分餾塔超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的危害及控制措施

劉海波

中國(guó)石化西北油田分公司雅克拉采氣廠, 新疆 庫(kù)車 842017

0 前言

雅克拉集氣處理站(簡(jiǎn)稱雅站)位于新疆庫(kù)車縣境內(nèi),于2005年11月29日建成投運(yùn),設(shè)計(jì)日處理天然氣260×104m3,是集油氣計(jì)量、天然氣脫水及脫汞、制冷回收輕烴、凝析油穩(wěn)定、西氣東輸為一體的大型綜合型處理裝置[1-3]。雅站凝液分餾單元的液化氣塔為分餾塔,塔板結(jié)構(gòu)為浮閥塔板,其設(shè)計(jì)作用是從脫乙烷塔來(lái)料中分離出合格的液化氣及輕烴產(chǎn)品。2016年雅站新建塔河四號(hào)聯(lián)合站(簡(jiǎn)稱塔四聯(lián))混烴進(jìn)站處理工程,增加了分餾塔的負(fù)荷,造成分餾塔運(yùn)行工況出現(xiàn)波動(dòng),塔內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。針對(duì)分餾塔超負(fù)荷運(yùn)行的情況,通過(guò)對(duì)根本原因的分析,并分析塔負(fù)荷性能對(duì)塔設(shè)備的影響,提出合理的控制措施,保障了分餾塔穩(wěn)定運(yùn)行,產(chǎn)品質(zhì)量合格。

1 雅站凝液分餾單元概況

雅站液化氣塔設(shè)計(jì)操作壓力為1.55 MPa、底溫185 ℃、頂溫55 ℃?，F(xiàn)階段控制的參數(shù)為壓力1.30 MPa、底溫151 ℃、中部溫度85 ℃、頂溫61 ℃。2016年3月,為解決塔四聯(lián)混烴由槽車運(yùn)輸存在的安全管理難的問(wèn)題,并綜合利用油氣資源,將混烴進(jìn)行分餾處理,生產(chǎn)高附加值的液化氣和穩(wěn)定輕烴產(chǎn)品,提高油田經(jīng)濟(jì)效益,新建了塔四聯(lián)混烴進(jìn)雅站液化氣塔流程:塔四聯(lián)的混烴(日產(chǎn)量50 t/d)經(jīng)外輸泵增壓后通過(guò)外輸管線輸送至雅站,在混烴緩沖罐(設(shè)計(jì)容積49.22 m3)中緩沖后經(jīng)混烴提升泵增壓,與脫乙烷塔來(lái)凝液混合后進(jìn)入新增換熱器加熱,然后再進(jìn)輕油換熱器升溫,最后進(jìn)入液化氣塔生產(chǎn)液化氣和穩(wěn)定輕烴產(chǎn)品，見(jiàn)圖1。

圖1 現(xiàn)凝液分餾單元流程簡(jiǎn)圖

塔四聯(lián)混烴中各組分質(zhì)量含量為:C31.77%、C49.97%、C526.89%、C626.61%、C718.64%、C88.16%、C95.09%、C101.93%、C110.5%、C120.2%、C130.21%、C140.01%。

雅站液化氣塔產(chǎn)品設(shè)計(jì)負(fù)荷為液化氣140.85 t/d,輕油86.60 t/d。塔四聯(lián)混烴進(jìn)站后,雖通過(guò)限制進(jìn)塔流量,控制塔四聯(lián)混烴分為24 h進(jìn)塔,但仍每日增加液化氣塔進(jìn)料量50 t。根據(jù)液化氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 11174-2011 《液化石油氣》,液化氣產(chǎn)品中戊烷及戊烷以上組分質(zhì)量含量應(yīng)不高于3%)和輕烴質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 9053-2013 《穩(wěn)定輕烴》,2號(hào)穩(wěn)定輕烴飽和蒸汽壓夏季不高于74 kPa,冬季不高于88 kPa),液化氣產(chǎn)品中戊烷及戊烷以上成分、輕烴產(chǎn)品中丙丁烷含量極少,故本次計(jì)算氣液相負(fù)荷時(shí),忽略液化氣中的戊烷及戊烷以上成分和輕烴產(chǎn)品中的丙丁烷成分,根據(jù)塔四聯(lián)各組分質(zhì)量含量可算出:液化氣塔中約增加氣體流量(丙丁烷)50 t/d×11.74%=5.87 t/d,增加液體流量50 t/d×88.26%=44.13 t/d,混烴進(jìn)站前雅站液化氣塔液化氣產(chǎn)量132 t/d,輕油產(chǎn)量73 t/d,混烴進(jìn)站后液化氣產(chǎn)量達(dá)到137.87 t/d,輕油產(chǎn)量達(dá)到117.13 t/d,由以上計(jì)算可知:混烴進(jìn)站后分餾塔氣體流量接近設(shè)計(jì)負(fù)荷上限,液體流量超出設(shè)計(jì)負(fù)荷135.25%。由此產(chǎn)生的明顯后果就是按照原操作參數(shù)運(yùn)行時(shí),塔頂產(chǎn)品重組分較高,塔底產(chǎn)品飽和蒸汽壓超高,塔底產(chǎn)品質(zhì)量不合格。

