趙相頗 段賢勇 萬(wàn)秀梅 楊 紅 李 潔 袁順海

(中國(guó)石油西南油氣田公司川中油氣礦磨溪天然氣凈化廠)

磨深1井50×104m3/d脫水、脫烴裝置即將建成投產(chǎn)，裝置采用丙烷壓縮制冷工藝、導(dǎo)熱油系統(tǒng)提供熱量，醇回收工藝采用刮板薄膜蒸發(fā)器法。由于丙烷壓縮制冷橇、導(dǎo)熱油加熱橇為成套設(shè)備采購(gòu)，在試車開(kāi)產(chǎn)過(guò)程中均由廠家負(fù)責(zé)調(diào)試、運(yùn)行及現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，開(kāi)產(chǎn)操作難度不大。但刮板薄膜蒸發(fā)器在輕烴行業(yè)從未使用過(guò)，缺乏現(xiàn)場(chǎng)操作經(jīng)驗(yàn)，而貧乙二醇的加注量又是關(guān)鍵參數(shù)之一，若加注量不足容易在原料氣預(yù)冷器中發(fā)生冰堵，加注量過(guò)大又會(huì)導(dǎo)致三相分離器醇腔液位升高過(guò)快，從而增加刮板薄膜蒸發(fā)器的負(fù)荷，增大熱量需求及能耗，且對(duì)脫水效果造成影響，使乙二醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)不到≥80%的要求。通過(guò)對(duì)醇常規(guī)再生法和刮板薄膜蒸發(fā)器法進(jìn)行比較，介紹了刮板薄膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)原理，計(jì)算出乙二醇加注量理論值，在實(shí)際操作和理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，探索最佳操作參數(shù)，從而指導(dǎo)裝置的生產(chǎn)運(yùn)行。

1 裝置概況

脫水、脫烴工藝主要分為淺冷工藝和深冷工藝，深冷工藝通常以回收液化氣和穩(wěn)定輕烴為目的，而淺冷工藝通常以滿足烴、水露點(diǎn)的要求為目的[1]。磨深1井50×104m3/d脫水、脫烴裝置采用淺冷工藝回收穩(wěn)定輕烴。由于目前原料氣處于試采階段，只需滿足試采期間天然氣外輸?shù)臒N、水露點(diǎn)要求，其工藝為注乙二醇抑制劑+外制冷，即在原料氣中注入乙二醇抑制劑，再通過(guò)外部制冷，在-10 ℃的條件下將天然氣中的水和重?zé)N冷凝分離，產(chǎn)品氣復(fù)熱后外輸，分離出的烴液復(fù)熱至20 ℃左右進(jìn)行三相分離，富乙二醇進(jìn)入再生系統(tǒng)，凝液帶壓進(jìn)入輕烴穩(wěn)定塔，塔頂出來(lái)的氣體含C3、C4穩(wěn)定氣，其體積流量為2.83×104m3/d，摻入2.5×104m3/d商品氣后外輸至遂寧輕烴站進(jìn)一步回收液化氣，塔底生產(chǎn)的穩(wěn)定輕烴質(zhì)量流量為230 kg/h。

2 醇回收工藝方法及原理

2.1 乙二醇再生工藝流程

裝置采用刮板薄膜蒸發(fā)器工藝再生乙二醇。來(lái)自低溫分離單元的富乙二醇溶液在預(yù)過(guò)濾器中除去雜質(zhì)，再通過(guò)液液聚結(jié)器回收乙二醇中的少量輕烴，進(jìn)入富乙二醇溶液緩沖罐緩存后，由富液加料泵打入薄膜蒸發(fā)器，蒸發(fā)出來(lái)的氣體經(jīng)氣相出口外排，富液被逐漸濃縮后，進(jìn)入貧乙二醇溶液儲(chǔ)罐，然后通過(guò)注醇泵增壓后注入原料氣管道，見(jiàn)圖1。

2.2 刮板薄膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)及原理

2.2.1刮板薄膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)

刮板薄膜蒸發(fā)器主要由加熱夾套和刮板組成，夾套內(nèi)通導(dǎo)熱油，刮板裝在可旋轉(zhuǎn)的軸上，刮板和加熱夾套內(nèi)壁保持0.5～1.5 mm間隙，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

