馬國(guó)光 陳玉婷

(西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)與開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610000)

1 引言

天然氣主要由烷烴、芳香烴和非烴類(lèi)物質(zhì)構(gòu)成。目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)非烴類(lèi)物質(zhì),諸如CO2、水等在深冷工藝中出現(xiàn)的結(jié)冰凍堵問(wèn)題研究頗多[1],而就在該工藝條件下同樣可能形成固體的芳香烴卻鮮有探索。目前已有的芳香烴結(jié)冰相關(guān)研究多集中在烴的脫除上[2-3]。此外,對(duì)于具有高凍堵風(fēng)險(xiǎn)的苯,將含苯天然氣簡(jiǎn)化為CH4-苯二元混合物體系[4-6],在其結(jié)冰溫度上也有少數(shù)研究[7-9],對(duì)結(jié)冰影響因素與解凍措施基本未有涉及。

現(xiàn)有某深冷提效工程,在生產(chǎn)運(yùn)行一段時(shí)間后,由于原料氣中苯含量的上升(從最初的零含量升高至目前的1 800 × 10-6,且預(yù)測(cè)開(kāi)發(fā)后期將升高至2 500 ×10-6),裝置中有苯固體析出,影響了設(shè)備運(yùn)行效率且具有凍堵設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。本研究基于該氣田深冷工藝的天然氣處理量及其苯含量,采用HYSYS軟件建立含苯原料氣RSV 工藝模型,探討乙烷回收裝置中苯結(jié)冰規(guī)律、無(wú)固體析出時(shí)原料氣中苯含量上限以及關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù)等對(duì)苯結(jié)冰的影響,為含苯原料氣深冷工藝設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供建議。

2 含苯原料氣RSV 工藝模擬

2.1 苯結(jié)冰溫度裕量

本研究采用HYSYS 軟件中的CO2Freeze out 工具包預(yù)測(cè)苯結(jié)冰溫度,以苯結(jié)冰溫度裕量作為判斷RSV 工藝各節(jié)點(diǎn)是否有苯固體析出的依據(jù),其值根據(jù)式(1)計(jì)算:

式中:Tr為苯結(jié)冰溫度裕量,T為節(jié)點(diǎn)溫度,Tc為節(jié)點(diǎn)處苯結(jié)冰溫度。

當(dāng)Tr值＞0 時(shí),節(jié)點(diǎn)溫度高于苯結(jié)冰溫度,表明該結(jié)點(diǎn)處無(wú)苯固體析出;反之則有。Tr值越小,表明在該節(jié)點(diǎn)處析出苯固體的風(fēng)險(xiǎn)越高。

2.2 原料氣條件與關(guān)鍵參數(shù)

原料氣工況與組成如表1 所示,進(jìn)處理裝置壓力為6.9 MPa,溫度30 ℃,處理規(guī)模250 ×104Nm3/d,關(guān)鍵生產(chǎn)參數(shù)如表2。干氣外輸壓力3.51 MPa,干氣外輸溫度40 ℃。由表1,脫水后原料氣中苯含量高達(dá)0.001 8,目前裝置中已檢驗(yàn)到固體苯。

表1 原料氣工況與組成Table 1 Working conditions and composition of feed gas

表2 關(guān)鍵參數(shù)與變量Table 2 Key parameters and variables

2.3 回收工藝流程

RSV 工藝流程見(jiàn)圖1。脫水干氣進(jìn)入深冷裝置通過(guò)換熱器E-4501 預(yù)冷后進(jìn)入低溫分離器V-4501,分離出的氣相分為兩股,含氣相較多的一股進(jìn)入膨脹機(jī)K-101 膨脹端膨脹后進(jìn)入脫甲烷塔TW-4501,另一股再次通過(guò)換熱器E-4501 過(guò)冷后進(jìn)入脫甲烷塔。低溫分離器底端的液相通過(guò)節(jié)流閥節(jié)流降溫后進(jìn)入脫甲烷塔;脫甲烷塔頂產(chǎn)品氣經(jīng)換熱器E-4501 換熱,由外輸氣壓縮機(jī)K-100 增壓后作為外輸干氣,一部分外輸干氣作為回流氣經(jīng)換熱后再回流至脫甲烷塔頂,剩余的干氣進(jìn)入外輸管網(wǎng)。

