不同運行壓力下三甘醇脫水裝置處理能力分析

劉建民，溫立憲，陳 斌，郝 麗，李增增，劉 佳

（中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，寧夏銀川 750006）

從再生系統來的貧甘醇經冷卻和增壓后進入吸收塔頂部塔板，與自下而上的濕天然氣逆流接觸吸收天然氣中的部分飽和水。吸收塔頂部設有捕霧器以脫除干氣所攜帶的三甘醇溶液。吸收了水分的富甘醇溶液自塔底流出依次經過三甘醇閃蒸罐、過濾器，除去富液中的固體、液烴、化學劑及其他雜質。過濾后的三甘醇富液進入緩沖罐與貧液換熱后進入再生塔，在重沸器內常壓加熱后蒸出所吸收的水分，并由精餾柱頂部排向大氣。再生后的三甘醇經緩沖罐與富三甘醇換熱后經泵增壓，進入吸收塔進行循環[1]（見圖1）。

1 三甘醇脫水裝置處理能力分析方法

1.1 工藝運行參數計算

脫水裝置的工藝運行參數主要包括原料氣入塔溫度和壓力、貧甘醇進塔溫度和濃度、重沸器溫度、三甘醇循環率等，前三項可通過相應的測試手段獲得，三甘醇循環率通過下式進行計算。

圖1 三甘醇脫水工藝流程示意圖

式中:F甘醇-甘醇循環率，L/kg 水；Q循環-甘醇循環量，m3/h；Q進氣-進塔的天然氣流量，m3/h；ω進-進塔天然氣水含量，kg/m3；ω出-出塔天然氣水含量，kg/m3。

1.2 天然氣和三甘醇物性參數計算

天然氣、三甘醇物性參數是評價脫水裝置運行效果的重要計算依據。本文采用PRO/Ⅱ軟件，獲得不同壓力下天然氣和三甘醇的物性參數，為脫水裝置吸收塔流體力學計算提供依據。

1.3 三甘醇脫水裝置吸收塔流體力學計算

吸收塔流體力學計算的目的在于檢驗設計的塔盤能否在較高的效率下正常運行。流體力學驗算內容有：塔板壓降、液面落差、液泛、錐流、脈動、液相負荷、霧沫夾帶等[3-5]。

1.3.1 塔板壓降 塔板壓降由三部分組成，即氣體克服干板阻力所產生的壓力降、氣體克服板上充氣液層的靜壓力所產生的壓力降、氣體克服濕齒縫阻力所產生的壓力降。

（1）通過干泡罩的壓降：根據A環/A升比值（見圖2），得Kc，則：

式中：V-通過塔板的總氣相流量，m3/s；Ar-塔板的升氣管總面積，m2；A環-環形通道面積，m2；A升-升氣管面積，m2；ρL-液相密度，kg/m3；ρV-氣相密度，kg/m3。

圖2 干泡罩壓降計算校正系數

（2）通過充氣液層的壓降：

根據Fva的值，查圖3 可得充氣系數β，則通過充氣液層壓降：

式中：AT-塔截面積，m2；Ad-降液管的截面積，m2；β-充氣系數；ua-氣體通過塔板有效面積Aa的線速度，m/s；Fva-氣相動能因子（以塔板有效面積計算），（m/s）（kg/m3）0.5。

圖3 泡罩塔板的充氣系數

（3）氣體通過濕齒縫的壓降：

式中：hso-齒縫開度，m；V-通過塔板的總氣相流量，m3/s；No-塔板上的泡罩數目；Ns-每個泡罩的齒縫數目；Ws-齒縫寬度，m。

因此，氣體通過每層塔板的壓降：

式中：ht-氣體通過每層塔板的壓降，m；hpc-氣體通過干泡罩的壓降，m；hso-氣體通過濕齒縫的壓降，m；hal-氣體通過充氣液層的壓降，m。

圖4 液面梯度

1.3.2 液面落差 只有當液體流量很大及液體流程很長時，才需要考慮液面落差的影響。根據3 600Q′/Dt的取值，查圖4 可得Δ′及Cv的值，液面落差：

式中：Q′-液相體積流量，m3/s；Dt-塔徑，m；Δ′-未經校正的塔板液面落差，mm；Δ-液面落差，m；Cv-液面落差校正系數。

1.3.3 液泛 當氣液流量都很大時，降液管內的泡沫層過高，液體難以消泡、順利流到下層塔板，在降液管內累積直至泡沫上緣超過上層塔板的溢流堰，導致相鄰塔板之間充滿泡沫層，造成液泛，引起氣相壓降驟然上升，塔板效率急劇惡化。