2.2.2刮板薄膜蒸發(fā)器原理

富乙二醇溶液由進(jìn)料口引入，由蒸發(fā)器上部的分布器沿切線方向加入，在重力和旋轉(zhuǎn)刮板的作用下，分布在內(nèi)壁形成下旋薄膜，并在下降過(guò)程中不斷被蒸發(fā)濃縮，最后由卸料錐卸出，蒸發(fā)出來(lái)的氣體經(jīng)氣相出口外排。

2.3 乙二醇回收工藝對(duì)比

乙二醇回收采用的常規(guī)再生法和刮板薄膜蒸發(fā)器法工藝對(duì)比見(jiàn)表1。

由表1可知，常規(guī)富乙二醇再生裝置主要包括富液精餾柱、重沸器、貧液緩沖罐，緩沖罐與重沸器重疊布置，重沸器可采用導(dǎo)熱油、蒸汽加熱或采用火管直接加熱的連續(xù)精餾方式，根據(jù)不同的產(chǎn)品濃度要求可以設(shè)置氣提氣。刮板薄膜蒸發(fā)器通過(guò)旋轉(zhuǎn)刮板強(qiáng)制成膜，它具有傳熱系數(shù)大、蒸發(fā)強(qiáng)度高、過(guò)流時(shí)間短、操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于熱敏性物料和高黏度物料的蒸發(fā)濃縮、脫氣脫溶和蒸餾提純。

表1 乙二醇回收工藝對(duì)比表

3 最佳操作參數(shù)

3.1 水合物抑制劑理論加入量

3.1.1抑制水合物生成方案

原料氣經(jīng)過(guò)濾分離器過(guò)濾后，通過(guò)乙二醇加注泵注入乙二醇貧液，與原料氣預(yù)冷器及外制冷系統(tǒng)冷卻后進(jìn)入低溫分離器，分離出產(chǎn)品氣和液態(tài)烴。乙二醇溶液作為抑制劑是為了防止在淺冷過(guò)程中形成天然氣水合物。

3.1.2計(jì)算輸入條件

脫水前天然氣溫度為20 ℃；脫水前天然氣水合物生成溫度為13 ℃；外輸產(chǎn)品氣溫度為20 ℃。

3.1.3產(chǎn)品氣要求

外輸產(chǎn)品氣水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)小于-5 ℃。

3.1.4計(jì)算結(jié)果

原料氣在流量為50×104m3/d，3.3 MPa下，20 ℃飽和水冷卻到-10 ℃飽和水凝析出的質(zhì)量流量為40.56 kg/h[2]；乙二醇循環(huán)量理論計(jì)算最小注入量為50 kg/h[3]；乙二醇的損失量按4 mg/m3天然氣計(jì)算[3]，約為0.1 kg/h；乙二醇溶解損失一般為0.12～0.38 L/m3凝液，最大損失約0.9 kg/h。因此，乙二醇的實(shí)際理論注入量應(yīng)大于51 kg/h。

3.2 乙二醇實(shí)際加注量最佳操作參數(shù)

乙二醇加注量的大小是操作關(guān)鍵之一，若加注量不足容易在原料氣預(yù)冷器里形成冰堵，加注量過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致三相分離器醇腔液位升高過(guò)快，從而增加刮板薄膜蒸發(fā)器負(fù)荷，增大熱量需求，增加能耗，且對(duì)脫水效果造成影響，使乙二醇貧液達(dá)不到質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥80%的要求[4-5]。

根據(jù)前述理論計(jì)算結(jié)果，乙二醇循環(huán)量的理論計(jì)算值為51 kg/h。在實(shí)際操作時(shí)，根據(jù)相關(guān)裝置經(jīng)驗(yàn)并考慮實(shí)際裝置運(yùn)行所需的乙二醇富余量，其注入量應(yīng)大于150 kg/h，小于250 kg/h。操作時(shí)需控制好貧液注醇泵的開(kāi)度，泵的全開(kāi)(開(kāi)度100%)流量為316 L/h，在加注乙二醇時(shí)，泵的開(kāi)度應(yīng)不小于45%，使乙二醇加注量不低于150 kg/h。

3.3 刮板薄膜蒸發(fā)器操作參數(shù)

