新型高效焊接板式热交换器在三甘醇脱水装置中的应用

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(1.上海蓝滨石化设备有限责任公司， 上海 201518；2. 西南油气田分公司 重庆天然气净化总厂 忠县分厂， 重庆 404300)

地层中采出的天然气经机械分离游离水后仍然含有一定量的饱和水。在一定条件下，当天然气被压缩或冷却时，这部分饱和水将以液态水的形式析出，并和天然气中的烃类、酸性组分等其他物质一起形成水合物，由此增加了长输管道的压降。此外，输送含有酸性组分(如H2S、CO2等)的含水天然气也会对长输管道的管壁、阀件产生腐蚀，缩短管道的使用寿命。因此，天然气在进入输气干线前，必须经过脱水处理[1]。

常用的天然气脱水工艺有膜法、变压吸附、节流制冷和物理吸收4种[2]。20世纪80年代，天然气膜法脱水分离技术在美国、加拿大和日本等国开始工业应用，我国于1994年研制出了中空纤维脱水装置，但膜法脱水分离技术仍存在较多难题需要攻克，工业推广受限。物理吸收脱水常采用三甘醇脱水，截至1999年，国外天然气净化就已应用此脱水装置数百套，而我国在最近20 a才逐渐推广应用[3]。膜法、变压吸附、节流制冷等工艺压力损失较大，广泛应用受到限制。目前，天然气脱水应用最广的技术仍然是三甘醇脱水工艺。

1 三甘醇脱水装置简介

三甘醇又称三缩乙二醇，常温下是一种无色、无臭有吸湿性的透明黏稠液体。物性参数为相对密度1.127 4，折射率1.457 8(15 ℃)，沸点285 ℃，凝固点-7.2 ℃，具有溶于水和乙醇，不溶于苯、甲苯和汽油的特性。

三甘醇法脱水既适用于压力较低的人工煤气脱水，也适用于天然气脱水，工艺流程见图1。

图1 三甘醇法脱水工艺流程

三甘醇脱水工艺主要由甘醇吸收和再生两部分组成，图1中虚线框所示区域为再生装置，左侧为甘醇吸收装置。从图1可知含水的天然气先进入分离器，以脱除夹带的液体和固体杂质，然后从塔下部进入吸收塔。净化气通过各层塔板自下而上流动，与向下流动的贫甘醇溶液逆流接触，其中水分被吸收后从塔顶逸出。吸收了水分的富甘醇自塔底流出，再通过蒸馏塔的冷凝器盘管换热后进入闪蒸罐闪蒸，闪蒸气可作为燃料气至相关用户，然后富甘醇流入过滤器、贫-富甘醇热交换器，进入脱水单元的再生器部分(蒸馏塔)，通过加热将甘醇吸收的水分在常压下脱除。再生的甘醇借助重力流至缓冲槽内，经过贫-富甘醇热交换器冷却后，用贫甘醇泵送回吸收塔循环使用。

多年以来，贫-富甘醇热交换器均采用管壳式的结构形式。由于其传热系数低，各热交换器的换热面积相对较大，因而装置占地面积以及冷却水耗量均较大，从而使得设备投资及能耗指标较高。如何提高装置换热效率、减小占地面积、降低能耗以及节省投资成为近年来天然气三甘醇脱水热门研究课题之一[4-6]。

2 常用贫-富甘醇热交换器

贫-富甘醇热交换器作为三甘醇天然气脱水工艺再生装置中的关键设备之一，从出版的文献资料分析，21世纪初我国各大天然气净化厂就采用了各种形式的贫-富甘醇热交换器。

2.1 盘管式热交换器

据笔者调研，2004年前后，天然气气田甘醇脱水装置用贫-富甘醇液热交换器通常采用盘管热交换器，文献[4]介绍的盘管热交换器贫-富甘醇换热示意见图2。

图2 盘管式贫-富甘醇热交换器

换热盘管布置在一个封闭的U形壳体中，富液在盘管内流动，贫液在换热壳体内由上至下流动。由于壳体内各处温度基本相同，热交换器传热对数平均温差不大，导致管外传热系数小，热交换器总体传热效果差。

即使整个盘管在液面的下方，换热后的甘醇富液温度升至90 ℃以上仍较为困难，导致高温甘醇贫液热能未能有效利用，此外贫液冷却时循环水的耗量也比较大。

2.2 盘管式+可拆卸板式热交换器

可拆卸板式热交换器只能适用于工作压力小于1.6 MPa、工作温度低于160 ℃的场合[7]。经过重沸器再生塔再生后的贫液温度达到了200 ℃，此数值超出了可拆卸板式热交换器的温度适用范围。因此，在实际工程应用中，有部分天然气净化厂采用了一种将盘管式热交换器与可拆卸板式热交换器串联到一起或多个管壳式换热器串联的方案。

此方案缺点：①现场工艺配管成本比较高，并且整套装置占地较大。②不锈钢板片采用的三元乙丙等橡胶垫片存在着严重老化的腐蚀问题，每年需更换垫片1～2次，由此增大了三甘醇再生重沸器加热富液时的燃料气消耗。③贫液出口温度偏高引起三甘醇溶液循环泵维修后出现泄漏等故障[8]。