液相從降液管流出的壓頭損失：

降液管內清液高度：

降液管內充氣液體高度：

式中：Q-貧甘醇循環量，m3/s；Ada-降液管的最小排液面積，m2；hda-液相從降液管流出的壓頭損失，m；hdc-降液管內清液高度，m；hfd-降液管內充氣液體高度，m；Φ-充氣液體視密度與清液密度之比，對于強發泡性液體取0.4。

當Ht+hw≥hfd，不會發生降液管液泛，取等號即為液泛時液體流率的下限，于是有：

帶入相應公式有：

由式（13）可得氣相負荷V 與液相負荷L 的關系式，反映在負荷性能圖上即為液泛線。

1.3.4 錐流 當液體流量很小時，從齒縫出來的氣體將液體推開，氣體掠過液面而升至上層塔板，使氣液接觸不良，塔板效率顯著降低。

當液量較少，根據現代塔器技術（第二版）有：

則發生錐流時的液相流量：

式中：hc-泡罩帽齒縫距塔板的高度，m；Lh-發生錐流時的液相流量，m3/h。

1.3.5 脈動 當氣相流量過小時，氣相的壓頭不足以克服塔板上液層的阻力，氣體無法通過齒縫，直至下層塔板的氣相壓頭逐漸升高后，氣體才能從齒縫逸出。此時，氣相壓頭將下降，停止鼓泡，再經氣相壓頭上升后才重新通過齒縫。氣相的鼓泡呈脈動形式進行，造成氣液傳質波動變化，塔板效率降低。

當齒縫開度低于0.012 m 時，會產生脈動現象。因此確定脈動的界限為齒縫開度0.013 m。則發生脈動時的氣相流量：

式中：Vh-發生脈動時的氣相流量，m3/h；As-齒縫面積，m2；Cs-齒縫負荷系數，由齒縫形狀決定。

1.3.6 液相負荷 根據吸收塔液量小、氣量大的特點，用降液管超負荷線代替傾流線。對于嚴重起泡的液體認為降液管停留時間τ＞7 s 時，吸收塔將發生降液管超負荷，因此，降液管最大液相負荷：

式中：Ls-降液管最大液相負荷，m3/h；τ-液體在降液管內停留時間，s，發生降液管超負荷時取7 s。

1.3.7 霧沫夾帶 當氣相流量過大，被氣體夾帶至上層塔板的液相超過允許范圍的現象稱為霧沫夾帶。這種液相返混現象會影響傳質效率，使氣相壓降顯著增加。為保證塔效率的基本穩定，設計中規定霧沫夾帶量eo≤0.1 kg 液體/kg 氣體，滿足該條件則不會發生嚴重的霧沫夾帶。

式中：Zf-泡沫層高度，m；S′-泡沫層頂至上一層塔板的距離，m；eo-霧沫夾帶量，kg 液體/kg 氣體；σ-三甘醇表面張力，dyn/cm。

2 實例應用

2.1 相關流體力學數據

本文以A 集氣站在用的普帕克50 脫水裝置為例，對脫水裝置運行效果評價方法進行實例分析。已知A 站脫水裝置甘醇循環量為625 L/h，天然氣流量為44.783 0×104m3/d，天然氣入脫水裝置含水量為0.489 g/m3，天然氣出脫水裝置含水量為0.048 g/m3。根據式（1）并通過測試可得該脫水裝置相關運行參數（見表1）。

表1 A 站脫水裝置運行參數及相關指標

由表1 可知：在現工況下，該集氣站的外輸氣露點合格，其他的工藝參數符合要求。

表2 天然氣物性參數匯總

表3 三甘醇物性參數匯總

天然氣和三甘醇物性參數采用PRO/Ⅱ軟件計算，其中天然氣物性計算選用適合輕烴類物質的PR 方程，三甘醇物性計算選用特殊包中的甘醇模型，具體物性數據（見表2，表3）。

2.2 泡罩塔負荷性能圖[2]

已知該脫水裝置吸收塔相關設計參數，計算可獲得該塔相關數據（見表4）。

根據PRO/Ⅱ軟件獲得天然氣及三甘醇密度、體積流量、表面張力，結合表4 吸收塔相關數據可以獲得流體力學計算所需的數據。

據以上數據計算可得Ah/Ar=1.25，Fva=1.084（m/s）（kg/m3）0.5，3 600Q′/Dt=0.684，查圖1 可得Kc=0.14；查圖2 可得充氣系數β=0.72；查圖3 可得液面梯度Δ′=0.25 mm/排×6 排=1.5 mm，Cv=0.6。將相應數據帶入式（13）化簡整理可得：

