基于響應(yīng)面分析法的天然氣脫氮工藝優(yōu)化

姚麗蓉，趙德銀，崔 偉，馬國(guó)光，尹晨陽(yáng)*

(1. 中國(guó)石化西北油田分公司 中國(guó)石化縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011；2. 西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500)

很多常規(guī)天然氣和非常規(guī)天然氣（頁(yè)巖氣、煤層氣、注氮開(kāi)采的油田伴生氣等）含有大量的氮?dú)狻?氮?dú)獾拇嬖跁?huì)降低天然氣的熱值，同時(shí)也會(huì)降低管輸能力、增加動(dòng)力和燃料消耗，含氮天然氣燃燒時(shí)還會(huì)產(chǎn)生有害氣體NOx[1-3]。 因此，脫除天然氣中的氮?dú)饩哂惺种匾囊饬x。

目前，冷油吸收法脫氮工藝雖在國(guó)內(nèi)外存在少量工業(yè)應(yīng)用，但研究成果較少，且多為專(zhuān)利，缺少針對(duì)冷油吸收的研究分析。 馬國(guó)光等[4]采用正交試驗(yàn)法對(duì)冷油吸收工藝參數(shù)進(jìn)行了水平優(yōu)選，其分析結(jié)果為下一步的尋優(yōu)提供了方向，但該法在優(yōu)選過(guò)程中只能針對(duì)單個(gè)孤立試點(diǎn)進(jìn)行分析， 無(wú)法連續(xù)尋優(yōu)，這將無(wú)法保證得到最優(yōu)參數(shù)水平組合。 為進(jìn)一步優(yōu)化天然氣冷油吸收法脫氮工藝，本文在其前期研究基礎(chǔ)上，提出基于響應(yīng)面分析法的冷油吸收脫氮工藝，借助HYSYS仿真模擬軟件對(duì)高含氮天然氣處理工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，從而更好的降低脫氮工藝能耗水平。

1 天然氣脫氮工藝流程

1.1 天然氣氣質(zhì)條件

新疆塔河油田采用注氮開(kāi)采方式提高采收率，采出的伴生氣中含有較多的氮?dú)狻?對(duì)塔河油田高含氮天然氣進(jìn)行脫水、脫酸等處理后，得到滿(mǎn)足工藝要求的原料氣。 該原料氣溫度為15 ℃，進(jìn)氣壓力為0.6 MPa，處理量為30×104m3/d，氮?dú)馕镔|(zhì)的量分?jǐn)?shù)為20%，溶劑循環(huán)量3150 kmol/h，脫氮后的氣體增壓至1.5 MPa后外輸。 原料氣組成見(jiàn)表1。

表1 原料氣組成

1.2 工藝流程

天然氣脫氮工藝流程如圖1， 含氮天然氣經(jīng)壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入丙烷冷卻系統(tǒng)冷卻，進(jìn)入吸收塔底部，同樣經(jīng)丙烷冷卻的正戊烷（C5）吸收劑由塔頂進(jìn)入。 氣、液在吸收塔內(nèi)逆向接觸并發(fā)生傳質(zhì)作用，大量甲烷和少量氮?dú)馊苡谖談┲小?富液由吸收塔底流出，經(jīng)三級(jí)降壓閃蒸。 一級(jí)閃蒸氣經(jīng)壓縮后循環(huán)回吸收塔內(nèi)，二、三級(jí)閃蒸氣經(jīng)壓縮、換熱、丙烷冷卻并分離氣體中夾帶的溶劑后， 作為產(chǎn)品氣輸出。再生后的貧液從第三級(jí)閃蒸罐底流出，經(jīng)溶劑循環(huán)泵增壓和丙烷冷卻后，返回吸收塔頂部，循環(huán)使用。

圖1 天然氣脫氮工藝流程

單組分吸收劑中溶解性能最好的為正戊烷[4]。通過(guò)對(duì)多組分吸收劑性能研究發(fā)現(xiàn)，多組分混合吸收劑的吸收能力隨正戊烷含量的上升而增強(qiáng)，但吸收能力并未超過(guò)正戊烷單獨(dú)作為吸收劑時(shí)的吸收能力，故選用正戊烷作為吸收劑。 流程基礎(chǔ)條件如表2所示。

表2 基礎(chǔ)參數(shù)

1.3 流程關(guān)鍵參數(shù)分析

借助HYSYS軟件對(duì)高含氮天然氣處理工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。 其中，在分析某一參數(shù)對(duì)吸收功率及功耗的影響時(shí)，表2中其它基礎(chǔ)參數(shù)保持不變。