2.3 全焊接板式热交换器

板式热交换器具备较高的传热效率，有效地解决了甘醇脱水的高能耗问题，较盘管热交换器节约了能耗成本，较管壳式热交换器+可拆卸板式热交换器的方案节省了设备投资，减少了占用场地空间。文献[4]提到采用的全焊接板式热交换器串联的方案仍存在设备压降大、现场配管工作量大、装置占地空间大及管道连接密封面泄漏点多等问题。

2014年，上海蓝滨石化设备有限公司对天然气三甘醇脱水工艺再生装置用焊接板式贫-富甘醇热交换器开展大量研究，旨在解决传统贫-富甘醇热交换器传热效率低、占地空间大、不紧凑以及配管施工量大的问题。

3 新型高效贫-富甘醇焊接板式热交换器

3.1 结构特点

针对贫-富甘醇热交换器工位上存在的各种问题，上海蓝滨石化设备有限公司于2016年新开发了一种新型高效焊接板式热交换器，专利名称《一种模块化全焊接板式换热器》，发明专利号为CN201610559357.2[9]。

该贫-富甘醇热交换器具备以下特点：①卧式布置、标高低、占地空间小、压降小，贫液自缓冲罐靠位势压头即可实现在设备内流动。②采用模块化串联设计，模块承受的操作工况较为苛刻，若该模块达到使用寿命，更换此模块即可。便于设备后续及时更换模块及降低检维修成本。③传热元件竖直布置，设备间歇停工，内部不易积液。④设备现场布管、仪表安装和读数较为方便。⑤具有较高的传热单元数(NTU)。

贫-富甘醇热交换器采用两组焊接板式热交换器模块串联，外形示意图见图3。两种介质在设备内流动示意图见图4，图中，贫液流动轨迹如实心箭头所示，富液流动轨迹如虚线箭头所示。

3.2 应用示例及结果

2016-05，对某净化厂天然气脱水的再生装置进行改造，其工艺参数见表1。

图3 新型高效贫-富甘醇焊接板式热交换器

图4 设备内两种介质流动示图

项目热介质冷介质介质名称贫液富液热负荷/kW744进口温度/℃20257出口温度/℃70178进口压力/kPa30250允许压降/kPa510

由工艺数据可知，贫甘醇液进/出口温度为202 ℃/70 ℃，富甘醇液进/出口温度为57 ℃/178 ℃，对数平均温差Δt=17.94 ℃，传热单元数NTU=7.36。因此，选用贫-富甘醇热交换器存在一定技术困难，需要采用瘦高型浅密波纹传热元件[11]。由于存在温度交叉，而管壳式热交换器在温度交叉的场合无法使用，若采用管壳式热交换器则需要通过多台串联实现[12]，不但压降较大，而且占地空间及成本投入极大增加。另外，工艺要求缓冲罐贫液依靠重力自流进热交换器内，这就要求热交换器主体标高不能过高。

根据工艺参数设计确定采用1台新型贫-富甘醇焊接板式热交换器，热交换器换热面积56 m2,净重1 050 kg,外形尺寸(长×宽×高)1 970 mm×410 mm×1 140 mm。其设计余量30%，贫液、富液计算阻力降分别为4.9 kPa、7.1 kPa。

2016-12，对设备投用一段时间后进行现场应用情况标定，现场工艺标定参数见表2。

表2 贫-富三甘醇全焊接板式热交换器工艺标定参数

实际贫、富甘醇进口温度与表1所列设计参数略有不同，但从实际设备操作效果分析，设备阻力降及热交换器效果均能较好满足设计要求。

目前,国外三甘醇脱水装置的贫-富甘醇热交换器已广泛应用板式热交换器, 国内的中原文23 气田、西南油气分公司某净化厂、重庆五宝场气田等脱水装置都应用了板式热交换器作为贫-富液热交换器[12-14]，但各种形式的板式热交换器性能差别较大，新开发的新型高效焊接板式热交换器若能在上述气田推广应用，必将发挥良好的节能优势 。

3.3 对比分析

调研发现，以往的全焊接板式热交换器串联方案，设备及管线占地空间(长×宽×高)约4 000 mm×2 000 mm×1 200 mm。若采用本方案，设备占地空间(长×宽×高)为1 970 mm×450 mm×1 140 mm，降低了配管工作量及投入成本，更符合天然气甘醇脱水成套装置紧凑性布局理念。

4 运行操作注意事项

贫-富甘醇焊接板式热交换器开车时，应确保贫-富三甘醇流量缓慢增加。三甘醇在温度低时黏度较大，如在60 ℃时动力黏度为8.5 mPa·s，20 ℃时动力黏度为49.0 mPa·s，其黏度随温度变化较为敏感。

设备开车前，在通入贫-富三甘醇介质过程中，应同时开启设备排气口，排气口可与放空管道连接，待排气口有少量液体流出时视为气体排尽，再关闭排气口。

5 结语

新型高效焊接板式热交换器采用卧式布置、模块化设计思想，满足工艺要求，而且降低了设备现场配管及后续检维修投入成本，具有应用推广前景。

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