張陸軍，李 原，王文濤，趙 磊，何佳偉，張 杰

（1.重慶前衛(wèi)科技集團(tuán)有限公司，重慶 401121；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

關(guān)鍵字：MRU；再生；Plus；再生塔

2020年2月至3月，中國(guó)海域天然氣水合物第二輪試采成功［1］。在開(kāi)采時(shí)管道內(nèi)易形成水合物，造成管線凍堵，降低管線輸氣量，影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。乙二醇（MEG）作為水合物抑制劑可防止管道內(nèi)水合物的生成，通常在海底管道入口和油嘴處注入MEG溶液從而保證水下產(chǎn)出順利輸送到水面。乙二醇回收及再生系統(tǒng)（MRU）可除去MEG富液中的烴、酸氣、水和鹽雜質(zhì)，從而得到滿(mǎn)足往入純度要求的MEG貧液，實(shí)現(xiàn)MEG的循環(huán)使用［1-2］。

本文重點(diǎn)研究MRU中的再生脫水流程，對(duì)MRU中再生脫水單元的工作流程進(jìn)行了簡(jiǎn)介，采用Aspen Plus對(duì)其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選，，采用Plus中的DSTWU進(jìn)行簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)并確定了相關(guān)參數(shù)，然后使用RadFrac對(duì)再生脫水進(jìn)行嚴(yán)格模擬與優(yōu)化，本研究為MRU中再生脫水中再生塔設(shè)計(jì)奠定一定基礎(chǔ)。

1 MRU再生單元設(shè)計(jì)

1.1 MRU再生單元的工作原理

經(jīng)預(yù)處理后的MEG富液需進(jìn)行脫水以實(shí)現(xiàn)再生。MEG再生采用精餾的原理，其流程圖如圖1所示。主要設(shè)備包括再生塔，立式熱虹吸式再沸器，冷凝器，貧富液換熱器，等等。經(jīng)預(yù)處理后的MEG富液進(jìn)入貧富液換熱器換熱，換熱后富液從再生塔的中上部進(jìn)入，富液與向上流動(dòng)的熱蒸汽不斷接觸與傳熱，當(dāng)富液的溫度值達(dá)到一定，富液中的重組分（MEG）和輕組分（水蒸氣）分離，重組分向下流入到塔釜，輕組分上升塔頂，經(jīng)冷凝后進(jìn)入回流罐，不冷凝氣體通過(guò)回流罐放空排出。富液流入塔釜后，輸送到再沸器內(nèi)，采用熱載體對(duì)富液加熱將輕組分和重組分分離，產(chǎn)出的熱蒸汽由氣相進(jìn)料管道進(jìn)入到再生塔下部，與向下富料液進(jìn)行換熱，合格的貧液通過(guò)塔釜排出進(jìn)入貧富液換熱器與富液進(jìn)行換熱，最后進(jìn)入脫鹽流程。

圖1 再生單元流程圖

1.2 工藝參數(shù)及物性方法

經(jīng)預(yù)處理后MEG富液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%，乙二醇在作為水合物抑制劑時(shí)，貧液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求達(dá)到80%～90%。再生工藝參數(shù)如表1所示，要求塔頂乙二醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.001%，塔釜水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.001%。塔頂冷凝器為全凝器，回流比為最小回流比的2.5倍。

表1 再生工藝主要參數(shù)

由于物系僅含有乙二醇、水和一價(jià)鹽，該物系為極性物系，因此采用NRTL方程作為物性方法［2］。

2 設(shè)計(jì)結(jié)果

2.1 簡(jiǎn)捷計(jì)算結(jié)果

DSTWU是多組分精餾的簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)模塊，其計(jì)算結(jié)果可作為嚴(yán)格精餾計(jì)算提供合適的初始值。塔頂冷凝器設(shè)置為全凝器［3］。

簡(jiǎn)捷計(jì)算結(jié)果為，最小回流比為0.0207，實(shí)際回流比為0.05，實(shí)際塔板數(shù)為30，最小塔板數(shù)為7，進(jìn)料塔板數(shù)為13，再沸器熱負(fù)荷為1527kW，冷凝器熱負(fù)荷為1469.6kW，塔頂產(chǎn)品與進(jìn)料物質(zhì)的量比為0.7132，塔釜乙二醇含量94.83%，塔底溫度134℃，塔底溫度45℃，符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 嚴(yán)格計(jì)算及結(jié)果

將簡(jiǎn)捷運(yùn)算結(jié)果輸入到RadFrac模塊中進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算，再沸器設(shè)置為熱虹吸式再沸器，再沸器出口溫度設(shè)為134℃，再沸器壓力為10KPa。其計(jì)算結(jié)果為塔釜溫度128℃，塔底溫度45℃，再沸器熱負(fù)荷15KW，冷凝器熱負(fù)荷1490kW，塔釜乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為94.51%，塔釜水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.27%，塔頂乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.3%，塔頂水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.69%。塔頂中乙二醇含量和塔底水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)設(shè)計(jì)要求，需對(duì)其優(yōu)化。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果優(yōu)化

