乙二醇溶液中高溶解度鹽脫除工藝模擬

梁羽 賀三 林林 王赟 鄒永莉 袁宗明

1.中海石油深海開發(fā)有限公司 2.西南石油大學(xué)

乙二醇溶液中高溶解度鹽脫除工藝模擬

梁羽1，2賀三2林林1王赟2鄒永莉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)

深水天然氣田開發(fā)中，常用乙二醇作為水合物抑制劑。由于深水氣田的采出水中含有大量的鹽，常規(guī)的乙二醇再生回收系統(tǒng)在處理高含鹽的乙二醇富液時(shí)，將產(chǎn)生結(jié)垢問題。這將對(duì)海上平臺(tái)的生產(chǎn)系統(tǒng)帶來嚴(yán)重影響，甚至可能導(dǎo)致平臺(tái)停產(chǎn)。因此，深水氣田開發(fā)時(shí)需在乙二醇溶液再生回收的同時(shí)將其中的鹽脫除。針對(duì)乙二醇再生脫鹽回收系統(tǒng)中的高溶解度鹽脫除系統(tǒng)部分，利用Aspen Plus建立了其核心工藝流程，并模擬和分析了乙二醇脫高溶解度鹽系統(tǒng)中循環(huán)溫度、循環(huán)流量、原料含水率等因素對(duì)系統(tǒng)工藝的影響規(guī)律。結(jié)果表明，針對(duì)本文的實(shí)例，在工程上采用0.15MPa的閃蒸壓力（絕壓），141～145℃的循環(huán)加熱溫度，循環(huán)流量是進(jìn)料物流流量的60倍是可行的。

深水 乙二醇再生 脫鹽 Aspen Plus 工藝模擬

深水油氣田開發(fā)是當(dāng)前海上油氣勘探與開發(fā)的發(fā)展趨勢(shì)，隨著大型海上深水油氣藏的不斷發(fā)現(xiàn)和深海開發(fā)技術(shù)水平的不斷提高，全球海上油氣的勘探與開發(fā)正在由淺水向深水的方向轉(zhuǎn)移。在海洋深水氣田開發(fā)中，一種常用開發(fā)模式是采用水下井口工藝，從井口出來的天然氣，經(jīng)海底管道送至生產(chǎn)平臺(tái)進(jìn)行處理。為防止輸送過程中產(chǎn)生天然氣水合物，目前常用的方法是在井口注入乙二醇（monoethylene glycol，以下簡稱MEG）并進(jìn)行回收［1－2］。采出水中的鹽易導(dǎo)致常規(guī)的乙二醇回收系統(tǒng)結(jié)垢［2－3］，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。因此，乙二醇在再生的過程中脫去由地層水引入的鹽是非常重要的。目前，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［4－7］，我國剛剛開始起步。

1 乙二醇中高溶解度鹽脫除方法

由乙二醇富液帶出來的采出水中的高溶解度鹽主要為NaCl和KCl，在乙二醇的再生回收過程中，目前的工藝都是利用加熱蒸發(fā)，促使NaCl和KCl在乙二醇溶液中達(dá)到過飽和狀態(tài)，從而結(jié)晶析出。待晶體長大到一定粒度后，再用離心機(jī)進(jìn)行分離。蒸發(fā)出來的乙二醇和水蒸氣則利用冷凝器冷凝為液體即可進(jìn)行回收。為了降低蒸發(fā)的溫度，一般采用負(fù)壓閃蒸的方式進(jìn)行乙二醇溶液的蒸發(fā)。

2 工藝流程的模擬

乙二醇脫高溶解度鹽系統(tǒng)的核心包括閃蒸分離器的負(fù)壓閃蒸、強(qiáng)制回流提供熱量、離心機(jī)的離心手段減小乙二醇損失等。在乙二醇脫高溶解度鹽工藝中，除離心機(jī)可以間歇運(yùn)行外，其余的動(dòng)設(shè)備都是連續(xù)運(yùn)行。因此，以下的模擬中不包括離心機(jī)的模擬。模擬采用Aspen Plus軟件進(jìn)行。

