張井魯 安杰 張倩

北京迪威爾石油天然氣技術(shù)開發(fā)有限公司

甘醇型溶劑吸收法是目前天然氣處理與加工過程中應(yīng)用最普遍的脫水工藝,其中,三甘醇作為吸收劑應(yīng)用最為廣泛[1-2]。三甘醇脫水塔是整個三甘醇脫水工藝系統(tǒng)中影響系統(tǒng)經(jīng)濟效益、決定系統(tǒng)能耗和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備之一。

與傳統(tǒng)的板式塔相比,填料塔具有生產(chǎn)能力大、分離效率高、壓降小、操作彈性大、持液量小等優(yōu)點,是石油化工行業(yè)中廣泛應(yīng)用的氣液接觸傳質(zhì)設(shè)備之一。由于其存在放大效應(yīng)和壁流效應(yīng),填料塔的應(yīng)用以往僅僅局限于較小塔徑的場合。隨著理論研究的深入和高效規(guī)整填料、塔內(nèi)件的開發(fā)與應(yīng)用,填料塔的放大效應(yīng)問題得到了解決,國內(nèi)大直徑三甘醇脫水塔逐漸呈現(xiàn)出使用填料塔的趨勢。

確定塔徑是填料塔設(shè)計的首要工作。不同廠家的填料規(guī)格及特性參數(shù)不同,目前,國內(nèi)三甘醇脫水塔已基本由設(shè)計單位轉(zhuǎn)為由塔內(nèi)件廠家進行施工階段的設(shè)計計算。但對于設(shè)計單位而言,選用方便、準(zhǔn)確的方法初步確定填料塔塔徑,對填料塔設(shè)備核算、方案審查、設(shè)備投資估算等具有重要的實際意義。

以下介紹幾種工程常用的填料塔塔徑計算方法:貝恩-霍根(Bain-Haugen)關(guān)聯(lián)式、通用壓降關(guān)聯(lián)圖法(GPDC)、塔負荷系數(shù)法、Aspen HYSYS軟件。以兩個實際項目為例,進行三甘醇填料吸收塔直徑的設(shè)計計算,并將塔徑計算結(jié)果與項目實際塔徑進行對比分析。

1 三甘醇脫水填料塔計算方法綜述

1.1 泛點氣速法

1.1.1填料塔的操作特性與泛點氣速的關(guān)系

填料塔在操作狀態(tài)下,氣相和液相在填料層內(nèi)呈逆流連續(xù)流動。在填料操作特性研究初期,人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氣體通過填料床層所產(chǎn)生的壓降隨氣體流速的變化關(guān)系,并利用這種關(guān)系對填料層內(nèi)氣液流動狀態(tài)進行描述。當(dāng)只有氣相通過填料層時,產(chǎn)生的壓降稱為干塔壓降。當(dāng)液體以一定的噴淋密度自填料層頂部噴淋時,液體靠重力的作用沿填料的表面形成潤濕的液膜,自上而下流動,與自下而上穿過填料層流動的氣體進行逆流接觸,并在兩相接觸表面產(chǎn)生一定的曳力,該曳力隨氣速的增加而不斷增大。當(dāng)氣速增大到一定程度時,所產(chǎn)生的曳力將會阻礙液相向下流動,液膜厚度開始增加,導(dǎo)致填料層中氣體流動通道變小,氣體通過填料層的阻力增大。此時,如果氣速繼續(xù)增加,持續(xù)增大的曳力將導(dǎo)致液體在填料層內(nèi)迅速積累。同時,氣體通過填料層的阻力急劇增加,兩相流動的正常通道被堵塞,致使填料塔無法正常操作,此時塔內(nèi)的操作狀況稱為液泛,發(fā)生液泛時的氣速稱為液泛氣速或泛點氣速。當(dāng)操作氣速達到泛點氣速時,填料層內(nèi)的液相將無法正常向下流動,塔的正常操作受到破壞。

