凈化吸收塔差壓與處理氣量選擇的探究

蔡之興，楊勇，溫欣，胡橋，蔣燕，牛萬毅

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠，陜西靖邊718500）

凈化吸收塔差壓與處理氣量選擇的探究

蔡之興，楊勇，溫欣，胡橋，蔣燕，牛萬毅

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠，陜西靖邊718500）

為了脫除天然氣中二氧化碳、硫化氫，凈化廠通常采用MDEA的水溶液與天然氣在吸收塔中逆流接觸。檢修結(jié)束投入使用的吸收塔氣液接觸良好，塔體差壓較低，幾乎不會(huì)發(fā)生攔液狀況。但是隨著裝置的運(yùn)行，在未改變工況的情況下吸收塔的差壓會(huì)逐漸上升，攔液次數(shù)也逐漸增多。本文通過對(duì)吸收塔塔板受雜質(zhì)堵塞的不同狀況對(duì)塔盤壓降進(jìn)行計(jì)算，分析了造成差壓升高的原因，并提出了塔體差壓與異常差壓下吸收塔最優(yōu)處理氣量計(jì)算方法。通過天然氣處理氣量的優(yōu)選，從而減少吸收塔攔液次數(shù)的發(fā)生，確保天然氣脫硫脫碳的質(zhì)量。

差壓；塔盤降；處理氣量

1　吸收塔力學(xué)性能計(jì)算

為了脫除天然氣中二氧化碳、硫化氫，凈化廠通常采用MDEA的水溶液與天然氣在吸收塔中逆相接觸。檢修結(jié)束投入使用的吸收塔氣液接觸良好，塔體差壓較低，幾乎不會(huì)發(fā)生攔液狀況。但是隨著裝置的運(yùn)行，在未改變工況的情況下吸收塔的差壓會(huì)逐漸上升，攔液次數(shù)也逐漸增多。本文以采氣一廠第二凈化廠Ⅱ#凈化裝置脫硫塔為基礎(chǔ)進(jìn)行模型的建立。

1.1正常運(yùn)行下的吸收塔差壓計(jì)算

對(duì)于滿負(fù)荷工況條件下的吸收塔（C-1101）進(jìn)行塔盤壓降計(jì)算，該吸收塔共設(shè)有18層CJST高效塔盤，相關(guān)物性參數(shù)（見表1）。

1.1.1天然氣密度計(jì)算原料氣進(jìn)氣壓力P為5.00 MPa，及原料氣進(jìn)氣組成CH4和CO2體積分?jǐn)?shù)（分別為93.810%和5.321%）計(jì)算原料氣的平均摩爾質(zhì)量為M=17.351。T取氣體進(jìn)塔平均溫度10℃。應(yīng)用式PM= ρRT計(jì)算氣體密度。

1.1.2MDEA配方溶液密度計(jì)算第二凈化廠MDEA配方溶液濃度控制在40%左右。中國(guó)石油西南油氣田分公司天然氣研究院依據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)回歸的計(jì)算公式為：

1.1.3氣體孔速計(jì)算裝置滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，處理氣量為375×104m3/d（標(biāo)況），換算為5.0 MPa工作狀況下的氣量為7.630 7×104m3/d（0.883 1 m3/s）。

CJST塔盤罩帽孔徑為d=10 mm，開孔面為2個(gè)，面開孔數(shù)為13，單罩總開孔數(shù)為156個(gè)，每層塔盤罩帽為36個(gè)。

開孔面積A0為：

1.1.4塔盤壓降計(jì)算干板壓降：

溢流堰高：hw=0.025 m

堰上液流高度：

表1　MDEA吸收塔的相關(guān)物性參數(shù)

式中：E為液流收縮系數(shù)，E=1.035；LS為液相體積流量，m3/s；lw為溢流堰長(zhǎng)度，m。氣體通過上層清液阻力：

濕板壓降：hp=hd+0.8hL

綜上：脫硫塔的總壓降（見表2）。

表2　脫硫塔壓降表

2014.7.1起Ⅱ#凈化裝置脫硫塔運(yùn)行之后，在平均處理氣量370×104m3/d，脫硫溶液75 kg/h，從14層進(jìn)液的狀況下，平均差壓在10.81 kPa。與計(jì)算塔盤壓降值相吻合。

1.2CJST塔盤上限氣速計(jì)算

1.2.1CJST塔盤性能負(fù)荷圖

1.2.1.1霧沫夾帶線CJST塔盤的霧沫夾帶線按泛點(diǎn)率80%計(jì)算，整理后方程：

1.2.1.2液泛線經(jīng)計(jì)算液泛線如下：

1.2.1.3液相負(fù)荷上限線取Q=5 s作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限，則有：

