天然氣深冷處理CO₂凍堵分析

王磊 王佳琦 張維旭

摘要：天然氣深冷處理是天然氣資源再利用的新型技術手段，更加充分的利用天然氣資源。在我國乙烷回收目前還處于起步階段，現有運行的乙烷回收裝置主要集中在中原油田、大慶油田。在天然氣深冷處理過程中，CO2天然氣在乙烷回收過程中易產生固體，造成裝置凍堵，影響裝置的安全運行，因此在對含CO2天然氣乙烷回收工藝進行研究時，應對乙烷回收裝置中的相態進行分析。簡要分析CO2在烴類物質體中的相態平衡規律。研究CO2凍堵影響因素，進一步提出相應的凍堵控制措施。

關鍵詞：乙烷回收;深冷處理;輕烴物質;防凍堵

一、CO2在烴類體系中的相態平衡規律

CO2固體形成條件與原料氣組成和系統操作條件有關，當操作溫度低于CO2固體形成溫度時，若CO2含量超出氣相及液相的溶解度，就會有CO2固體析出。對于含CO2的液固體系，固體CO2在烴類液體中的溶解度主要受溫度影響。在正常運行狀況下，隨著溫度的升高變化CO2在烴類液體中的溶解度就會顯著增高。另外壓力也是影響CO2相態變化的重要原因。在設備運行過程中，若運行壓力大于CO2飽和溶液蒸汽壓力，此時就會出現CO2固體析出。對于氣固體系，由于固體在烴類氣體中的溶解度非常小，可認為溫度低于三相點溫度時就會有固體析出。

在整個處理過程中，脫甲烷塔正常運行時，當處于氣液區域狀態下，系統運行溫度要高于一定溫度，在這種溫度條件下，壓力的變化并不能影響相態變化。但是如果出現運行溫度低于某一定溫度時，運行壓力的變化會對相態產生一定的影響，可能會析出固體。這樣設備設施就比較容易凍堵。因此我們知道，溫度變化、運行壓力、原料氣進氣含量的高低、原來器烴類組成等都對相態存在一定的影響。

二、CO2凍堵影響因素

我們對相態平衡進行分析進一步得到，運行溫度對于固體物質的形成影響程度占比較大。乙烷處理回收裝置一般凍堵都是發生在溫度比較低的時候。從設備角度分析，脫甲烷塔頂換熱冷箱、膨脹機出口和脫甲烷塔這些部位是整個體系中比較容易凍堵的。

其凍堵的原因主要是因為節流的影響，溫度較低的液體會被輸送至甲烷塔的頂板，進而發生平衡中段濃縮。因此在甲烷塔塔頂板下部的很多塔板出都是比較容易凍堵。因此進一步研究甲烷塔的凍堵規律有利于控制脫甲烷塔的凍堵。結合相態平衡規律我們還要對原料氣含量、設備操作壓力、塔頂溫度進行對應研究。

（1）進料氣含量的影響

在脫甲烷塔頂壓力和溫度保持一定的條件下，研究進料氣CO2含量對脫甲烷塔凍堵情況的影響。由于乙烷回收裝置最可能發生CO2凍堵的部位是脫甲烷塔上部，因此對脫甲烷塔從塔頂往下數的前8塊塔板凍堵情況進行分析。保持脫甲烷塔頂壓力為，溫度為-95℃左右，進料氣CO2含量分別為1%、2%、3%。

當進料氣CO2含量為3%時，脫甲烷塔第4塊塔板溫度開始低于CO2的液相凍堵溫度，脫甲烷塔首先在第塊塔板的液相析出CO2固體，發生CO2凍堵。脫甲烷塔第3塊塔板溫度開始低于的氣相CO2凍堵溫度，脫甲烷塔首先在第3塊塔板的氣相析出CO2固體，發生凍堵。脫甲烷塔的液相凍堵溫度為-80℃，氣相凍堵溫度為-90℃。

綜上所述，在脫甲烷塔頂壓力和溫度保持一定的條件下，脫甲烷塔進料含量越高，脫甲烷塔上部各塔板的氣相凍堵溫度和液相凍堵溫度越高，脫甲烷塔越易發生凍堵。

（2）脫甲烷塔操作壓力的影響

當脫甲烷塔操作壓力為2500kPa時，脫甲烷塔的液相凍堵溫度為-82℃，氣相凍堵溫度為-87℃，當脫甲烷塔操作壓力為2000kPa時，脫甲烷塔的液相凍堵溫度為-74°，氣相凍堵溫度為-79。所以在脫甲烷塔頂進料CO2含量和塔頂溫度保持一定的條件下，脫甲烷塔操作壓力越低，脫甲烷塔上部各塔板的氣相凍堵溫度和液相凍堵溫度越高，脫甲烷塔越易發生凍堵。

（3）脫甲烷塔頂部溫度的影響

當脫甲烷塔塔頂溫度為-95℃時，脫甲烷塔的液相凍堵溫度為-80℃，氣相凍堵溫度為-87℃，當脫甲烷塔塔頂溫度為-90℃時，脫甲烷塔的液相凍堵溫度為-86℃，氣相不發生CO2 凍堵。所以在脫甲烷塔頂進料CO2含量和操作壓力保持一定的條件下，脫甲烷塔塔頂溫度越低，脫甲烷塔上部各塔板的氣相凍堵溫度和液相凍堵溫度越高，脫甲烷塔越易發生凍堵。

三、LSP工藝技術控制CO2凍堵

對比常規流程與LSP工藝技術流程，其最大的不同是對低溫分離器底部重 烴的處理，常規流程直接把凝液打回脫甲烷塔膨脹機進料口下方，在提餾段被脫 出所溶解的輕組分，LSP工藝將這部分重烴進一步冷卻后 打人脫甲烷塔頂作為 回流，改善了CO2凍堵現象，LSP流程中，重烴液體中的 C 3、C4組分可以吸 收部分CO2，使之在氣相中分壓降低，偏離生成固體的條件。同時，在發生凍 堵時可以融解CO2固體，改善了凍堵程度。[1]

LSP工藝流程中重烴實際上可視作冷回流，這樣使甲烷塔成為一個真正 的精餾塔，重烴回流液在塔內與下方膨脹機出口含甲烷和乙烷較多的上升氣相逆流接觸，不斷吸收冷凝氣中的乙烷，既提高了收率，又改善了產品質量。

總結

天然氣深冷處理過程中給，會有CO2凍堵現象的發生，然而凍堵會直接影響到裝置的運行。因此研究CO2防止促使是極其必要的。我們通過對凍堵的成因進行分析，進一步深人分析，掌握CO2凍堵產的機理和規律，合理優化和改進流程。LSP工藝流程的優化進一步解決了CO2凍堵的問題。為天然氣深冷處理及乙烷回收提供了可靠的技術保障。

參考文獻：

[1] 焦玉清，陳萍，張曉花，等伴生氣含量增加對深冷輕烴回收裝置的影響油氣田地面工程，2012，31（9）：55-56

[2] 劉巖，付東輝，林川.薩南油田伴生氣二氧化碳對深冷裝置的影響油氣田地面工程，2010，29（11）：50-51

[3] 劉剛，徐守君.天然氣深冷處理裝置分子篩脫水工藝 分析與研究[J].石油石化綠色低碳，2016，（03）：48-52.