凈化吸收塔差壓與處理氣量選擇的探究

蔡之興，楊勇，溫欣，胡橋，蔣燕，牛萬毅

（中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西靖邊718500）

凈化吸收塔差壓與處理氣量選擇的探究

蔡之興，楊勇，溫欣，胡橋，蔣燕，牛萬毅

（中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西靖邊718500）

為了脫除天然氣中二氧化碳、硫化氫，凈化廠通常采用MDEA的水溶液與天然氣在吸收塔中逆流接觸。檢修結束投入使用的吸收塔氣液接觸良好，塔體差壓較低，幾乎不會發(fā)生攔液狀況。但是隨著裝置的運行，在未改變工況的情況下吸收塔的差壓會逐漸上升，攔液次數(shù)也逐漸增多。本文通過對吸收塔塔板受雜質堵塞的不同狀況對塔盤壓降進行計算，分析了造成差壓升高的原因，并提出了塔體差壓與異常差壓下吸收塔最優(yōu)處理氣量計算方法。通過天然氣處理氣量的優(yōu)選，從而減少吸收塔攔液次數(shù)的發(fā)生，確保天然氣脫硫脫碳的質量。

差壓；塔盤降；處理氣量

1　吸收塔力學性能計算

為了脫除天然氣中二氧化碳、硫化氫，凈化廠通常采用MDEA的水溶液與天然氣在吸收塔中逆相接觸。檢修結束投入使用的吸收塔氣液接觸良好，塔體差壓較低，幾乎不會發(fā)生攔液狀況。但是隨著裝置的運行，在未改變工況的情況下吸收塔的差壓會逐漸上升，攔液次數(shù)也逐漸增多。本文以采氣一廠第二凈化廠Ⅱ#凈化裝置脫硫塔為基礎進行模型的建立。

1.1正常運行下的吸收塔差壓計算

對于滿負荷工況條件下的吸收塔（C-1101）進行塔盤壓降計算，該吸收塔共設有18層CJST高效塔盤，相關物性參數(shù)（見表1）。

1.1.1天然氣密度計算原料氣進氣壓力P為5.00 MPa，及原料氣進氣組成CH4和CO2體積分數(shù)（分別為93.810%和5.321%）計算原料氣的平均摩爾質量為M=17.351。T取氣體進塔平均溫度10℃。應用式PM= ρRT計算氣體密度。

1.1.2MDEA配方溶液密度計算第二凈化廠MDEA配方溶液濃度控制在40%左右。中國石油西南油氣田分公司天然氣研究院依據(jù)測定數(shù)據(jù)回歸的計算公式為：

1.1.3氣體孔速計算裝置滿負荷運行時，處理氣量為375×104m3/d（標況），換算為5.0 MPa工作狀況下的氣量為7.630 7×104m3/d（0.883 1 m3/s）。

CJST塔盤罩帽孔徑為d=10 mm，開孔面為2個，面開孔數(shù)為13，單罩總開孔數(shù)為156個，每層塔盤罩帽為36個。

開孔面積A0為：

1.1.4塔盤壓降計算干板壓降：

溢流堰高：hw=0.025 m

堰上液流高度：

表1　MDEA吸收塔的相關物性參數(shù)

式中：E為液流收縮系數(shù)，E=1.035；LS為液相體積流量，m3/s；lw為溢流堰長度，m。氣體通過上層清液阻力：

濕板壓降：hp=hd+0.8hL

綜上：脫硫塔的總壓降（見表2）。

表2　脫硫塔壓降表

2014.7.1起Ⅱ#凈化裝置脫硫塔運行之后，在平均處理氣量370×104m3/d，脫硫溶液75 kg/h，從14層進液的狀況下，平均差壓在10.81 kPa。與計算塔盤壓降值相吻合。

