賀 三 劉 陽 樊林華 王 勇 張勤勤

1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院， 四川 成都 610500；2.中國石油集團東南亞管道有限公司， 北京 100028

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DRIZO脫水工藝模擬分析

賀 三1劉 陽1樊林華2王 勇1張勤勤1

1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院， 四川 成都 610500；2.中國石油集團東南亞管道有限公司， 北京 100028

天然氣中存在的水分在一定條件下會形成水合物，堵塞管路和設(shè)備，對于含CO2、H2S的天然氣，水分會導(dǎo)致管內(nèi)形成酸液，腐蝕管路和設(shè)備，因此在天然氣外輸前需要對其進行脫水處理。對比DRIZO脫水工藝與傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝的效果，運用HYSYS軟件對兩種脫水工藝流程進行模擬，在一定氣體流量(20 ℃，101.325 kPa)下，通過改變吸收塔塔板數(shù)、共沸劑循環(huán)速率和共沸劑種類，對影響DRIZO脫水工藝的因素進行了研究。計算可知，天然氣處理量為750×104m3/d，吸收塔操作壓力為11.7 MPa(a)，三甘醇貧液循環(huán)量為4.5 m3/h，正庚烷作共沸劑其質(zhì)量流量為 5 kg/h，可使處理后的氣體含水量滿足管輸要求。分別選用異辛烷、正庚烷作為共沸劑進行模擬，采用正庚烷作為共沸劑，得到的脫水后干天然氣含水量和水露點最低。研究結(jié)果表明，DRIZO脫水工藝具有脫水效率高、減少BTEX排放等優(yōu)點，脫水效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)三甘醇脫水流程的脫水效果。

天然氣脫水；DRIZO；HYSYS；模擬；影響因素；共沸劑

0 前言

天然氣中存在的水分在一定條件下會形成水合物，堵塞管路和設(shè)備；對于含有CO2、H2S的天然氣，水分會導(dǎo)致管內(nèi)形成酸液，腐蝕管路和設(shè)備；輸送中水分會占據(jù)管內(nèi)空間，導(dǎo)致管內(nèi)天然氣的運輸量下降；含水天然氣也不能利用低溫設(shè)備處理[1]。因此，脫除天然氣中的水分，對于天然氣集輸工藝有著重要的現(xiàn)實意義。

天然氣脫水方法有很多種，目前應(yīng)用最廣、技術(shù)發(fā)展較為成熟的是三甘醇脫水方法。三甘醇具有吸水力強、在天然氣中溶解度低、沸點高、易再生、投資小等優(yōu)點。但一個大氣壓下，當(dāng)重沸器的溫度達到200 ℃時，傳統(tǒng)三甘醇脫水流程所得到的三甘醇貧液濃度低，對于脫水深度要求較高的情況，傳統(tǒng)三甘醇脫水流程無法達到脫水要求[2]。DRIZO脫水工藝流程是在傳統(tǒng)三甘醇脫水流程的基礎(chǔ)上引入共沸再生的改進工藝流程。其關(guān)鍵在于在再生塔之后設(shè)置三相分離器，分離氣相、水和共沸劑，以循環(huán)利用共沸劑，減少損失。共沸劑本身具有不溶于水和三甘醇的特性[3]，因此，DRIZO脫水工藝脫水過程中的三甘醇損失量少，回收得到的三甘醇貧液濃度高，脫水后干天然氣的水露點低。

Rueter C O等[4-9]指出，天然氣脫水三甘醇再生環(huán)節(jié)中再生塔排放到大氣中的苯系物排放量(苯、甲苯、乙苯、二甲苯的合稱，以下簡稱“BTEX”)成為天然氣工業(yè)中愈發(fā)關(guān)心的問題。Paymooni K等人[10]通過實驗和建立數(shù)學(xué)模型探究了異辛烷和甲苯作為共沸劑對再生后三甘醇貧液濃度的影響。Isa M A等人[11]探究了三甘醇貧液濃度對脫水后干天然氣水露點的影響，指出DRIZO脫水工藝能夠獲得最大的露點降。Saidi M等人[12]對比了三甘醇汽提脫水、簡單DRIZO脫水工藝和復(fù)雜DRZIO脫水工藝的脫水效果，結(jié)果表明簡單DRIZO脫水工藝脫水后干天然氣水露點最低，脫水過程中BTEX排放量最少。

