三甘醇脫水工藝模擬及脫水效果影響因素分析

陳桂玲，胡旭博，于浩洋

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三甘醇脫水工藝模擬及脫水效果影響因素分析

陳桂玲1，胡旭博2，于浩洋1

（1. 東北石油大學石油工程學院，黑龍江 大慶 163318;2. 中國石油天然氣股份有限公司管道大慶（加格達奇）輸油分公司塔河輸油站，黑龍江 大慶 165200）

三甘醇脫水工藝因其投資低壓降小等優(yōu)勢而廣泛應用于各油田，而三甘醇脫水效果的好壞直接影響著天然氣外輸及銷售，因此，基于HYSYS軟件，對三甘醇脫水工藝進行模擬，并對比分析了諸如原料氣進塔溫度、TEG貧液濃度及溫度、吸收塔操作壓力及吸收塔塔板數(shù)等因素對于三甘醇脫水效果的影響程度，并合理優(yōu)選以上參數(shù)，以達到最好的脫水狀態(tài)。以上研究對于油田提高天然氣脫水效率，降低投資成本具有一定的理論根據(jù)和指導。

三甘醇；脫水工藝；HYSYS；脫水效果；因素分析

天然氣外輸前有必要進行脫水處理，脫水的目的是將天然氣中的H2O脫除至達到外輸?shù)乃饵c要求，使脫水后氣體在輸送重不產(chǎn)生水合物以致堵塞管道，通常來說，經(jīng)脫水的干氣水露點應低于環(huán)境最低溫度至少5℃[1]。

常用的脫水工藝有三甘醇脫水法及分子篩脫水法[2]。相比于分子篩脫水，三甘醇的溶劑吸收法具有甘醇易補充、再生所需熱量少、投資相比較低且壓降小等優(yōu)點[3]，因此，三甘醇脫水法得到了國內(nèi)油田的廣泛應用，同時，也是應用最為成熟的脫水工藝方法。

1 TEG（三甘醇）脫水工藝流程及相關(guān)模擬

1.1 TEG脫水工藝流程

目前，TEG脫水主要流程分為以下幾個部分：

（1）井流物首先經(jīng)過三相分離器進行油氣水三相分離，分離后氣體經(jīng)加熱器加熱經(jīng)TEG吸收塔下方進入，并與由塔上部進入的三甘醇貧液逆流接觸，通過氣、液傳質(zhì)脫除氣體中的飽和水。

（2）吸收塔下部排出的TEG富液經(jīng)節(jié)流降壓，并且升溫后進入閃蒸罐，閃蒸出少量的烴類及 H2O等，閃蒸后的 TEG 富液進入 TEG預過濾器-TEG 活性炭過濾器-TEG 后過濾器進行三級過濾，以除去其中的雜質(zhì)及降解產(chǎn)物。出機械過濾器的富液進入TEG貧富液換熱器中與出三甘醇重沸器的 TEG 貧液換熱后進入三甘醇再生塔。

（3）在三甘醇再生塔中，再生后的TEG 貧液在三甘醇緩沖罐內(nèi)與TEG富液換熱降溫后進入 TEG 循環(huán)泵（即能量回收泵）增壓，最后經(jīng)干氣-貧液換熱器進一步冷卻后進入TEG吸收塔上部，完成 TEG 的吸收、再生循環(huán)過程。

（4）再生塔重沸器采用火管加熱。為提高貧甘醇再生質(zhì)量，在貧液精餾柱上設有汽提氣注入設施，汽提氣在重沸器中預熱后進入貧液精餾柱。

引理 3[5] 設G為群,且|G|=,其中p1,p2,···,pn是一些互不相同的素數(shù),則群G的獨立數(shù)β(P(G))≥n.

1.2 HYSYS模擬TEG脫水工藝

作為一款強大的石油化工類模擬軟件，由于其界面操作方便直觀，HYSYS受到了廣泛的青睞[4]，具體的模擬流程圖如圖1所示。

圖1 HYSYS模擬TEG脫水流程圖

Fig.1 The dehydration diagram of TEG simulated by HYSYS

由三相分離器初步分離后的天然氣壓力為5MPa，溫度為35℃，水露點為34.99℃，水含量為998.1mg/m3，總氣量約為2.04×105m3/d，原料氣主要組成如表1所示。

表1 原料氣主要組分表

脫水后的天然氣中水含量應小于155mg/m3，水露點應達到0℃以下（低于最低環(huán)境溫度5℃，最低環(huán)境溫度約為5℃）。模擬過程中，吸收塔理論塔板數(shù)為3，TEG貧液濃度為98.6%，循環(huán)量為0.2m3/h，通過模擬計算，脫水后干氣水露點約為-0.05℃，含水量約為80.27 mg/m3，其組成如表2所示。