1.2.1.5液相負(fù)荷下限線取堰上液層高度為how= 0.006 m作為液相負(fù)荷的下限條件：

計(jì)算出LS的下限值：

根據(jù)霧沫夾帶線、液泛線、液相負(fù)荷上、下限線、漏液線，繪制CJST塔盤性能負(fù)荷圖，并標(biāo)出操作點(diǎn)、畫操作線，得出氣、液操作范圍（見圖1）。

圖1　CJST-塔盤性能負(fù)荷圖

氣液操作范圍：（1）脫硫塔改造后的最小液相負(fù)荷為5 m3/h；（2）最大液相負(fù)荷為147 m3/h；（3）脫硫塔最小氣相負(fù)荷為152×104m3/d；（4）受霧沫夾帶影響，脫硫塔最大氣相負(fù)荷為479×104m3/d。

1.2.2CJST塔盤的上限氣速根據(jù)霧沫夾帶的影響，脫硫塔最大氣量負(fù)荷為479×104m3/d。則在天然氣壓力5.0 MPa、原料氣溫度20℃工況條件下，脫硫塔氣象負(fù)荷為10.210 7×104m3/d，上限氣速計(jì)算為：

由上式計(jì)算結(jié)果可得，在塔盤氣速達(dá)到2.681 m/s以上時(shí)，由于過快的氣速，而導(dǎo)致嚴(yán)重霧沫夾帶的發(fā)生，進(jìn)而引發(fā)液泛的發(fā)生。

2　吸收塔異常差壓分析與處理氣量上限值的計(jì)算

經(jīng)過計(jì)算：在處理氣量為300×104m3/d、原料氣壓力為5.0 MPa、循環(huán)量為75 m3/h的工況下，脫硫塔的差壓值在9.44 kPa。查找歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)得到2014年10月21日，Ⅱ#凈化裝置區(qū)在處理氣量為304×104m3/d、原料氣壓力為5.03 MPa、循環(huán)量為77 m3/h的工況下，脫硫塔差壓為8.49 kPa。理論計(jì)算值與實(shí)際生產(chǎn)值相差很小。

但是，Ⅱ#凈化裝置區(qū)2014年4月在處理氣量為300×104m3/d的工況下，脫硫塔差壓卻恒定在20 kPa上下穩(wěn)幅波動(dòng)，與新投運(yùn)的裝置差壓或理論差壓嚴(yán)重不符，達(dá)到了正常生產(chǎn)差壓的2倍。2014年5月31日對(duì)Ⅱ#凈化裝置區(qū)停車檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)吸收塔1～9層塔盤及帽罩被黑色污泥覆蓋，1～5層帽罩氣孔堵塞嚴(yán)重，由于污泥堵塞塔盤與氣孔，縮小了氣體通過的孔徑，從而增大了流速。根據(jù)不同塔板的堵塞狀況對(duì)天然氣的氣速，塔板差壓進(jìn)行了校核。

表3　計(jì)算參數(shù)表

表4　塔板差壓計(jì)算表

圖2　塔板氣速分布圖

2.1塔板壓降、氣速計(jì)算

處理氣量為300×104m3/d、原料氣壓力為5.0 MPa、循環(huán)量為75 m3/h的，同時(shí)對(duì)實(shí)際CJST塔盤孔徑根據(jù)污泥覆蓋的多少引入系數(shù)α（α∈［0，1］）。孔徑：d0=10 mm，實(shí)際孔徑dn=αnd0，塔盤孔數(shù)N=5 616。

氣體體積流量VS=6.395×104m3/d（0.740 1 m3/s）

2.2塔板氣速分析

塔板氣速分布統(tǒng)計(jì)（見圖2）。由圖2可以看出，第1層至第9層塔板氣速都超過霧沫夾帶的上限氣速2.68 m/s。尤其是在5層以下，氣速已經(jīng)達(dá)到了4 m/s以上。對(duì)裝置帶來嚴(yán)重的霧沫夾帶，進(jìn)而引發(fā)液泛。同時(shí)，由于溶液的嚴(yán)重發(fā)泡，而兩者共同作用使得攔液頻繁發(fā)生。

2.3塔板壓降分析

全塔理論壓降=18層塔板計(jì)算壓降之和=0.689+ 0.689+0.689+0.708+0.731+0.758+0.876+0.898+0.935+ 1.009+1.104+1.229+1.398+1.635+1.635+1.979+1.979+ 1.979=20.92 kPa。

經(jīng)過計(jì)算，全塔理論壓降為20.92 kPa，與實(shí)際工況下的19 kPa～23 kPa基本吻合，由表5可以看出，2014年4月至5月脫硫塔第一層塔板的壓降最高1.979 kPa，逐層減少，至18層最低0.689 kPa。

