不同运行压力下三甘醇脱水装置处理能力分析

刘建民，温立宪，陈 斌，郝 丽，李增增，刘 佳

（中国石油长庆油田分公司第一采气厂，宁夏银川 750006）

从再生系统来的贫甘醇经冷却和增压后进入吸收塔顶部塔板，与自下而上的湿天然气逆流接触吸收天然气中的部分饱和水。吸收塔顶部设有捕雾器以脱除干气所携带的三甘醇溶液。吸收了水分的富甘醇溶液自塔底流出依次经过三甘醇闪蒸罐、过滤器，除去富液中的固体、液烃、化学剂及其他杂质。过滤后的三甘醇富液进入缓冲罐与贫液换热后进入再生塔，在重沸器内常压加热后蒸出所吸收的水分，并由精馏柱顶部排向大气。再生后的三甘醇经缓冲罐与富三甘醇换热后经泵增压，进入吸收塔进行循环[1]（见图1）。

1 三甘醇脱水装置处理能力分析方法

1.1 工艺运行参数计算

脱水装置的工艺运行参数主要包括原料气入塔温度和压力、贫甘醇进塔温度和浓度、重沸器温度、三甘醇循环率等，前三项可通过相应的测试手段获得，三甘醇循环率通过下式进行计算。

图1 三甘醇脱水工艺流程示意图

式中:F甘醇-甘醇循环率，L/kg 水；Q循环-甘醇循环量，m3/h；Q进气-进塔的天然气流量，m3/h；ω进-进塔天然气水含量，kg/m3；ω出-出塔天然气水含量，kg/m3。

1.2 天然气和三甘醇物性参数计算

天然气、三甘醇物性参数是评价脱水装置运行效果的重要计算依据。本文采用PRO/Ⅱ软件，获得不同压力下天然气和三甘醇的物性参数，为脱水装置吸收塔流体力学计算提供依据。

1.3 三甘醇脱水装置吸收塔流体力学计算

吸收塔流体力学计算的目的在于检验设计的塔盘能否在较高的效率下正常运行。流体力学验算内容有：塔板压降、液面落差、液泛、锥流、脉动、液相负荷、雾沫夹带等[3-5]。

1.3.1 塔板压降 塔板压降由三部分组成，即气体克服干板阻力所产生的压力降、气体克服板上充气液层的静压力所产生的压力降、气体克服湿齿缝阻力所产生的压力降。

（1）通过干泡罩的压降：根据A环/A升比值（见图2），得Kc，则：

式中：V-通过塔板的总气相流量，m3/s；Ar-塔板的升气管总面积，m2；A环-环形通道面积，m2；A升-升气管面积，m2；ρL-液相密度，kg/m3；ρV-气相密度，kg/m3。

图2 干泡罩压降计算校正系数

（2）通过充气液层的压降：

根据Fva的值，查图3 可得充气系数β，则通过充气液层压降：

式中：AT-塔截面积，m2；Ad-降液管的截面积，m2；β-充气系数；ua-气体通过塔板有效面积Aa的线速度，m/s；Fva-气相动能因子（以塔板有效面积计算），（m/s）（kg/m3）0.5。

图3 泡罩塔板的充气系数

（3）气体通过湿齿缝的压降：

式中：hso-齿缝开度，m；V-通过塔板的总气相流量，m3/s；No-塔板上的泡罩数目；Ns-每个泡罩的齿缝数目；Ws-齿缝宽度，m。

因此，气体通过每层塔板的压降：

式中：ht-气体通过每层塔板的压降，m；hpc-气体通过干泡罩的压降，m；hso-气体通过湿齿缝的压降，m；hal-气体通过充气液层的压降，m。

图4 液面梯度

1.3.2 液面落差 只有当液体流量很大及液体流程很长时，才需要考虑液面落差的影响。根据3 600Q′/Dt的取值，查图4 可得Δ′及Cv的值，液面落差：

式中：Q′-液相体积流量，m3/s；Dt-塔径，m；Δ′-未经校正的塔板液面落差，mm；Δ-液面落差，m；Cv-液面落差校正系数。

1.3.3 液泛 当气液流量都很大时，降液管内的泡沫层过高，液体难以消泡、顺利流到下层塔板，在降液管内累积直至泡沫上缘超过上层塔板的溢流堰，导致相邻塔板之间充满泡沫层，造成液泛，引起气相压降骤然上升，塔板效率急剧恶化。

