磨深1井脱水脱烃装置醇回收工艺优化探讨①

赵相颇 段贤勇 万秀梅 杨 红 李 洁 袁顺海

(中国石油西南油气田公司川中油气矿磨溪天然气净化厂)

磨深1井50×104m3/d脱水、脱烃装置即将建成投产，装置采用丙烷压缩制冷工艺、导热油系统提供热量，醇回收工艺采用刮板薄膜蒸发器法。由于丙烷压缩制冷橇、导热油加热橇为成套设备采购，在试车开产过程中均由厂家负责调试、运行及现场指导，开产操作难度不大。但刮板薄膜蒸发器在轻烃行业从未使用过，缺乏现场操作经验，而贫乙二醇的加注量又是关键参数之一，若加注量不足容易在原料气预冷器中发生冰堵，加注量过大又会导致三相分离器醇腔液位升高过快，从而增加刮板薄膜蒸发器的负荷，增大热量需求及能耗，且对脱水效果造成影响，使乙二醇贫液质量分数达不到≥80%的要求。通过对醇常规再生法和刮板薄膜蒸发器法进行比较，介绍了刮板薄膜蒸发器结构原理，计算出乙二醇加注量理论值，在实际操作和理论计算的基础上，探索最佳操作参数，从而指导装置的生产运行。

1 装置概况

脱水、脱烃工艺主要分为浅冷工艺和深冷工艺，深冷工艺通常以回收液化气和稳定轻烃为目的，而浅冷工艺通常以满足烃、水露点的要求为目的[1]。磨深1井50×104m3/d脱水、脱烃装置采用浅冷工艺回收稳定轻烃。由于目前原料气处于试采阶段，只需满足试采期间天然气外输的烃、水露点要求，其工艺为注乙二醇抑制剂+外制冷，即在原料气中注入乙二醇抑制剂，再通过外部制冷，在-10 ℃的条件下将天然气中的水和重烃冷凝分离，产品气复热后外输，分离出的烃液复热至20 ℃左右进行三相分离，富乙二醇进入再生系统，凝液带压进入轻烃稳定塔，塔顶出来的气体含C3、C4稳定气，其体积流量为2.83×104m3/d，掺入2.5×104m3/d商品气后外输至遂宁轻烃站进一步回收液化气，塔底生产的稳定轻烃质量流量为230 kg/h。

2 醇回收工艺方法及原理

2.1 乙二醇再生工艺流程

装置采用刮板薄膜蒸发器工艺再生乙二醇。来自低温分离单元的富乙二醇溶液在预过滤器中除去杂质，再通过液液聚结器回收乙二醇中的少量轻烃，进入富乙二醇溶液缓冲罐缓存后，由富液加料泵打入薄膜蒸发器，蒸发出来的气体经气相出口外排，富液被逐渐浓缩后，进入贫乙二醇溶液储罐，然后通过注醇泵增压后注入原料气管道，见图1。

2.2 刮板薄膜蒸发器结构及原理

2.2.1刮板薄膜蒸发器结构

刮板薄膜蒸发器主要由加热夹套和刮板组成，夹套内通导热油，刮板装在可旋转的轴上，刮板和加热夹套内壁保持0.5～1.5 mm间隙，其结构见图2。

2.2.2刮板薄膜蒸发器原理

富乙二醇溶液由进料口引入，由蒸发器上部的分布器沿切线方向加入，在重力和旋转刮板的作用下，分布在内壁形成下旋薄膜，并在下降过程中不断被蒸发浓缩，最后由卸料锥卸出，蒸发出来的气体经气相出口外排。

2.3 乙二醇回收工艺对比

乙二醇回收采用的常规再生法和刮板薄膜蒸发器法工艺对比见表1。

由表1可知，常规富乙二醇再生装置主要包括富液精馏柱、重沸器、贫液缓冲罐，缓冲罐与重沸器重叠布置，重沸器可采用导热油、蒸汽加热或采用火管直接加热的连续精馏方式，根据不同的产品浓度要求可以设置气提气。刮板薄膜蒸发器通过旋转刮板强制成膜，它具有传热系数大、蒸发强度高、过流时间短、操作弹性大等优点，尤其适用于热敏性物料和高黏度物料的蒸发浓缩、脱气脱溶和蒸馏提纯。

表1 乙二醇回收工艺对比表

3 最佳操作参数

3.1 水合物抑制剂理论加入量

3.1.1抑制水合物生成方案

原料气经过滤分离器过滤后，通过乙二醇加注泵注入乙二醇贫液，与原料气预冷器及外制冷系统冷却后进入低温分离器，分离出产品气和液态烃。乙二醇溶液作为抑制剂是为了防止在浅冷过程中形成天然气水合物。

3.1.2计算输入条件

脱水前天然气温度为20 ℃；脱水前天然气水合物生成温度为13 ℃；外输产品气温度为20 ℃。

3.1.3产品气要求

外输产品气水露点、烃露点小于-5 ℃。

3.1.4计算结果

原料气在流量为50×104m3/d，3.3 MPa下，20 ℃饱和水冷却到-10 ℃饱和水凝析出的质量流量为40.56 kg/h[2]；乙二醇循环量理论计算最小注入量为50 kg/h[3]；乙二醇的损失量按4 mg/m3天然气计算[3]，约为0.1 kg/h；乙二醇溶解损失一般为0.12～0.38 L/m3凝液，最大损失约0.9 kg/h。因此，乙二醇的实际理论注入量应大于51 kg/h。