2.4異常差壓下處理氣量?jī)?yōu)選方法的提出

表5　塔板壓降所占總塔體壓降的百分?jǐn)?shù)表

塔板堵塞狀況隨著塔板層數(shù)的增加逐漸減輕，因而塔板的壓降也隨著減小。以表4的計(jì)算值得到每層塔板壓降所占總塔體壓降的百分?jǐn)?shù)表5。

處理氣量上限值的計(jì)算方法：（1）以表5的壓降比例反推差壓異常狀態(tài)下的單板壓降；（2）根據(jù)每層單板的壓降計(jì)算單板有效流通面積；（3）根據(jù)單板有效流通面積與氣量計(jì)算單板孔速；（4）對(duì)氣速大于嚴(yán)重霧沫夾帶上限氣速的塔盤的有效面積求平均值；（5）用有效面積的平均值與臨界嚴(yán)重霧沫夾帶上限氣速2.68 m/s計(jì)算處理氣量上限。

3　吸收塔處理氣量的上限值的驗(yàn)證

由表4得：第1層～第9層塔盤氣速都超過了臨界嚴(yán)重霧沫夾帶上限氣速2.68 m/s。因此對(duì)1～9層塔盤有效通道面積求平均值：

面積=（0.286+0.264+0.242+0.221+0.198+0.176+0.176+ 0.154+0.154+0.154）/9=0.202 m2

按上限氣速計(jì)算在平均截面的天然氣流量上限：

0.202×2.68×3 600×24=4.677 3×104m3/d

標(biāo)況下天然氣流量上限為219.42×104m3/d。Ⅱ#凈化裝置吸收塔2013.4.25檢修完成投入使后，用日處理氣量在350×104m3，差壓穩(wěn)定在10 kPa。隨著裝置的逐步運(yùn)行，脫硫塔的差壓雖然有波動(dòng)，但在2014年1月之前脫硫塔差壓都在15 kPa以下，裝置運(yùn)行平穩(wěn)很少出現(xiàn)攔液情況。2014年2月，Ⅱ#凈化裝置的天然氣處理氣量下降至300×104m3，但脫硫塔差壓卻依然穩(wěn)步上升，逐漸增長(zhǎng)至24 kPa，日平均攔液3次。此時(shí)表明吸收塔差壓有了很明顯的偏差，說明塔盤的有效流通面積減少，塔板氣速增大，從而導(dǎo)致了塔板壓降的升高。從2月至4月日處理氣量都在300×104m3，循環(huán)量在75 m3/h，吸收塔差壓穩(wěn)步在22 kPa～24 kPa，日攔液4次。

通過吸收塔處理氣量?jī)?yōu)化方法計(jì)算得到在該工況下的天然氣流量上限為219.42×104m3/d。2014年5月，當(dāng)Ⅱ#凈化裝置吸收塔氣量下降至207×104m3/d時(shí)，吸收塔的差壓降低至15.6 kPa，同時(shí)，吸收塔攔液次數(shù)也減少至1次/天。可得出，將氣量控制在計(jì)算所得上限氣量值以下時(shí)，可以極大的降低吸收塔的壓降，同時(shí)減少攔液的頻次。

4　總結(jié)

本文通過分析天然氣凈化吸收塔在塔體差壓異常的原因，提出吸收塔在差壓異常狀態(tài)下的處理氣量上限計(jì)算方法，并通過實(shí)際生產(chǎn)的氣量調(diào)配驗(yàn)證了該計(jì)算方法的可靠性。

4.1正常生產(chǎn)時(shí)的吸收塔壓降計(jì)算：

（2）根據(jù)塔板層數(shù)與濕板壓降計(jì)算塔體理論壓降。

4.2吸收塔差壓異常的判斷與處理氣量上限值的計(jì)算方法

（1）將實(shí)際吸收塔差壓值與理論計(jì)算值進(jìn)行比對(duì)。

（2）當(dāng)實(shí)際值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論值時(shí)，以表5的壓降比例反推差壓異常狀態(tài)下的每層單板壓降。

（3）根據(jù)每層單板的壓降計(jì)算單板有效流通面積。

（4）根據(jù)單板有效流通面積與氣量計(jì)算單板孔速。

（5）對(duì)氣速大于嚴(yán)重霧沫夾帶上限氣速的塔盤的有效面積求平均值。

（6）用有效面積的平均值與臨界嚴(yán)重霧沫夾帶上限氣速計(jì)算處理氣量上限。

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.07.029

TE962

A

1673-5285（2015）07-0121-05

2015－05-12