2.1 物性方法選取

物性方法是一個(gè)若干公式的集合，用于計(jì)算所模擬過程的熱力學(xué)性質(zhì)和熱傳遞性質(zhì)。乙二醇脫高溶解度鹽系統(tǒng)因有水和高溶解度鹽的存在而形成一個(gè)電解質(zhì)系統(tǒng)。因此，在運(yùn)用Aspen Plus對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，應(yīng)選用電解質(zhì)模塊。適合于電解質(zhì)模塊的物性方法有ELECNRTL、ENRTL－RK、ENRTL－SR、NRTLSAC，且隨著軟件版本的不斷升級(jí)，物性方法也在相應(yīng)地優(yōu)化。根據(jù)乙二醇脫高溶解度鹽電解質(zhì)系統(tǒng)的特點(diǎn)，選用的物性方法為ENRTL－RK。對(duì)于混合電解質(zhì)系統(tǒng)，使用一個(gè)單一的熱力學(xué)框架計(jì)算的活度系數(shù)、吉布斯自由能和焓，使模擬結(jié)果更接近于實(shí)際。

2.2 模型建立

根據(jù)乙二醇脫高溶解度鹽系統(tǒng)的工藝流程，Aspen plus模擬時(shí)選用的模塊有閃蒸模塊、混合模塊、換熱模塊、增壓模塊、分離模塊。建立的模型如圖2。

3 工藝模擬結(jié)果與分析

乙二醇脫高溶解度鹽系統(tǒng)的關(guān)鍵是其能耗和乙二醇的回收率。因此，掌握幾個(gè)重要參數(shù)如循環(huán)溫度、循環(huán)流量、真空度、原料物流中二價(jià)鹽離子、含水率等對(duì)系統(tǒng)功耗的影響情況是至關(guān)重要的。在此基礎(chǔ)上，正確地設(shè)定系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，以使該系統(tǒng)高效地運(yùn)行。該系統(tǒng)進(jìn)料S1的質(zhì)量流量為7 800kg／h（其中，水為1 490kg／h，MEG為5 960kg／h，NaCl為350kg／h），壓力為0.4MPa，溫度為92℃。

3.1 循環(huán)溫度對(duì)系統(tǒng)的影響

絕大部分人（89.47%）同意航空英語是工作必備，在這一點(diǎn)上，民航與通航，航務(wù)機(jī)務(wù)與飛行人員之間意見較為一致?？傮w上看，絕大部分（89.47%）的人同意或非常同意航空英語好的同事得到了更多的升職機(jī)會(huì)，其余人表示不太同意。區(qū)分航務(wù)機(jī)務(wù)人員與飛行人員的調(diào)查結(jié)果顯示，航空英語好壞會(huì)對(duì)飛行類人員升職機(jī)會(huì)產(chǎn)生100%的影響，而對(duì)于航務(wù)和機(jī)務(wù)人員而言，影響不會(huì)如此嚴(yán)重，因?yàn)橛?5.38%的人認(rèn)為英語不太會(huì)影響工作升遷。

循環(huán)溫度是指強(qiáng)制回流的流體通過加熱器加熱后的物流RECYCLE的溫度，循環(huán)溫度越高，貧MEG在閃蒸分離器中的閃蒸速度越快，但會(huì)增大加熱器的功率，從而增大乙二醇再生脫高溶解度鹽系統(tǒng)的能耗。同時(shí)，溫度過高，達(dá)到MEG的熱分解溫度時(shí)，貧MEG會(huì)熱分解，導(dǎo)致該系統(tǒng)乙二醇的回收率降低。因此，循環(huán)溫度應(yīng)控制在一個(gè)合適的范圍，以使能耗和回收率達(dá)到雙贏。運(yùn)用Aspen plus研究不同真空度下循環(huán)溫度對(duì)系統(tǒng)（閃蒸出MEG的量、加熱器功率）的影響，結(jié)果見圖3和圖4。

