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基于粒度分布的MRU脫鹽閃蒸罐工藝參數(shù)優(yōu)選①

劉 康1賀 三2劉曉明1徐兆立2袁宗明2

1.中海石油深海開發(fā)有限公司2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

摘要乙二醇再生脫鹽裝置是深水天然氣開發(fā)中的核心裝置之一，常采用蒸發(fā)結(jié)晶和重力沉降原理來實(shí)現(xiàn)高溶解度鹽(如NaCl)的脫除。對(duì)脫鹽閃蒸罐的主要工藝參數(shù)，過去主要從能耗的角度進(jìn)行優(yōu)選，只能反映工藝參數(shù)對(duì)蒸發(fā)的影響，難以直接反映對(duì)結(jié)晶與顆粒沉降分離的影響。從晶體粒度分布的角度出發(fā)，利用激光粒度儀研究了溫度、壓力和停留時(shí)間等因素對(duì)NaCl在乙二醇溶液中晶體粒度分布的影響規(guī)律，并據(jù)此優(yōu)選工藝參數(shù)。結(jié)果表明，在同等條件下，溫度越高，晶體的粒度分布越分散，平均粒度越??；真空度越高，晶體的粒度分布越分散，平均粒度越??；停留時(shí)間過長或過短都將導(dǎo)致晶體的平均粒度變小。對(duì)所討論的介質(zhì)，優(yōu)選后的工藝參數(shù)為：閃蒸溫度140 ℃，壓力-80 kPa，停留時(shí)間5 min。經(jīng)研制的連續(xù)實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證，優(yōu)選后的參數(shù)能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的沉降分離和脫鹽。

關(guān)鍵詞閃蒸罐工藝參數(shù)NaCl乙二醇粒度分布

深水氣田開發(fā)中，常在天然氣管道中注入貧乙二醇，以防水合物的形成[1]。為降低使用成本，需乙二醇再生裝置(Monoethylene Glycol Regeneration Unit，MRU)對(duì)返回的乙二醇富液進(jìn)行處理。而乙二醇富液中常含有大量的高溶解度鹽(主要為NaCl，下面以此代表高溶解度鹽)，常規(guī)的MRU不具備脫鹽功能，易造成系統(tǒng)因鹽析出/結(jié)垢堵塞重沸器和換熱器，使得整個(gè)裝置無法正常工作[2-4]。為此，深水氣田開發(fā)時(shí)，大多采用具備脫鹽功能的MRU[5-6]，并已作為關(guān)鍵系統(tǒng)之一應(yīng)用于依托平臺(tái)上[1]。國際上成功開展乙二醇回收脫鹽系統(tǒng)研發(fā)制造與應(yīng)用的公司主要有Cameron、Aker Solutions、CCR、COMART等[7-10]。國內(nèi)在深水天然氣開發(fā)中沒有研究開發(fā)乙二醇再生脫鹽裝置的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)相關(guān)技術(shù)研究較少，無自主研制的工程化裝置，在荔灣3-1氣田開發(fā)中只能采用國外進(jìn)口裝置，不僅費(fèi)用高昂，在設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行上均受制于人。

本研究根據(jù)脫除NaCl的基本原理，研制了一套乙二醇脫除高溶解度鹽的實(shí)驗(yàn)裝置[11]。對(duì)其運(yùn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化，過去主要以降低能耗為目標(biāo)，以工藝模擬的結(jié)果為基礎(chǔ)來進(jìn)行，其只能反映工藝參數(shù)對(duì)蒸發(fā)的影響，難以直接反映對(duì)結(jié)晶與顆粒沉降分離的影響。該裝置的核心工藝設(shè)備是閃蒸罐，其中顆粒的沉降分離受粒度和離散度的影響較大，較大的平均粒度和較小的離散度可確保絕大部分顆粒能順利進(jìn)入閃蒸罐底部，避免大量顆粒進(jìn)入循環(huán)加熱管路引起堵塞/結(jié)垢問題。本研究嘗試從影響NaCl顆粒沉降分離效果最重要的一項(xiàng)參數(shù)——粒度分布角度來進(jìn)行工藝參數(shù)的篩選和優(yōu)化。

