不同運(yùn)行壓力下三甘醇脫水裝置處理能力分析

劉建民，溫立憲，陳 斌，郝 麗，李增增，劉 佳

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠，寧夏銀川 750006）

從再生系統(tǒng)來(lái)的貧甘醇經(jīng)冷卻和增壓后進(jìn)入吸收塔頂部塔板，與自下而上的濕天然氣逆流接觸吸收天然氣中的部分飽和水。吸收塔頂部設(shè)有捕霧器以脫除干氣所攜帶的三甘醇溶液。吸收了水分的富甘醇溶液自塔底流出依次經(jīng)過(guò)三甘醇閃蒸罐、過(guò)濾器，除去富液中的固體、液烴、化學(xué)劑及其他雜質(zhì)。過(guò)濾后的三甘醇富液進(jìn)入緩沖罐與貧液換熱后進(jìn)入再生塔，在重沸器內(nèi)常壓加熱后蒸出所吸收的水分，并由精餾柱頂部排向大氣。再生后的三甘醇經(jīng)緩沖罐與富三甘醇換熱后經(jīng)泵增壓，進(jìn)入吸收塔進(jìn)行循環(huán)[1]（見(jiàn)圖1）。

1 三甘醇脫水裝置處理能力分析方法

1.1 工藝運(yùn)行參數(shù)計(jì)算

脫水裝置的工藝運(yùn)行參數(shù)主要包括原料氣入塔溫度和壓力、貧甘醇進(jìn)塔溫度和濃度、重沸器溫度、三甘醇循環(huán)率等，前三項(xiàng)可通過(guò)相應(yīng)的測(cè)試手段獲得，三甘醇循環(huán)率通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算。

圖1 三甘醇脫水工藝流程示意圖

式中:F甘醇-甘醇循環(huán)率，L/kg 水；Q循環(huán)-甘醇循環(huán)量，m3/h；Q進(jìn)氣-進(jìn)塔的天然氣流量，m3/h；ω進(jìn)-進(jìn)塔天然氣水含量，kg/m3；ω出-出塔天然氣水含量，kg/m3。

1.2 天然氣和三甘醇物性參數(shù)計(jì)算

天然氣、三甘醇物性參數(shù)是評(píng)價(jià)脫水裝置運(yùn)行效果的重要計(jì)算依據(jù)。本文采用PRO/Ⅱ軟件，獲得不同壓力下天然氣和三甘醇的物性參數(shù)，為脫水裝置吸收塔流體力學(xué)計(jì)算提供依據(jù)。

1.3 三甘醇脫水裝置吸收塔流體力學(xué)計(jì)算

吸收塔流體力學(xué)計(jì)算的目的在于檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的塔盤(pán)能否在較高的效率下正常運(yùn)行。流體力學(xué)驗(yàn)算內(nèi)容有：塔板壓降、液面落差、液泛、錐流、脈動(dòng)、液相負(fù)荷、霧沫夾帶等[3-5]。

1.3.1 塔板壓降 塔板壓降由三部分組成，即氣體克服干板阻力所產(chǎn)生的壓力降、氣體克服板上充氣液層的靜壓力所產(chǎn)生的壓力降、氣體克服濕齒縫阻力所產(chǎn)生的壓力降。

（1）通過(guò)干泡罩的壓降：根據(jù)A環(huán)/A升比值（見(jiàn)圖2），得Kc，則：

式中：V-通過(guò)塔板的總氣相流量，m3/s；Ar-塔板的升氣管總面積，m2；A環(huán)-環(huán)形通道面積，m2；A升-升氣管面積，m2；ρL-液相密度，kg/m3；ρV-氣相密度，kg/m3。

圖2 干泡罩壓降計(jì)算校正系數(shù)

（2）通過(guò)充氣液層的壓降：

根據(jù)Fva的值，查圖3 可得充氣系數(shù)β，則通過(guò)充氣液層壓降：

式中：AT-塔截面積，m2；Ad-降液管的截面積，m2；β-充氣系數(shù)；ua-氣體通過(guò)塔板有效面積Aa的線速度，m/s；Fva-氣相動(dòng)能因子（以塔板有效面積計(jì)算），（m/s）（kg/m3）0.5。

圖3 泡罩塔板的充氣系數(shù)