運用HYSYS軟件對兩種脫水工藝流程進行模擬，處理量為750×104m3/d，吸收塔操作壓力為11.7 MPa(a)，吸收塔入口天然氣溫度為30 ℃，模擬得到再生后的三甘醇貧液濃度、脫水后干天然氣水露點以及脫水過程中的三甘醇損失量。同時研究了吸收塔塔板數(shù)、共沸劑循環(huán)速率、共沸劑種類等對DRIZO脫水工藝的影響。

1 脫水工藝流程模擬對比

1.1 傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝流程

選用Peng-Robinson狀態(tài)方程，運用HYSYS軟件模擬傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝流程，見圖1。傳統(tǒng)三甘醇脫水工

藝流程分為兩部分：三甘醇吸水和三甘醇再生。濕天然氣經(jīng)入口分離器(V-100)去除其中的液體和固體雜質(zhì)后，進入吸收塔(T-100)脫水。在吸收塔內(nèi)，天然氣由下至上流經(jīng)各層塔板，與從塔頂向下流動的三甘醇貧液逆流接觸，被脫除水分的干氣由塔頂流出，三甘醇富液從塔底流出。吸收塔底流出的三甘醇富液經(jīng)閃蒸罐(V-101)閃蒸分離出烴類氣體后進入再生塔(T-101)再生提濃，再生后的三甘醇貧液由甘醇泵(P-100)泵入吸收塔循環(huán)使用[13-14]。

圖1 HYSYS模擬傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝流程圖

1.2 DRIZO脫水工藝流程

選用Peng-Robinson狀態(tài)方程，在一定氣體流量(20 ℃，101.325 kPa)下，運用HYSYS軟件建立模擬DRIZO脫水工藝流程，見圖2。DRIZO脫水工藝流程分為三部分：三甘醇吸水，三甘醇再生和共沸劑再生。其三甘醇吸水部分工藝與傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝相同，不同的是DRIZO脫水工藝采用共沸再生三甘醇的方法，在再生

塔(T-101)內(nèi)三甘醇富液自上而下與向上流動的共沸劑逆流接觸，再生后的三甘醇貧液進入吸收塔(T-102)進一步提濃后由甘醇泵(P-101)泵入吸收塔循環(huán)使用。再生塔(T-101)之后設(shè)有一個三相分離器，分離氣相、水和共沸劑。吸收了水的共沸劑，經(jīng)三相分離器(V-102)脫除其中的氣相和水分后打入吸收塔(T-102)循環(huán)利用[15-17]，以減少損失，避免污染。

圖2 HYSYS模擬DRIZO脫水工藝流程圖

1.3 操作參數(shù)

處理量為750×104m3/d，吸收塔操作壓力11.7 MPa(a)，吸收塔入口天然氣溫度30 ℃。濕天然氣具體摩爾組成見表1。

表1 濕天然氣的組成和性質(zhì)

組分含量/(%)組分含量/(%)C189.50?n㊣C70.06C21.53CO20.78C30.35N27.10?i㊣C40.01H2O0.07?n㊣C40.14C6H60.01?i㊣C50.07C6H5CH30.01?n㊣C50.06C6H5CH2CH30.17?n㊣C60.06C6H4(CH3)20.08

1.4 模擬結(jié)果

傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝流程模擬關(guān)鍵物流的物性參數(shù)及組分分別見表2、表3，DRIZO脫水工藝采用正庚烷做共沸劑，其流程模擬關(guān)鍵物流的物性參數(shù)及組分分別見表4、表5。

表2 傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝流程關(guān)鍵物流的物性參數(shù)

物流溫度/(℃)壓力/MPa(a)流量/(m3·h-1)4(三甘醇貧液)4012.77.905(干氣)27.3011.7031.22×10413(BTEX氣體排放)108.900.110.9916(三甘醇補給)250.150.02

表3 傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝流程關(guān)鍵物流的組分/(%)

物流CO2N2H2OC1～C7BTEX三甘醇4(三甘醇貧液)0.000.001.450.000.4498.115(干氣)0.787.100.0091.900.220.0013(BTEX氣體排放)0.771.7051.451.5843.301.201(三甘醇補給)0.000.000.000.000.00100

表4 DRIZO脫水工藝流程關(guān)鍵物流的物性參數(shù)

