某海上平臺乙二醇脫水再生系統(tǒng)模擬

曹秀清， 陳晨， 唐文獻(xiàn)*， 李華， 王帥康， 王文濤

(1.江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212000； 2. 重慶前衛(wèi)科技集團(tuán)有限公司， 重慶 401121)

隨著中國深水天然氣田的不斷開發(fā)，乙二醇因其無毒、不易揮發(fā)和蒸發(fā)損失量小等特點(diǎn)，被用作水合物抑制劑從南海某海域的海上平臺上注入至深水海管中，以防管內(nèi)水合物產(chǎn)生，造成管線閥門等設(shè)備堵塞，影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。出于經(jīng)濟(jì)成本考慮，需對乙二醇溶液進(jìn)行循環(huán)再生使用，傳統(tǒng)乙二醇再生一般用于陸地地面，該技術(shù)相對成熟，但由于深水天然氣田的采出水中含有大量的鹽離子和雜質(zhì)，當(dāng)溶液經(jīng)過多次循環(huán)再生后，溶液中的鹽分和雜質(zhì)會不斷增加，管道及設(shè)備易產(chǎn)生結(jié)垢和腐蝕。故乙二醇再生與回收系統(tǒng)(monoethylene glycol regeneration and recovery system，MRU)需將乙二醇富液中的烴類、CO2、水和鹽等雜質(zhì)脫除至可接受的范圍內(nèi)，然后輸送回深水管道，從而達(dá)到乙二醇的循環(huán)使用[1-7]。目前，針對MRU系統(tǒng)的研發(fā)制造并應(yīng)用的公司主要有Cameron、Aker Solutions、CCR、COMART等[8-12]，中國目前已有的海上MRU系統(tǒng)均是由國外公司完成。

在MRU系統(tǒng)研究方面，劉飛龍等[1]介紹了MRU系統(tǒng)中的各工藝流程，并確定了主要參數(shù)。郝蘊(yùn)等[2]結(jié)合了Aspen HYSYS、PROII軟件的計(jì)算結(jié)果確定了MRU的關(guān)鍵工藝參數(shù)，通過采用特殊工藝設(shè)計(jì)方案解決了相關(guān)難題。唐文獻(xiàn)等[3]采用Aspen Plus軟件對MRU系統(tǒng)中的預(yù)處理單元和脫水再生單元進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，通過對比乙二醇損失量、二價(jià)鹽的脫除率和能耗確定了相關(guān)操作參數(shù)，但未考慮系統(tǒng)因脫水率過大而導(dǎo)致一價(jià)鹽析出，從而造成設(shè)備發(fā)生結(jié)垢和腐蝕。梁羽等[13]采用Aspen Plus軟件對MRU系統(tǒng)中的脫鹽單元進(jìn)行了核心工藝流程模擬，通過對比乙二醇循環(huán)量和能耗確定了負(fù)壓閃蒸罐的操作壓力和循環(huán)加熱溫度等。劉康等[14]針對脫鹽閃蒸罐內(nèi)NaCl晶體粒度分布的情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，確定了相關(guān)工藝參數(shù)，解決了設(shè)備堵塞/結(jié)垢等問題。

在乙二醇損耗研究方面，晁宏州等[15]建議通過操控塔底溫度解決乙二醇質(zhì)量濃度不合格的情況。李飛等[16]通過定期排烴、在再生塔內(nèi)加入消泡劑等方法解決乙二醇損失量過大的問題。梁平等[17]通過減少乙二醇富液注入量，增加塔頂回流量使乙二醇損耗減小。

