旋流管塔盤在三甘醇吸收塔中的應用

扈海莉 蔣 洪

西南石油大學石油工程學院，四川 成都 610500

0 前言

隨著油氣田開發的進行以及市場需求的變化，天然氣的產量也在逐步提升，三甘醇脫水系統的處理能力已經不能滿足生產的要求。對于天然氣處理量大的三甘醇脫水裝置，若采用泡罩塔設計，新塔的尺寸過大，塔投資高。天然氣的處理量大，還會增加烴的夾帶量，增大三甘醇的損失量，引起三甘醇發泡，影響三甘醇吸收塔的最大處理能力。對于已建的三甘醇吸收塔如何改造以提高天然氣的處理量、對于新設計的三甘醇吸收塔如何降低塔的投資、有效地減少烴夾帶和三甘醇發泡，是大處理量三甘醇脫水系統亟需解決的問題。

1 典型三甘醇脫水裝置簡述

典型的三甘醇脫水工藝流程見圖1［1-3］。濕天然氣進入原料氣過濾分離器（D-101），除去游離液體和固體雜質后進入吸收塔（T-101）的底部，在吸收塔內與從塔頂注入的貧三甘醇溶液逆向接觸，脫除天然氣中的水。從吸收塔頂出來的天然氣經干氣/貧甘醇換熱器（E-101）后進入干氣輸送管線。貧三甘醇從甘醇吸收塔底部排出，經過降壓后進入再生塔（C-102）頂部進行預熱，經貧富液換熱器（E-104）換熱后，經閃蒸罐（D-102）、過濾器（F-101、F-102）、貧富液換熱器（E-103），進入再生塔、三甘醇緩沖罐（D-103）、甘醇循環泵（P-101）完成三甘醇的再生，實現三甘醇貧液的循環利用。

從圖1可以看出，三甘醇脫水工藝主要由進口分離、氣體-甘醇吸收脫水、閃蒸分離及過濾、三甘醇富液再生、貧富液換熱、貧液泵循環等工藝部分組成。其中三甘醇吸收塔是三甘醇脫水裝置的核心設備，直接關系到脫水效果的好壞，進口分離器脫除進料氣中的雜質（烴、固體雜質等），其脫除效果的好壞直接關系到天然氣的純度，從而影響三甘醇吸收塔的脫水效果。在典型的流程中，三甘醇吸收塔一般采用泡罩塔盤，進口分離器一般采用過濾式分離器。泡罩塔盤在現場已經應用了幾十年，主要適用于低液負荷的場合，但由于處理量的限制，近些年來三甘醇吸收塔開始越來越多地采用填料塔，提高了天然氣處理量［4］，但填料裝卸比較麻煩，給操作帶來不便。天然氣的處理量大，也增加了隨天然氣進入系統的烴、固體顆粒等雜質的含量，為了在天然氣脫水前去除這些雜質，需要更高效的分離器。采用旋流管技術的新型高效塔盤和高效分離器，可以解決這些問題。

2 高效旋流管分離技術

高效旋流管塔盤和旋流管分離器都采用了旋流管分離技術，大大提高了氣液分離的效率。旋流管實質上是不銹鋼管，在進口處有渦旋式噴嘴，在管壁處有縱向切口。在旋轉氣體流產生的離心力作用下，液滴和管壁發生碰撞，從而分離出液體。經狹縫將液膜排放到管壁外的液體收集艙中，防止再次夾帶該液體。旋流管分離原理簡圖見圖2。

旋流管技術既可以用于氣液分離，也可以用于氣液接觸。當用于氣液接觸時，氣相的進料口和液相的出料口在塔的下部，氣相的出料口和液相的出料口在塔的上部。當用于分離時，除氣、液相進出料口外，在塔的中部還有進料口。