3.2 乙二醇实际加注量最佳操作参数

乙二醇加注量的大小是操作关键之一，若加注量不足容易在原料气预冷器里形成冰堵，加注量过大则会导致三相分离器醇腔液位升高过快，从而增加刮板薄膜蒸发器负荷，增大热量需求，增加能耗，且对脱水效果造成影响，使乙二醇贫液达不到质量分数≥80%的要求[4-5]。

根据前述理论计算结果，乙二醇循环量的理论计算值为51 kg/h。在实际操作时，根据相关装置经验并考虑实际装置运行所需的乙二醇富余量，其注入量应大于150 kg/h，小于250 kg/h。操作时需控制好贫液注醇泵的开度，泵的全开(开度100%)流量为316 L/h，在加注乙二醇时，泵的开度应不小于45%，使乙二醇加注量不低于150 kg/h。

3.3 刮板薄膜蒸发器操作参数

3.3.1刮板薄膜蒸发器再生温度

刮板薄膜蒸发器再生温度过高会导致乙二醇发生降解，再生温度过低不能回收合格的乙二醇贫液(质量分数≥80%)，再生温度以刮板薄膜蒸发器贫液出口为指示。

3.3.2刮板薄膜蒸发器所需导热油理论质量流量

假设冷、热流体(乙二醇富液和导热油)充分换热，且冷流体(乙二醇富液)受热后不蒸发，由于刮板薄膜蒸发器是逆流传热，列出传热基本方程式[6]，如式(1)所示：

Q=qm1cp1(t2-t1)=qm2cp2(t3-t4)

(1)

式中，qm1、qm2为乙二醇富液和导热油的质量流量，kg/h；t1、t2为冷流体的始温和终温，℃；cp1、cp2为乙二醇富液和导热油的热比容，J/(kg·℃)；t3、t4为导热油的初温和终温，℃。

在正常生产情况下，富液进料量及温度值波动较小，近似不变，刮板薄膜蒸发器温度主要由导热油供给量决定。正常生产工况见表2。

表2 理论上的正常生产情况

理论计算结果趋势如图3所示。

由图3可知导热油量越多，贫液出口温度越高，且导热油的理论最小质量流量必须大于125 kg/h，贫液出口温度才大于100 ℃，富液中的水在沉降时间内才能蒸发出去。而实际操作中考虑富余量，导热油流量大于200 kg/h。此外，导热油量也不能过高，除增加能耗外，还会引起乙二醇的降解。

3.3.3刮板薄膜蒸发器导热油加入量

刮板薄膜蒸发器温度由导热油供给量决定，与富液进料量及温度有关，而导热油供给量的大小通过刮板薄膜蒸发器出料口温度调节阀TIC-1301进行调节。在初次开产时，根据以上计算，并考虑实际装置运行的富余量，导热油至刮板薄膜蒸发器开度应保证导热油质量流量大于200 kg/h，确保贫液出口温度必须大于100 ℃。

乙二醇贫液质量分数和再生温度之间的关系，可根据开产后检测贫液浓度与刮板薄膜蒸发器贫液出口温度，优化设定出料口TIC-1301调节阀的温度，以达到最佳蒸发效果，从而获取质量分数≥80%的合格乙二醇贫液。

4 结 语

根据以上分析和理论计算，针对磨深1井50×104m3/d脱水脱烃装置开产时醇回收单元的操作难点，提出以下建议：

(1) 为了控制原料气中的乙二醇加注量，在开产操作时，应控制贫液注醇泵的开度不小于45%，使乙二醇加注量不小于150 kg/h。

(2) 为了控制刮板薄膜蒸发器温度，需保证注入刮板薄膜蒸发器的导热油质量流量大于200 kg/h，观察进油温度/回油温度是否为约300 ℃/130 ℃，及时检测乙二醇贫液质量分数并据此设定出料口TIC-1301调节阀温度，控制供油量，以达到最佳蒸发效果。

参考文献

[1] 王遇冬. 天然气处理原理与工艺[M]. 2版.北京：中国石化出版社， 2011.

[2] 李虞庚. 油田油气集输设计技术手册[M]. 北京：石油工业出版社， 1994.

[3] 中国石油天然气管道工程有限公司天津分公司. SY/T 0076-2008 天然气脱水设计规范[S]. 北京：中国计划出版社， 2008.

[4] 蒋洪，唐廷明，刘晓强，等. 克拉2气田第一气体处理厂乙二醇注入量优化分析[J].石油与天然气化工,2008,37(1):15-17.

[5] 晁宏洲，王赤宇，马亚琴，等. 乙二醇循环系统的工艺运行分析[J].石油与天然气化工，2007，36(2):110-113.

[6] 姚玉英. 化工原理[M]. 天津：天津大学出版社， 2000.