在設(shè)備優(yōu)化研究方面，楊靖等[18]采用Aspen Plus軟件對精餾塔的理論板數(shù)、回流比和進(jìn)料位置進(jìn)行了優(yōu)化研究，通過對比換熱器的能耗，確定了回流比大小和進(jìn)料位置。王正勇等[19]對MRU系統(tǒng)中的顆粒過濾器進(jìn)行優(yōu)化，更換了濾布和助濾劑，提高了再生周期的平均處理量。陳晨等[20]針對立式熱虹吸式在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了運(yùn)行不穩(wěn)定、達(dá)不到操作要求等問題，提出了在換熱管內(nèi)插入紐帶。何景陽[21]分析再沸器換熱效率低的原因，通過在換熱管內(nèi)加裝螺旋絲強(qiáng)化換熱，取得了不錯(cuò)的效果。

在天然氣及醇類脫水研究方面，仝淑月等[22]研究了近年來常見的天然氣脫水技術(shù)，指出了目前氣脫水工藝流程復(fù)雜、能耗高和效率低等問題。王飛等[23]采用Aspen HYSYS軟件對三甘醇(triethylene glycol，TEG)脫水工藝進(jìn)行了優(yōu)化研究，確定了吸收塔類型，通過控制天然氣入口溫度、貧甘醇入口溫度和貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)來降低干氣含水量。李天斌[24]采用Aspen HYSYS軟件對TEG脫水及再生系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化研究，確定了TEG循環(huán)量、再沸器操作溫度和汽提氣用量等最佳操作值。

在MRU系統(tǒng)中，脫水再生系統(tǒng)的能耗占比最大，分析現(xiàn)有的文獻(xiàn)可知，目前脫水再生系統(tǒng)的工藝參數(shù)還存在著一定的優(yōu)化空間。為防止溶液在脫水過程中鹽類的析出對系統(tǒng)設(shè)備造成結(jié)垢和腐蝕，并為了達(dá)到節(jié)能降耗和降低生產(chǎn)成本的目的，采用軟件Aspen Plus對MRU脫水再生系統(tǒng)進(jìn)行模擬優(yōu)化研究。對乙二醇貧液出口濃度、再生塔和再沸器等設(shè)備進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化，分析計(jì)算結(jié)果，確定各變量之間的相互關(guān)系，確定各設(shè)備的最優(yōu)操作參數(shù)，從而為MRU脫鹽工藝奠定基礎(chǔ)，為MRU系統(tǒng)早日國產(chǎn)化提供一定的技術(shù)理論支持。

1 MRU脫水再生系統(tǒng)基礎(chǔ)

1.1 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[1]可知，MRU系統(tǒng)分為3個(gè)子系統(tǒng)，分別為預(yù)處理、脫水再生及脫鹽，經(jīng)模擬MRU預(yù)處理系統(tǒng)后，得到乙二醇富液的工藝參數(shù)，即脫水再生系統(tǒng)的進(jìn)料質(zhì)量流量為26 270.1 kg/h(其中，乙二醇占比為55.38%，水占比41.57%，一價(jià)鹽占比3.05%)，壓力為200 kPa，溫度為75 ℃。

1.2 工藝流程描述

MRU脫水再生工藝流程如圖1所示。溫度為75 ℃、壓力為200 kPa的乙二醇富液在進(jìn)入再生塔前，與塔底出來的乙二醇貧液在貧/富液換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱，乙二醇富液換熱至一定溫度后進(jìn)入再生塔內(nèi)進(jìn)行精餾，再生塔上段為精餾段，下端為提餾段，塔頂冷凝器提供液相回流，塔底再沸器提供氣相回流。在精餾段，氣相上升的過程中，乙二醇富液中的輕組分(水蒸氣)得到精制，并在氣相中不斷增濃，輕組分(水蒸氣)經(jīng)塔頂冷凝器冷凝后進(jìn)入回流罐中，一部分冷凝液回流塔內(nèi)，其余的由排水泵排出；重組分(乙二醇)在提餾段得到增濃后，塔釜的乙二醇貧液經(jīng)再沸器加熱后，氣相進(jìn)入塔底，液相乙二醇貧液由乙二醇貧液泵進(jìn)入到貧/富液換熱器與乙二醇富液進(jìn)行換熱，乙二醇貧液經(jīng)過換熱降溫后進(jìn)入脫鹽流程[1]。