（3）氣體通過(guò)濕齒縫的壓降：

式中：hso-齒縫開(kāi)度，m；V-通過(guò)塔板的總氣相流量，m3/s；No-塔板上的泡罩?jǐn)?shù)目；Ns-每個(gè)泡罩的齒縫數(shù)目；Ws-齒縫寬度，m。

因此，氣體通過(guò)每層塔板的壓降：

式中：ht-氣體通過(guò)每層塔板的壓降，m；hpc-氣體通過(guò)干泡罩的壓降，m；hso-氣體通過(guò)濕齒縫的壓降，m；hal-氣體通過(guò)充氣液層的壓降，m。

圖4 液面梯度

1.3.2 液面落差 只有當(dāng)液體流量很大及液體流程很長(zhǎng)時(shí)，才需要考慮液面落差的影響。根據(jù)3 600Q′/Dt的取值，查圖4 可得Δ′及Cv的值，液面落差：

式中：Q′-液相體積流量，m3/s；Dt-塔徑，m；Δ′-未經(jīng)校正的塔板液面落差，mm；Δ-液面落差，m；Cv-液面落差校正系數(shù)。

1.3.3 液泛 當(dāng)氣液流量都很大時(shí)，降液管內(nèi)的泡沫層過(guò)高，液體難以消泡、順利流到下層塔板，在降液管內(nèi)累積直至泡沫上緣超過(guò)上層塔板的溢流堰，導(dǎo)致相鄰塔板之間充滿泡沫層，造成液泛，引起氣相壓降驟然上升，塔板效率急劇惡化。

液相從降液管流出的壓頭損失：

降液管內(nèi)清液高度：

降液管內(nèi)充氣液體高度：

式中：Q-貧甘醇循環(huán)量，m3/s；Ada-降液管的最小排液面積，m2；hda-液相從降液管流出的壓頭損失，m；hdc-降液管內(nèi)清液高度，m；hfd-降液管內(nèi)充氣液體高度，m；Φ-充氣液體視密度與清液密度之比，對(duì)于強(qiáng)發(fā)泡性液體取0.4。

當(dāng)Ht+hw≥hfd，不會(huì)發(fā)生降液管液泛，取等號(hào)即為液泛時(shí)液體流率的下限，于是有：

帶入相應(yīng)公式有：

由式（13）可得氣相負(fù)荷V 與液相負(fù)荷L 的關(guān)系式，反映在負(fù)荷性能圖上即為液泛線。

1.3.4 錐流 當(dāng)液體流量很小時(shí)，從齒縫出來(lái)的氣體將液體推開(kāi)，氣體掠過(guò)液面而升至上層塔板，使氣液接觸不良，塔板效率顯著降低。

當(dāng)液量較少，根據(jù)現(xiàn)代塔器技術(shù)（第二版）有：

則發(fā)生錐流時(shí)的液相流量：

式中：hc-泡罩帽齒縫距塔板的高度，m；Lh-發(fā)生錐流時(shí)的液相流量，m3/h。

1.3.5 脈動(dòng) 當(dāng)氣相流量過(guò)小時(shí)，氣相的壓頭不足以克服塔板上液層的阻力，氣體無(wú)法通過(guò)齒縫，直至下層塔板的氣相壓頭逐漸升高后，氣體才能從齒縫逸出。此時(shí)，氣相壓頭將下降，停止鼓泡，再經(jīng)氣相壓頭上升后才重新通過(guò)齒縫。氣相的鼓泡呈脈動(dòng)形式進(jìn)行，造成氣液傳質(zhì)波動(dòng)變化，塔板效率降低。

當(dāng)齒縫開(kāi)度低于0.012 m 時(shí)，會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)現(xiàn)象。因此確定脈動(dòng)的界限為齒縫開(kāi)度0.013 m。則發(fā)生脈動(dòng)時(shí)的氣相流量：

式中：Vh-發(fā)生脈動(dòng)時(shí)的氣相流量，m3/h；As-齒縫面積，m2；Cs-齒縫負(fù)荷系數(shù)，由齒縫形狀決定。

1.3.6 液相負(fù)荷 根據(jù)吸收塔液量小、氣量大的特點(diǎn)，用降液管超負(fù)荷線代替傾流線。對(duì)于嚴(yán)重起泡的液體認(rèn)為降液管停留時(shí)間τ＞7 s 時(shí)，吸收塔將發(fā)生降液管超負(fù)荷，因此，降液管最大液相負(fù)荷：