由圖3可知，在不同壓力下，循環(huán)溫度對(duì)閃蒸分離器閃蒸出的MEG的量的影響趨勢(shì)是相同的，即在一定的真空度下，隨著循環(huán)溫度的升高，閃蒸分離器閃蒸出的乙二醇的質(zhì)量流量先急劇增加然后趨于穩(wěn)定。其原因是，循環(huán)溫度越高，循環(huán)物流為含鹽貧乙二醇在閃蒸分離器中的閃蒸提供的熱量也增加，因此能閃蒸出更多的乙二醇，但當(dāng)溫度超過一定值時(shí)（當(dāng)閃蒸壓力（絕壓，下同）為0.01MPa時(shí)，溫度界限為135℃；當(dāng)閃蒸壓力為0.015MPa時(shí)，溫度界限為138℃；當(dāng)閃蒸壓力為0.02MPa時(shí)，溫度界限為140℃），隨著循環(huán)溫度的增加，循環(huán)流量的變化急劇地減小。因此，循環(huán)物流為閃蒸分離器提供的熱量變化很小，從而閃蒸出的乙二醇的質(zhì)量流量趨于穩(wěn)定。

由圖4可知，在一定的真空度下，隨著循環(huán)溫度的升高，加熱器的功率呈先急劇增加后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。其原因是，循環(huán)溫度越高，加熱器為流體提供的熱量越多，因此其功率越高。但當(dāng)溫度超過一定值時(shí)（當(dāng)閃蒸壓力為0.01MPa時(shí)，溫度界限為135℃；當(dāng)閃蒸壓力為0.015MPa時(shí)，溫度界限為138℃；當(dāng)閃蒸壓力為0.02MPa時(shí)，溫度界限為140℃），由于受循環(huán)流量變化的影響，在循環(huán)溫度升高和循環(huán)物流質(zhì)量流量減小的綜合變化下，加熱器為流體提供的熱量變化微小。

考慮到乙二醇脫高溶解度鹽系統(tǒng)的功耗，加熱器的出口溫度不宜設(shè)置太高。為了能更準(zhǔn)確地掌握不同真空度下，循環(huán)溫度對(duì)加熱器功率的影響情況，運(yùn)用Aspen plus研究低于150℃循環(huán)溫度時(shí)，對(duì)加熱器功率的影響，模擬結(jié)果如圖5。

由圖5可知，在真空度一定的條件下，隨著循環(huán)溫度的升高，加熱器的功率增大。在不同的真空度下，當(dāng)循環(huán)溫度低于142℃時(shí)，相同溫度對(duì)應(yīng)的電加熱器功率的大小順序?yàn)椋簤毫?.01MPa時(shí)所需的功率＞壓力為0.015MPa時(shí)所需的功率；當(dāng)循環(huán)溫度在142～146℃時(shí)，相同溫度對(duì)應(yīng)的電加熱器功率的大小順序?yàn)椋簤毫?.015MPa時(shí)所需的功率＞壓力為0.01 MPa時(shí)所需的功率＞壓力為0.02MPa時(shí)所需的功率；當(dāng)循環(huán)溫度高于146℃時(shí)，相同溫度對(duì)應(yīng)的電加熱器功率的大小順序?yàn)閴毫椋?.015MPa時(shí)所需的功率＞壓力為0.02MPa時(shí)所需的功率＞壓力為0.01 MPa時(shí)所需的功率。