圖1 MRU再生脫水工藝流程圖Fig.1 MRU regeneration dehydration process flow chart

1.3 物系方法

經(jīng)預(yù)處理后，富液中含有乙二醇、水、一價(jià)鹽[25]，根據(jù)文獻(xiàn)[13]可知，乙二醇富液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)，選用電解質(zhì)模塊比較適合，電解質(zhì)模塊的物性方法有ELECNRTL、ENRTL-RK、ENRTL-SR、NRTL-SAC。根據(jù)乙二醇富液電解質(zhì)系統(tǒng)的特點(diǎn)，為了使模擬結(jié)果更接近于實(shí)際，故乙二醇脫水再生工藝采用ENRTL-RK方程作為物性方法。

2 再生脫水系統(tǒng)模擬及分析

使用軟件Aspen Plus對MRU脫水再生系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格模擬時(shí)，需先對再生塔進(jìn)行簡捷計(jì)算，根據(jù)簡捷計(jì)算的結(jié)果，確定了再生塔理論塔板數(shù)為19，進(jìn)料塔板數(shù)為15，塔進(jìn)料壓力為130 kPa，塔頂回流比為0.05，塔頂冷凝器為全凝，冷凝器壓力為25 kPa，塔釜再沸器設(shè)置為釜式再沸器，再沸器壓力為50 kPa，泵效率為0.8，驅(qū)動(dòng)機(jī)效率為0.95，泵出口壓力為400 kPa。

MRU脫水再生系統(tǒng)的關(guān)鍵是其能耗、乙二醇損耗和乙二醇貧液出口濃度。因此，需要掌握幾個(gè)重要參數(shù)如塔進(jìn)料溫度、塔壓、再沸器和冷凝器的操作壓力及溫度、回流比和塔進(jìn)料位置等，分析各工藝參數(shù)對系統(tǒng)功耗和乙二醇損耗的影響，最終確定各工藝參數(shù)的最優(yōu)值。

2.1 貧液濃度和進(jìn)料溫度的影響

當(dāng)乙二醇作為水合物抑制劑時(shí)，通常乙二醇貧液的濃度要求達(dá)到80%～95%，理論上乙二醇貧液的濃度越高，吸水汽的效果越好。根據(jù)文獻(xiàn)[13]可知，MRU脫水再生系統(tǒng)的下游脫鹽系統(tǒng)的循環(huán)流量會因乙二醇貧液的含水率增加而減小，由此設(shè)備的造價(jià)會降低，但加熱器的功率也隨之增大。因此乙二醇貧液的質(zhì)量濃度應(yīng)控制在一個(gè)合適的范圍，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，克拉2氣田乙二醇循環(huán)系統(tǒng)出口貧液濃度為85%[15]，南海深水氣田群番禺34-1CEP平臺MRU出口貧液為80%[2]。通過軟件Aspen Plus研究不同再生塔進(jìn)料溫度下塔釜乙二醇的質(zhì)量濃度對一價(jià)鹽(NACL)析出量、乙二醇損失量和再沸器熱負(fù)荷的影響，結(jié)果見圖2。

由圖2(a)可知，在不同進(jìn)料溫度下，隨著塔釜乙二醇質(zhì)量濃度的升高，一價(jià)鹽的析出量先趨于穩(wěn)定然后急劇增加，當(dāng)塔釜乙二醇質(zhì)量濃度超過89%時(shí)，一價(jià)鹽析出，且析出量隨塔釜乙二醇液的增濃而增加，鹽在溶液中析出會導(dǎo)致乙二醇溶液黏度增加，由于MRU系統(tǒng)是循環(huán)再生注入系統(tǒng)，長此以往，換熱器、泵和管道等設(shè)備容易發(fā)生結(jié)垢及腐蝕，

圖2 不同進(jìn)料溫度下，塔釜濃度與關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)系Fig.2 The relationship between the concentration in the bottom of the tower and the key parameters