1乙二醇脫鹽基本工藝

乙二醇脫鹽的基本原理是蒸發(fā)結(jié)晶。其基本工藝流程見圖1。含鹽乙二醇溶液進(jìn)入閃蒸罐后，通過外部的循環(huán)管路強(qiáng)制循環(huán)加熱，蒸發(fā)出的乙二醇溶液冷凝后回收。閃蒸罐中析出的NaCl晶體在重力作用下沉降至閃蒸罐底部，再由鹽泵送入離心機(jī)進(jìn)行分離，分離后的鹽被回收，離心出來的乙二醇溶液返回閃蒸罐，以減小損耗。該裝置的核心設(shè)備是閃蒸分離器，其工藝參數(shù)直接影響著裝置的運(yùn)行效果。

由于閃蒸罐內(nèi)壓力較低，直接在閃蒸罐內(nèi)加熱存在著弊端，一方面可能導(dǎo)致加熱器表面溶液氣化和結(jié)垢的問題。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%的乙二醇溶液為例，利用Aspen Plus模擬表明，在表壓為-80 kPa，溫度為150 ℃時(shí)，其氣相分?jǐn)?shù)為0.094。鄰近加熱管表面的液膜將有一部分氣化，使得少量鹽析出來，導(dǎo)致加熱器表面結(jié)垢。另一方面，閃蒸罐內(nèi)存在大量鹽顆粒，運(yùn)行一段時(shí)間后易附著在加熱器表面形成垢，使得加熱器換熱效率下降。故多采用外部循環(huán)加熱的方式。

2實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)所用裝置如圖2所示。采用帶夾套的玻璃結(jié)晶器來實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)結(jié)晶，結(jié)晶器的溫度通過高溫恒溫循環(huán)槽加熱熱油來保持結(jié)晶器的溫度，結(jié)晶器內(nèi)的壓力通過連接的真空泵和調(diào)節(jié)閥來控制。通過激光檢測(cè)裝置確定結(jié)晶器內(nèi)晶體出現(xiàn)的時(shí)間，該激光裝置由波長531 nm的氦氖激光發(fā)射器、接收器和數(shù)字顯示3部分構(gòu)成。當(dāng)觀測(cè)到數(shù)字激光功率計(jì)的讀數(shù)出現(xiàn)顯著變化時(shí)開始計(jì)時(shí)，到預(yù)計(jì)時(shí)間后停止蒸發(fā)，并立即用移液管取樣，將所取樣品通過抽濾系統(tǒng)過濾，抽濾完畢后放置于干燥箱內(nèi)烘干備用。利用英國馬爾文HYDRO2000型激光粒度儀進(jìn)行晶體的粒度分析。

實(shí)驗(yàn)所用乙二醇溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。實(shí)驗(yàn)溫度為130~150 ℃，結(jié)晶器內(nèi)的壓力為-80~-95 kPa，停留時(shí)間為3~20 min。實(shí)驗(yàn)中不考慮攪拌的影響。

3結(jié)果與討論

3.1　溫度對(duì)NaCl晶體粒度的影響

因溫度會(huì)影響溶液中介穩(wěn)區(qū)的寬度，也是影響晶體成核速率和生長速率的關(guān)鍵參數(shù)之一，故在實(shí)驗(yàn)條件下，以溫度為變量，研究了其對(duì)NaCl晶體粒度的影響。由圖3可知，壓力一定，溫度越高，NaCl晶體的平均粒度越小，其粒度分布的離散度越大，粒度分布越不均勻。130 ℃和135 ℃時(shí)的平均粒度和離散度均優(yōu)于其他溫度，但在140 ℃時(shí)，D(0.1)為83.928 μm，是這幾個(gè)溫度條件中最高的，更有利于顆粒的沉降分離。其主要原因是由于溫度越高，蒸發(fā)速率越快，單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)出的乙二醇溶液越多，導(dǎo)致形成高過飽和度，產(chǎn)生晶核的速率更快。同時(shí)溫度越高，晶粒與晶粒間碰撞并發(fā)生破碎的行為更容易且更劇烈，導(dǎo)致粒度分布更分散，粒徑也降低，不利于沉降。且溫度降低，還會(huì)使乙二醇溶液的黏度增加，導(dǎo)致顆粒的沉降受到影響。因此，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究中選擇140 ℃為溫度條件。