3.2 循環(huán)流量對(duì)系統(tǒng)的影響

循環(huán)流量是指強(qiáng)制回流回路物流RECYCLE的流量，在其溫度保持不變的條件下，循環(huán)流量越大，為貧MEG在閃蒸分離器的閃蒸提供的熱量越多，但隨著循環(huán)流量的增大，會(huì)增加循環(huán)泵和電加熱器的功率，從而導(dǎo)致乙二醇再生脫高溶解度鹽系統(tǒng)的能耗增大。運(yùn)用Aspen Plus研究不同真空度下循環(huán)流量對(duì)系統(tǒng)（循環(huán)溫度）的影響，模擬結(jié)果見圖6和圖7。

由圖6可知，在一定真空度下，隨著循環(huán)流量的增加，循環(huán)溫度降低。其原因是，閃蒸一定量的MEG所需要的熱量是一定的，因此循環(huán)物流的溫度與其質(zhì)量流量是成反比變化的。另外，壓力從0.02MPa變至0.01MPa，相同溫度下所需要的循環(huán)物流的質(zhì)量流量是減小的。其原因是真空度越大，MEG的沸點(diǎn)越低。因此，隨著真空度的增大，閃蒸相同質(zhì)量流量的MEG所需的熱量減小。

乙二醇再生脫高溶解度鹽系統(tǒng)的功耗受循環(huán)溫度和循環(huán)流量的影響。因此，在選擇最佳參數(shù)時(shí)，應(yīng)將他們對(duì)系統(tǒng)的影響綜合起來分析，從而確定出最優(yōu)的參數(shù)。不同閃蒸溫度下，對(duì)應(yīng)的循環(huán)流量和加熱器功率見圖7。

由圖7可知，當(dāng)循環(huán)溫度改變1℃時(shí)，循環(huán)物流的質(zhì)量流量的變化達(dá)到了105的數(shù)量級(jí)，而加熱器的功率變化的數(shù)量級(jí)僅為10。因此，在選取閃蒸條件時(shí)，以循環(huán)溫度對(duì)循環(huán)物流的質(zhì)量流量的影響為主，循環(huán)溫度對(duì)電加熱器的功率的影響為輔。同時(shí)，若循環(huán)物流的質(zhì)量流量過大，會(huì)增加加熱器的換熱面積，使其體積隨之增大；在閃蒸分離器的循環(huán)物流進(jìn)入閃蒸分離器的速度一定的前提條件下，循環(huán)流量增大，也會(huì)使循環(huán)管的直徑增大。

綜合考慮以上因素，以循環(huán)流量是進(jìn)料物流流量的60倍為界限（即循環(huán)流量為468 000kg／h，如圖7中的紫色線），在壓力為0.02MPa下，相同循環(huán)量所需要的循環(huán)溫度較高，熱量消耗較高，相同循環(huán)溫度所需的循環(huán)流量較大，動(dòng)力消耗較高，從消耗角度來講，不建議采用。壓力為0.01MPa對(duì)于真空泵的可靠性和系統(tǒng)的嚴(yán)密性均要求比較高，不建議采用。壓力為0.015MPa閃蒸溫度相對(duì)較低，推薦采用。因此，根據(jù)Aspen Plus模擬得到的結(jié)果，推薦閃蒸條件為0.015MPa，考慮一定的溫度裕量，141～145℃的循環(huán)溫度是適宜的。

3.3 原料含水率對(duì)系統(tǒng)的影響

乙二醇脫高溶解度鹽系統(tǒng)在乙二醇再生系統(tǒng)的下游，當(dāng)乙二醇再生系統(tǒng)處理后的MEG未達(dá)到理想的狀態(tài)或其他原因時(shí)，進(jìn)入脫高溶解度鹽系統(tǒng)的原料物流中的含水率就會(huì)有所波動(dòng)。運(yùn)用Aspen Plus研究不同真空度下循環(huán)溫度為142℃時(shí)，含水率對(duì)系統(tǒng)的影響，模擬結(jié)果見圖8和圖9。