換熱器的換熱性能大大降低，管道遭腐蝕，海上平臺雖配有酸洗系統(tǒng)等附屬系統(tǒng)可對換熱器、泵和管道進(jìn)行酸洗除垢，吹掃和清理，但若停車次數(shù)頻繁，不僅耽誤整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，也造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

由圖2(b)可知，在不同再生塔進(jìn)料溫度下，隨著塔釜乙二醇質(zhì)量濃度的升高，塔頂乙二醇的損失量先降低然后趨于平穩(wěn)，當(dāng)塔釜乙二醇質(zhì)量濃度超過91%時(shí)，塔頂乙二醇的損失量趨于零損失。在不同再生塔進(jìn)料溫度下，當(dāng)塔釜乙二醇濃度低于91%時(shí)，相同塔釜乙二醇濃度對應(yīng)的塔頂乙二醇損失量的大小順序?yàn)椋哼M(jìn)料溫度為95 ℃時(shí)塔頂乙二醇損失量>進(jìn)料溫度為90 ℃時(shí)塔頂乙二醇損失量>進(jìn)料溫度為85 ℃時(shí)塔頂乙二醇損失量。其原因是，乙二醇富液進(jìn)入再生塔后，塔底再沸器提供的氣相回流，使得輕組分(水蒸氣)在精餾段逐漸精制，氣相逐漸增濃，重組分(乙二醇)被精餾段輕組分(水蒸氣)夾帶上升至塔頂，經(jīng)冷凝器冷凝后，部分回流至塔內(nèi)進(jìn)行傳質(zhì)，另一部分排出，從而導(dǎo)致乙二醇損失。而再沸器工作溫度隨塔釜乙二醇質(zhì)量濃度要求越高而增大，在再生塔提餾段的重組分(乙二醇)和精餾段的輕組分(水蒸氣)濃度越濃，故當(dāng)塔釜乙二醇質(zhì)量濃度超過91%時(shí)，塔頂乙二醇的損失量趨于零損失。而當(dāng)進(jìn)料溫度越高，精餾過程中所需的再沸器工作溫度越低，導(dǎo)致塔頂乙二醇被夾帶量越大。

由圖2(c)可知，在不同再生塔進(jìn)料溫度下，隨著塔釜乙二醇質(zhì)量濃度的升高，再沸器熱負(fù)荷不斷上升。其原因是，乙二醇富液脫水率越高，再沸器為富液所提供的熱量就越高，因此其能耗越高。相同的塔釜乙二醇質(zhì)量濃度下，進(jìn)料溫度越高，再沸器熱負(fù)荷越低。

由圖2(a)可知，塔釜乙二醇質(zhì)量濃度大于89%時(shí)，一價(jià)鹽析出，容易導(dǎo)致?lián)Q熱器、泵和管道等設(shè)備結(jié)垢，故推薦乙二醇質(zhì)量濃度小于89%；由圖2(b)可知，塔釜出口乙二醇質(zhì)量濃度越小，塔頂乙二醇損失量越大，故推薦乙二醇貧液質(zhì)量濃度大于80%，由圖2(c)可知，乙二醇質(zhì)量濃度越大，再沸器熱負(fù)荷越大，綜合以上因素，推薦乙二醇質(zhì)量濃度為85%左右。由圖2(a)和圖2(b)可知，進(jìn)料溫度越大，隨著乙二醇質(zhì)量濃度增大，一價(jià)鹽析出量和塔頂乙二醇損失量越大，由圖2(c)可知，再生塔進(jìn)料溫度越低，再沸器熱負(fù)荷越大，綜上因素，推薦再生塔進(jìn)料溫度為90 ℃左右，即貧/富液換熱器的富液出口溫度為90 ℃左右。

