TEG脫水工藝的優(yōu)化及影響因素分析

師博輝 楊 瑞 北京石油化工工程公司西安分公司 西安 710075

從地下采集的天然氣攜帶有水分,對(duì)天然氣的生產(chǎn)、輸送、使用都會(huì)產(chǎn)生不同程度的不良影響[1]。因此，對(duì)天然氣進(jìn)行脫水是十分必要的。常用的天然氣脫水方法包括：低溫分離、溶劑吸收、固體吸附和膜分離等[2-4]。目前，TEG脫水(屬于溶劑吸收)是應(yīng)用最廣、技術(shù)最成熟的工藝方法[5]，具有工藝流程簡(jiǎn)單、裝置壓力降小和操作維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)傳統(tǒng)的TEG脫水工藝流程進(jìn)行優(yōu)化；并利用HYSYS 模擬軟件進(jìn)行模擬研究，系統(tǒng)分析了原料氣溫度、再生溫度、TEG循環(huán)量和汽提氣量等影響因素對(duì)TEG脫水效果的影響。分析結(jié)果可為已建TEG脫水裝置(采用優(yōu)化的TEG脫水工藝流程)的操作運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整提供理論依據(jù)。

1 TEG脫水工藝流程的優(yōu)化

與傳統(tǒng)的TEG脫水工藝流程相比，本文對(duì)傳統(tǒng)的TEG脫水工藝流程進(jìn)行了部分優(yōu)化，關(guān)鍵工藝優(yōu)化項(xiàng)比較見表1，優(yōu)化的TEG脫水工藝流程見圖1。

表1 關(guān)鍵工藝優(yōu)化項(xiàng)匯總表

優(yōu)化工藝流程描述：

(1)濕天然氣首先進(jìn)入過濾分離器分離其中的游離液滴及固體雜質(zhì)后，在吸收塔中經(jīng)填料段與從塔上部來的貧TEG充分接觸，進(jìn)行氣-液傳質(zhì)交換，脫出天然氣中的水分，經(jīng)塔頂捕霧絲網(wǎng)除去大于5μm 的TEG液滴后出吸收塔。再經(jīng)氣體-貧液換熱器，與進(jìn)塔前熱貧TEG換熱，以降低進(jìn)塔貧TEG的溫度。換熱后的產(chǎn)品天然氣經(jīng)凈化氣分離器分液后計(jì)量外輸。

(2)吸收水分后的富TEG在塔下部流出，通過能量泵，將高壓富TEG變?yōu)榈蛪焊籘EG去再生塔頂換熱盤管，被精餾柱頂蒸汽加熱至約50℃后進(jìn)入閃蒸罐，閃蒸分離出溶解在富TEG中的輕烴氣體，該閃蒸氣可作為燃料氣使用。再生塔塔頂盤管兩端連接有旁通調(diào)節(jié)閥，用以調(diào)節(jié)富TEG進(jìn)盤管的流量，從而調(diào)節(jié)精餾柱頂?shù)幕亓髁俊ｉW蒸后富TEG由閃蒸罐底部流出，經(jīng)過閃蒸罐液位控制閥，依次進(jìn)入前過濾器、活性炭過濾器及后過濾器；除去富甘醇中5μm 以上的固體雜質(zhì)。過濾后的富TEG進(jìn)入貧-富液換熱器，與由再生重沸器下部TEG緩沖罐流出的熱貧TEG換熱升溫至約150℃后進(jìn)入精餾柱。在精餾柱中，通過提餾段、精餾段、塔頂回流及塔底再沸的綜合作用，使富甘醇中的水分蒸餾出塔。塔底重沸器溫度為198℃～202℃，TEG質(zhì)量百分比濃度可達(dá)98.5%；采用全進(jìn)口溫度控制系統(tǒng)，確保重沸器的再生溫度穩(wěn)定。根據(jù)生產(chǎn)需要，可在貧液汽提柱中由引入汽提柱下部的熱氮?dú)鈱?duì)貧液進(jìn)行汽提，經(jīng)過汽提后的貧甘醇質(zhì)量百分比濃度可達(dá)99.5%。脫水以后變?yōu)樨歍EG溶液，經(jīng)貧-富液換熱器(全釬焊板式換熱器)、能量泵增壓和氣體-貧液換熱器等設(shè)備后進(jìn)入吸收塔頂部，完成TEG循環(huán)流程。

圖1 優(yōu)化的TEG脫水工藝流程圖

2 影響因素分析

根據(jù)工程案例經(jīng)驗(yàn)和HYSYS推薦，TEG脫水采用的物性包為Peng-Robinson狀態(tài)方程。影響TEG脫水工藝的因素很多，比如：吸收塔的實(shí)際板數(shù)、原料氣溫度、原料氣含水量、再生溫度、TEG循環(huán)量、汽提氣量、TEG降解程度和天然氣的含鹽量等。由多套TEG裝置實(shí)際運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)參數(shù)既定的條件下，調(diào)整原料氣溫度、再生溫度、TEG循環(huán)量和汽提氣量等參數(shù)對(duì)TEG脫水效果可以起到顯著調(diào)節(jié)作用，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，可確保裝置穩(wěn)定運(yùn)行、同時(shí)降低運(yùn)行能耗。