液相从降液管流出的压头损失：

降液管内清液高度：

降液管内充气液体高度：

式中：Q-贫甘醇循环量，m3/s；Ada-降液管的最小排液面积，m2；hda-液相从降液管流出的压头损失，m；hdc-降液管内清液高度，m；hfd-降液管内充气液体高度，m；Φ-充气液体视密度与清液密度之比，对于强发泡性液体取0.4。

当Ht+hw≥hfd，不会发生降液管液泛，取等号即为液泛时液体流率的下限，于是有：

带入相应公式有：

由式（13）可得气相负荷V 与液相负荷L 的关系式，反映在负荷性能图上即为液泛线。

1.3.4 锥流 当液体流量很小时，从齿缝出来的气体将液体推开，气体掠过液面而升至上层塔板，使气液接触不良，塔板效率显著降低。

当液量较少，根据现代塔器技术（第二版）有：

则发生锥流时的液相流量：

式中：hc-泡罩帽齿缝距塔板的高度，m；Lh-发生锥流时的液相流量，m3/h。

1.3.5 脉动 当气相流量过小时，气相的压头不足以克服塔板上液层的阻力，气体无法通过齿缝，直至下层塔板的气相压头逐渐升高后，气体才能从齿缝逸出。此时，气相压头将下降，停止鼓泡，再经气相压头上升后才重新通过齿缝。气相的鼓泡呈脉动形式进行，造成气液传质波动变化，塔板效率降低。

当齿缝开度低于0.012 m 时，会产生脉动现象。因此确定脉动的界限为齿缝开度0.013 m。则发生脉动时的气相流量：

式中：Vh-发生脉动时的气相流量，m3/h；As-齿缝面积，m2；Cs-齿缝负荷系数，由齿缝形状决定。

1.3.6 液相负荷 根据吸收塔液量小、气量大的特点，用降液管超负荷线代替倾流线。对于严重起泡的液体认为降液管停留时间τ＞7 s 时，吸收塔将发生降液管超负荷，因此，降液管最大液相负荷：

式中：Ls-降液管最大液相负荷，m3/h；τ-液体在降液管内停留时间，s，发生降液管超负荷时取7 s。

1.3.7 雾沫夹带 当气相流量过大，被气体夹带至上层塔板的液相超过允许范围的现象称为雾沫夹带。这种液相返混现象会影响传质效率，使气相压降显著增加。为保证塔效率的基本稳定，设计中规定雾沫夹带量eo≤0.1 kg 液体/kg 气体，满足该条件则不会发生严重的雾沫夹带。

式中：Zf-泡沫层高度，m；S′-泡沫层顶至上一层塔板的距离，m；eo-雾沫夹带量，kg 液体/kg 气体；σ-三甘醇表面张力，dyn/cm。

2 实例应用

2.1 相关流体力学数据

本文以A 集气站在用的普帕克50 脱水装置为例，对脱水装置运行效果评价方法进行实例分析。已知A 站脱水装置甘醇循环量为625 L/h，天然气流量为44.783 0×104m3/d，天然气入脱水装置含水量为0.489 g/m3，天然气出脱水装置含水量为0.048 g/m3。根据式（1）并通过测试可得该脱水装置相关运行参数（见表1）。

表1 A 站脱水装置运行参数及相关指标

由表1 可知：在现工况下，该集气站的外输气露点合格，其他的工艺参数符合要求。

表2 天然气物性参数汇总

表3 三甘醇物性参数汇总

天然气和三甘醇物性参数采用PRO/Ⅱ软件计算，其中天然气物性计算选用适合轻烃类物质的PR 方程，三甘醇物性计算选用特殊包中的甘醇模型，具体物性数据（见表2，表3）。

2.2 泡罩塔负荷性能图[2]

已知该脱水装置吸收塔相关设计参数，计算可获得该塔相关数据（见表4）。

根据PRO/Ⅱ软件获得天然气及三甘醇密度、体积流量、表面张力，结合表4 吸收塔相关数据可以获得流体力学计算所需的数据。

据以上数据计算可得Ah/Ar=1.25，Fva=1.084（m/s）（kg/m3）0.5，3 600Q′/Dt=0.684，查图1 可得Kc=0.14；查图2 可得充气系数β=0.72；查图3 可得液面梯度Δ′=0.25 mm/排×6 排=1.5 mm，Cv=0.6。将相应数据带入式（13）化简整理可得：