3.1 回流比優(yōu)化

根據(jù)文獻(xiàn)，再沸器和冷凝器的熱負(fù)荷隨著回流比（MOLE-RR）的增大而增大，從而加熱劑和冷卻劑的耗量也會(huì)按比例增加，操作費(fèi)用也隨之增加。但隨著回流比的增大，塔板數(shù)會(huì)隨之減小，設(shè)備費(fèi)用會(huì)降低，因此需要最適宜的回流比［3-5］。在Plus中將塔底產(chǎn)品的質(zhì)量純度（PURITY）設(shè)定，將塔釜乙二醇的目標(biāo)值設(shè)為0.9483，回流比下限為0.05，上限為0.1。結(jié)果顯示回流比為0.0707時(shí)，塔釜乙二醇的質(zhì)量純度為0.9483。在Plus中對(duì)回流比進(jìn)行靈敏度分析，分析回流比大小對(duì)塔釜乙二醇純度的影響。如圖2所示，隨著回流比的增加，塔釜乙二醇的純度也隨著上升，當(dāng)回流比的值達(dá)到0.0706左右時(shí)，乙二醇的純度保持不變，純度值保持在0.9483，故回流比最佳值為0.0707。

圖2 回流比對(duì)塔釜乙二醇純度的影響

在精餾塔不同的位置進(jìn)料時(shí)，再沸器和冷凝器的熱負(fù)荷也會(huì)受之影響，最佳回流比確定后，需對(duì)進(jìn)料板數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。將原回流比改為最佳回流比后，分析進(jìn)料位置對(duì)再沸器熱負(fù)荷（REB-DUTY）和冷凝器熱負(fù)荷（COND-DUTY）的影響，進(jìn)料位置范圍為2到29，分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 熱負(fù)荷隨進(jìn)料位置的變化

3.2 進(jìn)料塔板數(shù)優(yōu)化

冷凝器熱負(fù)荷隨著進(jìn)料位置的增大而減小，當(dāng)進(jìn)料板位置低于6時(shí)，冷凝器熱負(fù)荷值保持平穩(wěn)，當(dāng)進(jìn)料板位置大于26時(shí)，冷凝器熱負(fù)荷值上升，當(dāng)進(jìn)料板位置為29時(shí)，冷凝器熱負(fù)荷值最大。再沸器熱負(fù)荷值如圖3所示，當(dāng)進(jìn)料板位置為2到14時(shí)，再沸器熱負(fù)荷先上升然后下降，進(jìn)料板位置為14時(shí)，再沸器的熱負(fù)荷值最?。划?dāng)進(jìn)料板位置為15到28時(shí)，再沸器熱負(fù)荷繼續(xù)上升，當(dāng)進(jìn)料板位置為29時(shí)，再沸器熱負(fù)荷值最小。綜上當(dāng)進(jìn)料板位置為14時(shí)，冷凝器熱負(fù)荷和再沸器熱負(fù)荷最小，故進(jìn)料位置選擇14。

3.3 塔參數(shù)結(jié)果

塔器分為填料塔與板式塔，真空和常壓工況選填料塔居多；易堵、含顆粒和加壓工況下選擇板式塔較多；填料塔分率效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大，生產(chǎn)能力大等優(yōu)點(diǎn)，再考慮到板式塔一般使用金屬材料容易被富液中的鹽腐蝕，故選擇填料塔作為MRU中的再生塔。

進(jìn)入到Pack Sizing中，對(duì)填料塔參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，從第2塊板開(kāi)始直到第29塊板，填料型號(hào)為MELLAPAK，廠商 SULZER，材料為 STANDARD型，尺寸為250Y，等板高度根據(jù)文獻(xiàn)［4］所知為0.5m。塔徑設(shè)計(jì)結(jié)果為1.36m，經(jīng)過(guò)圓整后為塔徑為1.4m。填料層高度為13.5m，根據(jù)文獻(xiàn)［3］，塔高通常為填料層高度的130%，即塔高為13.5×1.3＝17.55m。

3.4 優(yōu)化結(jié)果

采用Aspen Plus軟件對(duì)MRU再生脫水流程進(jìn)行嚴(yán)格設(shè)計(jì)，最終得到再生塔主要參數(shù)，再生塔板數(shù)選為30塊，回流比為0.0707，進(jìn)料位置為14，塔徑為 1.4m，塔高為 17.55m，操作壓力為100kPa，冷凝器壓力10kPa，再沸器選擇熱虹吸式再沸器，出口溫度為134℃，壓力為10kPa，塔釜乙二醇含量為94.873%，塔釜水含量接近于0，塔底乙二醇含量接近于0，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

對(duì)MRU中的再生脫水進(jìn)行了介紹，通過(guò)使用Aspen Plus對(duì)再生流程進(jìn)行了模擬，對(duì)再生塔內(nèi)各個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)來(lái)判斷對(duì)再生效果的影響，設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足要求且能耗最優(yōu)的再生塔。本研究為MRU中的再生塔設(shè)計(jì)奠定一定基礎(chǔ)?？晒┫嚓P(guān)人員使用設(shè)計(jì)精餾塔時(shí)作為參考。