2.2 再生塔壓力的影響

為減小乙二醇損耗，保持乙二醇質(zhì)量濃度為85%，研究再生塔在不同操作壓力下對乙二醇損耗的影響，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，在不同再生塔進(jìn)料溫度下，隨著再生塔操作壓力的下降，塔頂乙二醇損失量先降低然后趨于平穩(wěn)，當(dāng)再生塔操作壓力低于55 kPa左右時(shí)，塔頂乙二醇損失量趨于零損失。由文獻(xiàn)[3]可知，隨著壓力降低，乙二醇富液的露點(diǎn)和泡點(diǎn)隨之降低，水的泡點(diǎn)低于乙二醇的泡點(diǎn)，因此，當(dāng)壓力下降至一定時(shí)，乙二醇富液中的輕組分(水蒸氣)先被精制出來，上升至塔頂進(jìn)行冷凝，然后部分回流至塔內(nèi)進(jìn)行傳質(zhì)，重組分(乙二醇)在塔底增濃。由圖3可知，再生塔操作壓力應(yīng)低于55 kPa，考慮到一定的壓力富余量，再生塔操作壓力為30～50 kPa較適宜，一般生產(chǎn)時(shí)可取50 kPa，以降低乙二醇的損耗。

圖3 不同進(jìn)料溫度下，再生塔操作壓力與乙二醇損耗關(guān)系Fig.3 The relationship between the operating pressure of the regeneration tower and the loss of ethylene glycol at different feed temperatures

2.3 再沸器和冷凝器壓力的影響

將再生塔進(jìn)料溫度設(shè)置為90 ℃，再生塔操作壓力設(shè)置為50 kPa，塔釜乙二醇質(zhì)量濃度設(shè)置為85%，調(diào)整再沸器操作壓力，將其從30 kPa升至180 kPa，計(jì)算并統(tǒng)計(jì)再沸器熱負(fù)荷和再沸器操作溫度，研究不同操作壓力下再沸器對系統(tǒng)能耗的影響，其計(jì)算結(jié)果見圖4。

由圖4可知，隨著再沸器操作壓力的增加，再沸器的熱負(fù)荷和再沸器溫度不斷增加，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，乙二醇發(fā)生熱降解的溫度范圍在160～165 ℃，故再沸器操作溫度應(yīng)低于此范圍[26-27]；據(jù)文獻(xiàn)[15]可知，再生塔塔釜溫度過低，輕組分(水)難以蒸發(fā)出去；據(jù)文獻(xiàn)[3]可知，塔釜最佳溫度在125 ℃左右，故推薦再沸器操作壓力為50 kPa，溫度為127 ℃左右，此時(shí)再沸器熱負(fù)荷也相對較低。

圖4 不同再沸器操作壓力對應(yīng)的熱負(fù)荷和溫度Fig.4 Thermal load and temperature corresponding to different reboiler operating pressures

圖5和圖6為再沸器壓力為50 kPa，冷凝器在不同操作壓力下的再沸器負(fù)荷、冷凝器負(fù)荷、換熱器總負(fù)荷和冷凝器溫度的關(guān)系。由圖5可知，在冷凝器壓力為10～50 kPa下，隨著冷凝器壓力的增加，冷凝器負(fù)荷呈不斷下降趨勢，再沸器熱負(fù)荷呈上升趨勢。由圖6可知，隨著冷凝器壓力的增加，換熱器總負(fù)荷呈下降趨勢，冷凝器出口溫度呈上升趨勢。其原因是，冷凝器壓力的降低，導(dǎo)致塔頂冷凝溫度降低，冷負(fù)荷會增加，即冷卻水增加。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，再沸器熱負(fù)荷越高，加熱介質(zhì)所需量越多，操作成本也隨之提高；再考慮到換熱器總負(fù)荷隨著冷凝器壓力降低而增加，綜合以上因素，故推薦冷凝器操作壓力為25 kPa左右，此時(shí)冷凝溫度為65 ℃左右。

圖5 冷凝器操作壓力對應(yīng)的再沸器和冷凝器負(fù)荷Fig.5 Reboiler and condenser load corresponding to condenser operating pressure

