曾 桃 王海洋

重慶耐德工業(yè)股份有限公司， 重慶 401121

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內(nèi)蒙古某LNG項目脫碳單元參數(shù)優(yōu)化

曾 桃 王海洋

重慶耐德工業(yè)股份有限公司， 重慶 401121

液化天然氣；脫碳；凈化工藝；優(yōu)化；工藝參數(shù)

0 前言

醇胺類溶劑是目前運(yùn)用最廣泛的天然氣脫碳脫硫溶劑，自20世紀(jì)30年代實(shí)現(xiàn)工業(yè)化以來，醇胺法工藝一直被認(rèn)作天然氣凈化的主要方法[1-4]。混合醇胺溶液是近年來廣泛采用的一類氣體脫碳溶液，它以甲基二乙醇胺(MDEA)為主體，復(fù)配其它醇胺(DEA、MEA)、緩蝕劑和促進(jìn)劑等化學(xué)物質(zhì)，來控制溶液與H2S、CO2的反應(yīng)速度與程度，從而達(dá)到凈化氣體的目的[5]。MDEA不易降解，具有較強(qiáng)的抗化學(xué)和熱降解能力以及特殊的溶解性，因此工藝過程能耗低，特別是通過加入其它醇胺進(jìn)一步對該工藝進(jìn)行改進(jìn)后，在投資費(fèi)用、公用工程、物料消耗等方面與其它脫碳方法相比具有較好的經(jīng)濟(jì)性[6]。

內(nèi)蒙古某LNG項目為國外引進(jìn)的成套工藝包，其液化工藝為單級混合制冷工藝，凈化單元為混合胺法脫碳。本文以該項目為例，對混合胺法脫碳的機(jī)理、工藝流程、工藝模擬、參數(shù)優(yōu)化等方面進(jìn)行研究。

1 設(shè)計條件及凈化要求

內(nèi)蒙古某LNG工廠處理量為30×104m3/d，原料天然氣組成見表1。

表1 原料天然氣組成

2 混合醇胺法脫碳機(jī)理

MDEA作為一種叔胺，它的N原子上沒有連接H原子，所以實(shí)際反應(yīng)中并沒有生成氨基甲酸鹽的快反應(yīng)發(fā)生，而是通過堿催化氫化CO2的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行[9-10]。反應(yīng)式如下：

(1)

H++R2NCH3→R2NCH3H+

(2)

式(1)+式(2)：

(3)

式(1)是CO2水化反應(yīng)，受液膜控制，反應(yīng)速度極慢，式(2)則為瞬間可逆反應(yīng)，因此，式(1)為MDEA吸收CO2的控制步驟，式(3)是很慢的反應(yīng)。因此，當(dāng)需要大量脫除CO2時，式(1)就成為MDEA吸收CO2的障礙。

(4)

(5)

式(4)+式(5)：

(6)

式(6)受式(4)控制，式(4)是二級反應(yīng)，其反應(yīng)速度較式(1)有較大提高(反應(yīng)速度常數(shù)比=10～100)。由此可見，加入DEA后，醇胺溶液吸收CO2的反應(yīng)速度明顯提高。

3 工藝流程

脫碳工藝流程見圖1。增壓后的天然氣自吸收塔塔底進(jìn)入，與自上而下的貧液逆流接觸，從而脫除天然氣中的CO2等酸性組分，凈化天然氣從塔頂排出，然后進(jìn)入分子篩脫水單元。吸收CO2后的富液從吸收塔塔底流出，富液經(jīng)節(jié)流降壓后進(jìn)入閃蒸罐，閃蒸出部分含有CO2的烴類氣體，可作為LNG工廠的部分燃料氣，閃蒸后的富液依次通過機(jī)械過濾器、活性炭過濾器，去除掉其中的機(jī)械雜質(zhì)和降解產(chǎn)物，經(jīng)貧富液換熱器復(fù)熱后進(jìn)入解析塔再生。再生后的貧液從再生塔塔底流出，經(jīng)貧富液換熱器冷卻后，依次通過貧液增壓泵、貧液冷卻器、貧液循環(huán)泵，然后進(jìn)入吸收塔完成循環(huán)；再生塔頂部流出的酸性氣體經(jīng)酸氣冷卻器后進(jìn)入酸氣分離器，分離出的氣相主要為CO2，將其就地排放，液相作為再生塔的塔頂回流。

圖1 脫碳工藝流程圖

4 工藝參數(shù)優(yōu)化

4.1 工藝參數(shù)對凈化氣CO2摩爾含量的影響

4.1.1 操作壓力

優(yōu)化調(diào)整LNG工廠的參數(shù)后，確定操作壓力為5.8 MPa。相對于原設(shè)計參數(shù)，操作壓力從6.3 MPa調(diào)整到5.8 MPa后，可使原料天然氣壓縮機(jī)的二級排氣溫度由原來的85 ℃降低到78 ℃，壓縮機(jī)的軸功率減少37 kW。

圖2 操作壓力對凈化氣CO2摩爾含量的影響

4.1.2 貧液溫度

天然氣進(jìn)入吸收塔的參數(shù)、貧液濃度及殘余酸氣負(fù)荷同4.1節(jié)中所述，貧液溫度在45～55 ℃變化時，凈化氣中CO2摩爾含量見圖3。從圖3可知，貧液溫度升高時凈化氣中CO2摩爾含量會增加，因此降低溫度會提高CO2凈化效果，但是為了防止天然氣中的重?zé)N凝析，貧液溫度應(yīng)較天然氣溫度高5～6 ℃[12]。