2 分餾塔負(fù)荷超出設(shè)計(jì)范圍的危害

影響板式塔操作狀況和分離效果的主要因素為來(lái)料組分性質(zhì)、塔板結(jié)構(gòu)及氣液相負(fù)荷,對(duì)于已建成的板式塔,由于塔板結(jié)構(gòu)固定,其操作狀況和分離效果只與來(lái)料組分性質(zhì)及氣液相負(fù)荷有關(guān)。要維持塔板的正常操作和塔板效率的基本穩(wěn)定,必須將塔內(nèi)的氣液相負(fù)荷控制在一定的范圍內(nèi)。以塔內(nèi)液相流量L為橫坐標(biāo),氣相流量V為縱坐標(biāo),將此范圍在直角坐標(biāo)系中進(jìn)行繪制,所得圖形即為塔板的負(fù)荷性能圖[4-6]，見(jiàn)圖2。

圖2 塔板的負(fù)荷性能圖

2.1 氣相負(fù)荷超出設(shè)計(jì)范圍的危害

圖2中線1為塔的氣相負(fù)荷上限線,當(dāng)塔內(nèi)上升氣相的流量超過(guò)此上限時(shí),即使此時(shí)液相負(fù)荷較小,液體被上升的氣體夾帶到上一層塔板上的量仍會(huì)猛增,塔板上液相逐漸增多,最終可能使整個(gè)塔內(nèi)空間全部被液體所占據(jù),這種現(xiàn)象稱為霧沫夾帶液泛[7-9]。

氣、液兩相以鼓泡形式在塔板上接觸傳質(zhì),氣相經(jīng)過(guò)液相層時(shí)會(huì)帶出一定的霧滴,霧滴中的重組分未得到有效分離就被帶到上一層塔板上,這種現(xiàn)象稱為“霧沫夾帶”[10-12]。進(jìn)入上層塔板的霧滴增加了塔板上液體的重組分含量,降低了塔板上重組分的分離效率。過(guò)多的霧沫夾帶會(huì)破壞塔的正常操作,造成分餾塔壓力、溫度劇烈波動(dòng),塔板效率大大降低,塔頂產(chǎn)品中重組分含量增加,嚴(yán)重時(shí)甚至造成沖塔、塔頂產(chǎn)品不合格。

2.2 氣相負(fù)荷低于設(shè)計(jì)范圍的危害

圖2中線2為氣相負(fù)荷下限線,若氣相流量低于此下限值,上升氣體無(wú)法托住塔板上的液體,液相不是由降液管到下一層塔板,而是大量由塔板上的閥孔漏到下一層塔板,液相未與氣相在塔板上充分接觸傳質(zhì),塔板上從液相中分離的氣泡過(guò)少,氣液分離效果差,下降液相中含輕組分過(guò)多,塔板效率大幅度下降[13-15]。

2.3 氣液負(fù)荷超出設(shè)計(jì)范圍的危害

圖2中線3為液泛線,若氣、液流量超過(guò)此線的值,由于此時(shí)霧沫夾帶程度較嚴(yán)重,塔內(nèi)液相負(fù)荷過(guò)大,使塔板上液體不能沿降液管順利流下,致使液體流動(dòng)發(fā)生堵塞,使數(shù)層塔板上的液體連成一體,這種現(xiàn)象稱為“液泛”[16-18]。液泛嚴(yán)重時(shí),塔底液相大量進(jìn)入塔頂產(chǎn)品中,形成淹塔。造成液泛的原因主要是氣、液相負(fù)荷過(guò)大或降液管堵塞。

