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天然气净化中影响装置能耗工艺参数的分析

2020-09-14

广州化工 2020年17期
关键词:胺液沸器节流阀

白 聪

(1 天津市大和劳务服务有限责任公司,天津 300457; 2 中国石油天然气管道工程有限公司天津分公司,天津 300457)

长庆气田第三净化厂于2003年建成天然气净化装置一套,目的是脱除天然气中的CO2和H2S,其中净化装置采用传统的吸收再生工艺,设计能力300×104Nm3/d,设计采用美国DOW化学公司生产的50%(wt)的配方溶液进行脱硫和脱碳。

长庆气田第三净化厂净化装置工艺流程示意图见图1。

图1 长庆气田第三净化厂净化装置工艺流程示意图(优化后)

目前因上游气质及产量的变化,原料天然气中CO2和H2S含量及处理量均有一定程度上的波动,装置能耗较大,为降低装置能耗,确保装置的安全稳定运行,有必要对现有的生产运行参数进行分析,并找出影响装置能耗最大的关键参数。

1 装置主要运行参数分析

该装置处理量为300×104Nm3/d,操作弹性为80%~120%,进料气压力为5500 kPa,温度为30 ℃,年开工天数为330天。进料气组成如表1所示。

表1 进料气组成

在满足净化效果的工艺要求的前提下,需要对影响装置能耗的各个参数进行分析,而装置的能耗包括再沸器、泵、冷凝器、冷却器四个设备的能耗,影响能耗的参数有吸收塔和再生塔的理论塔板数、再生塔压力、再生塔回流比、胺液循环量以及胺液中DEA和MDEA的比例、原料气入塔温度和压力等。对于给定的净化工艺系统,吸收塔和再生塔的物质交换能力是给定的,即吸收塔和再生塔的塔板数是一定的。因此本论文选择这几个分析目标是在满足净化要求的条件下,在实际生产能够在节能降耗得到一定的指导。

通过对流程分析,装置中可调整优化的设计变量有:胺液循环量、胺液配比、原料气入塔温度、原料气入塔压力、回流比、节流阀出口压力。其表2列出了对脱酸单元能耗有影响的变量。

表2 可调变量表

为明确流程中工艺参数对装置能耗的影响,进而找到优化变量,现对可调变量对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响进行分析。

1.1 胺液配比对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响

在生产工艺中确定混合胺液的MDEA和DEA配比时,需要考虑装置的腐蚀程度装置的腐蚀程度,DEA腐蚀性比MDEA强。因此本文根据经验[1]取得以下五种胺液配比来分析对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响,从中确定一组较优的配比,如表3所示。

表3 胺液DEA与MDEA的配比

在满足净化要求的条件下,根据以上胺液配比作出对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响的变化关系图如图2所示。

图2 不同胺液配比对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的变化曲线图

由图2可以看出,泵、冷凝器和冷却器的能耗随着DEA量的减少,MDEA量的增加变化趋势不大,趋于直线。而再沸器的能耗则是在DEA量从25%到21%是直线下降的趋势,从1024577073 kJ/h降低到59086801.6 kJ/h,减少了965490271.4 kJ/h,折合成功耗为2.703×105kW。从21%到17%有小幅度降低,从59086801.6 kJ/h降低到28168600.7 kJ/h,减少了30918200.9 kJ/h,折合成功耗为8657 kW;从17%以下基本上为直线。因此根据经验,DEA的含量一般控制在10%~13%,因此可取DEA质量分数为13%,MDEA质量分数为40%的混合胺液作为吸收剂。以下因素分析是基于该配比进行。

1.2 贫胺液循环量对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响

在满足净化要求的条件下,设定贫液循环量的初值为2000 kmol/h,以100 kmol/h为步长,在2000~3800 kmol/h范围内变化,研究贫液循环量对再沸器、泵、冷凝器、冷却器的能耗进行分析,其变化的趋势见图3。

图3 贫胺液循环量对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的变化曲线图

由图3可以看出,泵和塔顶冷凝器的能耗随着循环量的增加变化不大。而再沸器和贫液冷却器的能耗有明显的变化趋势。当贫液循环量由2000 kmol/h变化到3800 kmol/h时,其他设备的能耗变化如表4所示。