1.3.1 吸收塔壓力

吸收壓力對(duì)吸收功率及功耗的影響如表3所示。 由表可看出，壓力會(huì)對(duì)吸收過(guò)程產(chǎn)生較大的影響，吸收塔壓力越高，吸收效果越好。 當(dāng)壓力在2.0～2.5 MPa范圍內(nèi)時(shí)，甲烷吸收率快速上升，對(duì)壓力的變化較為敏感；當(dāng)壓力超過(guò)2.5 MPa時(shí)，增大壓力對(duì)吸收效果的提升幅度較小，且會(huì)增大操作能耗。 因此，吸收塔壓力取2.0～2.5 MPa。

表3 壓力對(duì)吸收率及功耗的影響

1.3.2 吸收塔溫度

（1）原料氣進(jìn)塔溫度對(duì)吸收效果的影響

原料氣進(jìn)塔溫度對(duì)吸收功率及功耗的影響見(jiàn)表4。 由表可知，原料氣溫度的降低使得塔內(nèi)溫度下降，甲烷吸收率和氮?dú)馕章示饾u增大。 降低原料氣溫度，冷卻系統(tǒng)負(fù)荷增大，功耗增加，同時(shí)，甲烷吸收率變化很小，導(dǎo)致比功耗隨溫度的降低逐漸升高。

表4 原料氣溫度對(duì)吸收率及功耗的影響

（2）貧液進(jìn)塔溫度對(duì)吸收效果的影響

貧液進(jìn)塔溫度對(duì)吸收功率及功耗的影響如表5所示。 由表可知，對(duì)于甲烷，當(dāng)吸收溫度在-40 ℃以上時(shí)， 降低貧液溫度可以有效增大甲烷吸收率；當(dāng)溫度降至-40 ℃以下時(shí)，降低溫度，甲烷吸收率增速變緩。 隨溫度的降低，總功耗逐漸上升，比功耗則逐漸下降。 當(dāng)溫度低于-40 ℃時(shí)，比功耗變化曲線(xiàn)斜率明顯減小，此時(shí)降低溫度對(duì)比功耗的影響很小。 因此，取原料氣和貧液溫度范圍均為-40～-30 ℃。

表5 貧液溫度對(duì)吸收率及功耗的影響

1.3.3 吸收劑貧液循環(huán)量

貧液循環(huán)量對(duì)吸收功率及功耗的影響，見(jiàn)表6。由表可知，當(dāng)貧液循環(huán)量低于4000 kmol/h時(shí)，隨貧液循環(huán)量的增大，甲烷吸收率和氮?dú)馕章手饾u增大，且甲烷吸收率上升速度快于氮?dú)猓划?dāng)貧液循環(huán)量超過(guò)4000 kmol/h時(shí)，貧液循環(huán)量增大對(duì)甲烷吸收率提升作用很小， 且會(huì)明顯增大對(duì)氮?dú)獾奈樟?。?dāng)貧液循環(huán)量低于4000 kmol/h時(shí)，隨貧液循環(huán)量增大，總能耗逐漸增大，比功耗逐漸減小，當(dāng)貧液循環(huán)量為4000 kmol/h時(shí)，比功耗達(dá)到最小；之后總功耗增大的速度超過(guò)產(chǎn)品氣，使得比功耗繼續(xù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。 綜上，貧液循環(huán)量不宜高于4000 kmol/h。

表6 貧液循環(huán)量對(duì)吸收率及功耗的影響

1.3.4 解吸壓力

閃蒸工藝借鑒國(guó)外馬拉法脫氮工藝[5,6]及美國(guó)AET溶劑脫氮工藝[7]經(jīng)驗(yàn)，按照三級(jí)降壓閃蒸工藝進(jìn)行分析。其中，第三級(jí)閃蒸壓力取0.2 MPa。這里對(duì)第一、二級(jí)解吸壓力進(jìn)行分析，在保證較好的解吸效果的同時(shí)盡量降低溶劑損失， 以確定各級(jí)解吸壓力。 三級(jí)閃蒸流程如圖2所示。

圖2 三級(jí)閃蒸流程

（1）一級(jí)解吸壓力

一級(jí)解吸壓力對(duì)吸收功率及功耗的影響見(jiàn)表7。 由表可知，對(duì)于甲烷回收，一級(jí)解吸壓力降低，回收率減小。 為了獲得較高的甲烷回收率，一級(jí)解吸壓力不宜過(guò)低。 而對(duì)于產(chǎn)品氣質(zhì)量，一級(jí)解吸壓力越低，產(chǎn)品氣的氮?dú)鉂舛仍降?，產(chǎn)品氣質(zhì)量越高。 隨一級(jí)解吸壓力的升高，總功耗先減后增，比功耗逐漸減小。