3.3.1刮板薄膜蒸發(fā)器再生溫度

刮板薄膜蒸發(fā)器再生溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致乙二醇發(fā)生降解，再生溫度過(guò)低不能回收合格的乙二醇貧液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥80%)，再生溫度以刮板薄膜蒸發(fā)器貧液出口為指示。

3.3.2刮板薄膜蒸發(fā)器所需導(dǎo)熱油理論質(zhì)量流量

假設(shè)冷、熱流體(乙二醇富液和導(dǎo)熱油)充分換熱，且冷流體(乙二醇富液)受熱后不蒸發(fā)，由于刮板薄膜蒸發(fā)器是逆流傳熱，列出傳熱基本方程式[6]，如式(1)所示：

Q=qm1cp1(t2-t1)=qm2cp2(t3-t4)

(1)

式中，qm1、qm2為乙二醇富液和導(dǎo)熱油的質(zhì)量流量，kg/h；t1、t2為冷流體的始溫和終溫，℃；cp1、cp2為乙二醇富液和導(dǎo)熱油的熱比容，J/(kg·℃)；t3、t4為導(dǎo)熱油的初溫和終溫，℃。

在正常生產(chǎn)情況下，富液進(jìn)料量及溫度值波動(dòng)較小，近似不變，刮板薄膜蒸發(fā)器溫度主要由導(dǎo)熱油供給量決定。正常生產(chǎn)工況見(jiàn)表2。

表2 理論上的正常生產(chǎn)情況

理論計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)如圖3所示。

由圖3可知導(dǎo)熱油量越多，貧液出口溫度越高，且導(dǎo)熱油的理論最小質(zhì)量流量必須大于125 kg/h，貧液出口溫度才大于100 ℃，富液中的水在沉降時(shí)間內(nèi)才能蒸發(fā)出去。而實(shí)際操作中考慮富余量，導(dǎo)熱油流量大于200 kg/h。此外，導(dǎo)熱油量也不能過(guò)高，除增加能耗外，還會(huì)引起乙二醇的降解。

3.3.3刮板薄膜蒸發(fā)器導(dǎo)熱油加入量

刮板薄膜蒸發(fā)器溫度由導(dǎo)熱油供給量決定，與富液進(jìn)料量及溫度有關(guān)，而導(dǎo)熱油供給量的大小通過(guò)刮板薄膜蒸發(fā)器出料口溫度調(diào)節(jié)閥TIC-1301進(jìn)行調(diào)節(jié)。在初次開(kāi)產(chǎn)時(shí)，根據(jù)以上計(jì)算，并考慮實(shí)際裝置運(yùn)行的富余量，導(dǎo)熱油至刮板薄膜蒸發(fā)器開(kāi)度應(yīng)保證導(dǎo)熱油質(zhì)量流量大于200 kg/h，確保貧液出口溫度必須大于100 ℃。

乙二醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和再生溫度之間的關(guān)系，可根據(jù)開(kāi)產(chǎn)后檢測(cè)貧液濃度與刮板薄膜蒸發(fā)器貧液出口溫度，優(yōu)化設(shè)定出料口TIC-1301調(diào)節(jié)閥的溫度，以達(dá)到最佳蒸發(fā)效果，從而獲取質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥80%的合格乙二醇貧液。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)以上分析和理論計(jì)算，針對(duì)磨深1井50×104m3/d脫水脫烴裝置開(kāi)產(chǎn)時(shí)醇回收單元的操作難點(diǎn)，提出以下建議：

(1) 為了控制原料氣中的乙二醇加注量，在開(kāi)產(chǎn)操作時(shí)，應(yīng)控制貧液注醇泵的開(kāi)度不小于45%，使乙二醇加注量不小于150 kg/h。

(2) 為了控制刮板薄膜蒸發(fā)器溫度，需保證注入刮板薄膜蒸發(fā)器的導(dǎo)熱油質(zhì)量流量大于200 kg/h，觀察進(jìn)油溫度/回油溫度是否為約300 ℃/130 ℃，及時(shí)檢測(cè)乙二醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)并據(jù)此設(shè)定出料口TIC-1301調(diào)節(jié)閥溫度，控制供油量，以達(dá)到最佳蒸發(fā)效果。

參考文獻(xiàn)

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