泛點氣速的選取對于填料塔的正常操作和成本控制有很大的影響:泛點氣速選取過大,填料塔很有可能無法正常操作,塔壓降增大,甚至發(fā)生液泛;泛點氣速選取過小,則填料塔直徑將會過大,不僅造成了設(shè)備投資的浪費,還可能會導(dǎo)致氣液分布的不均勻。

泛點氣速的計算模型較多,有貝恩-霍根(Bain-Haugen)關(guān)聯(lián)式、Billet泛點關(guān)聯(lián)式、S-B-F泛點關(guān)聯(lián)式、通用壓降關(guān)聯(lián)圖(GPDC)等。目前使用較為廣泛的方法是貝恩-霍根(Bain-Haugen)關(guān)聯(lián)式和通用壓降關(guān)聯(lián)圖(GPDC)。

1.1.2泛點率及發(fā)泡因子

為保證填料塔在正常操作過程中能獲得所需的傳質(zhì)效果,操作氣速應(yīng)嚴格控制在泛點氣速以下。在確定填料塔直徑的過程中,最大允許操作氣速與泛點氣速的關(guān)系通常由泛點率和發(fā)泡因子決定。

(1)泛點率。在填料塔的設(shè)計中,最大允許操作氣速與泛點氣速的比值稱為泛點率,在不同文獻或工程軟件系統(tǒng)中也稱負荷因子。泛點率用于限制塔內(nèi)氣相流速,確保塔的操作安全性。泛點率常取泛點氣速的50%～80%[3]。

(2)發(fā)泡因子。發(fā)泡因子是物性體系特征,用于衡量塔內(nèi)介質(zhì)的發(fā)泡特性,在不同文獻或軟件系統(tǒng)也稱系統(tǒng)因子。對于不發(fā)泡系統(tǒng),發(fā)泡因子可取1.0;對于穩(wěn)定泡沫系統(tǒng),發(fā)泡因子甚至低至0.3。三甘醇脫水塔塔內(nèi)介質(zhì)系統(tǒng)屬于嚴重發(fā)泡系統(tǒng),相關(guān)設(shè)計手冊及HYSYS工程軟件內(nèi)發(fā)泡系數(shù)的推薦值為0.5～0.73[4-5]。

泛點率和發(fā)泡因子同時影響填料塔塔徑的計算,在數(shù)值上,泛點率與發(fā)泡因子的乘積是最終決定塔內(nèi)最大操作氣速的因素。

1.1.3貝恩-霍根(Bain-Haugen)關(guān)聯(lián)式

早期Sherwood等人提出了一種關(guān)于散裝填料計算液泛氣速的關(guān)聯(lián)式,后經(jīng)貝恩-霍根(Bain-Haugen)修正后,得到了貝恩-霍根公式[6],見式(1)。

式中:uGF為泛點氣速,m/s;g為重力加速度,9.81 m/s2;為干填料因子,m-1;a為比表面積,m2/m3;ε為孔隙率,m3/m3;μL為液相黏度,mPa·s;L、G為液體、氣體質(zhì)量流量,kg/h;ρL、ρG為液體、氣體密度,kg/m3。

該關(guān)聯(lián)式最早根據(jù)拉西環(huán)填料的實測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)而來,后來推廣應(yīng)用到多種不同填料,只要通過實驗數(shù)據(jù)回歸出不同填料的A值,就可以計算填料的泛點氣速。對于金屬板波紋250Y規(guī)整填料,其常用A值為0.291,a為250,ε為0.97;在三甘醇脫水塔的操作條件和物性確定后,即可根據(jù)式(1)計算出泛點氣速。

1.1.4通用壓降關(guān)聯(lián)圖法(GPDC)

通用壓降關(guān)聯(lián)圖由Shewood在1938年提出[5],最早只有一條液泛線。1953年,Leva加入了一組等壓降曲線。后來又經(jīng)過Eckert的多次修正。1970年,該關(guān)聯(lián)圖被寫入美國化學(xué)工程師手冊(第6版)。1994年,又經(jīng)過了Strigle的修改和簡化。但以上均只適用于散裝填料塔的液泛和壓降計算。

