基于分子篩脫水工藝等壓再生技術的研究及應用

黃純金，陳 斌，李 肖，田 怡，李 姣，陳 亮

（中國石油長慶油田分公司第十采油廠，甘肅慶陽 745100）

1 研究背景及現狀

1.1 研究背景

在油田伴生氣回收與加工過程中，一般采用的是低溫分離處理工藝。若油田伴生氣中含水，低溫時油田伴生氣中的水分會以冰霜的形式凍結在冷箱換熱器的表面，使冷箱壓差增大，降低裝置的處理能力，甚至堵塞冷箱通道，造成裝置停產。而且在某個特定的溫度和壓力下，油田伴生氣和水會形成天然氣水合物，可能導致工藝管線、分離設備和換熱設備堵塞，嚴重影響生產的安全穩定運行，因此要及時有效的對油田伴生氣內的水含量予以合理控制及消減，固體吸附法中的分子篩脫水工藝是當前我國最常用到的一種脫水方法，分子篩脫水就是采用分子篩脫除掉氣體混合物中水蒸氣的工藝過程。其工藝按再生壓力來分，可分為等壓再生和降壓再生[1]。

1.2 研究現狀

在油田伴生氣綜合利用工程一期、二期建設過程中，主要采用雙塔降壓再生工藝，該工藝冷箱運行參數與設計存在不符問題，導致冷箱再生氣通道多次凍裂，再生氣與冷劑串通，既導致了設備損壞、生產停滯等經濟損失，不同物料通道串通又帶來了設備非正常工況停機，進而引發更多的鏈式反應，存在較大安全風險[2]。含水天然氣進入干氣返供系統，導致干氣系統冬季管線運行困難，極端低溫或低氣量會導致站內、站外管線凍堵，進而導致分子篩再生、干氣外輸、下游點爐等工作無法順利開展，引發次生風險。現場油田伴生氣管道均未做內防腐，凝析水會長時間滯留在管道低洼處、彎頭處，長時間運行易造成沖刷性侵蝕及細菌含量超標腐蝕，存在管道失效速度快、污染環境等風險[3]。

目前建有輕烴處理裝置3 套（表1），設計能力10×104m3/d，其中3 套采用雙塔降壓再生工藝，主要流程為上游站庫油田伴生氣至輕烴裝置（壓力0.2 MPa），原料氣經增壓至2.0 MPa，進行吸附脫水（水露點-70 ℃），脫水后經冷卻至-40 ℃回收重烴，氣相深冷至-68 ℃，進入DHX 塔進行二次吸收提高C3+回收率，干氣經冷箱換熱后返供干氣系統。

表1 分子篩應用基本現狀

2 等壓再生工藝設計

2.1 等壓再生工藝簡介

等壓再生工藝主要含兩具主吸附塔和一具輔助吸附塔，主塔一塔進行吸附操作，另一塔進行再生操作，副塔可以在吸附和再生之間切換。主要流程（圖1）：原料氣經增壓后進入分子篩前分為再生氣、生產氣兩條流程，對生產氣進行截流降壓處理，再自上而下進入其中一具主塔吸附，再生氣直接進入副塔吸附干燥后，經加熱至另一具主塔進行自下而上再生，再生氣經過冷卻分離后，返回生產氣流程；副塔再生時，由未降壓主塔吸附干燥后，進入副塔進行再生，三塔分子篩再生主要包括熱吹和冷吹兩個過程[4]。

圖1 分子篩等壓再生工藝流程圖

2.2 工藝選型

（1）脫水工藝的選擇：級間脫水是指在原料氣一二級壓縮之間進行脫水的工藝，該工藝對壓縮機有一定保護功能；級后脫水是指在原料氣壓縮機增壓完成后進行脫水的工藝，該工藝主要優勢在于設計體積小、投資及運維成本低[5]。

以5×104m3/d 油田伴生氣處理規模為基礎，根據HYSYS 模擬數據對比（表2）。

表2 分子篩級間、級后脫水參數對比表

根據兩種工藝對比，級后脫水負荷低于級間脫水負荷，設備投資、電耗、運維等費用均優于級間脫水，故建議采用級后脫水工藝。

（2）再生工藝的選擇：降壓再生是指使用裝置干氣作為再生氣，將壓力降至0.8 MPa，經加熱后進行再生，該工藝再生效果好，但對填料損傷較大，且干氣中水分無法高效去除，對后端管線運行影響大；等壓再生是指采用高壓濕氣脫水后作為再生氣，在2.0 MPa 的工況下，經加熱后進行再生，該工藝主要優勢在于解決了干氣含水帶來的一系列生產運行問題。

對兩種工藝的優缺點進行對比（表3），結合現場已建站庫生產運行情況，建議選用濕氣等壓再生工藝。

表3 分子篩降壓再生、等壓再生對比表

（3）分子篩吸附劑的選擇：分子篩吸附劑的基本骨架結構為SiO2四面體和Al2O3四面體，按照一定的方式相連在一起，形成復雜的、中空的多面體[7]。分子篩具有很大的比表面積，其表面具有高度的極性，因而對天然氣中的水、含硫化合物、二氧化碳等極性分子和可極化的分子具有較強的吸附力與較大的吸附容量。分子篩的吸附強度順序：H2O＞NH3＞CH3OH＞H2S＞CO2＞N2＞CH4[6]。幾種常見分子篩填料吸附性能見表4。