表7 一級(jí)解吸壓力對(duì)吸收率及功耗的影響

綜上， 當(dāng)一級(jí)解吸壓力在1.7～1.9 MPa范圍內(nèi)時(shí)，甲烷回收率較高且功耗較小。

（2）二級(jí)解吸壓力

二級(jí)解吸壓力對(duì)吸收功率及功耗的影響如表8所示。 由表可知，隨二級(jí)解吸壓力的升高，總功耗和比功耗均先減后增，存在極小值點(diǎn)，即0.7 MPa。

表8 二級(jí)解吸壓力對(duì)吸收率及功耗的影響

按一級(jí)解吸壓力1.8 MPa，二級(jí)解吸壓力0.7 MPa，三級(jí)解吸壓力0.2 MPa， 貧液循環(huán)量3150 kmol/h進(jìn)行工藝模擬計(jì)算， 產(chǎn)品氣中的甲烷回收率達(dá)到85%以上，溶劑損失量?jī)H為5 kmol/h，吸收效果及溶劑損失量均滿(mǎn)足工藝要求，故流程選用三級(jí)降壓閃蒸工藝。

1.3.5 塔板數(shù)

當(dāng)原料氣進(jìn)塔溫度為-35 ℃、 壓力為2.0 MPa，貧液溫度為-35 ℃、循環(huán)量為3150 kmol/h時(shí)，探究塔板數(shù)對(duì)吸收效果的影響，結(jié)果如圖3、圖4所示。 由圖3可看出，當(dāng)塔板數(shù)超過(guò)10時(shí)，液相中的甲烷濃度基本保持不變，此時(shí)吸收過(guò)程基本進(jìn)行完全；由圖4可知，當(dāng)塔板數(shù)超過(guò)10時(shí)，增大塔板數(shù)對(duì)甲烷吸收率的提升效果很小。 因此，吸收塔塔板數(shù)取10塊。

圖3 氣、液相中甲烷和氮?dú)夂孔兓闆r

圖4 塔板數(shù)對(duì)甲烷吸收率的影響

綜上，通過(guò)參數(shù)分析可知，當(dāng)原料氣中氮?dú)馕镔|(zhì)的量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，得出各參數(shù)取值范圍，見(jiàn)表9。

表9 參數(shù)取值范圍

2 響應(yīng)面優(yōu)化模型

2.1 BBD響應(yīng)面設(shè)計(jì)

響應(yīng)面設(shè)計(jì)前以比功耗為目標(biāo)， 對(duì)吸收壓力、原料氣溫度、貧液溫度、貧液循環(huán)量、一級(jí)解吸壓力五個(gè)參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)方差分析[8]，確定各因素顯著水平，見(jiàn)表10。

表10 正交試驗(yàn)方差分析表

通過(guò)正交試驗(yàn)方差分析可知，吸收壓力、貧液溫度和一級(jí)解吸壓力對(duì)比功耗的影響最為顯著，而原料氣和貧液循環(huán)量對(duì)比功耗的影響不顯著。 故在對(duì)該脫氮工藝流程因素進(jìn)行響應(yīng)面分析時(shí)，只選取吸收壓力、貧液溫度和一級(jí)解吸壓力這三個(gè)影響較大的因素進(jìn)行考察。 采用BBD方法設(shè)計(jì)三因素三水平試驗(yàn)方案，試驗(yàn)因素及水平見(jiàn)表11。

表11 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表

基于BBD方法響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表12。 其中，析因點(diǎn)12個(gè)，零點(diǎn)重復(fù)5次。

試驗(yàn)以吸收壓力、貧液溫度和一級(jí)解吸壓力三個(gè)因素為變量， 以比功耗為響應(yīng)值建立數(shù)學(xué)模型，用Design Expert軟件對(duì)表中試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到了吸收壓力、貧液溫度和一級(jí)解吸壓力對(duì)比功耗影響的二次多項(xiàng)式回歸方程：

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析及顯著性檢驗(yàn)，見(jiàn)表13。 其中，P值用來(lái)檢驗(yàn)因素的顯著性，P<0.05為顯著項(xiàng)。

根據(jù)表12可知X1、X2、X3、X2X3為顯著項(xiàng)。 為便于方程求解， 在原擬合方程基礎(chǔ)上去掉不顯著項(xiàng)，從而實(shí)現(xiàn)方程的簡(jiǎn)化。 手動(dòng)優(yōu)化后的擬合方程為：

經(jīng)過(guò)一次手動(dòng)優(yōu)化后的方差分析結(jié)果見(jiàn)表14，回歸方程系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)見(jiàn)表15。 回歸模型的R2=0.9740，調(diào)整的Radj2=0.9653，二者的差距比較小，表明模型具有較好的回歸性，可以解釋96.53%響應(yīng)值的變化。 信噪比(Adeq Precision)=36.14，大于4[9]，表明模型具有較高的可信度，可用于預(yù)測(cè)。