式中：Ls-降液管最大液相負(fù)荷，m3/h；τ-液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間，s，發(fā)生降液管超負(fù)荷時(shí)取7 s。

1.3.7 霧沫夾帶 當(dāng)氣相流量過(guò)大，被氣體夾帶至上層塔板的液相超過(guò)允許范圍的現(xiàn)象稱為霧沫夾帶。這種液相返混現(xiàn)象會(huì)影響傳質(zhì)效率，使氣相壓降顯著增加。為保證塔效率的基本穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中規(guī)定霧沫夾帶量eo≤0.1 kg 液體/kg 氣體，滿足該條件則不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的霧沫夾帶。

式中：Zf-泡沫層高度，m；S′-泡沫層頂至上一層塔板的距離，m；eo-霧沫夾帶量，kg 液體/kg 氣體；σ-三甘醇表面張力，dyn/cm。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 相關(guān)流體力學(xué)數(shù)據(jù)

本文以A 集氣站在用的普帕克50 脫水裝置為例，對(duì)脫水裝置運(yùn)行效果評(píng)價(jià)方法進(jìn)行實(shí)例分析。已知A 站脫水裝置甘醇循環(huán)量為625 L/h，天然氣流量為44.783 0×104m3/d，天然氣入脫水裝置含水量為0.489 g/m3，天然氣出脫水裝置含水量為0.048 g/m3。根據(jù)式（1）并通過(guò)測(cè)試可得該脫水裝置相關(guān)運(yùn)行參數(shù)（見(jiàn)表1）。

表1 A 站脫水裝置運(yùn)行參數(shù)及相關(guān)指標(biāo)

由表1 可知：在現(xiàn)工況下，該集氣站的外輸氣露點(diǎn)合格，其他的工藝參數(shù)符合要求。

表2 天然氣物性參數(shù)匯總

表3 三甘醇物性參數(shù)匯總

天然氣和三甘醇物性參數(shù)采用PRO/Ⅱ軟件計(jì)算，其中天然氣物性計(jì)算選用適合輕烴類(lèi)物質(zhì)的PR 方程，三甘醇物性計(jì)算選用特殊包中的甘醇模型，具體物性數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2，表3）。

2.2 泡罩塔負(fù)荷性能圖[2]

已知該脫水裝置吸收塔相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算可獲得該塔相關(guān)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表4）。

根據(jù)PRO/Ⅱ軟件獲得天然氣及三甘醇密度、體積流量、表面張力，結(jié)合表4 吸收塔相關(guān)數(shù)據(jù)可以獲得流體力學(xué)計(jì)算所需的數(shù)據(jù)。

據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算可得Ah/Ar=1.25，F(xiàn)va=1.084（m/s）（kg/m3）0.5，3 600Q′/Dt=0.684，查圖1 可得Kc=0.14；查圖2 可得充氣系數(shù)β=0.72；查圖3 可得液面梯度Δ′=0.25 mm/排×6 排=1.5 mm，Cv=0.6。將相應(yīng)數(shù)據(jù)帶入式（13）化簡(jiǎn)整理可得：

0.00706L+0.631V2+0.0823V0.66+0.0049L0.704=0.2237

給定L 值，可得到相應(yīng)V 值，即可得到液泛線數(shù)據(jù)（見(jiàn)表5）。

發(fā)生錐流時(shí)的液相流量（錐流線）：

由現(xiàn)代塔器技術(shù)（第二版）P174 查得Cs=1.51，因此吸收塔發(fā)生脈動(dòng)的最小氣流量：

根據(jù)式（12）降液管超負(fù)荷液量為：

令式（20）中eo=0.1 kg 液體/kg 氣體，帶入相應(yīng)的參數(shù)化簡(jiǎn)可得：L=（62.83-40.49）1.5。

給定L 值，可得相應(yīng)V 值，即可得到霧沫夾帶線數(shù)據(jù)（見(jiàn)表6）。由以上所求氣液相負(fù)荷線，作現(xiàn)工況塔板氣液相負(fù)荷性能圖。脫水裝置設(shè)計(jì)負(fù)荷為50 萬(wàn)m3/d，實(shí)際負(fù)荷為44.783 0 萬(wàn)m3/d，脫水裝置負(fù)荷率為89.56 %，由現(xiàn)工況下（5.46 MPa）時(shí)工況及物性數(shù)據(jù)計(jì)算并繪制塔板負(fù)荷性能圖（見(jiàn)圖5）。

