量流速应小于管道出口端的极限质量流速，管道的摩擦压力降应小于由工艺条件决定的进出口压差。若选用的管路经计算后成为柱状流，对于垂直或倾斜向上的管路，应在摩擦压力降允许的情况下尽量缩小管径，增大流速，使其成为环状流或雾状流。对倾斜向下的两相流管道，宜放大管径使流型转为层流或波状流，也可采取增加旁路、补充气体、增大流量等其他方法来避免。
5 阀门的安装位置
两相流计算的目的之一是把阀门安装在合适的高度以及选择合适的口径，保证在任何工况（包括启动工况和恶劣工况）都能正常运行。阀门安装在合适的高度，确保阀前没有气相或仅包含少量气相，保证在任何工况都尽量避免阀前出现两相流。阀门位置安装得太低，会导致阀后很长一段都有大量两相流，管道的下部流速很低而上部流速又很高。
阀门进口管线流速一般控制在1.2m/s以下；阀门出口管线的上升部分管径的设计要保证两相流能够通过气相携带液相上行（环状流），流速的范围在5～22m/s之间，过高的流速有可能会损坏铝管道，尽管目前还没有实践证明过高的流速损坏铝管道或者带来其他的损坏，但这种风险还是要大于高流速带来的好处（例如可以缩小管径），并且过高的流速也会导致管道的阻力损失过大，分配到阀门的允许压降也会减少（甚至计算上会出现负值），也会增加阀门的成本和影响整个装置的控制；阀门出口管线的下降部分管道的液体主要靠重力来输送，根据过去几年已经正常运行的项目证明，流速尽量控制在3m/s以下。
6 气泵
通过工艺调整液体的过冷度，调整管径和阀门安装高度均不能解决两相流问题时，就需要考虑增设气泵了。根据实际的流程配置，气泵的气源来自热态或冷态的空气或氮气，气源不能影响相关产品的纯度，气体在通过阀后液体管道上开设的小孔，喷射进入液体内，混合改变两相流的含气率。如果气泵需要的气源量比较大时，还需要重新修正工艺流程计算。图2是气泵结构示意图。
7 结语
两相流计算需要综合考虑的因素有很多，每个厂家的设计理念也有所不同。两相流的设计必须考虑空分装置运行的全过程，在装置故障或空分停车情况下，管道里面可能全部充满了液体，两相流被破坏，重新启动时，必须要保证进出口处的压差要能克服进出口位置的高度差。有些工况可能压差不能满足要求，这时就需要额外增加气泵来解决。另外，含气率的调整并不能解决所有的两相流问题，如果通过增设气泵的方法，仍然不能将设计所需要的液体量打入到上部进料点，这时就必须考虑增加液体增压泵，提升液体压力来满足要求。这种方法势必或增加设备的投资和后期的维护成本，需要根据整体的系统设计来权衡选择。
图2 气泵结构示意图
参考文献
[1]HG/T 20570.7-95管道压力降计算[S].
[2]SH/T 3035-2007石油化工企业工艺装置管径选择导则[S].
[3]空分装置两相流基本原理介绍[S].
作者简介：张行东（1979―），男，中国空分设备有限公司设计开发部副经理，工程师，研究方向：空气分离。