1.2CJST塔盤上限氣速計算

1.2.1CJST塔盤性能負荷圖

1.2.1.1霧沫夾帶線CJST塔盤的霧沫夾帶線按泛點率80%計算，整理后方程：

1.2.1.2液泛線經(jīng)計算液泛線如下：

1.2.1.3液相負荷上限線取Q=5 s作為液體在降液管中停留時間的下限，則有：

1.2.1.5液相負荷下限線取堰上液層高度為how= 0.006 m作為液相負荷的下限條件：

計算出LS的下限值：

根據(jù)霧沫夾帶線、液泛線、液相負荷上、下限線、漏液線，繪制CJST塔盤性能負荷圖，并標出操作點、畫操作線，得出氣、液操作范圍（見圖1）。

圖1　CJST-塔盤性能負荷圖

氣液操作范圍：（1）脫硫塔改造后的最小液相負荷為5 m3/h；（2）最大液相負荷為147 m3/h；（3）脫硫塔最小氣相負荷為152×104m3/d；（4）受霧沫夾帶影響，脫硫塔最大氣相負荷為479×104m3/d。

1.2.2CJST塔盤的上限氣速根據(jù)霧沫夾帶的影響，脫硫塔最大氣量負荷為479×104m3/d。則在天然氣壓力5.0 MPa、原料氣溫度20℃工況條件下，脫硫塔氣象負荷為10.210 7×104m3/d，上限氣速計算為：

由上式計算結果可得，在塔盤氣速達到2.681 m/s以上時，由于過快的氣速，而導致嚴重霧沫夾帶的發(fā)生，進而引發(fā)液泛的發(fā)生。

2　吸收塔異常差壓分析與處理氣量上限值的計算

經(jīng)過計算：在處理氣量為300×104m3/d、原料氣壓力為5.0 MPa、循環(huán)量為75 m3/h的工況下，脫硫塔的差壓值在9.44 kPa。查找歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)得到2014年10月21日，Ⅱ#凈化裝置區(qū)在處理氣量為304×104m3/d、原料氣壓力為5.03 MPa、循環(huán)量為77 m3/h的工況下，脫硫塔差壓為8.49 kPa。理論計算值與實際生產(chǎn)值相差很小。

但是，Ⅱ#凈化裝置區(qū)2014年4月在處理氣量為300×104m3/d的工況下，脫硫塔差壓卻恒定在20 kPa上下穩(wěn)幅波動，與新投運的裝置差壓或理論差壓嚴重不符，達到了正常生產(chǎn)差壓的2倍。2014年5月31日對Ⅱ#凈化裝置區(qū)停車檢修時發(fā)現(xiàn)吸收塔1～9層塔盤及帽罩被黑色污泥覆蓋，1～5層帽罩氣孔堵塞嚴重，由于污泥堵塞塔盤與氣孔，縮小了氣體通過的孔徑，從而增大了流速。根據(jù)不同塔板的堵塞狀況對天然氣的氣速，塔板差壓進行了校核。

表3　計算參數(shù)表

表4　塔板差壓計算表

圖2　塔板氣速分布圖

2.1塔板壓降、氣速計算

處理氣量為300×104m3/d、原料氣壓力為5.0 MPa、循環(huán)量為75 m3/h的，同時對實際CJST塔盤孔徑根據(jù)污泥覆蓋的多少引入系數(shù)α（α∈［0，1］）。孔徑：d0=10 mm，實際孔徑dn=αnd0，塔盤孔數(shù)N=5 616。

氣體體積流量VS=6.395×104m3/d（0.740 1 m3/s）

2.2塔板氣速分析

塔板氣速分布統(tǒng)計（見圖2）。由圖2可以看出，第1層至第9層塔板氣速都超過霧沫夾帶的上限氣速2.68 m/s。尤其是在5層以下，氣速已經(jīng)達到了4 m/s以上。對裝置帶來嚴重的霧沫夾帶，進而引發(fā)液泛。同時，由于溶液的嚴重發(fā)泡，而兩者共同作用使得攔液頻繁發(fā)生。

2.3塔板壓降分析

全塔理論壓降=18層塔板計算壓降之和=0.689+ 0.689+0.689+0.708+0.731+0.758+0.876+0.898+0.935+ 1.009+1.104+1.229+1.398+1.635+1.635+1.979+1.979+ 1.979=20.92 kPa。

