旋流管塔盤在三甘醇吸收塔中的應(yīng)用

扈海莉 蔣 洪

西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 610500

0 前言

隨著油氣田開發(fā)的進(jìn)行以及市場需求的變化，天然氣的產(chǎn)量也在逐步提升，三甘醇脫水系統(tǒng)的處理能力已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的要求。對(duì)于天然氣處理量大的三甘醇脫水裝置，若采用泡罩塔設(shè)計(jì)，新塔的尺寸過大，塔投資高。天然氣的處理量大，還會(huì)增加烴的夾帶量，增大三甘醇的損失量，引起三甘醇發(fā)泡，影響三甘醇吸收塔的最大處理能力。對(duì)于已建的三甘醇吸收塔如何改造以提高天然氣的處理量、對(duì)于新設(shè)計(jì)的三甘醇吸收塔如何降低塔的投資、有效地減少烴夾帶和三甘醇發(fā)泡，是大處理量三甘醇脫水系統(tǒng)亟需解決的問題。

1 典型三甘醇脫水裝置簡述

典型的三甘醇脫水工藝流程見圖1［1-3］。濕天然氣進(jìn)入原料氣過濾分離器（D-101），除去游離液體和固體雜質(zhì)后進(jìn)入吸收塔（T-101）的底部，在吸收塔內(nèi)與從塔頂注入的貧三甘醇溶液逆向接觸，脫除天然氣中的水。從吸收塔頂出來的天然氣經(jīng)干氣/貧甘醇換熱器（E-101）后進(jìn)入干氣輸送管線。貧三甘醇從甘醇吸收塔底部排出，經(jīng)過降壓后進(jìn)入再生塔（C-102）頂部進(jìn)行預(yù)熱，經(jīng)貧富液換熱器（E-104）換熱后，經(jīng)閃蒸罐（D-102）、過濾器（F-101、F-102）、貧富液換熱器（E-103），進(jìn)入再生塔、三甘醇緩沖罐（D-103）、甘醇循環(huán)泵（P-101）完成三甘醇的再生，實(shí)現(xiàn)三甘醇貧液的循環(huán)利用。

從圖1可以看出，三甘醇脫水工藝主要由進(jìn)口分離、氣體-甘醇吸收脫水、閃蒸分離及過濾、三甘醇富液再生、貧富液換熱、貧液泵循環(huán)等工藝部分組成。其中三甘醇吸收塔是三甘醇脫水裝置的核心設(shè)備，直接關(guān)系到脫水效果的好壞，進(jìn)口分離器脫除進(jìn)料氣中的雜質(zhì)（烴、固體雜質(zhì)等），其脫除效果的好壞直接關(guān)系到天然氣的純度，從而影響三甘醇吸收塔的脫水效果。在典型的流程中，三甘醇吸收塔一般采用泡罩塔盤，進(jìn)口分離器一般采用過濾式分離器。泡罩塔盤在現(xiàn)場已經(jīng)應(yīng)用了幾十年，主要適用于低液負(fù)荷的場合，但由于處理量的限制，近些年來三甘醇吸收塔開始越來越多地采用填料塔，提高了天然氣處理量［4］，但填料裝卸比較麻煩，給操作帶來不便。天然氣的處理量大，也增加了隨天然氣進(jìn)入系統(tǒng)的烴、固體顆粒等雜質(zhì)的含量，為了在天然氣脫水前去除這些雜質(zhì)，需要更高效的分離器。采用旋流管技術(shù)的新型高效塔盤和高效分離器，可以解決這些問題。

2 高效旋流管分離技術(shù)

高效旋流管塔盤和旋流管分離器都采用了旋流管分離技術(shù)，大大提高了氣液分離的效率。旋流管實(shí)質(zhì)上是不銹鋼管，在進(jìn)口處有渦旋式噴嘴，在管壁處有縱向切口。在旋轉(zhuǎn)氣體流產(chǎn)生的離心力作用下，液滴和管壁發(fā)生碰撞，從而分離出液體。經(jīng)狹縫將液膜排放到管壁外的液體收集艙中，防止再次夾帶該液體。旋流管分離原理簡圖見圖2。

旋流管技術(shù)既可以用于氣液分離，也可以用于氣液接觸。當(dāng)用于氣液接觸時(shí)，氣相的進(jìn)料口和液相的出料口在塔的下部，氣相的出料口和液相的出料口在塔的上部。當(dāng)用于分離時(shí)，除氣、液相進(jìn)出料口外，在塔的中部還有進(jìn)料口。

