中压深冷装置二氧化碳冻堵防控研究

天然气深冷低温分离工艺中, 二氧化碳含量、工艺控制点的温度和压力是脱甲烷塔冻堵的直接影响因素。中原油田天然气处理厂为中原地区液化气和天然气深加工原材料的主要生产基地, 是整个油田生产链条上的枢纽。因此防控NGL单元脱甲烷塔冻堵, 避免工艺及设备状态波动, 具不可忽略的意义。

1 NGL回收单元工艺流程

工厂原料气经压缩脱水后, 进入NGL回收单元, 热交换后, 液相通过焦耳-汤姆逊阀节流后进入脱甲烷塔顶部作回流, 气相经膨胀机降温后作为脱甲烷塔的进料, 塔顶产品甲烷换热后外输, C2+产品由NGL泵送入分馏单元。整个过程中, 冷量提供单位有辅助制冷的丙烷介质、通过等熵膨胀使气相降温的膨胀机和起节流作用的焦耳-汤姆逊阀。

脱甲烷塔是带有中间侧沸器的复杂精馏塔, 低温下运行, 塔顶和塔底温度差100℃以上 (塔顶-95±5℃和塔底0℃) , 浓度差 (塔顶含甲烷95%-99%, 塔底含甲烷1%-1.25%) 。是整体装置工艺中处理单元和分馏单元的衔接, 原料气混合物料分割前的能量交换场所。

2 研究背景

2.1 冻堵现象

脱甲烷塔的塔顶操作压力1.25MPa, 塔顶温度低至-99℃, 设计乙烷收率为85%。在CO2含量较高的情况下, 塔顶温度没有达到-99℃塔顶就会出现冻堵。初中期冻堵发生时,

为了解冻, 不得不相应提高脱甲烷塔塔顶温度, 降低了乙烷的收率。严重到一定程度时, 需要停下膨胀增压机等机组进行解冻, 原料气大量放空, 不仅影响了生产装置的连续平稳运行, 也造成很大的经济损失、资源耗费。

随着油田原油开采而广泛采用的CO2气驱采油技术造成原料来气中CO2含量的无规律升高, 实践中最高已达到3% (mo L%) 以上, 远远超过设计值0.12515-0.34031% (mo L%) 。

2.2 理论分析

2.2.1 理论上说, 常压下, 纯CO2在-56.6℃时就会凝结成固体。

由图1[1]中可知, 在脱甲烷塔的操作压力 (1.3MPa) 下, 不同CO2含量下形成CO2固体的温度。温度最低点是最容易产生CO2冻堵的地方, 如脱甲烷塔顶部、节流阀出口等处。

在脱甲烷塔的操作条件 (1.3MPa, -99℃) 下, 原料气中CO2含量超过1.8%便会冻堵。

2.2.2 理论计算

低温下, 物质可靠的三相平衡数据是非常少的, 故运用理论模型进行固体溶解度的计算。当混合物某组分处于三相平衡时, 有如下关系:fiS=fiL=fiV

式中:fiS、fiL、fiV分别表示i组分固、液、气三相的逸度。

气相与固相间的相平衡。常见的有固体溶解于高压下的稠密气体时出现的气固平衡。由相平衡准则可导得固体在气相中的溶解度Y为:

式中:

p--总压力/Pa;pSo--固体的饱和蒸气压/Pa;

Фs--固体组分在压力为p的气体混合物中的逸度系数;

ФoS--压力为poS的饱和蒸气中的逸度系数;

Vm--固体二氧化碳的摩尔体积/L·mo L-1;

气体常数, ;流体温度。,

理想气体状态方程即克拉珀龙方程, 各组分气体的含量和摩尔质量如表1所示:

在塔顶温度为-93℃时, 脱甲烷塔顶压力在1.25MPa到1.38MPa范围内变化时, 饱和溶解度和摩尔浓度随之变化, 说明在塔顶温度维持一定的时候, CO2在液化天然气中的含量是随着塔顶压力的升高而降低的, 因此在发生冻堵时, 为了缓解冻堵需要降低塔顶压力。

在塔顶压力为1.25MPa时, 甲烷塔顶温度在-110℃到-90℃范围内变化时, 饱和溶解度和摩尔浓度随之变化, 说明在一定压力下, CO2固体的在液化天然气中的溶解度是随着温度的升高而上升的, 因此为了缓解冻堵, 可以采取提高甲烷塔顶部温度的方法。

3 结果与讨论

3.1 合理利用制冷量

控制辅助制冷系统, 改变丙烷制冷单元浅冷蒸发器出口压力设置 (降低压力) , 靠压差制冷, 保持在-11℃左右;同时适当减小深冷蒸发器液位, 保持在-26℃左右, 不同层级的制冷提供最终使原料气离开冷箱的温度达到-30℃左右;

3.2 维系工艺压力

鉴于脱甲烷塔在二氧化碳含量高时, 压力高容易出现冻堵, 脱甲烷塔顶压力维系在1.25MPa之左右较好控制。同时甲烷塔顶压力太高会影响固体二氧化碳的溶解度, 容易形成冻堵, 也提高了膨胀机的出口温度, 不利于脱甲烷塔顶温度的调控。

3.3 减小膨胀比

适当增大膨胀机入口喷嘴开度, 从21%左右提高到25%左右, 减小膨胀比。

膨胀机经验公式[2]:

T2—膨胀机出口温度/K;T1—膨胀机入口温度/K;P2—膨胀机出口压力/Pa;P1—膨胀机入口压力/Pa;k—绝热指数。

如果膨胀机的出口温度T2太低, 不利于缓解脱甲烷塔冻堵。将脱甲烷塔顶压力 (入口压力P2) 由3.2MPa降低至3.0MPa。以此来提高膨胀机入口温度T1, 从而提高膨胀机出口温度T2。

3.4 减少节流效应

增大低温分离器2-V1底部节流阀焦耳-汤姆逊阀开度, 减小阀后温降, 进而提高脱甲烷塔顶回流温度, 减小在塔盘上析出CO2的机会。

式中:△TH--温度降/K;C--气体的特性常数;△P--节流阀前后压差/Pa;T1--节流前绝对温度/K。

节流膨胀所获得的温度降与压力降成正比, 与节流前温度T1成反比, 因此采取减小压力降和提高节流前温度的方法来减小温度降。在采用辅助制冷量控制, 提高节流前绝对温度T1的同时, 开大节流阀减小△P值, 这样△TH值也相应减小, 提高了节流后温度。

摘要：对造成天然气深冷分离工艺中的甲烷塔CO2冻堵原因进行了理论分析和实际比对, 针对原因研究防控措施, 分层次、分梯度进行调整。在保证生产装置安全平稳的前提下, 最大程度地提高产品纯度和收率, 最大程度地降低资源消耗和操作难度。

关键词：深冷分离,脱甲烷塔,节流,资源消耗

参考文献

[1] 王遇冬.天然气处理与加工工艺.1999年4月第一版, 第36页.

[2] 王遇冬.天然气处理与加工工艺.1999年4月第一版, 第125页.