1992年,Kister和Gill給出了適用于規(guī)整填料塔的通用壓降圖(見圖1),將通用壓降關(guān)聯(lián)圖法延伸到了規(guī)整填料塔的計算。Kister和Gill還提出,采用龐大的GPDC數(shù)據(jù)圖解作為插入工具,對每種型號的填料做出GPDC圖。每張圖上不僅有通用圖線,還有收集到的實測數(shù)據(jù)點,增加了壓降圖解結(jié)果的可靠性。

圖中:us為泛點氣速,ft/s(1 ft/s=0.304 8 m/s);v為液相運動黏度,cSt(1 cSt=10-6m2/s);L、G為液體、氣體的質(zhì)量流量,kg/h;ρL為液體密度,kg/m3;ρG為氣體密度,kg/m3;Δp為單位長度填料壓降,inches H2O/ft(1 inches H2O/ft=816.6 Pa/m);FP為填料因子,ft-1(1 ft-1=3.28 m-1),針對250Y規(guī)整填料,該數(shù)值為20.1 ft-1。

對于填料塔而言,發(fā)生液泛時隨著氣速的增大,壓降急速上升,但在實際操作過程中,液泛點相對應(yīng)的壓降值難以確定,故規(guī)整填料通常以每米填料壓降為1 000 Pa作為極限負荷。設(shè)計負荷通常取極限負荷的75%～80%。針對三甘醇脫水塔這類發(fā)泡系統(tǒng),部分設(shè)計手冊綜合考慮發(fā)泡因子和泛點率的影響,提出了應(yīng)對設(shè)計壓降進行限制,按0.25 inch H2O/ft壓降曲線進行求解[7],從而計算出操作氣速。

常用規(guī)整填料的試驗填料因子FP值見表1。

表1 常用規(guī)整填料試驗填料因子FP 值

1.2 塔負荷系數(shù)法

GPSA工程數(shù)據(jù)手冊在計算三甘醇脫水塔的最大允許操作氣速時,采用了桑德斯-布朗(Souders-Brown)公式,并引入了一個塔負荷系數(shù)C。該系數(shù)的取值與塔內(nèi)件的形式和類型有關(guān),GPSA工程數(shù)據(jù)手冊中針對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)整填料給出的負荷因子范圍為329～439 m/h,確切數(shù)值要根據(jù)填料密度和制造廠商來確定[4]。

式中:ωG為質(zhì)量流速,kg/(m2·h);ρG為氣體密度,kg/m3;ρL為液體密度,kg/m3;MG為氣體質(zhì)量流量,kg/h;AG為計算橫截面積,m2;D為計算塔徑,m。

GPSA工程數(shù)據(jù)手冊中沒有采用泛點率的概念,計算時應(yīng)按最大氣體負荷工況同時考慮設(shè)計裕量作為塔正常操作的安全系數(shù)。

針對三甘醇脫水系統(tǒng)的工藝計算,GPSA工程數(shù)據(jù)手冊在計算公式取值上已經(jīng)考慮了三甘醇體系的發(fā)泡特性,無需再額外考慮發(fā)泡因子。

1.3 Aspen HYSYS軟件模擬

Aspen HYSYS軟件具有嚴格的物性計算包,因其具有可對任意塔計算、非序貫?zāi)M技術(shù)等優(yōu)點[8-10],被廣泛應(yīng)用于石油開采、儲運、天然氣加工、石油化工、精細化工等領(lǐng)域。本研究采用Aspen HYSYS軟件(V10版本)進行整個三甘醇脫水系統(tǒng)的工藝模擬,并進行三甘醇脫水塔直徑的設(shè)計計算。