圖1 RSV 乙烷回收工藝流程Fig.1 RSV process flow

脫甲烷塔有兩條側(cè)線(xiàn)進(jìn)入換熱器E-4501 回收冷量,塔底的液相進(jìn)入脫乙烷塔TW-4502;從脫乙烷塔頂出來(lái)的氣相,一股作為乙烷產(chǎn)品氣,另一股經(jīng)丙烷制冷機(jī)組冷卻后回流至塔頂;脫乙烷塔底的液相進(jìn)入液化氣塔TW-4503,液化氣塔頂產(chǎn)品氣經(jīng)過(guò)空冷器AC-103 全部冷凝后分離出一股回流至塔頂,剩余部分作為液化石油氣產(chǎn)品,塔底液相作為外輸穩(wěn)定輕烴產(chǎn)品。

2.4 苯系物追蹤

根據(jù)工藝流程建立HYSYS 模型見(jiàn)圖2。模擬知,在本RSV 工藝模型中,28 個(gè)物流節(jié)點(diǎn)存在苯,其物流名稱(chēng)或編號(hào)為:脫水干氣、01、02、03、04、05、06、N3、N4、N2、17、18、19、穩(wěn)定輕烴、20、21、22、24、25、側(cè)線(xiàn)1、側(cè)線(xiàn)2、側(cè)線(xiàn)1 回塔、側(cè)線(xiàn)2 回塔、34、37、38、49、57。

圖2 RSV 工藝模型Fig.2 RSV process model

各節(jié)點(diǎn)溫苯結(jié)冰溫度裕量如圖3 所示。由圖3,在28 個(gè)含苯物流節(jié)點(diǎn)中,具有極高苯結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)的包括N4、側(cè)線(xiàn)1、側(cè)線(xiàn)1 回塔等。其中,N4 苯結(jié)冰溫度裕量已為負(fù)值,表明在本工藝單元?dú)赓|(zhì)組成與運(yùn)行工況下,該處已經(jīng)有苯固體析出,與“現(xiàn)場(chǎng)裝置中發(fā)現(xiàn)有苯固體析出”的結(jié)果一致。

圖3 各物流節(jié)點(diǎn)苯結(jié)冰溫度裕量Fig.3 Benzene freezing temperature margin at each logistics node

結(jié)合圖2,RSV 工藝中極易析出苯固體的位置主要有3 處:冷箱、N4 所在位置(低溫分離器節(jié)流閥出口端)以及脫甲烷塔。

2.5 脫甲烷塔關(guān)鍵塔板

脫甲烷塔中各塔板處物流溫度、壓力與苯含量均有差異,故塔中各處析出苯固體的難易程度也有所不同。確定關(guān)鍵塔板,即最易結(jié)冰的塔板,研究其狀態(tài),即為脫甲烷塔狀態(tài)。

本RSV 工藝脫甲烷塔塔板數(shù)為40。從塔頂至塔底,各塔板編號(hào)依次為:n1—n40。存在4 股進(jìn)料,編號(hào)為:N1—N4,包括塔頂進(jìn)料、第二股進(jìn)料(進(jìn)料處塔板編號(hào)為n7)、膨脹機(jī)進(jìn)料(塔板編號(hào)為n14)、低溫分離器進(jìn)料(塔板編號(hào)n19)。

模擬得到n7—n40 塔板處苯結(jié)冰溫度裕量如圖4(n1—n6 塔板物流中苯含量幾乎為0,不做探究)。由圖4,脫甲烷塔中n19 塔板處苯結(jié)冰溫度裕量最小(僅為1.78 ℃),苯結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)最高,為脫甲烷塔中的關(guān)鍵塔板。

圖4 脫甲烷塔各塔板苯結(jié)冰溫度與裕量Fig.4 Benzene freezing temperature and margin of demethanizer

2.6 關(guān)鍵物流節(jié)點(diǎn)