經(jīng)過計算，全塔理論壓降為20.92 kPa，與實際工況下的19 kPa～23 kPa基本吻合，由表5可以看出，2014年4月至5月脫硫塔第一層塔板的壓降最高1.979 kPa，逐層減少，至18層最低0.689 kPa。

2.4異常差壓下處理氣量優(yōu)選方法的提出

表5　塔板壓降所占總塔體壓降的百分數(shù)表

塔板堵塞狀況隨著塔板層數(shù)的增加逐漸減輕，因而塔板的壓降也隨著減小。以表4的計算值得到每層塔板壓降所占總塔體壓降的百分數(shù)表5。

處理氣量上限值的計算方法：（1）以表5的壓降比例反推差壓異常狀態(tài)下的單板壓降；（2）根據(jù)每層單板的壓降計算單板有效流通面積；（3）根據(jù)單板有效流通面積與氣量計算單板孔速；（4）對氣速大于嚴重霧沫夾帶上限氣速的塔盤的有效面積求平均值；（5）用有效面積的平均值與臨界嚴重霧沫夾帶上限氣速2.68 m/s計算處理氣量上限。

3　吸收塔處理氣量的上限值的驗證

由表4得：第1層～第9層塔盤氣速都超過了臨界嚴重霧沫夾帶上限氣速2.68 m/s。因此對1～9層塔盤有效通道面積求平均值：

面積=（0.286+0.264+0.242+0.221+0.198+0.176+0.176+ 0.154+0.154+0.154）/9=0.202 m2

按上限氣速計算在平均截面的天然氣流量上限：

0.202×2.68×3 600×24=4.677 3×104m3/d

標況下天然氣流量上限為219.42×104m3/d。Ⅱ#凈化裝置吸收塔2013.4.25檢修完成投入使后，用日處理氣量在350×104m3，差壓穩(wěn)定在10 kPa。隨著裝置的逐步運行，脫硫塔的差壓雖然有波動，但在2014年1月之前脫硫塔差壓都在15 kPa以下，裝置運行平穩(wěn)很少出現(xiàn)攔液情況。2014年2月，Ⅱ#凈化裝置的天然氣處理氣量下降至300×104m3，但脫硫塔差壓卻依然穩(wěn)步上升，逐漸增長至24 kPa，日平均攔液3次。此時表明吸收塔差壓有了很明顯的偏差，說明塔盤的有效流通面積減少，塔板氣速增大，從而導致了塔板壓降的升高。從2月至4月日處理氣量都在300×104m3，循環(huán)量在75 m3/h，吸收塔差壓穩(wěn)步在22 kPa～24 kPa，日攔液4次。

通過吸收塔處理氣量優(yōu)化方法計算得到在該工況下的天然氣流量上限為219.42×104m3/d。2014年5月，當Ⅱ#凈化裝置吸收塔氣量下降至207×104m3/d時，吸收塔的差壓降低至15.6 kPa，同時，吸收塔攔液次數(shù)也減少至1次/天。可得出，將氣量控制在計算所得上限氣量值以下時，可以極大的降低吸收塔的壓降，同時減少攔液的頻次。

4　總結

本文通過分析天然氣凈化吸收塔在塔體差壓異常的原因，提出吸收塔在差壓異常狀態(tài)下的處理氣量上限計算方法，并通過實際生產(chǎn)的氣量調配驗證了該計算方法的可靠性。

4.1正常生產(chǎn)時的吸收塔壓降計算：

（2）根據(jù)塔板層數(shù)與濕板壓降計算塔體理論壓降。

4.2吸收塔差壓異常的判斷與處理氣量上限值的計算方法

（1）將實際吸收塔差壓值與理論計算值進行比對。

（2）當實際值遠遠大于理論值時，以表5的壓降比例反推差壓異常狀態(tài)下的每層單板壓降。

（3）根據(jù)每層單板的壓降計算單板有效流通面積。

（4）根據(jù)單板有效流通面積與氣量計算單板孔速。

（5）對氣速大于嚴重霧沫夾帶上限氣速的塔盤的有效面積求平均值。

（6）用有效面積的平均值與臨界嚴重霧沫夾帶上限氣速計算處理氣量上限。

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.07.029

TE962

A

1673-5285（2015）07-0121-05

2015－05-12