表4 贫胺液循环量对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响变化值

可见在研究的范围内,相较于对泵和塔顶冷凝器能耗的影响,循环量对再沸器和贫液冷却器的能耗影响非常大。

1.3 原料气入塔温度对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响

在满足净化要求的条件下,设定原料气入塔温度的初值为25 ℃,以1 ℃为步长,在25~40 ℃范围内变化,研究原料气入塔温度对再沸器、泵、冷凝器、冷却器的能耗进行分析,其变化的趋势见图4。

图4 原料气入塔温度对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响

由图4可以看出,泵、塔顶冷凝器以及再沸器的能耗随着原料气入塔温度的增加变化不大,循环冷却器的能耗仅有一定的变化。具体变化情况如表5所示,在研究的范围内,原料气入塔温度对泵、塔顶冷凝器以及再沸器的能耗影响很小,可以忽略。对循环冷却器的能耗的影响也不大,仅为895.90 kW。

表5 原料气入塔温度对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响变化值

1.4 原料气入塔压力对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响

在满足净化要求的条件下,设定原料气入塔温度的初值为5500 kPa,以50 kPa为步长,在5500~6000 kPa范围内变化,研究原料气入塔压力对再沸器、泵、冷凝器、冷却器的能耗进行分析,其变化的趋势见图5。

图5 原料气入塔压力对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响

由图5可以看出,泵、塔顶冷凝器、再沸器以及循环冷却器的能耗随着原料气入塔温度的增加变化不大,从以表6实际数据可知,在研究的范围内,原料气入塔压力对泵、塔顶冷凝器、再沸器以及冷却器的能耗影响很小,可以忽略。

表6 原料气入塔压力对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响变化值

1.5 再生塔回流比对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响

在满足净化要求的条件下,设定再生塔回流比的初值为0.3,以0.1为步长,在0.3~0.8范围内变化,研究再生塔回流比对再沸器、泵、冷凝器、冷却器的能耗进行分析,其变化的趋势见图6。

图6 再生塔回流比对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响

由图6可以看出,泵、塔顶冷凝器以及再沸器的能耗随着再生塔回流比的增加变化不大,循环冷却器的能耗仅有一定的变化。具体变化情况如表7所示,在研究的范围内,再生塔回流比对泵、塔顶冷凝器以及再沸器的能耗影响很小,可以忽略。而对循环冷却器的能耗的影响也不大,仅为895.90 kW。

表7 再生塔回流比对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响变化值

1.6 节流阀出口压力对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响

在满足净化要求的条件下,设定节流阀出口压力的初值为200 kPa,在200~300 kPa变化范围,以10 kPa为步长;在300~600 kPa变化范围,以50 kPa为步长,研究节流阀出口压力对再沸器、泵、冷凝器、冷却器的能耗进行分析,其变化的趋势见图7。

图7 节流阀出口压力对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响

在分析节流阀出口压力对能耗分析过程中,发现以300 kPa为节点,300 kPa以上的出口压力,尤其是600 kPa以上对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响差别不大,特别是对冷凝器和泵的影响的变化趋势几乎为直线。因此本文下限取值为600 kPa。而在300 kPa以下的节流阀出口压力对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响较为显著,随着出口压力的增加,再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗逐渐增加,表现突出的是对再沸器和冷却器能耗的影响。如由图7所示,具体变化情况如表8所示,在研究的范围内,节流阀出口压力对再沸器和冷却器的能耗影响较大,分别为1264.71 kW和1249.61 kW。对塔顶冷凝器以及泵的能耗影响很小,可以忽略。

表8 节流阀出口压力对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响变化值

2 结 语

(1)对于混合胺溶液来说,不同的胺液配比的醇胺液作为吸收剂时,对再生塔的功耗影响很大,势必要控制DEA的含量在10%~13%(质量分数)。

(2)在确定的胺液配比的条件下,通过对贫液循环量、原料气入塔温度、原料气入塔压力、节流阀出口压力以及回流比对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响进行分析,得出贫液循环量是对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响最大的因素,因此在要实际操作中,一定要控制贫液循环量。其次是节流阀出口压力和再生塔回流比。

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