TEG脱水工艺的优化及影响因素分析

2020-05-01师博辉北京石油化工工程公司西安分公司西安710075

化工设计 2020年2期

师博辉杨瑞北京石油化工工程公司西安分公司西安 710075

从地下采集的天然气携带有水分,对天然气的生产、输送、使用都会产生不同程度的不良影响[1]。因此，对天然气进行脱水是十分必要的。常用的天然气脱水方法包括：低温分离、溶剂吸收、固体吸附和膜分离等[2-4]。目前，TEG脱水(属于溶剂吸收)是应用最广、技术最成熟的工艺方法[5]，具有工艺流程简单、装置压力降小和操作维护方便等优点。本文对传统的TEG脱水工艺流程进行优化；并利用HYSYS 模拟软件进行模拟研究，系统分析了原料气温度、再生温度、TEG循环量和汽提气量等影响因素对TEG脱水效果的影响。分析结果可为已建TEG脱水装置(采用优化的TEG脱水工艺流程)的操作运行参数的调整提供理论依据。

1 TEG脱水工艺流程的优化

与传统的TEG脱水工艺流程相比，本文对传统的TEG脱水工艺流程进行了部分优化，关键工艺优化项比较见表1，优化的TEG脱水工艺流程见图1。

表1 关键工艺优化项汇总表

优化工艺流程描述：

(1)湿天然气首先进入过滤分离器分离其中的游离液滴及固体杂质后，在吸收塔中经填料段与从塔上部来的贫TEG充分接触，进行气-液传质交换，脱出天然气中的水分，经塔顶捕雾丝网除去大于5μm 的TEG液滴后出吸收塔。再经气体-贫液换热器，与进塔前热贫TEG换热，以降低进塔贫TEG的温度。换热后的产品天然气经净化气分离器分液后计量外输。

(2)吸收水分后的富TEG在塔下部流出，通过能量泵，将高压富TEG变为低压富TEG去再生塔顶换热盘管，被精馏柱顶蒸汽加热至约50℃后进入闪蒸罐，闪蒸分离出溶解在富TEG中的轻烃气体，该闪蒸气可作为燃料气使用。再生塔塔顶盘管两端连接有旁通调节阀，用以调节富TEG进盘管的流量，从而调节精馏柱顶的回流量。闪蒸后富TEG由闪蒸罐底部流出，经过闪蒸罐液位控制阀，依次进入前过滤器、活性炭过滤器及后过滤器；除去富甘醇中5μm 以上的固体杂质。过滤后的富TEG进入贫-富液换热器，与由再生重沸器下部TEG缓冲罐流出的热贫TEG换热升温至约150℃后进入精馏柱。在精馏柱中，通过提馏段、精馏段、塔顶回流及塔底再沸的综合作用，使富甘醇中的水分蒸馏出塔。塔底重沸器温度为198℃～202℃，TEG质量百分比浓度可达98.5%；采用全进口温度控制系统，确保重沸器的再生温度稳定。根据生产需要，可在贫液汽提柱中由引入汽提柱下部的热氮气对贫液进行汽提，经过汽提后的贫甘醇质量百分比浓度可达99.5%。脱水以后变为贫TEG溶液，经贫-富液换热器(全钎焊板式换热器)、能量泵增压和气体-贫液换热器等设备后进入吸收塔顶部，完成TEG循环流程。

图1 优化的TEG脱水工艺流程图

2 影响因素分析

根据工程案例经验和HYSYS推荐，TEG脱水采用的物性包为Peng-Robinson状态方程。影响TEG脱水工艺的因素很多，比如：吸收塔的实际板数、原料气温度、原料气含水量、再生温度、TEG循环量、汽提气量、TEG降解程度和天然气的含盐量等。由多套TEG装置实际运行情况发现，在设计参数既定的条件下，调整原料气温度、再生温度、TEG循环量和汽提气量等参数对TEG脱水效果可以起到显著调节作用，根据实际生产需要调节相关参数，可确保装置稳定运行、同时降低运行能耗。

模拟计算基本参数,原料气处理量为100×104Nm3/d，压力5.0MPa(G)，温度25℃，组成见表2。

下面对原料气温度、再生温度、TEG循环量和汽提气量等关键影响因素进行具体分析。

2.1 原料气温度

原料气压力一定的条件下，原料气温度直接影响进入TEG脱水装置的水总量，温度越低所需要三甘醇脱出的水量就越少[6]。在N(理论板)=12，天然气处理量为100×104Nm3/d，压力5.0MPa(G)，TEG重量百分比浓度98.5%, TEG循环量0.8m3/h工况下, 原料气温度对脱水效果的影响见图2。

表2 原料气组成

注：天然气中的含水量为饱和水。

图2 原料气温度-水露点的影响

由图2数据分析可知,当原料气温度小于32℃时，水露点温度变化较为缓慢；当原料气温度超过32℃后，水露点温度迅速上升。主要原因是当压力一定时，原料气温度升高实际上增大了气体的流速[6],传质效果变差使脱水效果明显下降。另外，温度过低，吸收塔中TEG粘度增加导致塔效率降低、压降增加、三甘醇损耗量增加。所以原料气温度控制在15～30℃较为合理。

2.2 再生温度

重沸器的TEG再生温度直接影响贫TEG的浓度,进而影响天然气脱水效果。在N(理论板)= 12,天然气处理量为100×104Nm3/d，压力5.0MPa(G)，温度25℃ , TEG循环量0.8m3/h工况下，再生温度对脱水效果的影响见图3。

图3 再生温度-水露点的影响

由图3数据分析可知,随着再生温度的增加，水露点温度降低；但是，考虑三甘醇的理论分解温度为206.7℃[6]，且再生温度过高，会增加脱水装置的运行费用。故再生温度控制在198～202℃较为合理。

2.3 TEG循环量

TEG循环量直接影响TEG脱水装置的可脱除水总量,TEG循环量越大可脱除的水量就越多[6]。在N(理论板)= 12,天然气处理量为100×104Nm3/d，压力5.0MPa(G)，原料气温度25℃ , TEG重量百分比浓度98.5%工况下, TEG循环量对脱水效果的影响见图4。

图4 TEG循环量-水露点的影响

由图4数据分析可知,随着TEG循环量的增加，水露点温度降低；当循环量大于1.8m3/h时，水露点基本上不再改变。主要原因是TEG 循环量增大的同时也带入更多的水分，吸收传质过程的推动力减小，从而影响到脱水效果。故将TEG循环量控制在17～25L/kg即可。

2.4 汽提气量

在常压下,重沸器温度为200℃时，TEG的浓度可达98.7%[7]；但当露点要求较高时，需通过引入汽提气进一步提高脱水效果。在N(理论板)= 12,天然气处理量为100×104Nm3/d，压力5.0MPa(G)，原料气温度25℃ ,再生温度200℃，TEG循环量0.8m3/h工况下,汽提气量对脱水效果的影响见图5。

图5 汽提气量-水露点的影响

由图5数据分析可知,即使是较小的汽提气量(15Nm3/h)也能达到较好的TEG再生效果。随着汽提气量的增加，水露点温度降低。主要原因是汽提气量增加到25Nm3/h后，TEG溶液中基本没有水供建立新的气液平衡状态，即贫TEG溶液浓度基本不变。故需引入汽提气时，将汽提气量控制在15Nm3/h即可满足天然气脱水要求。