圖6 冷凝器操作壓力與換熱器總負(fù)荷和冷凝器溫度的關(guān)系Fig.6 The relationship between the operating pressure of the condenser and the total load of the heat exchanger and the temperature of the condenser

2.4 回流比和進(jìn)料塔板數(shù)的影響

精餾塔塔頂需提供液相回流，為精餾過程提供傳質(zhì)的必要條件，根據(jù)文獻(xiàn)[3]，增大塔頂回流比的有利于提高塔釜乙二醇貧液純度。圖7和圖8為不同回流比下，塔釜乙二醇質(zhì)量濃度、塔頂乙二醇損失量、再沸器負(fù)荷和冷凝器負(fù)荷之間關(guān)系。

由圖7可知，隨著回流比的增大，塔釜乙二醇質(zhì)量濃度先急劇上升然后趨于穩(wěn)定，塔頂乙二醇損失量先急劇下降然后趨于穩(wěn)定。由圖8可知，隨著回流比的增大，再沸器和冷凝器負(fù)荷呈上升趨勢。綜合圖7和圖8可知，當(dāng)回流比大于0.038時(shí)，塔釜乙二醇的質(zhì)量濃度保持在85%不變，再沸器和冷凝器負(fù)荷保持上升趨勢，考慮到一定的富裕量，故推薦回流比為0.04。

不同的進(jìn)料位置對再沸器熱負(fù)荷和塔頂乙二醇損失量的影響見圖9。由圖9可知，隨著進(jìn)料位置的增加，再沸器熱負(fù)荷先急劇下降然后緩慢下降，塔頂乙二醇損失量急劇下降然后趨于平穩(wěn)。當(dāng)進(jìn)料位置在11～17時(shí)，塔頂乙二醇損失量無限接近零損失，當(dāng)進(jìn)料位置為17時(shí)，再沸器熱負(fù)荷最低。根據(jù)文獻(xiàn)可知，改變進(jìn)料位置對設(shè)備成本幾乎沒有影響，故進(jìn)料位置為17。

圖8 回流比與再沸器和冷凝器負(fù)荷的關(guān)系Fig.8 The relationship between reflux ratio and reboiler and condenser load

圖9 進(jìn)料位置對再沸器熱負(fù)荷和乙二醇損耗的影響Fig.9 The influence of feed position on reboiler heat load and glycol loss

3 結(jié)論

采用Aspen Plus軟件模擬了MRU脫水再生系統(tǒng)，研究了再生塔進(jìn)料溫度、再生塔操作壓力、再沸器和冷凝器操作壓力和操作溫度、回流比和塔進(jìn)料位置等對系統(tǒng)能耗及乙二醇損耗的影響，對各主要工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選，得出了以下結(jié)論：

(1)為防止一價(jià)鹽離子析出導(dǎo)致設(shè)備結(jié)垢/腐蝕和降低操作費(fèi)用，推薦再生塔塔釜乙二醇出口質(zhì)量濃度為85%；為防止乙二醇損耗及系統(tǒng)能耗過大，推薦再生塔進(jìn)料溫度為90 ℃。

(2)再生塔操作壓力對乙二醇損耗有著明顯的影響，隨著再生塔操作壓力的降低，乙二醇損耗越小，考慮到一定的壓力裕量，推薦再生塔操作壓力為50 kPa。

(3)為防止乙二醇發(fā)生熱降解，推薦再沸器操作壓力為50 kPa，操作溫度為127 ℃；為降低操作成本，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，推薦冷凝器操作壓力為25 kPa，冷凝溫度為65 ℃。

(4)隨著塔頂回流比的增加，乙二醇損耗越低，但能耗越大，故推薦塔頂回流比為0.04；當(dāng)塔板數(shù)為19，進(jìn)料位置為17時(shí)，再沸器負(fù)荷最低，故推薦進(jìn)料位置為17。