圖2 旋流管分離原理簡圖

旋流管塔盤是一種較為新型的塔盤，已經在國外投入使用。旋流管塔盤將接觸相和分離相結合起來。用于氣液接觸的旋流管塔盤使用了大量軸向間隔開的接觸塔盤，每一塊接觸塔盤都配有天然氣通道，在其下部還有降液管的開口。此外，每一個吸收塔盤的上部都會安裝一個分離塔盤。每一塊分離塔盤都裝有旋流管，并且配有分離塔盤液體的通道。旋流管塔盤內部結構見圖 3［5］。

圖3 旋流管塔盤內部結構簡圖

當旋流管技術用于三甘醇吸收塔時，濕天然氣從塔底進入，貧三甘醇從塔頂進入。天然氣與貧三甘醇在吸收塔盤內進行接觸，旋流管起到了將天然氣中夾帶的三甘醇分離出來的作用，減少了三甘醇的夾帶。裝有旋流管塔盤的三甘醇吸收塔見圖4。

由多個旋流管組成的結構稱為旋流板。旋流板常常作為高效分離器的一部分，與絲網除霧器和分布器組合使用，可顯著減少進入吸收塔的烴類、固體雜質以及烴類的二次夾帶。旋流板的結構簡圖見圖5。

圖4 裝有旋流管塔盤的三甘醇吸收塔結構簡圖

圖5 旋流板的結構簡圖

3 旋流管技術的適應性

3.1 旋流管塔盤

三甘醇脫水裝置在低液體負荷的情況下，整裝填料由于具有比表面積大、傳質效率高的優勢，其氣體處理能力比泡罩塔盤高150%～190%。旋流管塔盤采用分離和接觸相結合的技術，其氣體處理能力是整裝填料的160%。在國外公司對三甘醇脫水裝置的改造實例中，采用高效填料塔和旋流管分離技術的三甘醇吸收塔，其處理量是采用泡罩塔盤的300%。采用旋流塔盤的吸收塔，其處理量可達到采用泡罩塔盤處理量的400%。分別采用填料和旋流管作為塔盤的三甘醇吸收塔見圖6。

隨著市場需求和產量的提高，有些三甘醇處理裝置已經不能滿足天然氣的脫水要求。為提升氣體的處理能力，一種經濟有效的方式就是利用現有的塔設備進行改造。由于旋流管塔盤在相同塔盤直徑下處理能力大，當對大處理量的甘醇吸收塔進行改建時，旋流管塔盤是很有吸引力的。根據國外的改造實例以及殼牌DEP標準，利用已有的三甘醇吸收塔，使用高效填料和旋流管塔盤進行改造。三甘醇吸收塔的尺寸，運行條件以及改造前后的天然氣處理能力的詳細參數見表1。

圖6 采用填料和旋流管的三甘醇吸收塔

表1 三甘醇吸收塔的尺寸、運行條件以及改造前后的處理量

由表1可以看出，當利用已建的甘醇吸收塔進行改造時，采用整裝填料的處理量高于泡罩塔，而采用旋流管塔盤的處理量最大。具體采用的塔盤類型，應該根據改造后的生產要求以及投資大小確定。當天然氣的處理量較大時，其甘醇損失量也不容忽視。

3.2 旋流管高效分離器

在三甘醇脫水系統中，為防止烴類以及固體雜質進入吸收塔，通常在三甘醇吸收塔前設置入口分離器，在吸收塔內設置除霧器。但天然氣處理量大時，原有的分離裝置往往不能滿足分離要求，會夾帶大量的烴類進入吸收塔中，烴類物質在甘醇再生塔中被汽化，限制了整個裝置的處理量。夾帶進入三甘醇吸收塔的烴類等雜質還會引起三甘醇的發泡，影響三甘醇的脫水效果。

三甘醇吸收塔一般需要在頂部和底部安裝除沫裝置，以減少三甘醇的夾帶損失和液烴的夾帶。當處理量較小時，可以采用絲網除霧器，當處理量較大時，絲網除霧器的處理能力不夠，需要采用高效除沫裝置。經工業實踐驗證，采用旋流管技術的高效分離裝置，能夠滿足大處理量天然氣的分離要求。國外公司在Shearwater脫水裝置中，將旋流管分離技術和高效除霧器結合，取代了原來的葉輪分離器，天然氣的處理量從 8.9×107m3/d 增加到 1.18×108m3/d［6］。

