乙二醇再生与回收的再生工艺参数优化

2020-08-12张陆军王文涛何佳伟

云南化工 2020年7期

张陆军，李原，王文涛，赵磊，何佳伟，张杰

（1.重庆前卫科技集团有限公司，重庆 401121；2.江苏科技大学，江苏镇江 212000）

关键字：MRU；再生；Plus；再生塔

2020年2月至3月，中国海域天然气水合物第二轮试采成功［1］。在开采时管道内易形成水合物，造成管线冻堵，降低管线输气量，影响生产的正常运行。乙二醇（MEG）作为水合物抑制剂可防止管道内水合物的生成，通常在海底管道入口和油嘴处注入MEG溶液从而保证水下产出顺利输送到水面。乙二醇回收及再生系统（MRU）可除去MEG富液中的烃、酸气、水和盐杂质，从而得到满足往入纯度要求的MEG贫液，实现MEG的循环使用［1-2］。

本文重点研究MRU中的再生脱水流程，对MRU中再生脱水单元的工作流程进行了简介，采用Aspen Plus对其进行参数优选，，采用Plus中的DSTWU进行简捷设计并确定了相关参数，然后使用RadFrac对再生脱水进行严格模拟与优化，本研究为MRU中再生脱水中再生塔设计奠定一定基础。

1 MRU再生单元设计

1.1 MRU再生单元的工作原理

经预处理后的MEG富液需进行脱水以实现再生。MEG再生采用精馏的原理，其流程图如图1所示。主要设备包括再生塔，立式热虹吸式再沸器，冷凝器，贫富液换热器，等等。经预处理后的MEG富液进入贫富液换热器换热，换热后富液从再生塔的中上部进入，富液与向上流动的热蒸汽不断接触与传热，当富液的温度值达到一定，富液中的重组分（MEG）和轻组分（水蒸气）分离，重组分向下流入到塔釜，轻组分上升塔顶，经冷凝后进入回流罐，不冷凝气体通过回流罐放空排出。富液流入塔釜后，输送到再沸器内，采用热载体对富液加热将轻组分和重组分分离，产出的热蒸汽由气相进料管道进入到再生塔下部，与向下富料液进行换热，合格的贫液通过塔釜排出进入贫富液换热器与富液进行换热，最后进入脱盐流程。

图1 再生单元流程图

1.2 工艺参数及物性方法

经预处理后MEG富液的质量分数为55%，乙二醇在作为水合物抑制剂时，贫液的质量分数要求达到80%～90%。再生工艺参数如表1所示，要求塔顶乙二醇的质量分数小于0.001%，塔釜水的质量分数小于0.001%。塔顶冷凝器为全凝器，回流比为最小回流比的2.5倍。

表1 再生工艺主要参数

由于物系仅含有乙二醇、水和一价盐，该物系为极性物系，因此采用NRTL方程作为物性方法［2］。

2 设计结果

2.1 简捷计算结果

DSTWU是多组分精馏的简捷设计模块，其计算结果可作为严格精馏计算提供合适的初始值。塔顶冷凝器设置为全凝器［3］。

简捷计算结果为，最小回流比为0.0207，实际回流比为0.05，实际塔板数为30，最小塔板数为7，进料塔板数为13，再沸器热负荷为1527kW，冷凝器热负荷为1469.6kW，塔顶产品与进料物质的量比为0.7132，塔釜乙二醇含量94.83%，塔底温度134℃，塔底温度45℃，符合设计要求。

2.2 严格计算及结果

将简捷运算结果输入到RadFrac模块中进行严格计算，再沸器设置为热虹吸式再沸器，再沸器出口温度设为134℃，再沸器压力为10KPa。其计算结果为塔釜温度128℃，塔底温度45℃，再沸器热负荷15KW，冷凝器热负荷1490kW，塔釜乙二醇质量分数为94.51%，塔釜水质量分数为0.27%，塔顶乙二醇质量分数为1.3%，塔顶水质量分数为98.69%。塔顶中乙二醇含量和塔底水的质量分数超过设计要求，需对其优化。

3 设计结果优化

3.1 回流比优化

根据文献，再沸器和冷凝器的热负荷随着回流比（MOLE-RR）的增大而增大，从而加热剂和冷却剂的耗量也会按比例增加，操作费用也随之增加。但随着回流比的增大，塔板数会随之减小，设备费用会降低，因此需要最适宜的回流比［3-5］。在Plus中将塔底产品的质量纯度（PURITY）设定，将塔釜乙二醇的目标值设为0.9483，回流比下限为0.05，上限为0.1。结果显示回流比为0.0707时，塔釜乙二醇的质量纯度为0.9483。在Plus中对回流比进行灵敏度分析，分析回流比大小对塔釜乙二醇纯度的影响。如图2所示，随着回流比的增加，塔釜乙二醇的纯度也随着上升，当回流比的值达到0.0706左右时，乙二醇的纯度保持不变，纯度值保持在0.9483，故回流比最佳值为0.0707。

图2 回流比对塔釜乙二醇纯度的影响

在精馏塔不同的位置进料时，再沸器和冷凝器的热负荷也会受之影响，最佳回流比确定后，需对进料板数进行优化。将原回流比改为最佳回流比后，分析进料位置对再沸器热负荷（REB-DUTY）和冷凝器热负荷（COND-DUTY）的影响，进料位置范围为2到29，分析结果如图3所示。

图3 热负荷随进料位置的变化

3.2 进料塔板数优化

冷凝器热负荷随着进料位置的增大而减小，当进料板位置低于6时，冷凝器热负荷值保持平稳，当进料板位置大于26时，冷凝器热负荷值上升，当进料板位置为29时，冷凝器热负荷值最大。再沸器热负荷值如图3所示，当进料板位置为2到14时，再沸器热负荷先上升然后下降，进料板位置为14时，再沸器的热负荷值最小；当进料板位置为15到28时，再沸器热负荷继续上升，当进料板位置为29时，再沸器热负荷值最小。综上当进料板位置为14时，冷凝器热负荷和再沸器热负荷最小，故进料位置选择14。

3.3 塔参数结果

塔器分为填料塔与板式塔，真空和常压工况选填料塔居多；易堵、含颗粒和加压工况下选择板式塔较多；填料塔分率效率高，压降小，持液量小，操作弹性大，生产能力大等优点，再考虑到板式塔一般使用金属材料容易被富液中的盐腐蚀，故选择填料塔作为MRU中的再生塔。

进入到Pack Sizing中，对填料塔参数进行设定，从第2块板开始直到第29块板，填料型号为MELLAPAK，厂商 SULZER，材料为 STANDARD型，尺寸为250Y，等板高度根据文献［4］所知为0.5m。塔径设计结果为1.36m，经过圆整后为塔径为1.4m。填料层高度为13.5m，根据文献［3］，塔高通常为填料层高度的130%，即塔高为13.5×1.3＝17.55m。

3.4 优化结果

采用Aspen Plus软件对MRU再生脱水流程进行严格设计，最终得到再生塔主要参数，再生塔板数选为30块，回流比为0.0707，进料位置为14，塔径为 1.4m，塔高为 17.55m，操作压力为100kPa，冷凝器压力10kPa，再沸器选择热虹吸式再沸器，出口温度为134℃，压力为10kPa，塔釜乙二醇含量为94.873%，塔釜水含量接近于0，塔底乙二醇含量接近于0，满足设计要求。