LNG工廠的參數(shù)優(yōu)化調(diào)整后，貧液溫度約為49.7 ℃，比天然氣溫度43.8 ℃高5.9 ℃。

圖3 貧液溫度對凈化氣CO2摩爾含量的影響

4.1.3 貧液循環(huán)量

天然氣進(jìn)入吸收塔的參數(shù)、貧液溫度、貧液濃度同4.1節(jié)中所述。貧液循環(huán)量在11.5～14.3 m3/h變化時，凈化氣中CO2摩爾含量見圖4。從圖4可知，貧液循環(huán)量增大時凈化氣中CO2摩爾含量會降低，因此實(shí)際運(yùn)行中適當(dāng)加大貧液循環(huán)量可以得到更好的凈化效果，但是貧液循環(huán)量加大時會增加再沸器的熱負(fù)荷。由圖4可知，貧液循環(huán)量在13.0～13.5 m3/h時，可將CO2摩爾含量降低到50×10-6以下，滿足凈化要求。

圖4 貧液循環(huán)量對凈化氣CO2摩爾含量的影響

4.1.4 殘余酸氣負(fù)荷

圖5 殘余酸氣負(fù)荷對凈化氣CO2摩爾含量的影響

4.2 主要工藝參數(shù)對比

調(diào)整前后脫碳單元的主要工藝參數(shù)對比見表2。

表2 調(diào)整前后脫碳單元的主要工藝參數(shù)對比

5 結(jié)論

[1] 諸 林.天然氣加工工程[M].北京:石油工業(yè)出版社,2008：85-87. Zhu Lin. Natural Gas Processing Engineering [M]. Beijing:Petroleum Industry Press， 2008： 85-87.

[2] 魏順安.天然氣化工工藝學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009：163-165. Wei Shun’an. Natural Gas Chemical Technology [M]. Beijing: Chemical Industry Press， 2009： 163-165.

[3] 韓淑怡，王 科，黃 勇，等.醇安法脫硫脫碳技術(shù)研究進(jìn)展[J].天然氣與石油，2014，32(3)：19-22. Han Shuyi, Wang Ke, Huang Yong, et al. Research Progress of Natural Gas Decarbonization and Desulfurization Based on Alkanolamine [J]. Natural Gas and Oil, 2014, 32 (3): 19-22.

[4] 陳賡良，李 勁.天然氣脫硫脫碳工藝的選擇[J].天然氣與石油，2014，32(6)：29-34. Chen Gengliang, Li Jing. Selection of Gas Desulfurization and Decarburization Process [J]. Natural Gas and Oil, 2014, 32 (6): 29-34.

[5] 王遇冬，王登海.MEDA配方溶液在天然氣脫硫脫碳中的選用[J].石油與天然氣化工,2003,32(5):291-294. Wang Yudong, Wang Denghai. The Selection of MEDA Formula Solution in Desulfurization and Decarbonization of Natural Gas [J]. Chemical Engineering of Oil & Gas, 2003, 32 (5): 291-294.

[6] 凌愛軍，唐 敏，周曉燕，等.MDEA配方溶液在珠海LNG項目脫碳中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古石油化工,2008,34(14):48-50. Ling Aijun, Tang Min, Zhou Xiaoyan, et al. Application of MDEA Formula Solution in Zhuhai LNG Project in Decarbonization [J]. Inner Mongolia Petrochemical Industry, 2008, 34 (14): 48-50.

[7] 黃春芳.天然氣管道輸送技術(shù)[M].北京:中國石化出版社,2009：1-3. Huang Chunfang. Natural Gas Pipeline Transportation Technology [M]. Beijing: China Petrochemical Industry Press， 2009： 1-3.

[8] 敬加強(qiáng)，梁光川，蔣宏業(yè).液化天然氣技術(shù)問答[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006：26-28. Jing Jiaqiang, Liang Guangchuan, Jiang Hongye. Question and Answer of Liquefied Natural Gas Technology [M]. Beijing: Chemical Industry Press， 2006： 26-28.

[9] 曾樹兵，陳文峰，郭 洲,等.MDEA混合胺法脫碳在珠海天然氣液化項目中的應(yīng)用[J].石油與天然氣化工,2007,36(6):485-487. Zeng Shubing, Chen Wenfeng, Guo Zhou, et al. Application of MDEA-based Solvent for CO2Removal in NGL Project [J]. Chemical Engineering of Oil & Gas, 2007, 36 (6): 485-487.

[10] 張學(xué)模，吳續(xù)林，陸 峰.多胺法(改良MDEA)脫碳工藝[J].氣體凈化,2005,5(4):8-12. Zhang Xuemo, Wu Xulin, Lu Feng. Multi-Amine(Improved MDEA)Process for Removal of Carbon Dioxide from Raw Gas for Ammonia Production [J]. Gas Purification, 2005, 5 (4): 8-12.

[11] 張 旭，吳勇強(qiáng)，劉 懿，等.MDEA溶液脫碳性能的綜合評價[J].化肥工業(yè),2001,28(3):25-32. Zhang Xu, Wu Yongqiang, Liu Yi, et al. Comprehensive Evaluation of Performance of CO2Removal by MDEA Solution[J]. Chemical Fertilizer Industry, 2001, 28 (3): 25-32.

[12] 王遇冬.天然氣處理原理與工藝[M].北京：石油工業(yè)出版社,2007:42-45. Wang Yudong. Principle and Technology of Natural Gas Processing [M]. Beijing: Petroleum Industry Press， 2007： 42-45.

2015-06-08

曾 桃(1987-),男,四川自貢人,工程師,學(xué)士,主要從事天然氣液化技術(shù)工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.06.009