在實際工程應用中，旋流管分離裝置和旋流管塔盤常常搭配使用，既提高了天然氣的處理量，又有效地減少了烴夾帶和三甘醇的損失。

4 改造實例

對于三甘醇吸收塔而言，根據殼牌的標準若采用泡罩塔盤，塔盤的間距一般取600mm。若采用旋流管塔盤，塔盤的間距一般取500mm，也可視情況進行調整。本文引用國外公司工程應用的實例來分析大處理量三甘醇脫水裝置的吸收塔采用旋流管塔盤的優點。

實例：三甘醇脫水裝置天然氣的設計處理量為1 000×104m3/d，操作條件為 30 ℃，壓力為 6MPa，使用的TEG質量濃度為99.0%，循環量為7 500 kg/h。對此脫水裝置的三甘醇吸收塔分別采用泡罩塔盤、新型的高效填料和旋流管塔盤進行設計，三種設計具體的參數見表2。

表2 三甘醇吸收塔分別采用泡罩塔盤、高效整裝填料以及旋流管塔盤的設計參數

由實例可以看出，對于大處理量的天然氣脫水裝置，采用旋流管塔盤與泡罩塔盤、高效填料相比，三甘醇吸收塔的直徑有了明顯降低，塔體的壁厚明顯減少，降低了塔的總重量，節省了塔體用鋼量，降低了吸收塔的投資。由于旋流管塔盤的投資費用相對較高，最終采用哪種改造應該根據投資費用進行綜合考慮。從應用經驗來看，對于處理量在5×106m3/d及以上的場合來說，應用旋流管塔盤可降低塔殼費用，節省成本。如果海上脫水裝置使用旋流管塔盤，由于節省了空間，還會進一步減少花費。

5 結論

a）旋流管塔盤應用于三甘醇吸收塔上，其處理量是整裝填料的160%，可達到泡罩塔盤的400%。

b）旋流管塔盤和旋流管分離器結合使用可以在提高天然氣處理量的同時，降低三甘醇的損失和烴類的夾帶。

c）對于處理量大于5×106m3/d的天然氣脫水裝置，甘醇吸收塔采用旋流管塔盤比較經濟。

d）若對現有的三甘醇吸收塔進行改造，采用旋流管塔盤的天然氣處理能力最大；對于新建的設備，若采用旋流管塔盤，吸收塔尺寸最小。在實際中，需要根據投資等綜合因素確定三甘醇吸收塔塔盤的選用方案。

［1］諸 林.天然氣加工工程［M］.北京：石油工業出版社，2008.146-147.Zhu Lin.Natural Gas Processing Engineering ［M］.Beijing：Petroleum Industry Press，2008.146-147.

［2］蔣 洪，唐廷明，朱 聰.五寶場氣田三甘醇脫水裝置優化分析［J］.天然氣工業，2009，29 （10）：102-103.Jiang Hong，Tang Tingm ing，Zhu Cong.An Optimization Analysison the Triethylene Glycol（TEG）Dehydration Unit in Wubaochang Gasfield［J］.Natural Gas Industry，2009，29 （10）：102-103.

［3］王 澎，毛 翔.天然氣凈化裝置用主要設備［J］.天然氣與石油，2006，24 （2）：55-58.Wang Peng，Mao Xiang.Main Equipment for Natural Gas Purification Units［J］.NaturalGasand Oil，2006，24 （2）：55-58.

［4］真 全.提高甘醇脫水裝置效率［J］.天然氣與石油，1994，12（3）：63-64.Zhen Quan.Improve Glycol Dehydration Unit Efficiency.Natural Gasand Oil，1994，12 （3）：63-64.

［5］Gerrit K.Column For Counter-Currenty Contacting Gas Liquid［P］.US：5885488，1999-03-23.

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