3.2　壓力對(duì)NaCl晶體粒度的影響

因壓力是真空蒸發(fā)系統(tǒng)中影響系統(tǒng)蒸發(fā)速率的關(guān)鍵因素，進(jìn)一步影響著過飽和度，故在實(shí)驗(yàn)條件下，以壓力為變量，研究了其對(duì)NaCl晶體粒度的影響。由圖4可知，相同溫度下，壓力越低，NaCl晶體的平均粒度越小，離散度越大，粒度分布越分散。-95 kPa時(shí)，晶體離散度最低，有利于獲得較均勻的顆粒，但其粒徑最小，平均粒度為147.687 μm，D(0.1)為75.153 μm，對(duì)沉降不利。且壓力越低，對(duì)真空泵和系統(tǒng)氣密性要求也越高。在-90~-80 kPa的變化范圍內(nèi)，晶體的離散度變化較平緩，在-80 kPa時(shí)，平均粒度大于205 μm，盡管離散度相對(duì)較高，但其D(0.1)為94.521 μm，略高于其他壓力條件下的粒徑，更有利于沉降。因此，選擇-80 kPa作為壓力條件。

3.3　停留時(shí)間對(duì)NaCl晶體粒度的影響

由于晶體在結(jié)晶器內(nèi)的生長時(shí)間會(huì)對(duì)粒度分布產(chǎn)生一定的影響，故在實(shí)驗(yàn)條件下，以時(shí)間為變量，研究了停留時(shí)間對(duì)NaCl晶體粒度的影響。由圖5可知，NaCl晶體的平均粒度在停留時(shí)間15 min時(shí)達(dá)到最大。這是因?yàn)樵谝欢〞r(shí)間內(nèi)，停留時(shí)間越久，晶體長大的時(shí)間越久，晶體的平均粒度也越大，而過長的停留時(shí)間會(huì)使晶體因摩擦、碰撞而破碎，從而增加晶體成核的數(shù)量，同時(shí)還會(huì)增加結(jié)晶器的尺寸，增加設(shè)備投資。因此，就本文所研究的條件而言，5 min是較好的停留時(shí)間，不僅晶體粒度可以滿足基本需求，其離散度也相對(duì)較小。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

上述實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出的工藝參數(shù)為140 ℃、-80 kPa和5 min停留時(shí)間。為進(jìn)一步驗(yàn)證該參數(shù)的可行性，在研制的一套處理量為0.2 m3/h的連續(xù)實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了測(cè)試[11]，其核心工藝流程與圖1的工藝流程一致，僅在閃蒸罐底部去離心機(jī)的管路上，增加了由緩沖罐、管路和鹽泵等組成的一個(gè)子系統(tǒng)，以便積存較多的鹽顆粒后再啟動(dòng)離心機(jī)進(jìn)行分離，避免離心機(jī)頻繁啟動(dòng)。閃蒸罐液相空間按照顆粒停留時(shí)間5 min來設(shè)計(jì)液位，并在閃蒸罐底部出口的管口處設(shè)置了一個(gè)取樣口。因樣品直接取自閃蒸罐內(nèi)，故可代表其中的結(jié)晶情況。受真空泵的限制，實(shí)驗(yàn)共測(cè)試了7組數(shù)據(jù)，工藝參數(shù)見表1，各組的停留時(shí)間均按照5 min考慮，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。