由以上分析,針對(duì)苯結(jié)冰問(wèn)題,選取RSV 工藝中較為關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)包括冷箱出口物流01、低溫分離器節(jié)流閥出口端物流N4 以及脫甲烷塔n19 塔板物流進(jìn)行相關(guān)探索。

3 RSV 工藝苯結(jié)冰分析

3.1 結(jié)冰位置

現(xiàn)通過(guò)調(diào)整苯含量(除苯含量外的其它關(guān)鍵參數(shù)同表2 一致,苯含量變化范圍:0.1%—0.8%),就物流01、物流N4 以及脫甲烷塔n19 塔板物流,探究RSV 工藝原料氣的含苯上限值以及不同苯含量下,RSV 工藝中有苯固體析出的節(jié)點(diǎn)位置。

模擬得到原料氣中苯含量與物流01、物流N4 以及脫甲烷塔n19 塔板物流節(jié)點(diǎn)苯結(jié)冰溫度裕量如圖5所示。由圖5,當(dāng)原料氣中苯含量在0—0.17%時(shí),RSV 工藝中無(wú)苯固體析出;當(dāng)苯含量超過(guò)0.17%時(shí),物流N4 首先析出苯固體;苯含量繼續(xù)升高至0.195%時(shí),塔板n19 開(kāi)始析出固體,這意味著此時(shí)脫甲烷塔中將出現(xiàn)苯結(jié)冰;當(dāng)苯含量升至0.61%,物流01 的苯結(jié)冰溫度裕量為負(fù)值,此時(shí)RSV 工藝中有多處節(jié)點(diǎn)將出現(xiàn)苯固體;當(dāng)苯含量持續(xù)增加,超過(guò)0.77%時(shí),原料氣將無(wú)法以氣態(tài)單相存在,此時(shí)原料氣將變成氣液兩相,不滿(mǎn)足“RSV 工藝原料氣為脫水干氣”的條件,此類(lèi)原料氣在進(jìn)入深冷工藝前需增設(shè)分離器將液態(tài)部分脫除。

圖5 原料氣中苯含量與各物流苯結(jié)冰溫度裕量的關(guān)系Fig.5 Relationship between benzene content and benzene freezing temperature margin

本工藝原料氣目前苯含量為0.18%,整個(gè)RSV工藝中,僅物流N4 有苯固體析出。

3.2 影響規(guī)律

3.2.1 影響因素

由前面研究,脫甲烷塔是RSV 工藝中最易出現(xiàn)苯結(jié)冰的設(shè)備之一,影響其結(jié)冰的關(guān)鍵參數(shù)包括:低溫分離器溫度、低溫分離器氣相過(guò)冷比、脫甲烷塔壓力(塔頂出口壓力)、外輸干氣回流量、原料氣中苯含量。

逐一改變上述參數(shù),同時(shí)保持其它參數(shù)不變?nèi)绫? 所示,以脫甲烷塔中編號(hào)為n14—n23 的塔板為例,分析當(dāng)原料氣中苯含量為0.25% (氣田開(kāi)發(fā)后期含苯預(yù)測(cè)值)時(shí),各參數(shù)對(duì)脫甲烷塔內(nèi)各塔板處苯結(jié)冰溫度裕量的影響如圖6 所示。

圖6 脫甲烷塔苯結(jié)冰溫度裕量隨關(guān)鍵參數(shù)的變化Fig.6 Changing of benzene freezing temperature margin in demethanizer tower with key parameters

由圖6,各參數(shù)對(duì)脫甲烷塔苯結(jié)冰溫度裕量的影響可概括為:

(1)圖6a 中,低溫分離器溫度降低,塔板處物流溫度也隨之降低;與此同時(shí),由于溫度的降低,天然氣中更多的苯被液化,導(dǎo)致液相中苯含量升高,苯結(jié)冰溫度升高,苯結(jié)冰溫度裕量減小。低溫分離器溫度每降低1 ℃,脫甲烷塔苯結(jié)冰溫度裕量將減小0.3—0.6 ℃,裝置中更容易出現(xiàn)苯結(jié)冰問(wèn)題。就本研究所依托平臺(tái)工況下,脫甲烷塔n19 塔板處將出現(xiàn)固體苯,這是由于此處為低溫分離器進(jìn)料位置,進(jìn)料后天然氣中苯含量增加,進(jìn)而苯結(jié)冰溫度顯著升高。