模擬計(jì)算基本參數(shù),原料氣處理量為100×104Nm3/d，壓力5.0MPa(G)，溫度25℃，組成見表2。

下面對(duì)原料氣溫度、再生溫度、TEG循環(huán)量和汽提氣量等關(guān)鍵影響因素進(jìn)行具體分析。

2.1 原料氣溫度

原料氣壓力一定的條件下，原料氣溫度直接影響進(jìn)入TEG脫水裝置的水總量，溫度越低所需要三甘醇脫出的水量就越少[6]。在N(理論板)=12，天然氣處理量為100×104Nm3/d，壓力5.0MPa(G)，TEG重量百分比濃度98.5%, TEG循環(huán)量0.8m3/h工況下, 原料氣溫度對(duì)脫水效果的影響見圖2。

表2 原料氣組成

注：天然氣中的含水量為飽和水。

圖2 原料氣溫度-水露點(diǎn)的影響

由圖2數(shù)據(jù)分析可知,當(dāng)原料氣溫度小于32℃時(shí)，水露點(diǎn)溫度變化較為緩慢；當(dāng)原料氣溫度超過32℃后，水露點(diǎn)溫度迅速上升。主要原因是當(dāng)壓力一定時(shí)，原料氣溫度升高實(shí)際上增大了氣體的流速[6],傳質(zhì)效果變差使脫水效果明顯下降。另外，溫度過低，吸收塔中TEG粘度增加導(dǎo)致塔效率降低、壓降增加、三甘醇損耗量增加。所以原料氣溫度控制在15～30℃較為合理。

2.2 再生溫度

重沸器的TEG再生溫度直接影響貧TEG的濃度,進(jìn)而影響天然氣脫水效果。在N(理論板)= 12,天然氣處理量為100×104Nm3/d，壓力5.0MPa(G)，溫度25℃ , TEG循環(huán)量0.8m3/h工況下，再生溫度對(duì)脫水效果的影響見圖3。

圖3 再生溫度-水露點(diǎn)的影響

由圖3數(shù)據(jù)分析可知,隨著再生溫度的增加，水露點(diǎn)溫度降低；但是，考慮三甘醇的理論分解溫度為206.7℃[6]，且再生溫度過高，會(huì)增加脫水裝置的運(yùn)行費(fèi)用。故再生溫度控制在198～202℃較為合理。

2.3 TEG循環(huán)量

TEG循環(huán)量直接影響TEG脫水裝置的可脫除水總量,TEG循環(huán)量越大可脫除的水量就越多[6]。在N(理論板)= 12,天然氣處理量為100×104Nm3/d，壓力5.0MPa(G)，原料氣溫度25℃ , TEG重量百分比濃度98.5%工況下, TEG循環(huán)量對(duì)脫水效果的影響見圖4。

圖4 TEG循環(huán)量-水露點(diǎn)的影響

由圖4數(shù)據(jù)分析可知,隨著TEG循環(huán)量的增加，水露點(diǎn)溫度降低；當(dāng)循環(huán)量大于1.8m3/h時(shí)，水露點(diǎn)基本上不再改變。主要原因是TEG 循環(huán)量增大的同時(shí)也帶入更多的水分，吸收傳質(zhì)過程的推動(dòng)力減小，從而影響到脫水效果。故將TEG循環(huán)量控制在17～25L/kg即可。

2.4 汽提氣量

在常壓下,重沸器溫度為200℃時(shí)，TEG的濃度可達(dá)98.7%[7]；但當(dāng)露點(diǎn)要求較高時(shí)，需通過引入汽提氣進(jìn)一步提高脫水效果。在N(理論板)= 12,天然氣處理量為100×104Nm3/d，壓力5.0MPa(G)，原料氣溫度25℃ ,再生溫度200℃，TEG循環(huán)量0.8m3/h工況下,汽提氣量對(duì)脫水效果的影響見圖5。

圖5 汽提氣量-水露點(diǎn)的影響

由圖5數(shù)據(jù)分析可知,即使是較小的汽提氣量(15Nm3/h)也能達(dá)到較好的TEG再生效果。隨著汽提氣量的增加，水露點(diǎn)溫度降低。主要原因是汽提氣量增加到25Nm3/h后，TEG溶液中基本沒有水供建立新的氣液平衡狀態(tài)，即貧TEG溶液濃度基本不變。故需引入汽提氣時(shí)，將汽提氣量控制在15Nm3/h即可滿足天然氣脫水要求。

3 結(jié)語

本文對(duì)傳統(tǒng)的TEG脫水工藝流程進(jìn)行優(yōu)化。如能量泵的引入節(jié)約了三甘醇循環(huán)泵電能消耗；進(jìn)口控制閥的引入為三甘醇再生裝置穩(wěn)定運(yùn)行提供了保證。利用HYSYS 模擬軟件進(jìn)行模擬研究，系統(tǒng)分析了原料氣溫度、再生溫度、TEG循環(huán)量和汽提氣量等影響因素對(duì)優(yōu)化的TEG脫水工藝的影響，并得出以下結(jié)論：

(1)原料氣溫度控制在15～30℃較為合理。

(2)提高再生溫度，可以降低水露點(diǎn)，考慮三甘醇在206.7℃會(huì)分解，實(shí)際生產(chǎn)中再生溫度控制在198～202℃。

(3)隨著TEG循環(huán)量的增加，水露點(diǎn)溫度降低。但是，當(dāng)水露點(diǎn)要求較高時(shí)，僅增加TEG循環(huán)量效果不明顯，通常采用增加汽提氣的方式，進(jìn)一步提高TEG濃度。重量百分比濃度最高可達(dá)99.5%。

優(yōu)化的TEG脫水工藝適合被推廣到限制條件較多的偏遠(yuǎn)地區(qū)使用。采用上述分析的關(guān)鍵操作參數(shù)能進(jìn)一步優(yōu)化TEG脫水裝置的運(yùn)行，確保裝置穩(wěn)定運(yùn)行、降低裝置運(yùn)行能耗。