圖2 旋流管分離原理簡圖

旋流管塔盤是一種較為新型的塔盤，已經(jīng)在國外投入使用。旋流管塔盤將接觸相和分離相結(jié)合起來。用于氣液接觸的旋流管塔盤使用了大量軸向間隔開的接觸塔盤，每一塊接觸塔盤都配有天然氣通道，在其下部還有降液管的開口。此外，每一個(gè)吸收塔盤的上部都會(huì)安裝一個(gè)分離塔盤。每一塊分離塔盤都裝有旋流管，并且配有分離塔盤液體的通道。旋流管塔盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖 3［5］。

圖3 旋流管塔盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖

當(dāng)旋流管技術(shù)用于三甘醇吸收塔時(shí)，濕天然氣從塔底進(jìn)入，貧三甘醇從塔頂進(jìn)入。天然氣與貧三甘醇在吸收塔盤內(nèi)進(jìn)行接觸，旋流管起到了將天然氣中夾帶的三甘醇分離出來的作用，減少了三甘醇的夾帶。裝有旋流管塔盤的三甘醇吸收塔見圖4。

由多個(gè)旋流管組成的結(jié)構(gòu)稱為旋流板。旋流板常常作為高效分離器的一部分，與絲網(wǎng)除霧器和分布器組合使用，可顯著減少進(jìn)入吸收塔的烴類、固體雜質(zhì)以及烴類的二次夾帶。旋流板的結(jié)構(gòu)簡圖見圖5。

圖4 裝有旋流管塔盤的三甘醇吸收塔結(jié)構(gòu)簡圖

圖5 旋流板的結(jié)構(gòu)簡圖

3 旋流管技術(shù)的適應(yīng)性

3.1 旋流管塔盤

三甘醇脫水裝置在低液體負(fù)荷的情況下，整裝填料由于具有比表面積大、傳質(zhì)效率高的優(yōu)勢(shì)，其氣體處理能力比泡罩塔盤高150%～190%。旋流管塔盤采用分離和接觸相結(jié)合的技術(shù)，其氣體處理能力是整裝填料的160%。在國外公司對(duì)三甘醇脫水裝置的改造實(shí)例中，采用高效填料塔和旋流管分離技術(shù)的三甘醇吸收塔，其處理量是采用泡罩塔盤的300%。采用旋流塔盤的吸收塔，其處理量可達(dá)到采用泡罩塔盤處理量的400%。分別采用填料和旋流管作為塔盤的三甘醇吸收塔見圖6。

隨著市場需求和產(chǎn)量的提高，有些三甘醇處理裝置已經(jīng)不能滿足天然氣的脫水要求。為提升氣體的處理能力，一種經(jīng)濟(jì)有效的方式就是利用現(xiàn)有的塔設(shè)備進(jìn)行改造。由于旋流管塔盤在相同塔盤直徑下處理能力大，當(dāng)對(duì)大處理量的甘醇吸收塔進(jìn)行改建時(shí)，旋流管塔盤是很有吸引力的。根據(jù)國外的改造實(shí)例以及殼牌DEP標(biāo)準(zhǔn)，利用已有的三甘醇吸收塔，使用高效填料和旋流管塔盤進(jìn)行改造。三甘醇吸收塔的尺寸，運(yùn)行條件以及改造前后的天然氣處理能力的詳細(xì)參數(shù)見表1。

圖6 采用填料和旋流管的三甘醇吸收塔

表1 三甘醇吸收塔的尺寸、運(yùn)行條件以及改造前后的處理量

由表1可以看出，當(dāng)利用已建的甘醇吸收塔進(jìn)行改造時(shí)，采用整裝填料的處理量高于泡罩塔，而采用旋流管塔盤的處理量最大。具體采用的塔盤類型，應(yīng)該根據(jù)改造后的生產(chǎn)要求以及投資大小確定。當(dāng)天然氣的處理量較大時(shí)，其甘醇損失量也不容忽視。