1.3.1三甘醇脫水系統(tǒng)工藝模擬

采用Aspen HYSYS軟件對三甘醇脫水系統(tǒng)進行工藝模擬,確定好甘醇循環(huán)量、貧甘醇質(zhì)量分數(shù)、填料塔理論塔板數(shù)等關(guān)鍵參數(shù),然后進入脫水塔子流程(Column Environment)進行塔徑的計算。三甘醇脫水系統(tǒng)模擬工藝流程見圖2。

1.3.2Aspen HYSYS塔徑計算

在脫水塔子流程的塔內(nèi)件管理器(Internals Manager)中進行塔徑計算,對塔類型、填料規(guī)格、泛點率、發(fā)泡因子等關(guān)鍵參數(shù)進行設(shè)定,填料類型選擇頁面見圖3,參數(shù)設(shè)定頁面見圖4,Aspen HYSYS軟件模擬計算脫水塔塔徑,計算結(jié)果頁面見圖5。

Aspen HYSYS軟件可實現(xiàn)對脫水塔進行水力學(xué)計算。計算出脫水塔壓降后,需要將計算壓降反饋到三甘醇脫水系統(tǒng)流程模擬中,將脫水塔初設(shè)壓降調(diào)整為塔計算壓降,這樣三甘醇脫水系統(tǒng)工藝模擬結(jié)果才能更加準(zhǔn)確。軟件脫水塔水力學(xué)計算結(jié)果見圖6。

Aspen HYSYS軟件脫水塔水力學(xué)計算結(jié)果頁面見圖6。

2 計算案例

2.1 案例1三甘醇脫水裝置參數(shù)

三甘醇脫水裝置計算案例1的工藝參數(shù)見表2。

表2 案例1三甘醇脫水裝置工藝參數(shù)

2.2 案列2三甘醇脫水裝置參數(shù)

三甘醇脫水裝置計算案例2的工藝參數(shù)見表3。

表3 案例2三甘醇脫水工藝參數(shù)

3 計算結(jié)果及對比分析

根據(jù)上述工程數(shù)據(jù),選用250Y金屬規(guī)整填料,采用貝恩-霍根(Bain-Haugen)關(guān)聯(lián)式、通用壓降關(guān)聯(lián)圖法(GPDC)、塔負荷系數(shù)法和Aspen HYSYS軟件分別進行脫水塔直徑計算,將各計算結(jié)果及項目實際塔徑數(shù)據(jù)匯總?cè)缦隆?/p>

兩個計算案例的塔徑數(shù)據(jù)見表4和表5,以實際塔徑為基礎(chǔ)進行結(jié)果偏差分析。

從計算結(jié)果分析可知,塔負荷系數(shù)法、通用壓降關(guān)聯(lián)圖法(GPDC)、Aspen HYSYS軟件計算結(jié)果相近,經(jīng)圓整后的塔徑一致。貝恩-霍根(Bain-Haugen)關(guān)聯(lián)式算出的結(jié)果偏差較大,過于保守,分別為11.11%和8.73%。

表4 案例1塔徑計算結(jié)果

表5 案例2塔徑計算結(jié)果

4 計算方法適用性分析

通過計算結(jié)果對比分析,塔負荷系數(shù)法、通用壓降關(guān)聯(lián)圖法(GPDC)、Aspen HYSYS軟件計算結(jié)果與實際塔徑偏差較小,可應(yīng)用于三甘醇脫水塔直徑的計算。貝恩-霍根(Bain-Haugen)關(guān)聯(lián)式結(jié)果偏差較大,建議作為塔徑選擇的參考。

4.1 塔負荷系數(shù)法

該公式為GPSA手冊內(nèi)針對天然氣三甘醇脫水系統(tǒng)的計算公式,對三甘醇脫水塔直徑的計算較為準(zhǔn)確,且計算方法簡單實用。該方法被大量設(shè)計人員用于三甘醇脫水塔尺寸初算。