由圖6可知，在連續(xù)實(shí)驗(yàn)裝置上獲得的閃蒸罐內(nèi)NaCl晶體的平均粒度與離散度總體上比室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的值要小。其主要原因是室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)中是間歇結(jié)晶方式，其結(jié)晶器尺寸很小，難以模擬連續(xù)結(jié)晶器中的真實(shí)情況[12]。而在連續(xù)實(shí)驗(yàn)中，閃蒸罐沒有設(shè)計(jì)細(xì)晶消除系統(tǒng)，過飽和度相對(duì)較低，使得最終生成的晶體粒度偏低。但在實(shí)驗(yàn)中得到的晶體離散度總體上也較室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)低，顆粒分布總體上更均勻。在1~5組實(shí)驗(yàn)中，在加熱循環(huán)管路中肉眼觀察到了少量的顆粒，6~7組未觀察到明顯的顆粒。其主要原因是1~5組析出的晶體存在少量微小顆粒，該5組的D(0.1)為46.681~66.349 μm，而第6組和第7組的D(0.1)均大于70 μm，離散度也較小，更有利于獲得均勻顆粒和沉降分離。

表1 連續(xù)實(shí)驗(yàn)工藝條件Table1 Continuousexperimentalprocessconditions序號(hào)閃蒸壓力/kPa加熱溫度/℃1-901302-901353-901404-901455-901506-851407-80140

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，-80 kPa、140 ℃條件效果最好，與前文優(yōu)選出的工藝參數(shù)一致。

5結(jié) 論

為獲得較好的沉降分離效果，從影響結(jié)晶粒度分布的角度對(duì)乙二醇脫除高溶解度鹽裝置中閃蒸罐的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選，結(jié)果為：閃蒸溫度140 ℃，閃蒸壓力-80 kPa，停留時(shí)間5 min。優(yōu)選后的工藝參數(shù)經(jīng)過連續(xù)實(shí)驗(yàn)裝置的驗(yàn)證，能順利沉降分離，達(dá)到脫鹽的目的，表明本文所用方法具有可行性。

參 考 文 獻(xiàn)

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Optimization of parameters for MRU desalination flash drum process

based on particle size distribution

Liu Kang1, He San2, Liu Xiaoming1, Xu Zhaoli2, Yuan Zongming2

(1.CNOOCDeepwaterDevelopmentCo.，Ltd.,Shenzhen518067,China)

(2.SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China)

Abstract:Monoethylene glycol regeneration & desalination system is one of key units in deepwater gas development, often using evaporative crystallization and sedimentation theory to achieve high solubility salt (such as NaCl) removal. The main process parameters on the desalting flash tank, mainly optimized from the perspective of energy in the past, can only show the effects of process parameters on evaporation, but not directly show the effects on the crystallization and particles settling & separation. To study the main process parameters of flash separator as a crystallizer, the influence of temperature, pressure, and residence time on the crystal size distribution of NaCl in ethylene glycol solution was studied by laser diffraction particle size analyzer. The results showed that under the same conditions, the higher temperature, the more dispersive crystal size distribution and the smaller average particle size; the higher degree of vacuum, the more dispersive crystal size distribution and the smaller average particle size; too long or too short of residence time would cause the average crystal size to become small. For discussed solutions, optimized process parameters are that flash temperature is 140℃, pressure is -80 kPa, and the residence time is 5 minutes. The optimized parameters can achieve stable sedimentation separation and desalination by the verification of developed continuous experimental apparatus.

Key words:flash drum， process parameter， sodium chloride， ethylene glycol， particle size distribution

收稿日期：2015-09-17；編輯：康莉

中圖分類號(hào)：TE648

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2016.01.008

通信作者：賀三(1975-)，男，副教授， 2004年博士畢業(yè)于西南石油大學(xué)，現(xiàn)主要從事油氣集輸、流動(dòng)保障技術(shù)等的相關(guān)研究與教學(xué)工作。E-mail: hesan@126.com

作者簡(jiǎn)介：劉康(1982-)，男，工程師，從事海洋石油工程建設(shè)項(xiàng)目管理工作。

基金項(xiàng)目：①國家自然科學(xué)基金“深水天然氣水合物輸送管道氣液固三相流基礎(chǔ)理論研究”(51474184)，中海油重點(diǎn)項(xiàng)目“深水氣田開發(fā)乙二醇再生裝置脫一價(jià)鹽系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”(CCL2013SKPS0170)。