物流溫度/(℃)壓力/MPa(a)流量/(m3·h-1)4(三甘醇貧液)4012.704.805(干氣)27.2511.7031.23×10418(BTEX氣體排放)250.110.01627(三甘醇補給)250.150.002

表5 DRIZO脫水工藝流程關(guān)鍵物流的組分/(%)

物流CO2N2H2OC1～C7BTEX三甘醇4(三甘醇貧液)0.000.020.020.110.0199.845(干氣)0.787.100.0091.870.250.0018(BTEX氣體排放)17.0043.353.0035.151.500.0027(三甘醇補給)0.000.000.000.000.00100

1.5 模擬結(jié)果對比

1.5.1 三甘醇貧液濃度

模擬DRIZO脫水工藝流程得到的三甘醇貧液濃度可達到99.84 %，模擬傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝流程得到的三甘醇貧液濃度為98.11 %。

1.5.2 三甘醇貧液損失量

DRIZO脫水工藝脫水過程中的三甘醇貧液損失量為0.002 m3/h，傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝脫水過程中的三甘醇貧液損失量為0.02 m3/h。這是因為共沸劑本身具有不溶于水和三甘醇的特性。因此，DRIZO脫水工藝脫水過程中的三甘醇貧液損失量少。

1.5.3 水露點

DRIZO脫水工藝脫水后干天然氣水露點可達-56.44 ℃，傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝脫水后得到干天然氣水露點為-18.24 ℃。這是因為DRIZO脫水工藝脫水過程中的三甘醇損失量少，回收得到的三甘醇貧液濃度高，因此脫水后干天然氣的水露點低。

1.5.4 BTEX排放

在吸水環(huán)節(jié)吸收了天然氣中BTEX的三甘醇在再生環(huán)節(jié)與共沸劑接觸，BTEX進入共沸劑中，再生用的共沸劑不直接排放到大氣而是循環(huán)利用，一定程度上減少了BTEX的排放。DRIZO脫水工藝再生塔后經(jīng)三相分離器排放到大氣中的BTEX的排放量為0.384 m3/d，傳統(tǒng)三甘醇脫水流程經(jīng)再生塔排放到大氣中的BTEX的排放量為23.76 m3/d。

2 DRIZO脫水工藝影響因素分析

2.1 吸收塔塔板數(shù)對脫水效果的影響

處理量為750×104m3/d，吸收塔操作壓力11.7 MPa(a)，正庚烷作共沸劑，其循環(huán)量為5 kg/h的情況下，研究不同塔板數(shù)N下三甘醇貧液循環(huán)量對脫水效果的影響，結(jié)果見圖2。

如圖2所示，當(dāng)三甘醇貧液循環(huán)量在1.0～5.0 m3/h范圍內(nèi)變化時，脫水后的干天然氣含水量和水露點隨著塔板數(shù)的增加而降低。這是因為塔板數(shù)增多，氣液接觸面積增大，加強了水在氣液相之間的傳質(zhì)[18]。所以，增加塔板數(shù)能夠降低三甘醇貧液循環(huán)量。

a)不同吸收塔塔板數(shù)下三甘醇貧液循環(huán)量對干天然氣含水量的影響

b)不同吸收塔塔板數(shù)下三甘醇貧液循環(huán)量對干天然氣水露點的影響

但是，隨著三甘醇貧液循環(huán)量的增加，脫水后干天然氣含水量和水露點的下降趨勢減小，當(dāng)三甘醇貧液循環(huán)量增加到4.5 m3/h后干天然氣含水量和水露點隨三甘醇貧液循環(huán)量增大變化得不明顯。同時，理論塔板數(shù)從4增加到6時，隨著三甘醇貧液循環(huán)量的增加，脫水后干天然氣含水量和水露點的降低同樣變緩。這是因為，當(dāng)三甘醇貧液循環(huán)量或者塔板數(shù)增大至一定值后，水分在氣液相間的傳質(zhì)阻力作用逐漸增強[19]。

在吸水環(huán)節(jié)吸收了天然氣中BTEX的三甘醇在再生環(huán)節(jié)與共沸劑接觸，BTEX進入共沸劑中，天然氣本身含

有的BTEX混合物作為共沸劑的一部分在脫水工藝流程中循環(huán)，不但可以減少BTEX的排放，還可以降低費用。但是考慮到在三甘醇再生環(huán)節(jié)中BTEX的排放速率會隨著三甘醇貧液循環(huán)量的增加而增加，DRIZO脫水工藝三甘醇貧液的循環(huán)量還需控制在一定數(shù)值以內(nèi)。本系統(tǒng)中，N=6時，最佳循環(huán)量為4.5 m3/h。