4.2 貝恩-霍根(Bain-Haugen)關(guān)聯(lián)式

對于國產(chǎn)規(guī)整填料,根據(jù)文獻[11]、[12]的報道,貝恩-霍根(Bain-Haugen)關(guān)聯(lián)式對于國產(chǎn)Mellapak 250Y規(guī)整填料,在空氣-水體系計算的泛點氣速和實驗測定的泛點氣速平均偏差為2.5%,最大偏差4.0%。

根據(jù)文獻[13],該方法不夠準(zhǔn)確是由于采用了干填料因子a/ε3。因為在兩相逆流流動的條件下,填料層的實際比表面積和孔隙率都發(fā)生了變化。

上述兩個案例的誤差分別為11.11%和8.73%,偏于保守。實驗測定是以空氣-水體系為基礎(chǔ)進行的,針對三甘醇易發(fā)泡物系,在考慮了發(fā)泡因子后該誤差可能被放大,因此,建議將貝恩-霍根關(guān)聯(lián)式作為三甘醇填料脫水塔塔徑選擇的參考。

4.3 通用壓降關(guān)聯(lián)圖法(GPDC)

上述兩個計算案例用GPDC關(guān)聯(lián)圖均得到了較好的計算結(jié)果,計算偏差很小。但根據(jù)文獻的報道[11-14],已知壓降進而求出液泛速度,其最大誤差為±15%,GPDC關(guān)聯(lián)圖建議用于求取載點及載點以下的操作壓降。

當(dāng)采用帶有數(shù)據(jù)點的GPDC圖時,如設(shè)計操作點在對應(yīng)的GPDC關(guān)聯(lián)圖上有靠近設(shè)計操作點的數(shù)據(jù)點且物性系統(tǒng)相近,則圖解的壓降較為準(zhǔn)確。如圖上沒有靠近操作點的數(shù)據(jù)點時,需要首先找出含有數(shù)據(jù)的最靠近的區(qū)域,從數(shù)據(jù)點作曲線,反映出這一區(qū)域的傾向,或畫一條與關(guān)聯(lián)圖走向一致的曲線,從而求得對應(yīng)的壓降,但不確定性變大。

由于帶有試驗數(shù)據(jù)點的GPDC圖一般都屬于各規(guī)整填料廠家的技術(shù)秘密,在設(shè)計前期時廠家不能深度參與,通過文獻中的GPDC關(guān)聯(lián)圖只能作為參考,不能作為設(shè)計依據(jù)。因此,建議采用通用壓降關(guān)聯(lián)圖法(GPDC)作為三甘醇填料脫水塔塔徑選擇的參考。

雖然如此,但在部分優(yōu)化改造項目中,如將板式塔改造為填料塔以提升裝置效果,一些高效規(guī)整填料廠家在前期即可以深度參與,此時可以采用GPDC圖或廠家提供的壓降關(guān)聯(lián)圖進行設(shè)計,以最大限度地提升優(yōu)化后裝置效果。

4.4 HYSYS工程軟件

Aspen HYSYS工程軟件計算結(jié)果比較準(zhǔn)確,HYSYS工程軟件在完成三甘醇脫水系統(tǒng)工藝模擬后可直接進行填料塔的計算,且填料塔的實際計算壓降可直接反饋到三甘醇系統(tǒng)模擬中,使得整個三甘醇脫水系統(tǒng)工藝模擬更為準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

通過計算、結(jié)果對比和方法適用性分析,對于三甘醇填料脫水塔的塔徑計算,貝恩-霍根(Bain-Haugen)關(guān)聯(lián)式計算誤差較大且偏于保守,通用壓降關(guān)聯(lián)圖法(GPDC)的計算結(jié)果受GPDC關(guān)聯(lián)圖內(nèi)數(shù)據(jù)點影響準(zhǔn)確度不易保證。因此,建議使用塔負荷系數(shù)法和Aspen HYSYS軟件進行設(shè)計計算,可以在互相驗證對比后最終確定塔徑。