0.00706L+0.631V2+0.0823V0.66+0.0049L0.704=0.2237

給定L 值，可得到相應V 值，即可得到液泛線數據（見表5）。

發生錐流時的液相流量（錐流線）：

由現代塔器技術（第二版）P174 查得Cs=1.51，因此吸收塔發生脈動的最小氣流量：

根據式（12）降液管超負荷液量為：

令式（20）中eo=0.1 kg 液體/kg 氣體，帶入相應的參數化簡可得：L=（62.83-40.49）1.5。

給定L 值，可得相應V 值，即可得到霧沫夾帶線數據（見表6）。由以上所求氣液相負荷線，作現工況塔板氣液相負荷性能圖。脫水裝置設計負荷為50 萬m3/d，實際負荷為44.783 0 萬m3/d，脫水裝置負荷率為89.56 %，由現工況下（5.46 MPa）時工況及物性數據計算并繪制塔板負荷性能圖（見圖5）。

表4 A 站脫水裝置吸收塔相關數據

表5 液泛線數據

圖5 A 站5.46 MPa 塔板的負荷性能圖

表6 霧沫夾帶線數據

由圖5 知，在現工況下（5.46 MPa），該塔的操作點位于負荷性能圖內，且靠近液相下限線附近，說明該塔的操作基本正常。同理，由4.0 MPa、3.0 MPa 時工況及物性數據計算并繪制塔板負荷性能圖（見圖6，圖7）。

圖6 A 站4.0 MPa 塔板的負荷性能圖

圖7 A 站3.0 MPa 塔板的負荷性能圖

由圖6、圖7 可知，脫水裝置操作壓力降低后，氣相體積膨脹，氣相負荷增加，液相負荷變化不大，操作點上移，仍在適宜操作區。因此，在現工況及增壓開采后脫水裝置仍可正常運行。

2.3 三甘醇脫水裝置的處理能力核算

由圖5，圖6，圖7 可知，在現工況、4.0 MPa、3.0 MPa下，A 站三甘醇吸收塔的操作上限均受降液管超負荷線控制，操作下限均受錐流線控制。對應氣相負荷上、下限及氣相負荷的操作上、下限（見表7）。其中操作上限取負荷上限的60 %。

表7 A 站普帕克50 萬脫水裝置不同壓力下氣相負荷上、下限及氣相操作上、下限核算數據表

3 結論

（1）天然氣和三甘醇物性參數估算采用PRO/Ⅱ軟件計算，其中天然氣物性估算選用適合輕烴類物質的PR 方程，三甘醇物性估算選用特殊包中的甘醇模型。

（2）塔板負荷性能圖是根據塔板流體力學計算的范圍，規定出氣液負荷不正常時所出現的諸如錐流、脈動、傾流、液泛及過量霧沫夾帶等現象的界限。操作時的氣相流量與液相流量在負荷性能圖上的坐標點成為操作點。正常操作中應盡量使操作點位于操作區的適中位置，從而確保吸收塔處于良好操作狀況。

（3）脫水裝置操作壓力降低后，氣相體積膨脹，氣相負荷增加，液相負荷變化不大，操作點上移。因高壓富三甘醇驅動的三甘醇泵的運行壓力需大于3.0 MPa，通過核算3.0 MPa、4.0 MPa、現工況（5.46 MPa）下三甘醇脫水裝置的運行性能，操作點仍在適宜操作區，說明三甘醇脫水裝置能夠正常運行。

（4）塔板的負荷性能圖能夠反應氣液負荷允許的變動范圍，可確定出塔板的負荷上、下限，進而計算得出三甘醇脫水裝置操作上、下限，即其處理能力，從而為生產運行提供理論依據。

［1］ 何策，張曉東.國內外天然氣脫水設備技術現狀及發展趨勢［J］.石油機械，2008，36（1）：69-70.

［2］ 王余偉，王金堂.泡罩塔負荷性能圖及其應用［J］.合成技術及應用，2006，21（3）：40-44.

［3］ 時鈞，王家鼎，余國琮，等.化學工程手冊.第二版上卷［M］.北京：化學工業出版社，1996：1.

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