表2 干氣主要組分表

2 脫水效果影響因素分析

2.1 原料氣進塔溫度對脫水效果的影響

吸收塔工作壓力約為5MPa，TEG貧液濃度為98.6%，TEG貧液溫度為37 ℃，取TEG貧液循環(huán)量為0.2 m3/h，研究此工況下，不同理論塔板數(shù)時原料氣溫度對脫水效果的影響，其變化曲線如圖2所示。

圖2 原料氣溫度對脫水效果的影響

由圖表分析可知，干氣含水量隨著原料氣溫度上升而上升，當理論塔板數(shù)為3時，隨著原料氣溫度由20℃上升至50℃，干氣含水量由31.62mg/m3升高至216.1 mg/m3，原因可分為兩點：（1）由于三甘醇吸水為放熱過程，而原料氣溫度的升高會抑制這種吸水過程；（2）溫度的升高會導致水蒸氣在天然氣中的溶解度升高，而在TEG水溶液中的溶解度降低。

因此，過度升高原料氣進塔溫度會降低脫水效果，反之，過低的天然氣溫度會增大TEG貧液的粘度，大大影響脫水效果，在此工況下，優(yōu)選原料氣進塔溫度為35 ℃。

2.2 TEG貧液濃度對脫水效果的影響

原料氣進塔溫度為35℃，吸收塔工作壓力為5Mpa，在吸收塔理論塔板數(shù)為3的情況下分析不同TEG循環(huán)量時TEG濃度對脫水效果的影響，其變化曲線如圖3所示。

圖3 TEG貧液濃度對脫水效果的影響

從總體變化趨勢上來看，隨著TEG貧液濃度由98.2%逐漸增大到99%，干氣含水量逐漸降低。因為TEG濃度的增大會直接減少溶液中水的含量，從而推動了水蒸氣在原料氣和TEG貧液中的傳質(zhì)過程。

另一方面，當TEG貧液濃度不變，TEG循環(huán)量由0.05 m3/h增加至0.3 m3/h時，干氣含水量的降低程度逐漸減緩。這是因為TEG循環(huán)量的增加會導致其溶液中水含量的增加，從而阻礙了氣液傳質(zhì)，同時也易發(fā)生液體再攜帶過程，影響了天然氣脫水效果。

2.3 TEG貧液溫度對脫水效果的影響

吸收塔工作壓力為5 MPa，TEG貧液濃度為99%，在吸收塔理論塔板數(shù)為4的情況下分析不同TEG循環(huán)量時TEG溶液溫度對脫水效果的影響，其變化曲線如圖4所示。

圖4 TEG貧液溫度對脫水效果的影響

從整體變化趨勢上來看，干氣含水量隨著TEG貧液溫度的升高而增大，這是因為溫度過高影響了氣液傳質(zhì)過程，因此，當TEG貧液溫度在50 ℃時，即使將TEG貧液循環(huán)量從0.2 m3/h提高至0.4 m3/h，脫水效果也不會被改善。

然而，過低的TEG貧液溫度也會導致烴類氣體的冷凝，引起甘醇的發(fā)泡現(xiàn)象， TEG貧液溫度應盡量控制在27~38 ℃間，因此，選取的最優(yōu)貧液溫度為37 ℃。

2.4 吸收塔塔板數(shù)對脫水效果的影響

在吸收塔工作壓力為5MPa，原料氣溫度為35 ℃，TEG貧液溫度為37 ℃、循環(huán)量為0.2 m3/h時，分析不同理論塔板數(shù)下，TEG溶液濃度對脫水效果的影響，其變化曲線如圖5 所示；隨后在吸收塔工作壓力為5 MPa，原料氣溫度為35 ℃，TEG貧液溫度為37 ℃、濃度為98.6%時，分析不同理論塔板數(shù)下，TEG貧液循環(huán)量對脫水效果的影響，其變化曲線如圖6所示。

從整體變化趨勢上來看，隨著TEG貧液濃度和塔板數(shù)濃度的增加，干氣中含水量逐漸降低，因為塔板數(shù)的增多可以增加氣液傳質(zhì)過程中的接觸面積和時間。

圖5 不同塔板數(shù)下TEG貧液濃度對脫水效果的影響

TEG貧液濃度固定為98.8%時，理論塔板數(shù)從2增加到3時，干氣含水量降幅為5.2 mg/m3；而當理論塔板數(shù)從3增加到4時，干氣含水量降幅僅為0.9 mg/m3，由此分析可知，TEG貧液濃度一定時增加塔板數(shù)，干氣含水量的降幅逐漸減小，這是因為過多的塔板數(shù)會加大氣液傳質(zhì)的阻力，進而影響脫水效果。