(2)圖6b 中,增大低溫分離器氣相過(guò)冷比與降低低溫分離器溫度對(duì)苯結(jié)冰具有相似影響。低溫分離器氣相過(guò)冷比每增大1%,脫甲烷塔中對(duì)應(yīng)塔板處天然氣溫度下降0.24—1.87 ℃,苯結(jié)冰溫下降0.09—1.55 ℃,苯結(jié)冰溫度裕量減小0.15—0.45 ℃。

(3)圖6c 中,膨脹機(jī)膨脹比減小使脫甲烷塔板溫度升高了1.46—3.82 ℃,最終表現(xiàn)為:脫甲烷塔壓力每升高0.1 MPa,苯結(jié)冰溫度裕量增大0.37—1.76 ℃。

(4)圖6 d 中,外輸氣回流比增加為脫甲烷塔提供了更多的冷量,回流比每增加2%,苯結(jié)冰溫度裕量減小0.35—0.53 ℃。

(5)圖6e 中,原料氣中苯含量以500 ×10-6的梯度增加,這將直接導(dǎo)致苯結(jié)冰溫度升高。苯含量每增加500 ×10-6,苯結(jié)冰溫度裕量減小0.70—1.84 ℃。就本研究所依托平臺(tái)工況下,當(dāng)原料氣中苯含量為1 950 ×10-6以下時(shí),脫甲烷塔中不會(huì)出現(xiàn)苯固體。一旦原料氣中苯含量高于1 950 ×10-6后,在編號(hào)為n19 的塔板處將首先析出苯固體。

總體而言,低溫分離器氣相過(guò)冷比增大、外輸干氣回流比增大以及原料氣中苯含量的增大都將引起乙烷回收工藝中苯結(jié)冰溫度裕量的減小;低溫分離器溫度升高、脫甲烷塔壓力(塔頂出口壓力)升高,將增大苯結(jié)冰溫度裕量。

3.2.2 影響因素靈敏度

不同生產(chǎn)參數(shù)對(duì)苯結(jié)冰溫度裕量的影響程度不同,個(gè)別參數(shù)的微量變化將會(huì)引起苯結(jié)冰溫度裕量的明顯改變。此處將參數(shù)對(duì)苯結(jié)冰溫度裕量影響的強(qiáng)弱程度定義為靈敏度。在進(jìn)行靈敏度分析時(shí),首先需要對(duì)各參數(shù)進(jìn)行無(wú)量綱處理。

參數(shù)無(wú)量綱化按式(2)處理。

式中:X無(wú)量綱化為無(wú)量綱處理后各參數(shù)的值,X為未處理前的參數(shù)值(即圖6 中所研究的各參數(shù)值),Xs為參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值(從X中選取,一般取中間值。以脫甲烷塔塔壓為例,本研究中X分別為2.0 MPa、2.1 MPa、2.2 MPa,Xs為2.1 MPa)。

以無(wú)量綱化處理后的各參數(shù)為自變量,塔板處的苯結(jié)冰溫度裕量為因變量,得到參數(shù)靈敏度結(jié)果如圖7所示。

圖7 n14、n19 處參數(shù)靈敏度分析Fig.7 Sensitivity analysis at n14 and n19

為使比較更為直觀(guān),圖中對(duì)氣相過(guò)冷比、外輸氣回流比、原料氣苯含量的斜率進(jìn)行了取絕對(duì)值處理。斜率越大代表該參數(shù)的靈敏度越高。由圖7,RSV 工藝中各參數(shù)對(duì)苯結(jié)冰溫度裕量的影響由強(qiáng)到弱依次為:脫甲烷塔塔壓、低溫分離器溫度、原料氣中苯含量、低溫分離器氣相過(guò)冷比、外輸氣回流比。且由n14 與n19 塔板處關(guān)鍵參數(shù)靈敏度一致可推知:脫甲烷塔中各處工藝參數(shù)的靈敏度相同。