2.2 共沸劑循環(huán)速率對脫水效果的影響

處理量為750×104m3/d，吸收塔操作壓力11.7 MPa(a)，吸收塔塔板數(shù)6塊，研究不同三甘醇貧液循環(huán)量下正庚烷作共沸劑其循環(huán)速率對脫水效果的影響，結(jié)果見圖3。

a)不同三甘醇貧液循環(huán)量下共沸劑循環(huán)量對干天然氣含水量的影響

b)不同三甘醇貧液循環(huán)量下共沸劑循環(huán)速率對干天然氣水露點的影響

引入共沸劑可大幅降低脫水后干天然氣的含水量，使得脫水效果加強。共沸劑質(zhì)量流量越大，脫水后干天然氣的含水量越低。由亨利定律可知，溶液上方的氣體溶質(zhì)平衡分壓與該溶質(zhì)在液相中的組成成正比，引入共沸劑后，水蒸氣在氣相中的分壓減小，其在液相即三甘醇溶液中的溶解度也隨之減小，使得回收后的三甘醇貧液濃度提高，脫水后干天然氣的含水量降低[20]。實際操作過程中，可視脫水深度選擇適宜的共沸劑循環(huán)速率。

2.3 不同種類共沸劑對脫水效果的影響

常用共沸劑的組成為C5～C8范圍內(nèi)的芳環(huán)烷烴及石蠟烴的混合物，也可采用正庚烷、異辛烷等。確定吸收塔操作壓力為11.7 MPa(a)，理論塔板數(shù)為6，三甘醇貧液循環(huán)量為4.5 m3/h，研究不同共沸劑對脫水效果的影響，結(jié)果見圖4。

如圖4所示，分別采用正庚烷、異辛烷作為共沸劑進行模擬，探討不同共沸劑對脫水效果的影響。結(jié)果顯示，采用正庚烷作為共沸劑得到的脫水后干天然氣含水量最低。

a)不同種類共沸劑對脫水后干天然氣含水量的影響

b)不同種類共沸劑對脫水后干天然氣水露點的影響

3 結(jié)論

1)天然氣處理量為750×104m3/d，吸收塔操作壓力為11.7 MPa(a)，理論塔板數(shù)為6，三甘醇貧液循環(huán)量為4.5 m3/h，正庚烷作共沸劑且其循環(huán)量為5 kg/h。模擬DRIZO脫水工藝得到的三甘醇貧液濃度為99.84 %，脫水后干天然氣水露點為-56.44 ℃，脫水過程中的三甘醇損失為0.002 m3/h，再生塔后經(jīng)三相分離器排放到大氣中的BTEX排放量為0.384 m3/d。結(jié)果顯示，DRIZO脫水工藝具有提高脫水效率、減少BTEX排放等優(yōu)點，脫水效果遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝的脫水效果。

2)吸收塔塔板數(shù)、共沸劑循環(huán)速率、共沸劑的種類都會對DRIZO脫水工藝的脫水效果產(chǎn)生影響。一定范圍內(nèi)，塔板數(shù)越多、共沸劑質(zhì)量流量越大，則脫水效果越好，脫水后干天然氣的水含量越低。天然氣處理量為750×104m3/d，吸收塔操作壓力為11.7 MPa(a)，吸收塔塔板數(shù)為6塊，三甘醇貧液循環(huán)量為4.5 m3/h，共沸劑質(zhì)量流量為5 kg/h，可使處理后的氣體含水量滿足管輸要求。分別采用正庚烷、異辛烷作為共沸劑進行模擬，結(jié)果顯示，操作參數(shù)相同時，采用正庚烷作為共沸劑得到的脫水后干天然氣含水量最低。

3)DRIZO脫水工藝雖具有提高脫水效率、減少BTEX排放等優(yōu)點，但其前期投資較大，需視天然氣處理規(guī)模和是否含有BTEX氣體等綜合考慮是否選用DRIZO脫水工藝脫水。

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2015-06-21

賀 三(1975-)，男，四川成都人，副教授，博士，主要從事油氣儲運方面的研究。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.01.010