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        中壓深冷裝置二氧化碳凍堵防控研究

        2015-12-22 08:24:44趙宏巖中國石化中原油田分公司天然氣處理廠河南濮陽457162
        化工管理 2015年9期
        關鍵詞:節(jié)流閥塔頂節(jié)流

        趙宏巖(中國石化中原油田分公司天然氣處理廠,河南 濮陽 457162)

        天然氣深冷低溫分離工藝中,二氧化碳含量、工藝控制點的溫度和壓力是脫甲烷塔凍堵的直接影響因素。中原油田天然氣處理廠為中原地區(qū)液化氣和天然氣深加工原材料的主要生產(chǎn)基地,是整個油田生產(chǎn)鏈條上的樞紐。因此防控NGL單元脫甲烷塔凍堵,避免工藝及設備狀態(tài)波動,具不可忽略的意義。

        1 NGL回收單元工藝流程

        工廠原料氣經(jīng)壓縮脫水后,進入NGL回收單元,熱交換后,液相通過焦耳-湯姆遜閥節(jié)流后進入脫甲烷塔頂部作回流,氣相經(jīng)膨脹機降溫后作為脫甲烷塔的進料,塔頂產(chǎn)品甲烷換熱后外輸,C2+產(chǎn)品由NGL泵送入分餾單元。整個過程中,冷量提供單位有輔助制冷的丙烷介質、通過等熵膨脹使氣相降溫的膨脹機和起節(jié)流作用的焦耳-湯姆遜閥。

        脫甲烷塔是帶有中間側沸器的復雜精餾塔,低溫下運行,塔頂和塔底溫度差100℃以上(塔頂-95±5℃和塔底0℃),濃度差(塔頂含甲烷95%-99%,塔底含甲烷1%-1.25%)。是整體裝置工藝中處理單元和分餾單元的銜接,原料氣混合物料分割前的能量交換場所。

        2 研究背景

        2.1 凍堵現(xiàn)象

        脫甲烷塔的塔頂操作壓力1.25MPa,塔頂溫度低至-99℃,設計乙烷收率為85%。在CO2含量較高的情況下,塔頂溫度沒有達到-99℃塔頂就會出現(xiàn)凍堵。初中期凍堵發(fā)生時,

        圖1 形成固體CO2的近是條件

        為了解凍,不得不相應提高脫甲烷塔塔頂溫度,降低了乙烷的收率。嚴重到一定程度時,需要停下膨脹增壓機等機組進行解凍,原料氣大量放空,不僅影響了生產(chǎn)裝置的連續(xù)平穩(wěn)運行,也造成很大的經(jīng)濟損失、資源耗費。

        隨著油田原油開采而廣泛采用的CO2氣驅采油技術造成原料來氣中CO2含量的無規(guī)律升高,實踐中最高已達到3%(moL%)以上,遠遠超過設計值0.12515-0.34031%(moL%)。

        2.2 理論分析

        2.2.1 理論上說,常壓下,純CO2在-56.6℃時就會凝結成固體。

        由圖1[1]中可知,在脫甲烷塔的操作壓力(1.3MPa)下,不同CO2含量下形成CO2固體的溫度。溫度最低點是最容易產(chǎn)生CO2凍堵的地方,如脫甲烷塔頂部、節(jié)流閥出口等處。

        在脫甲烷塔的操作條件(1.3MPa,-99℃)下,原料氣中CO2含量超過1.8%便會凍堵。

        2.2.2 理論計算

        低溫下,物質可靠的三相平衡數(shù)據(jù)是非常少的,故運用理論模型進行固體溶解度的計算。當混合物某組分處于三相平衡時,有如下關系:

        氣相與固相間的相平衡。常見的有固體溶解于高壓下的稠密氣體時出現(xiàn)的氣固平衡。由相平衡準則可導得固體在氣相中的溶解度Y為:

        式中:

        p--總壓力/Pa;--固體的飽和蒸氣壓/Pa;

        ?s--固體組分在壓力為p的氣體混合物中的逸度系數(shù);

        --壓力為的飽和蒸氣中的逸度系數(shù);

        Vm--固體二氧化碳的摩爾體積/L·moL-1;

        R--氣體常數(shù),8.314;T--流體溫度/K。

        理想氣體狀態(tài)方程即克拉珀龍方程,各組分氣體的含量和摩爾質量如表1所示:

        表1 組分氣體的含量和摩爾質量

        在塔頂溫度為-93℃時,脫甲烷塔頂壓力在1.25MPa到1.38MPa范圍內變化時,飽和溶解度和摩爾濃度隨之變化,說明在塔頂溫度維持一定的時候,CO2在液化天然氣中的含量是隨著塔頂壓力的升高而降低的,因此在發(fā)生凍堵時,為了緩解凍堵需要降低塔頂壓力。

        在塔頂壓力為1.25MPa時,甲烷塔頂溫度在-110℃到-90℃范圍內變化時,飽和溶解度和摩爾濃度隨之變化,說明在一定壓力下,CO2固體的在液化天然氣中的溶解度是隨著溫度的升高而上升的,因此為了緩解凍堵,可以采取提高甲烷塔頂部溫度的方法。

        3 結果與討論

        3.1 合理利用制冷量

        控制輔助制冷系統(tǒng),改變丙烷制冷單元淺冷蒸發(fā)器出口壓力設置(降低壓力),靠壓差制冷,保持在-11℃左右;同時適當減小深冷蒸發(fā)器液位,保持在-26℃左右,不同層級的制冷提供最終使原料氣離開冷箱的溫度達到-30℃左右;

        3.2 維系工藝壓力

        鑒于脫甲烷塔在二氧化碳含量高時,壓力高容易出現(xiàn)凍堵,脫甲烷塔頂壓力維系在1.25MPa之左右較好控制。同時甲烷塔頂壓力太高會影響固體二氧化碳的溶解度,容易形成凍堵,也提高了膨脹機的出口溫度,不利于脫甲烷塔頂溫度的調控。

        3.3 減小膨脹比

        適當增大膨脹機入口噴嘴開度,從21%左右提高到25%左右,減小膨脹比。

        膨脹機經(jīng)驗公式[2]:

        T2—膨脹機出口溫度/K;T1—膨脹機入口溫度/K;P2—膨脹機出口壓力/Pa;P1—膨脹機入口壓力/Pa;k—絕熱指數(shù)。

        如果膨脹機的出口溫度T2太低,不利于緩解脫甲烷塔凍堵。將脫甲烷塔頂壓力(入口壓力P2)由3.2MPa降低至3.0MPa。以此來提高膨脹機入口溫度T1,從而提高膨脹機出口溫度T2。

        3.4 減少節(jié)流效應

        增大低溫分離器2-V1底部節(jié)流閥焦耳-湯姆遜閥開度,減小閥后溫降,進而提高脫甲烷塔頂回流溫度,減小在塔盤上析出CO2的機會。

        式中:△TH--溫度降/K;C--氣體的特性常數(shù);△P--節(jié)流閥前后壓差/Pa;T1--節(jié)流前絕對溫度/K。

        節(jié)流膨脹所獲得的溫度降與壓力降成正比,與節(jié)流前溫度T1成反比,因此采取減小壓力降和提高節(jié)流前溫度的方法來減小溫度降。在采用輔助制冷量控制,提高節(jié)流前絕對溫度T1的同時,開大節(jié)流閥減小△P值,這樣△TH值也相應減小,提高了節(jié)流后溫度。

        [1]王遇冬.天然氣處理與加工工藝.1999年4月第一版,第36頁.

        [2]王遇冬.天然氣處理與加工工藝.1999年4月第一版,第125頁.

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