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

给定L 值，可得到相应V 值，即可得到液泛线数据（见表5）。

发生锥流时的液相流量（锥流线）：

由现代塔器技术（第二版）P174 查得Cs=1.51，因此吸收塔发生脉动的最小气流量：

根据式（12）降液管超负荷液量为：

令式（20）中eo=0.1 kg 液体/kg 气体，带入相应的参数化简可得：L=（62.83-40.49）1.5。

给定L 值，可得相应V 值，即可得到雾沫夹带线数据（见表6）。由以上所求气液相负荷线，作现工况塔板气液相负荷性能图。脱水装置设计负荷为50 万m3/d，实际负荷为44.783 0 万m3/d，脱水装置负荷率为89.56 %，由现工况下（5.46 MPa）时工况及物性数据计算并绘制塔板负荷性能图（见图5）。

表4 A 站脱水装置吸收塔相关数据

表5 液泛线数据

图5 A 站5.46 MPa 塔板的负荷性能图

表6 雾沫夹带线数据

由图5 知，在现工况下（5.46 MPa），该塔的操作点位于负荷性能图内，且靠近液相下限线附近，说明该塔的操作基本正常。同理，由4.0 MPa、3.0 MPa 时工况及物性数据计算并绘制塔板负荷性能图（见图6，图7）。

图6 A 站4.0 MPa 塔板的负荷性能图

图7 A 站3.0 MPa 塔板的负荷性能图

由图6、图7 可知，脱水装置操作压力降低后，气相体积膨胀，气相负荷增加，液相负荷变化不大，操作点上移，仍在适宜操作区。因此，在现工况及增压开采后脱水装置仍可正常运行。

2.3 三甘醇脱水装置的处理能力核算

由图5，图6，图7 可知，在现工况、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负荷线控制，操作下限均受锥流线控制。对应气相负荷上、下限及气相负荷的操作上、下限（见表7）。其中操作上限取负荷上限的60 %。

表7 A 站普帕克50 万脱水装置不同压力下气相负荷上、下限及气相操作上、下限核算数据表

3 结论

（1）天然气和三甘醇物性参数估算采用PRO/Ⅱ软件计算，其中天然气物性估算选用适合轻烃类物质的PR 方程，三甘醇物性估算选用特殊包中的甘醇模型。

（2）塔板负荷性能图是根据塔板流体力学计算的范围，规定出气液负荷不正常时所出现的诸如锥流、脉动、倾流、液泛及过量雾沫夹带等现象的界限。操作时的气相流量与液相流量在负荷性能图上的坐标点成为操作点。正常操作中应尽量使操作点位于操作区的适中位置，从而确保吸收塔处于良好操作状况。

（3）脱水装置操作压力降低后，气相体积膨胀，气相负荷增加，液相负荷变化不大，操作点上移。因高压富三甘醇驱动的三甘醇泵的运行压力需大于3.0 MPa，通过核算3.0 MPa、4.0 MPa、现工况（5.46 MPa）下三甘醇脱水装置的运行性能，操作点仍在适宜操作区，说明三甘醇脱水装置能够正常运行。

（4）塔板的负荷性能图能够反应气液负荷允许的变动范围，可确定出塔板的负荷上、下限，进而计算得出三甘醇脱水装置操作上、下限，即其处理能力，从而为生产运行提供理论依据。

［1］ 何策，张晓东.国内外天然气脱水设备技术现状及发展趋势［J］.石油机械，2008，36（1）：69-70.

［2］ 王余伟，王金堂.泡罩塔负荷性能图及其应用［J］.合成技术及应用，2006，21（3）：40-44.

［3］ 时钧，王家鼎，余国琮，等.化学工程手册.第二版上卷［M］.北京：化学工业出版社，1996：1.

［4］ 兰州石油机械研究所.现代塔器技术（第二版）［M］.烃加工出版社，1990.

［5］ Robert H Perry,Don W Green,Maloney James O.Perry＇s chemical engineers＇bandbook.7th ed ［M］.McGraw -Hill，1997.