袁雪

（华油惠博普科技股份有限公司北京分公司，北京 100088）

二氧化碳具有在常温下以气态的形式呈现，经加压降温后比较容易液化的特性，根据这一固有特性将二氧化碳原料气冷凝液化、精馏提纯等手段，可以产生纯度达到99%以上的液态二氧化碳[1-2]。二氧化碳驱作为低渗透油田提高采收率的一项关键和实用技术发展迅速，油藏条件下，二氧化碳具有易流动、降粘、体积膨胀、降低界面张力的作用，在低渗透油藏开发有效补充地层能量、提高驱油效率方面表现出独特的优势[3-4]。气体二氧化碳通过管道输送或收集装置送至液化提纯装置进行处理，成品液体二氧化碳可作为油田注入剂，有效地驱油和提高石油的采油率，也可作为碳捕获后的产物在地层封存，减少气体二氧化碳对环境的影响[5-6]。

本文以齐鲁分公司100万吨/年二氧化碳回收利用项目中二氧化碳液化提纯装置的模块化设计为例，结合工艺、操作、施工等因素，对装置工艺流程和总体布置进行了简要的概述。对设计过程中的管道材质及工艺阀门设计选型要点进行了分析。以模块化及撬装化技术应用为目标，阐述并分析了装置内的管道设计及其布置、保冷管架及保冷材料的设计选型要点。在满足标准规范的基础上，优化了装置内设备的布置，使得装置具有较高的模块化、撬装化，为类似装置的工程设计提供有益的借鉴。

1 二氧化碳液化提纯装置概述

1.1 工艺流程

如上所述，二氧化碳在常温下以气态的形式呈现，经加压降温后比较容易液化。本装置采用2.5MPa/-25℃加压冷却、液化二氧化碳的处理工艺，流程如图1所示。来自上游煤制气装置的排放尾气（CO2＞90mol%），首先进入压缩单元经增压后，二氧化碳气体经溴化锂冷却水机组冷却降温，依次经过干燥脱水、冷凝液化、精馏提纯等工艺过程获得液态CO2产品进入储罐区储存。工艺过程中二氧化碳的冷凝采用丙烯制冷装置。

图1 二氧化碳液化提纯工艺流程

1.2 总体布置原则

二氧化碳液化提纯装置的设备布置，以撬装化和单体布置相结合的方式为技术原则、采用三层框架平台布置的方式为设计基础。框架的地面一层主要布置塔器、立式容器、撬装设备和泵、膨胀机与重量较大的液化器。塔器和立式容器的设备间距按照规范要求，两塔之间的净距不宜小于2.5m，除应满足管道、平台、仪表和小型设备等布置和安装的要求外，尚应满足操作、检修等的需要[7]。二层框架平台布置热交换器与两套撬装设备，U型管式热交换器在平台一侧预留出抽芯空间为原则。三层框架平台布置塔顶冷凝器、安全阀放空阀组。装置内设备布置以塔器和立式设备中心线对齐、塔器和立式容器类放在装置外侧为主要原则，使其设备人孔、卸料口便于检修并设置了检修平台。主要装置设备布置如图2所示。

图2 模块化提纯装置设备布置

1.3 装置布置的特点及优势

通过采用模块化集成技术，提高了装置的撬装化和可运输性，有效缩短了现场工期。在保证合理的运输尺寸与操作要求的情况下，最大程度采用设备撬装化技术，形成了如分子筛阀组撬、进站缓冲罐阀组撬、再生气电加热器撬等设备。装置内的管线采取在工厂内预制的方式，预留焊口到现场进行安装，以减少现在的安装工作量，缩短现场施工时间。

2 管道材质的设计要点分析

2.1 管道材质设计选型

干燥的二氧化碳气体没有腐蚀性，常规二氧化碳表现出的腐蚀性，主要是其溶于水生成碳酸而引起的电化学腐蚀所致[8-10]。本工程介质中CO2为干气，经检测气体含水率仅100ppm，只需考虑再生气分液罐连接管线处湿CO2腐蚀。根据业主要求，按照国标进行材料选取，采用Class系列法兰标准[11]。管道材料选择结果见表1：