圖5為殘差圖，可以看出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)均勻地分布在擬合曲線(xiàn)兩側(cè)，表明回歸模型擬合效果較好。

表12 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

表13 方差分析及顯著性檢驗(yàn)

表14 一次手動(dòng)優(yōu)化后的方程分析結(jié)果

表15 一次手動(dòng)優(yōu)化后回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)

圖5 殘差圖

2.2 響應(yīng)曲面圖分析

根據(jù)方差分析結(jié)果，X1X2、X1X3不顯著， 因此僅分析X2X3，即貧液溫度和解吸壓力間的相互作用。固定吸收壓力為2.2 MPa，貧液溫度和一級(jí)解吸壓力交互影響比功耗的等高線(xiàn)及響應(yīng)面如圖6、圖7所示。

由圖6可見(jiàn)，隨著一級(jí)解吸壓力的升高，比功耗逐漸降低；隨著貧液溫度降低，比功耗逐漸降低。 從圖7也可看出，沿圖中左上角方向移動(dòng)，即降低貧液溫度并升高一級(jí)解吸壓力，比功耗逐漸減小。

根據(jù)一次手動(dòng)優(yōu)化后的擬合方程式， 利用Design Expert軟件優(yōu)化程序?qū)Ψ匠虄?yōu)化求解， 得到比功耗最小時(shí)的參數(shù)組合，各參數(shù)取值范圍見(jiàn)表16。

求解得到的最佳參數(shù)組合為吸收壓力2.0 MPa、貧液溫度-35 ℃、一級(jí)解吸壓力1.9 MPa，模型預(yù)測(cè)的最小比功耗為0.160 kW·h/m3。對(duì)此最佳工藝參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證， 模擬得出的比功耗為0.166 kW·h/m3，模型預(yù)測(cè)誤差較小。

圖6 貧液溫度和一級(jí)解吸壓力交互影響比功耗的等高線(xiàn)圖

圖7 貧液溫度和一級(jí)解吸壓力交互影響比功耗的響應(yīng)面圖

表16 參數(shù)取值

優(yōu)化前后工況對(duì)比見(jiàn)表17。 由表中數(shù)據(jù)可知，與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后的比功耗降低8.3%，甲烷吸收率為97.3%， 產(chǎn)品氣符合GB/T 17820-2018 《天然氣》的二類(lèi)天然氣技術(shù)指標(biāo)。

優(yōu)化前后各單元功耗占比見(jiàn)圖8。 由圖可看出，優(yōu)化后，功耗最大的原料氣壓縮機(jī)（K-102）占比由37.80%降至33.94%， 下降約4%； 對(duì)原料氣進(jìn)行冷卻的丙烷蒸發(fā)器1功耗占比由12.8%降至12.39%，閃蒸器回流壓縮機(jī)（K-103）功耗占比由0.17%降至0.03%。

圖8 優(yōu)化前后各單元功耗占比

表17 優(yōu)化前后工況對(duì)比

3 結(jié)論

（1）在原料氣中氮?dú)馕镔|(zhì)的量分?jǐn)?shù)為20%的條件下， 通過(guò)對(duì)流程中關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，得到了各參數(shù)取值范圍：塔板數(shù)為10塊，吸收壓力為2.0～2.5 MPa，原料氣和貧液的進(jìn)塔溫度均為-40～-30 ℃，貧液循環(huán)量不超過(guò)4000 kmol/h， 一級(jí)解吸壓力為1.7～1.9 MPa，二級(jí)解吸壓力為0.7 MPa，三級(jí)解吸壓力為0.2 MPa。

（2）借助響應(yīng)面分析法，對(duì)參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，確定了最佳參數(shù)水平組合。其中，吸收壓力為2.0 MPa，貧液溫度為-35 ℃，一級(jí)解吸壓力為1.9 MPa。 經(jīng)計(jì)算，優(yōu)化后的參數(shù)組合對(duì)應(yīng)的比功耗為0.166 kW·h/m3，甲烷回收率為97.3%，產(chǎn)品氣高發(fā)熱值為35.71 MJ/m3。與優(yōu)化前相比， 優(yōu)化后的流程比功耗降低8.3%，產(chǎn)品氣符合二類(lèi)天然氣技術(shù)指標(biāo)。

（3）本方法用于冷油吸收脫氮工藝參數(shù)優(yōu)化，具有良好的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性，能夠?yàn)樘烊粴饷摰に噧?yōu)化提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。