中壓深冷裝置二氧化碳凍堵防控研究

趙宏巖(中國石化中原油田分公司天然氣處理廠，河南 濮陽 457162)

天然氣深冷低溫分離工藝中，二氧化碳含量、工藝控制點(diǎn)的溫度和壓力是脫甲烷塔凍堵的直接影響因素。中原油田天然氣處理廠為中原地區(qū)液化氣和天然氣深加工原材料的主要生產(chǎn)基地，是整個(gè)油田生產(chǎn)鏈條上的樞紐。因此防控NGL單元脫甲烷塔凍堵，避免工藝及設(shè)備狀態(tài)波動(dòng)，具不可忽略的意義。

1 NGL回收單元工藝流程

工廠原料氣經(jīng)壓縮脫水后，進(jìn)入NGL回收單元，熱交換后，液相通過焦耳-湯姆遜閥節(jié)流后進(jìn)入脫甲烷塔頂部作回流，氣相經(jīng)膨脹機(jī)降溫后作為脫甲烷塔的進(jìn)料，塔頂產(chǎn)品甲烷換熱后外輸，C2+產(chǎn)品由NGL泵送入分餾單元。整個(gè)過程中，冷量提供單位有輔助制冷的丙烷介質(zhì)、通過等熵膨脹使氣相降溫的膨脹機(jī)和起節(jié)流作用的焦耳-湯姆遜閥。

脫甲烷塔是帶有中間側(cè)沸器的復(fù)雜精餾塔，低溫下運(yùn)行，塔頂和塔底溫度差100℃以上(塔頂-95±5℃和塔底0℃)，濃度差(塔頂含甲烷95%-99%，塔底含甲烷1%-1.25%)。是整體裝置工藝中處理單元和分餾單元的銜接，原料氣混合物料分割前的能量交換場所。

2 研究背景

2.1 凍堵現(xiàn)象

脫甲烷塔的塔頂操作壓力1.25MPa，塔頂溫度低至-99℃,設(shè)計(jì)乙烷收率為85%。在CO2含量較高的情況下，塔頂溫度沒有達(dá)到-99℃塔頂就會(huì)出現(xiàn)凍堵。初中期凍堵發(fā)生時(shí)，

圖1 形成固體CO2的近是條件

為了解凍，不得不相應(yīng)提高脫甲烷塔塔頂溫度，降低了乙烷的收率。嚴(yán)重到一定程度時(shí)，需要停下膨脹增壓機(jī)等機(jī)組進(jìn)行解凍，原料氣大量放空，不僅影響了生產(chǎn)裝置的連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行，也造成很大的經(jīng)濟(jì)損失、資源耗費(fèi)。

隨著油田原油開采而廣泛采用的CO2氣驅(qū)采油技術(shù)造成原料來氣中CO2含量的無規(guī)律升高，實(shí)踐中最高已達(dá)到3%(moL%)以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)值0.12515-0.34031%(moL%)。

2.2 理論分析

2.2.1 理論上說，常壓下，純CO2在-56.6℃時(shí)就會(huì)凝結(jié)成固體。

由圖1[1]中可知，在脫甲烷塔的操作壓力(1.3MPa)下，不同CO2含量下形成CO2固體的溫度。溫度最低點(diǎn)是最容易產(chǎn)生CO2凍堵的地方，如脫甲烷塔頂部、節(jié)流閥出口等處。

在脫甲烷塔的操作條件(1.3MPa，-99℃)下，原料氣中CO2含量超過1.8%便會(huì)凍堵。

2.2.2 理論計(jì)算

低溫下,物質(zhì)可靠的三相平衡數(shù)據(jù)是非常少的,故運(yùn)用理論模型進(jìn)行固體溶解度的計(jì)算。當(dāng)混合物某組分處于三相平衡時(shí),有如下關(guān)系:

氣相與固相間的相平衡。常見的有固體溶解于高壓下的稠密氣體時(shí)出現(xiàn)的氣固平衡。由相平衡準(zhǔn)則可導(dǎo)得固體在氣相中的溶解度Y為:

式中:

p--總壓力/Pa；--固體的飽和蒸氣壓/Pa；

?s--固體組分在壓力為p的氣體混合物中的逸度系數(shù)；

--壓力為的飽和蒸氣中的逸度系數(shù)；

Vm--固體二氧化碳的摩爾體積/L·moL-1；

R--氣體常數(shù)，8.314；T--流體溫度/K。

理想氣體狀態(tài)方程即克拉珀龍方程,各組分氣體的含量和摩爾質(zhì)量如表1所示:

表1 組分氣體的含量和摩爾質(zhì)量

在塔頂溫度為-93℃時(shí)，脫甲烷塔頂壓力在1.25MPa到1.38MPa范圍內(nèi)變化時(shí)，飽和溶解度和摩爾濃度隨之變化，說明在塔頂溫度維持一定的時(shí)候，CO2在液化天然氣中的含量是隨著塔頂壓力的升高而降低的，因此在發(fā)生凍堵時(shí)，為了緩解凍堵需要降低塔頂壓力。

在塔頂壓力為1.25MPa時(shí)，甲烷塔頂溫度在-110℃到-90℃范圍內(nèi)變化時(shí)，飽和溶解度和摩爾濃度隨之變化，說明在一定壓力下，CO2固體的在液化天然氣中的溶解度是隨著溫度的升高而上升的，因此為了緩解凍堵，可以采取提高甲烷塔頂部溫度的方法。

3 結(jié)果與討論

3.1 合理利用制冷量

控制輔助制冷系統(tǒng)，改變丙烷制冷單元淺冷蒸發(fā)器出口壓力設(shè)置(降低壓力)，靠壓差制冷，保持在-11℃左右；同時(shí)適當(dāng)減小深冷蒸發(fā)器液位，保持在-26℃左右，不同層級(jí)的制冷提供最終使原料氣離開冷箱的溫度達(dá)到-30℃左右；

3.2 維系工藝壓力

鑒于脫甲烷塔在二氧化碳含量高時(shí)，壓力高容易出現(xiàn)凍堵，脫甲烷塔頂壓力維系在1.25MPa之左右較好控制。同時(shí)甲烷塔頂壓力太高會(huì)影響固體二氧化碳的溶解度，容易形成凍堵，也提高了膨脹機(jī)的出口溫度，不利于脫甲烷塔頂溫度的調(diào)控。

3.3 減小膨脹比

適當(dāng)增大膨脹機(jī)入口噴嘴開度，從21%左右提高到25%左右，減小膨脹比。

膨脹機(jī)經(jīng)驗(yàn)公式[2]:

T2—膨脹機(jī)出口溫度/K；T1—膨脹機(jī)入口溫度/K；P2—膨脹機(jī)出口壓力/Pa；P1—膨脹機(jī)入口壓力/Pa；k—絕熱指數(shù)。

如果膨脹機(jī)的出口溫度T2太低，不利于緩解脫甲烷塔凍堵。將脫甲烷塔頂壓力(入口壓力P2)由3.2MPa降低至3.0MPa。以此來提高膨脹機(jī)入口溫度T1，從而提高膨脹機(jī)出口溫度T2。

3.4 減少節(jié)流效應(yīng)

增大低溫分離器2-V1底部節(jié)流閥焦耳-湯姆遜閥開度，減小閥后溫降，進(jìn)而提高脫甲烷塔頂回流溫度，減小在塔盤上析出CO2的機(jī)會(huì)。

式中:△TH--溫度降/K；C--氣體的特性常數(shù)；△P--節(jié)流閥前后壓差/Pa；T1--節(jié)流前絕對(duì)溫度/K。

節(jié)流膨脹所獲得的溫度降與壓力降成正比，與節(jié)流前溫度T1成反比，因此采取減小壓力降和提高節(jié)流前溫度的方法來減小溫度降。在采用輔助制冷量控制，提高節(jié)流前絕對(duì)溫度T1的同時(shí)，開大節(jié)流閥減小△P值，這樣△TH值也相應(yīng)減小，提高了節(jié)流后溫度。

[1]王遇冬.天然氣處理與加工工藝.1999年4月第一版，第36頁.

[2]王遇冬.天然氣處理與加工工藝.1999年4月第一版，第125頁.