表1 管道材料选择原则及结果

2.2 工艺阀门选型原则

根据工艺要求和经济性能要求，装置内起关断作用的阀门以闸阀、蝶阀、球阀为主。

介质设计温度在-20～-50℃之间的闸阀、球阀，闸板和球体要求在入口段（介质上游）设置泄压孔，避免阀门在关闭情况下，阀腔内介质因升温升压膨胀将阀门破坏。

介质设计温度在-20～-50℃之间的闸阀、截止阀，设计为阀杆加长结构。加长杆结构最大目的就是为了减少冷损，保证填料密封及操作安全顺畅，加长杆阀盖结构可便于保冷施工，并使填料压盖处于保冷层外，有利于需要时随时紧固压盖螺栓，也有利于添加填料时无需破开保冷层。

3 装置内管道设计的要点分析

装置内主要以原料气入口温度为8℃及其他过程介质温度在8℃～-50℃的低温管道、分子筛再生流程的设计温度260℃的高温管道，以及膨胀机和屏蔽泵附属管道三类管道，即低温管道、高温管道、动设备管道。这些管道设计不同于常规的设计，都具有其相应的要求和设计特点。

3.1 低温道设计

低温管线弯头处应力最大，弯头处最易脆裂，不宜在弯头处焊接管道支吊架。工艺阀门安装时，低温阀的阀杆向上安装，低温阀的阀杆较长，安装阀门要留出足够的空间。

3.2 高温管道设计

分子筛再生流程的管道设计温度为260℃，需结合应力分析结果调整管道柔性和选择合理的管架类型。如：再生气管线增加π弯、分子筛塔顶管线承重管架要附塔等。

3.3 动设备外接管道设计

膨胀机附属管道既是动设备管道又是低温管道，该部分应注意管道柔性和选择合理的管架类型。如：泵进口管道汇管要有足够的柔性弯，泵进出口管道上要有限位管架等。膨胀机附带的高位油箱润滑油系统管道设计时应注意以下几点：1 润滑油管道要选用不锈钢材质，保证管道内壁洁净度；2 高位油箱与机组供油总管相接管道应短而直，减少弯头，不得出现U型；3 为便于润滑油管道去污清洗及酸洗钝化，管道应分段用法兰连接，管道最长短不宜大于4m，每根管道弯头数量不应多于2个。

4 保冷材料的选型及管架设计要点分析

4.1 保冷管架设计

低温保冷管道支架采取防止产生“冷桥”的措施。当低温管道水平敷设时，比较常规的做法是在管道底部垫有木块或硬质保冷材料块，以免管道中冷量损失。低温管道弯头处应力最大，不宜在弯头处焊接管道支吊架。管道支架类型选择有：承重架、滑动架、导向架、限位架等，根据不同的工况进行选择[12]。装置中保冷管架设计以带PIR隔冷块的耳轴、成品PIR管托为主。

4.2 管道保冷材料的选择

管道及设备的保冷、防结露和减震降噪材料选用丁腈橡胶发泡制品，保冷结构采用多层的柔性橡胶保冷材料错缝包裹形成保冷层，接缝处的粘接应采用柔性保冷材料专用胶水。结果见表2。

表2 保冷材料选择原则及结果

5 结语

该液化提纯模块化装置已在齐鲁分公司100万吨/年二氧化碳回收利用项目中实施，通过对工程设计过程的分析，作者认为：

1）装置模块化设计是中小型石油化工装置的设计趋势，也为未来碳中和装置的设计提供了新的设计思路，技术及经济意义重大；

2）在满足标准规范的基础上，模块化设计优化了装置内设备的布置与管道走向，保障了装置的结构紧凑，具有较高的撬装化；

3）管道选材需考虑湿二氧化碳环境对金属的腐蚀，应考虑采用奥氏体不锈钢等类型材料；

4）低温和高温管道的设计应结合材料的特性和介质的特性将进行特殊的设计；

5）低温保冷管道容易产生冷桥及管道脆裂等，其管道支架的选型及跨距应结合应力分析计算等重点设计。