3.3 解凍措施

原料氣中苯含量不同,RSV 工藝中析出苯固體的位置節(jié)點(diǎn)也有所不同,解凍措施也將隨之改變。常用的解凍措施包括調(diào)整工藝參數(shù)與脫苯處理,前者具有不設(shè)置脫苯裝置、節(jié)省投資的優(yōu)勢(shì),但并不適合苯含量較大的原料氣。

由前面對(duì)影響苯結(jié)冰因素的研究,針對(duì)本RSV工藝,模擬得出原料氣中不同苯含量所采取的解凍措施可概括為:

(1)當(dāng)0.17% ＜原料氣中苯含量＜0.195% 時(shí),整個(gè)RSV 工藝中僅N4 物流出現(xiàn)固體苯,此時(shí)可采取升高低溫分離器溫度或減小節(jié)流閥節(jié)流程度兩種措施來(lái)解凍。其調(diào)整數(shù)值與苯含量的關(guān)系如圖8 所示。

圖8 不同苯含量下參數(shù)調(diào)整值Fig.8 Parameter adjustment values under different benzene contents

(2)當(dāng)0.195% ＜原料氣中苯含量＜0.225%時(shí),整個(gè)RSV 工藝中,N4 物流與脫甲烷塔中均有固體析出。

解凍脫甲烷塔的措施包括:升高分離器溫度、降低低溫分離器氣相過(guò)冷比、增大脫甲烷塔壓力(塔頂出口壓力)或減小外輸干氣回流量。解凍N4 的措施包括:升高分離器溫度或減小節(jié)流閥節(jié)流程度。

工藝原生產(chǎn)參數(shù)見(jiàn)表2,不同苯含量下其相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整值如表3 和表4 所示。

表3 脫甲烷塔解凍措施參數(shù)調(diào)整Table 3 Parameter adjustment of defrosting demethanizer

表4 N4 解凍措施參數(shù)調(diào)整Table 4 Measures of thawing N4

以原料氣中苯含量為0.2%為例,由表4,當(dāng)原料氣中苯含量上升至該值時(shí),可通過(guò)將低溫分離器操作溫度從原-48 ℃短暫調(diào)整至-47.5 ℃、或?qū)庀噙^(guò)冷比從16%短暫調(diào)整至15%、或?qū)⑺攭毫脑? MPa 短暫調(diào)整至2.03 MPa、或?qū)⒏蓺饣亓鞅葟脑?%短暫調(diào)整至3.5%,以使脫甲烷塔解凍。

對(duì)于解凍N4:若采取將低溫分離器溫度升至-47.5 ℃的方式解凍脫甲烷塔,則需同時(shí)使節(jié)流后N4壓力為2.62 MPa,以使N4 解凍;若采取其它三種措施解凍脫甲烷塔,則需使節(jié)流后N4 壓力為2.68 MPa,以使N4 解凍。這是由于能使脫甲烷塔解凍的降低氣相過(guò)冷比、降低干氣回流比以及增高塔壓等措施對(duì)N4 解凍的效果甚微,而升高低溫分離器溫度可以同時(shí)解凍脫甲烷塔和N4。

當(dāng)原料氣中苯含量上升至0.225%時(shí),若未采取升高低溫分離器溫度的方式以解凍脫甲烷塔,此時(shí)為了解凍N4,其節(jié)流后壓力將達(dá)到2.97 MPa,接近生產(chǎn)安全所允許的最大值3 MPa。由此,若此后苯含量繼續(xù)上升,則無(wú)法僅通過(guò)減小節(jié)流程度來(lái)解凍N4。

(3)當(dāng)0.225% ＜料氣中苯含量＜0.265%時(shí),整個(gè)RSV 工藝中,仍?xún)H有N4 物流與脫甲烷塔中有苯固體析出。

具體解凍措施與苯含量的關(guān)系如表5。以含苯0.265%為例,由表5,當(dāng)原料氣中苯含量達(dá)到該值使,需采用“升高低溫分離器溫度至44.5 ℃+升高脫甲烷塔塔頂壓力至2.16 MPa”的措施以解凍脫甲烷塔;采用“升高低溫分離器溫度至44.5 ℃+調(diào)整節(jié)流后N4 壓力至3 MPa”的措施來(lái)解凍N4。