2.4 液相負(fù)荷低于設(shè)計(jì)范圍的危害

圖2中線4為液相負(fù)荷下限線,若液相流量低于此下限值,不論此時(shí)氣相負(fù)荷為多少,都會(huì)導(dǎo)致塔板上液體分布嚴(yán)重不均勻,塔板上分布的液相存在滯流、緩流區(qū)域,此區(qū)域只有極少的液相流入或流出,區(qū)域內(nèi)液相呈接近飽和狀態(tài),經(jīng)過(guò)此處的氣相幾乎沒(méi)有發(fā)生濃度變化。這種情況必然導(dǎo)致塔板整體液相與氣相接觸傳質(zhì)效率下降,上升氣相中帶有的重組分無(wú)法得到有效分離,塔板效率急劇下降。

2.5 液相負(fù)荷超出設(shè)計(jì)范圍的危害

圖2中線5為塔的液相負(fù)荷上限線,若液相負(fù)荷超過(guò)此塔板的負(fù)荷上限值,液體就不能正常地通過(guò)降液管向下流動(dòng),塔內(nèi)液體在塔板及降液管上積累而直至充滿整個(gè)塔內(nèi)空間,這種現(xiàn)象稱為溢流液泛[19-20]。嚴(yán)重的溢流液泛會(huì)造成淹塔,導(dǎo)致塔內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量不合格。

正常情況下,塔內(nèi)液相在塔板上與氣相接觸并傳質(zhì),后經(jīng)降液管到達(dá)下層塔板。液相進(jìn)入降液管時(shí)會(huì)帶有少量輕組分,需在降液管中停留足夠的時(shí)間,才能使輕組分得到較好的分離。如果液相流量增加,液體在降液管中停留時(shí)間過(guò)短,液相中的輕組分得不到較好分離就被帶入下一層塔板,這種現(xiàn)象稱為“氣泡夾帶”[3-4]。被帶下去的少量氣泡增加了下一層塔板上液相中輕組分含量,過(guò)多的氣泡夾帶會(huì)降低塔板的分離效率,導(dǎo)致塔底產(chǎn)品中輕組分含量增加,甚至造成塔底產(chǎn)品質(zhì)量不合格。

綜上所述,圖2中線1～線5所包圍的區(qū)域即為塔板的穩(wěn)定操作范圍,線6為操作線,操作時(shí)的氣相流量V與液相流量L在圖2上的坐標(biāo)位置稱為操作點(diǎn)。塔板的操作點(diǎn)應(yīng)盡可能位于塔板的穩(wěn)定操作范圍內(nèi),此時(shí)氣、液兩相流量的變化對(duì)塔板效率及塔內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量影響不大;反之,則塔板效率急劇下降,塔內(nèi)各參數(shù)波動(dòng)較大,嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生液泛,導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不合格。

3 分餾塔超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的控制措施

根據(jù)目前雅站分餾塔氣、液相流量與塔板負(fù)荷性能的關(guān)系,雅站分餾塔目前的問(wèn)題主要是塔內(nèi)液體流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出塔設(shè)計(jì)負(fù)荷,易發(fā)生溢流液泛,且氣泡夾帶現(xiàn)象大量發(fā)生,塔底產(chǎn)品輕組分含量過(guò)高。

3.1 塔頂回流量及溫度控制

防止分餾塔因液體流量過(guò)大而發(fā)生嚴(yán)重的氣泡夾帶現(xiàn)象及溢流液泛,主要措施是減少塔頂回流量。但塔頂回流量的多少在影響塔內(nèi)塔板負(fù)荷的同時(shí),也會(huì)影響塔頂溫度。塔頂溫度是一個(gè)非常重要的參數(shù),溫度的高低直接影響著塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量和塔的穩(wěn)定操作。正常操作中,塔頂溫度高低與塔頂產(chǎn)品質(zhì)量要求相對(duì)應(yīng)。塔頂溫度、回流量一定要嚴(yán)格控制,逐漸調(diào)整,以避免打亂塔的平穩(wěn)操作,造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格。減少回流量,分餾塔塔頂溫度會(huì)升高,塔頂產(chǎn)品組分偏重,甚至不合格,所以在正常的操作過(guò)程中,要根據(jù)塔頂產(chǎn)品分析報(bào)告逐漸減少塔頂回流量。