3.2 旋流管高效分離器

在三甘醇脫水系統(tǒng)中，為防止烴類以及固體雜質(zhì)進(jìn)入吸收塔，通常在三甘醇吸收塔前設(shè)置入口分離器，在吸收塔內(nèi)設(shè)置除霧器。但天然氣處理量大時(shí)，原有的分離裝置往往不能滿足分離要求，會(huì)夾帶大量的烴類進(jìn)入吸收塔中，烴類物質(zhì)在甘醇再生塔中被汽化，限制了整個(gè)裝置的處理量。夾帶進(jìn)入三甘醇吸收塔的烴類等雜質(zhì)還會(huì)引起三甘醇的發(fā)泡，影響三甘醇的脫水效果。

三甘醇吸收塔一般需要在頂部和底部安裝除沫裝置，以減少三甘醇的夾帶損失和液烴的夾帶。當(dāng)處理量較小時(shí)，可以采用絲網(wǎng)除霧器，當(dāng)處理量較大時(shí)，絲網(wǎng)除霧器的處理能力不夠，需要采用高效除沫裝置。經(jīng)工業(yè)實(shí)踐驗(yàn)證，采用旋流管技術(shù)的高效分離裝置，能夠滿足大處理量天然氣的分離要求。國外公司在Shearwater脫水裝置中，將旋流管分離技術(shù)和高效除霧器結(jié)合，取代了原來的葉輪分離器，天然氣的處理量從 8.9×107m3/d 增加到 1.18×108m3/d［6］。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，旋流管分離裝置和旋流管塔盤常常搭配使用，既提高了天然氣的處理量，又有效地減少了烴夾帶和三甘醇的損失。

4 改造實(shí)例

對(duì)于三甘醇吸收塔而言，根據(jù)殼牌的標(biāo)準(zhǔn)若采用泡罩塔盤，塔盤的間距一般取600mm。若采用旋流管塔盤，塔盤的間距一般取500mm，也可視情況進(jìn)行調(diào)整。本文引用國外公司工程應(yīng)用的實(shí)例來分析大處理量三甘醇脫水裝置的吸收塔采用旋流管塔盤的優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)例：三甘醇脫水裝置天然氣的設(shè)計(jì)處理量為1 000×104m3/d，操作條件為 30 ℃，壓力為 6MPa，使用的TEG質(zhì)量濃度為99.0%，循環(huán)量為7 500 kg/h。對(duì)此脫水裝置的三甘醇吸收塔分別采用泡罩塔盤、新型的高效填料和旋流管塔盤進(jìn)行設(shè)計(jì)，三種設(shè)計(jì)具體的參數(shù)見表2。

表2 三甘醇吸收塔分別采用泡罩塔盤、高效整裝填料以及旋流管塔盤的設(shè)計(jì)參數(shù)

由實(shí)例可以看出，對(duì)于大處理量的天然氣脫水裝置，采用旋流管塔盤與泡罩塔盤、高效填料相比，三甘醇吸收塔的直徑有了明顯降低，塔體的壁厚明顯減少，降低了塔的總重量，節(jié)省了塔體用鋼量，降低了吸收塔的投資。由于旋流管塔盤的投資費(fèi)用相對(duì)較高，最終采用哪種改造應(yīng)該根據(jù)投資費(fèi)用進(jìn)行綜合考慮。從應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來看，對(duì)于處理量在5×106m3/d及以上的場合來說，應(yīng)用旋流管塔盤可降低塔殼費(fèi)用，節(jié)省成本。如果海上脫水裝置使用旋流管塔盤，由于節(jié)省了空間，還會(huì)進(jìn)一步減少花費(fèi)。

5 結(jié)論

a）旋流管塔盤應(yīng)用于三甘醇吸收塔上，其處理量是整裝填料的160%，可達(dá)到泡罩塔盤的400%。

b）旋流管塔盤和旋流管分離器結(jié)合使用可以在提高天然氣處理量的同時(shí)，降低三甘醇的損失和烴類的夾帶。

c）對(duì)于處理量大于5×106m3/d的天然氣脫水裝置，甘醇吸收塔采用旋流管塔盤比較經(jīng)濟(jì)。

d）若對(duì)現(xiàn)有的三甘醇吸收塔進(jìn)行改造，采用旋流管塔盤的天然氣處理能力最大；對(duì)于新建的設(shè)備，若采用旋流管塔盤，吸收塔尺寸最小。在實(shí)際中，需要根據(jù)投資等綜合因素確定三甘醇吸收塔塔盤的選用方案。

［1］諸 林.天然氣加工工程［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2008.146-147.Zhu Lin.Natural Gas Processing Engineering ［M］.Beijing：Petroleum Industry Press，2008.146-147.

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