當TEG貧液循環(huán)量一定時，增加塔板數(shù)促進了TEG溶液的吸收效果，同時，增加塔板數(shù)也可以幫助降低TEG貧液的循環(huán)量。

然而，醉著TEG循環(huán)量的繼續(xù)增加，干氣含水量的降低趨勢變緩甚至出現(xiàn)了含水量增多的現(xiàn)象，另外，隨著理論塔板的增加，干氣含水量的降低幅度也有所減小。因為，TEG循環(huán)量或者塔板數(shù)的過度增加都會妨礙氣液傳質(zhì)進程，從而影響脫水效果。

圖6 不同塔板數(shù)下TEG貧液循環(huán)量對脫水效果的影響

針對本次模擬，在滿足干氣水露點的情況下，要優(yōu)選塔板數(shù)及TEG貧液循環(huán)量：當=2時，優(yōu)選TEG循環(huán)量為0.3 m3/h；當=3時，優(yōu)選TEG循環(huán)量為0.2 m3/h；當=4時，優(yōu)選TEG循環(huán)量為0.15 m3/h。

2.5 吸收塔工作壓力對脫水效果的影響

當TEG貧液濃度為98.6%，原料氣溫度為35℃的情況下分析不同理論塔板數(shù)下吸收塔工作壓力對脫水效果的影響，其變化曲線如圖7所示。

圖7 不同塔板數(shù)下吸收塔工作壓力對脫水效果的影響

整體趨勢上來看，增加吸收塔壓力及塔板數(shù)，干氣中含水量降低，這是因為吸收塔中壓力升高后會增加水蒸氣在天然氣中的分壓[5]，從而促進了水蒸氣在TEG溶液中的溶解度，提高了天然氣脫水效果。

然而，在壓力高于5 MPa后，TEG的吸收速度反而有所減緩，因為壓力過高會阻礙原料氣與TEG貧液的逆流接觸，也易發(fā)生液體再攜帶現(xiàn)象，影響脫水效果。最終本次模擬選取的最優(yōu)吸收塔壓力約為5 MPa。

3 結(jié) 論

（1）原料氣進塔溫度、TEG貧液濃度及溫度、吸收塔操作壓力及吸收塔塔板數(shù)等對脫水效果均有不同程度的影響。相對而言，適當?shù)慕档驮蠚饧癟EG貧液溫度；增加TEG貧液濃度、TEG循環(huán)量、吸收塔操作壓力及塔板數(shù)可以降低干氣含水量，提高脫水效果。

（2）通過HYSYS模擬計算及分析，確定在此工況下原料氣的最佳進塔溫度為35 ℃，TEG貧液濃度為37 ℃，吸收塔工作壓力為5 MPa；當選取的理論塔板數(shù)為3，TEG貧液濃度為98.6%時，最佳的TEG循環(huán)量為0.2 m3/h，經(jīng)過模擬分析可知脫水合格后的干氣水露點為-0.05 ℃，符合天然氣外輸要求。

［1］ 祁亞玲. 天然氣水合物和天然氣脫水新工藝探討[J]. 天然氣與石油，2006，24(6)：35-38.

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［3］ 郝蘊. 三甘醇脫水工藝探討[J]. 中國海上油氣：工程，2001，13(3)：22-29.

［4］ 劉家洪，周平. 淺析HYSYS 軟件在三甘醇脫水工藝設計中的應用[J]. 天然氣與石油，2000，18(1)：18-19.

［5］ 夏清，陳常貴. 化工原理（下冊）[M]. 天津：天津大學出版社，2005：80-84.

Simulation of TEG Dehydration Process and Analysis on Influence Factors of Dehydration Effect

CHEN Gui-ling1, HU Xu-bo2, YU Hao-yang1

（1. The Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China； 2. Daqing branch company in PetroChina Company Limited，Heilongjiang Daqing 165200, China）

Because of its advantages of small investment and low pressure drop，TEG dehydration process is widely used in various fields, however, effect of TEG dehydration directly affects the transmission and distribution of natural gas.In this paper, based on HYSYS software, the TEG dehydration process was simulated, the influence of feed temperature, TEG lean solution concentration and temperature, absorber operating pressure and plate number of absorption tower on TEG dehydration degree was analyzed, and then reasonably optimized parameters were determined in order to achieve the best state of dehydration. The research can provide a certain theoretical basis and guidance for increasing gas dehydration efficiency and reducing the cost of investment.

Triethylene glycol; Dehydration process; HYSYS; Dehydration effect; Factor analysis

TE 644

A

1671-0460（2016）06-1197-04

2016-05-09

陳桂玲（1991-），女，黑龍江省大慶市人，在讀研究生，研究方向：復雜流體計算與模擬。E-mail：849323302@qq.com。