3.2 塔的壓力控制

分餾塔塔頂壓力對(duì)整個(gè)分餾塔組分的揮發(fā)度有直接影響。雅站分餾塔塔頂壓力主要受進(jìn)料組分及四臺(tái)塔頂空冷器冷凝能力的影響,因進(jìn)料組分不宜輕易調(diào)整,實(shí)踐中分餾塔壓力一般通過(guò)調(diào)整空冷器轉(zhuǎn)速及數(shù)量控制。因減少塔頂回流量會(huì)導(dǎo)致塔頂溫度升高,塔頂產(chǎn)品重組分含量增多,為保證分餾塔塔頂產(chǎn)品質(zhì)量,應(yīng)提高分餾塔的運(yùn)行壓力,使塔內(nèi)產(chǎn)品的揮發(fā)度降低,有效減少塔頂產(chǎn)品中重組分含量。

3.3 塔底溫度及液位控制

分餾塔液相負(fù)荷過(guò)大會(huì)加重氣泡夾帶現(xiàn)象,嚴(yán)重的氣泡夾帶會(huì)造成塔底產(chǎn)品輕組分過(guò)多,塔底產(chǎn)品質(zhì)量不合格,甚至發(fā)生溢流液泛。塔底溫度是平衡物料在該塔的蒸發(fā)量大小的主要依據(jù),提高塔底溫度能夠提高塔底輕組分蒸發(fā)量,使上升氣體中重組分含量增加,塔內(nèi)液相負(fù)荷減小,塔底產(chǎn)品中輕組分含量減少,有效降低塔底產(chǎn)品飽和蒸汽壓,保證塔內(nèi)各產(chǎn)品質(zhì)量。

分餾塔重沸器是分餾塔重要設(shè)備,重沸器中的物料液位與分餾塔液位處于同一高度,它的作用是為全塔分餾提供足夠的熱量,使分餾塔底液相部分氣化,為塔內(nèi)氣液傳熱傳質(zhì)提供足夠的氣相負(fù)荷,以更好地分離塔內(nèi)各組分。分餾塔底重沸器液位平穩(wěn)與否是影響塔的各個(gè)操作參數(shù)的關(guān)鍵,直接影響分餾塔工況及各產(chǎn)品質(zhì)量。液位過(guò)高,重沸器內(nèi)液相汽化空間過(guò)小,會(huì)使塔底溫度不易升高,塔底液相汽化量過(guò)小;液位過(guò)低,容易造成輕組分隨塔底液相進(jìn)入輕烴儲(chǔ)罐,輕烴產(chǎn)品質(zhì)量不合格及輕烴儲(chǔ)罐超壓事故,因此需仔細(xì)控制重沸器液位,精心調(diào)節(jié),保持重沸器液位穩(wěn)定。

根據(jù)以上控制措施進(jìn)行雅站分餾塔最終參數(shù)調(diào)整,見(jiàn)表1。

表1 雅站分餾塔參數(shù)變化表

參數(shù)調(diào)整前數(shù)值調(diào)整后數(shù)值塔頂壓力/MPa1.301.35塔頂回流量/(m3·h-1)1210塔頂溫度/℃61.063.5塔底溫度/℃151155重沸器液位/mm800800

4 結(jié)論和建議

通過(guò)對(duì)雅站分餾塔關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整,根據(jù)分餾塔各參數(shù)變化趨勢(shì)及塔內(nèi)各產(chǎn)品分析化驗(yàn)報(bào)告顯示:分餾塔塔內(nèi)各產(chǎn)品質(zhì)量均控制在正常范圍內(nèi),分餾塔各關(guān)鍵參數(shù)波動(dòng)較小,達(dá)到了預(yù)期目的,產(chǎn)品質(zhì)量滿足工藝要求,分餾塔保持平穩(wěn)運(yùn)行。

分餾塔超負(fù)荷運(yùn)行引起產(chǎn)品質(zhì)量及工況波動(dòng)時(shí),應(yīng)根據(jù)進(jìn)塔物料的組分、流量,找出影響分餾塔性能效率的根本原因,并從回流量、塔頂溫度、塔壓、塔底溫度等方面綜合考慮,以產(chǎn)品組分分析報(bào)告為輔助,逐步調(diào)整影響分餾塔氣液相負(fù)荷的關(guān)鍵參數(shù),使分餾塔的運(yùn)行達(dá)到較理想的狀態(tài)。