表5 不同苯含量下RSV 工藝解凍措施Table 5 Thawing measures of RSV process under different benzene content

(4)當(dāng)原料氣中苯含量＞0.265% 時(shí),即使將低溫分離器溫度與N4 節(jié)流程度控制在極限值,仍無(wú)法阻止N4 結(jié)冰,此時(shí)只能對(duì)原料氣進(jìn)行脫苯處理,以防止RSV 工藝中出現(xiàn)苯結(jié)冰凍堵。

4 結(jié)論

(1)RSV 工藝中極易析出苯固體的位置主要有3處,包括冷箱、低溫分離器液相節(jié)流閥出口端以及脫甲烷塔。

(2)就本案例中的脫甲烷塔而言,編號(hào)為n19 的塔板其苯結(jié)冰溫度裕量最小(僅為1.78 ℃),苯結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)最高,為脫甲烷塔中的關(guān)鍵塔板,此塊塔板的結(jié)冰狀態(tài)即為脫甲烷塔苯結(jié)冰狀態(tài)。

(3)原料氣中苯含量(記為C)不同,則RSV 工藝中析出苯固體的位置節(jié)點(diǎn)有所不同:當(dāng)C 為0—0.17%時(shí),RSV 工藝中無(wú)苯固體析出;當(dāng)C ＞0.17%時(shí),低溫分離器液相節(jié)流閥出口端首先析出苯固體;當(dāng)C ＞0.195%時(shí),低溫分離器液相節(jié)流閥出口端與塔板n19 均存在苯固體,意味著此時(shí)有新的結(jié)冰設(shè)備出現(xiàn),即脫甲烷塔;當(dāng)C ＞0.61%時(shí),冷箱預(yù)冷出口端也將析出苯固體,此時(shí)整個(gè)工藝中,多處節(jié)點(diǎn)將出現(xiàn)苯固體;當(dāng)C 持續(xù)增加,超過(guò)0.77% 時(shí),原料氣將無(wú)法以氣態(tài)單相存在,此時(shí)原料氣將變成氣液兩相。本工藝原料氣目前苯含量為0.18%,整個(gè)RSV 工藝中,僅低溫分離器液相節(jié)流閥出口端有苯固體析出。

(4)在生產(chǎn)參數(shù)與氣質(zhì)條件層面,影響RSV 工藝苯結(jié)冰的主要因素包括:脫甲烷塔塔壓、低溫分離器溫度、低溫分離器氣相過(guò)冷比、外輸氣回流比以及苯含量等。其影響程度由強(qiáng)至弱依次為:脫甲烷塔塔壓、低溫分離器溫度、低溫分離器氣相過(guò)冷比、外輸氣回流比。

(5)通過(guò)控制影響苯結(jié)冰的因素,可解凍已結(jié)冰點(diǎn)位或裝置。由于RSV 工藝中析出苯固體的位置節(jié)點(diǎn)隨C 改變,解凍措施也將有所不同。本案例原料氣目前C 值為0.18%,可選擇將低溫分離器溫度從目前的-48 ℃短暫升高至-46.8 ℃或減小節(jié)流閥節(jié)流程度,使節(jié)流后N4 壓力由目前的2.3 MPa 短暫調(diào)整為2.73 MPa 以解凍低溫分離器液相節(jié)流閥出口端。在氣田開(kāi)發(fā)中后期,C 值將達(dá)到0.25%,需采取“低溫分離器溫度升高至-44.5 ℃+脫甲烷塔塔頂壓力升高至2.05 MPa +節(jié)流后N4 壓力調(diào)整為2.83 MPa”的聯(lián)合措施,以同時(shí)解凍低溫分離器液相節(jié)流閥出口端和脫甲烷塔。若后期C 仍然持續(xù)升高超過(guò)0.265%,此時(shí)已無(wú)法通過(guò)調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)解凍,只能對(duì)原料氣進(jìn)行脫苯預(yù)處理以控制RSV 工藝中苯結(jié)冰。