表4 常見分子篩填料吸附性能對比表

根據油田伴生氣組分性質及目標產品需求，防止乙烷以上組分被吸附，影響吸水性能，選取3A 填料作為分子篩吸附劑[8]。

2.3 參數設計

吸附溫度設計：吸附操作時，水的飽和蒸氣壓隨著溫度的升高而增加，有利于吸附的進行，但吸附劑的吸附率卻隨著溫度的升高而降低，不利于吸附[9]。根據廠家實驗數據擬合的3A 分子篩在不同溫度下的靜態吸附曲線（圖2），60 ℃以內吸附率隨溫度變化較小，60 ℃以上吸附率下降幅度較大，因此吸附溫度應控制在60 ℃以內。

圖2 3A 分子篩的靜態吸附曲線

有效濕容量選擇：根據工業用干燥劑靜態平衡曲線，分子篩的靜態平衡濕容量約為22%；根據標準GB 8770—80 規定了測定吸附劑動態濕容量的方法，通常分子篩的動態濕容量為9%～12%；有效濕容量一般按照動態濕容量的80%進行設計，綜合考慮取值為8%[9]。

按油田伴生氣5×104m3/d（折算2.0 MPa 工況體積2 500 m3/d）、水露點40 ℃（含水量50.91 g/m3）計算，含水量為127.28 kg/d，設計吸附周期為16 h，吸附水量為84.85 千克/次，根據有效濕容量計算，主吸附塔需分子篩吸附劑1.06 噸/具[10]。

3 分子篩參數的優化

3.1 模型建立

采用級后脫水+濕氣等壓再生+三塔吸附工藝，選取3A 分子篩吸附劑（用量1.00 噸/具），執行8 h 主塔吸附+8 h 再生吸附+8 h 再生運行制度，以5×104m3/d油田伴生氣處理規模為基礎建立HYSYS 模型（圖3）。

圖3 分子篩HYSYS 模型

邊界條件：（1）壓縮機將原料氣增壓至2.0 MPa；（2）原料氣分為再生氣與生產氣兩股物料，生產氣通過截流降壓至0.2 MPa；（3）再生氣進分子篩脫水后經加熱進行再生；（4）再生后的再生氣通過加入純水物料模擬再生氣含水狀態；（5）含水再生氣通過水冷降溫、分離器排水，將再生氣與生產氣混合進入主塔吸附脫水。

3.2 冗余計算

按照HYSYS 模型計算，再生氣脫水塔吸水量為2.164 kg/h，主吸附塔吸水量為7.752 kg/h，根據三塔運行制度，預計單塔處理氣量2×104m3/d，實際吸附量為79.328 kg/d；根據分子篩參數設計單塔最大濕容量為80 kg/d＞79.328 kg/d（單塔實際吸附量），滿足生產要求，分子篩有效濕容量預留1%～3%，充分保障了分子篩特殊情況下的吸水性能[11]。油田伴生氣中含水量按照水露點40 ℃計算，實際運行過程中油田伴生氣水露點冬季一般為5 ℃、夏季為25 ℃，基本滿足了油田伴生氣中含水率變化對分子篩的影響。

3.3 參數優化

將再生氣冷卻器出口溫度由40 ℃降低至30 ℃，可將主塔吸水量由7.752 kg/h 降至7.022 kg/h，單塔實際吸附量降至73.488 kg/d，但冷卻負荷增加3.8 kW；繼續降至20 ℃，會將部分C3、C4液化，導致輕烴產品進入污水系統損耗，因此將再生氣冷卻器出口溫度設定為30～40 ℃運行效果最好[14，16-19]。

3.4 應用效果評價

2022 年11 月慶五聯油田伴生氣處理裝置順利投運，設計處理能力5×104m3/d，分子篩采用三塔等壓再生工藝，該工藝設計參數投入生產后，主要有以下幾方面特點：（1）再生氣冷卻采用水冷換熱器，未使用冷箱換熱制冷，可合理控制冷卻溫度，徹底避免了冷箱凍堵、損壞等故障造成的設備損失及產量損失。（2）返供的干氣水露點達到-70 ℃，遠高于雙塔降壓再生工藝干氣水露點，解決了冬季站內再生氣流程管線凍堵導致連鎖反應，提高了工藝適用性。（3）干氣返供管道生產運行過程中不易產生冷凝水，形成段塞堵塞供氣管道，減少了冬季干氣管道吹掃頻次，消減了管道硫酸鹽還原菌滋生條件，避免了管道彎頭處液擊造成的管道失效。

4 推廣應用及經濟效益

該項目主要從投資成本、運行成本和間接損失進行評價，選取雙塔降壓再生工藝進行對比（表5）。通過對全生命周期進行對比，三塔等壓再生工藝經濟效益最好，較級后脫水雙塔降壓再生工藝節約247.50 萬元，較級間脫水雙塔降壓再生工藝節約484.50 萬元。

表5 不同工藝經濟效益評價表

5 結論及建議

（1）三塔等壓再生工藝具有設備獨立性強、分子篩使用壽命長、經濟效益好、應用范圍廣、對其他設備影響小等特點，對比雙塔降壓再生工藝具有明顯的技術優勢。

（2）分子篩在設計過程中的冗余設計，可確保在非正常工況下，分子篩還能維持基本運轉，提高了工藝整體適用性。

（3）由于分子篩再生時耗熱量大、燃料氣消耗量多，使得再生氣系統能耗很高。在后續的研究過程中，可對再生氣加熱與降溫流程優化，合理利用能量，降低生產成本。