由圖8可知，在不同的真空度下，隨著原料物流中含水率的增加，循環(huán)物流的質(zhì)量流量是減小的。其原因是，在原料物流的質(zhì)量流量一定的情況下，水的沸點(diǎn)低于乙二醇的沸點(diǎn)，因此，隨著含水率的增加，閃蒸一定的乙二醇和水所需的熱量是逐漸減小的。另外，隨著真空度的減小，在同一含水率下，循環(huán)物流的質(zhì)量流量是增大的。其原因是，隨著真空度的增加，乙二醇和水的沸點(diǎn)均降低。因此，一定量的閃蒸乙二醇和水所需的熱量是減小的。

由圖9可知，在不同的真空度下，隨著原料物流中含水率的增加，加熱器的功率不斷地增大。其原因是，水的比熱容大于乙二醇的比熱容，即將相同質(zhì)量流量的乙二醇和水在相同條件下，升高到相同的溫度，乙二醇所需的熱量比水小。因此，隨著原料物流中水的質(zhì)量流量的增加，需要的熱量亦增加。

4 結(jié)論

利用Aspen Plus軟件模擬分析乙二醇再生脫高溶解度鹽系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)（如循環(huán)溫度、循環(huán)流量、原料含水率）對(duì)系統(tǒng)的影響，得到如下結(jié)論：

（1）在一定的真空度下，隨著循環(huán)溫度的升高，閃蒸分離器閃蒸出的MEG的質(zhì)量流量先急劇增加，然后趨于穩(wěn)定；加熱器的功率呈先急劇增加后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。

（2）在一定真空度下，隨著循環(huán)流量的增加，循環(huán)溫度降低。

（3）在不同的真空度下，隨著原料物流中含水率的增加，循環(huán)物流的質(zhì)量流量減?。患訜崞鞯墓β试龃?。

（4）乙二醇再生脫高溶解度鹽系統(tǒng)的推薦閃蒸條件壓力為0.015MPa，考慮一定的溫度裕量，141～145℃的循環(huán)溫度是適宜的。在此真空度下，循環(huán)溫度為142℃時(shí)，該系統(tǒng)乙二醇的回收率為99.99%，加熱器功率為2 750.33kW，循環(huán)物流的質(zhì)量流量為450 749kg／h。

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Process simulation of high solubility salt removal from ethylene glycol solution

Liang Yu1，2，He San2，Lin Lin1，Wang Yun2，Zou Yongli2，Yuan Zongming2
（1.CNOOC Deepwater Development Ltd，Tianjin518067，China）
（2.Southwest Petroleum University，Chengdu610500，China）

In the development of deepwater gas field，ethylene glycol is commonly used as hydrate inhibitor.Large amounts of salt contained in produced water caused scaling in the treatment of rich glycol liquid with high salt in common ethylene glycol regeneration system，which has serious impact to the offshore production system，even lead to suspend production.Therefore，the process of salt removal from ethylene glycol is supposed to be one part of ethylene glycol regeneration system for deepwater gas production.Models of the process of high solubility salt removal from ethylene glycol have been developed in process simulation program Aspen Plus，through which the effect of recycle temperature，ethylene glycol recycle flow rate，and water content of ethylene glycol on the salt removal process have been simulated and analyzed.The results showed that the salt removal process made a good performance with appropriate process parameters such as the flash pressure（absolute）of 0.15 MPa，the recycle heated temperature of 141～145℃，and the recycle flow rate is 60times of the feed rate.

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賀三（1975－），男，博士，副教授，研究方向：油氣集輸工藝?yán)碚撆c技術(shù)，流動(dòng)保障技術(shù)，腐蝕與防護(hù)技術(shù)。E－mail：hesan＠126.com

TE53

A

10.3969／j.issn.1007－3426.2015.05.016

梁羽（1963－），男，高級(jí)工程師，西南石油大學(xué)在讀博士，現(xiàn)從事海洋石油天然氣開發(fā)項(xiàng)目建設(shè)管理工作。

2015－06－23；編輯：馮學(xué)軍