表4 A 站脫水裝置吸收塔相關(guān)數(shù)據(jù)

表5 液泛線數(shù)據(jù)

圖5 A 站5.46 MPa 塔板的負(fù)荷性能圖

表6 霧沫夾帶線數(shù)據(jù)

由圖5 知，在現(xiàn)工況下（5.46 MPa），該塔的操作點(diǎn)位于負(fù)荷性能圖內(nèi)，且靠近液相下限線附近，說(shuō)明該塔的操作基本正常。同理，由4.0 MPa、3.0 MPa 時(shí)工況及物性數(shù)據(jù)計(jì)算并繪制塔板負(fù)荷性能圖（見(jiàn)圖6，圖7）。

圖6 A 站4.0 MPa 塔板的負(fù)荷性能圖

圖7 A 站3.0 MPa 塔板的負(fù)荷性能圖

由圖6、圖7 可知，脫水裝置操作壓力降低后，氣相體積膨脹，氣相負(fù)荷增加，液相負(fù)荷變化不大，操作點(diǎn)上移，仍在適宜操作區(qū)。因此，在現(xiàn)工況及增壓開(kāi)采后脫水裝置仍可正常運(yùn)行。

2.3 三甘醇脫水裝置的處理能力核算

由圖5，圖6，圖7 可知，在現(xiàn)工況、4.0 MPa、3.0 MPa下，A 站三甘醇吸收塔的操作上限均受降液管超負(fù)荷線控制，操作下限均受錐流線控制。對(duì)應(yīng)氣相負(fù)荷上、下限及氣相負(fù)荷的操作上、下限（見(jiàn)表7）。其中操作上限取負(fù)荷上限的60 %。

表7 A 站普帕克50 萬(wàn)脫水裝置不同壓力下氣相負(fù)荷上、下限及氣相操作上、下限核算數(shù)據(jù)表

3 結(jié)論

（1）天然氣和三甘醇物性參數(shù)估算采用PRO/Ⅱ軟件計(jì)算，其中天然氣物性估算選用適合輕烴類(lèi)物質(zhì)的PR 方程，三甘醇物性估算選用特殊包中的甘醇模型。

（2）塔板負(fù)荷性能圖是根據(jù)塔板流體力學(xué)計(jì)算的范圍，規(guī)定出氣液負(fù)荷不正常時(shí)所出現(xiàn)的諸如錐流、脈動(dòng)、傾流、液泛及過(guò)量霧沫夾帶等現(xiàn)象的界限。操作時(shí)的氣相流量與液相流量在負(fù)荷性能圖上的坐標(biāo)點(diǎn)成為操作點(diǎn)。正常操作中應(yīng)盡量使操作點(diǎn)位于操作區(qū)的適中位置，從而確保吸收塔處于良好操作狀況。

（3）脫水裝置操作壓力降低后，氣相體積膨脹，氣相負(fù)荷增加，液相負(fù)荷變化不大，操作點(diǎn)上移。因高壓富三甘醇驅(qū)動(dòng)的三甘醇泵的運(yùn)行壓力需大于3.0 MPa，通過(guò)核算3.0 MPa、4.0 MPa、現(xiàn)工況（5.46 MPa）下三甘醇脫水裝置的運(yùn)行性能，操作點(diǎn)仍在適宜操作區(qū)，說(shuō)明三甘醇脫水裝置能夠正常運(yùn)行。

（4）塔板的負(fù)荷性能圖能夠反應(yīng)氣液負(fù)荷允許的變動(dòng)范圍，可確定出塔板的負(fù)荷上、下限，進(jìn)而計(jì)算得出三甘醇脫水裝置操作上、下限，即其處理能力，從而為生產(chǎn)運(yùn)行提供理論依據(jù)。

［1］ 何策，張曉東.國(guó)內(nèi)外天然氣脫水設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.石油機(jī)械，2008，36（1）：69-70.

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［3］ 時(shí)鈞，王家鼎，余國(guó)琮，等.化學(xué)工程手冊(cè).第二版上卷［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996：1.

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