中壓深冷裝置二氧化碳凍堵防控研究

趙宏巖(中國石化中原油田分公司天然氣處理廠，河南 濮陽 457162)

天然氣深冷低溫分離工藝中，二氧化碳含量、工藝控制點的溫度和壓力是脫甲烷塔凍堵的直接影響因素。中原油田天然氣處理廠為中原地區液化氣和天然氣深加工原材料的主要生產基地，是整個油田生產鏈條上的樞紐。因此防控NGL單元脫甲烷塔凍堵，避免工藝及設備狀態波動，具不可忽略的意義。

1 NGL回收單元工藝流程

工廠原料氣經壓縮脫水后，進入NGL回收單元，熱交換后，液相通過焦耳-湯姆遜閥節流后進入脫甲烷塔頂部作回流，氣相經膨脹機降溫后作為脫甲烷塔的進料，塔頂產品甲烷換熱后外輸，C2+產品由NGL泵送入分餾單元。整個過程中，冷量提供單位有輔助制冷的丙烷介質、通過等熵膨脹使氣相降溫的膨脹機和起節流作用的焦耳-湯姆遜閥。

脫甲烷塔是帶有中間側沸器的復雜精餾塔，低溫下運行，塔頂和塔底溫度差100℃以上(塔頂-95±5℃和塔底0℃)，濃度差(塔頂含甲烷95%-99%，塔底含甲烷1%-1.25%)。是整體裝置工藝中處理單元和分餾單元的銜接，原料氣混合物料分割前的能量交換場所。

2 研究背景

2.1 凍堵現象

脫甲烷塔的塔頂操作壓力1.25MPa，塔頂溫度低至-99℃,設計乙烷收率為85%。在CO2含量較高的情況下，塔頂溫度沒有達到-99℃塔頂就會出現凍堵。初中期凍堵發生時，

圖1 形成固體CO2的近是條件

為了解凍，不得不相應提高脫甲烷塔塔頂溫度，降低了乙烷的收率。嚴重到一定程度時，需要停下膨脹增壓機等機組進行解凍，原料氣大量放空，不僅影響了生產裝置的連續平穩運行，也造成很大的經濟損失、資源耗費。

隨著油田原油開采而廣泛采用的CO2氣驅采油技術造成原料來氣中CO2含量的無規律升高，實踐中最高已達到3%(moL%)以上，遠遠超過設計值0.12515-0.34031%(moL%)。

2.2 理論分析

2.2.1 理論上說，常壓下，純CO2在-56.6℃時就會凝結成固體。

由圖1[1]中可知，在脫甲烷塔的操作壓力(1.3MPa)下，不同CO2含量下形成CO2固體的溫度。溫度最低點是最容易產生CO2凍堵的地方，如脫甲烷塔頂部、節流閥出口等處。

在脫甲烷塔的操作條件(1.3MPa，-99℃)下，原料氣中CO2含量超過1.8%便會凍堵。

2.2.2 理論計算

低溫下,物質可靠的三相平衡數據是非常少的,故運用理論模型進行固體溶解度的計算。當混合物某組分處于三相平衡時,有如下關系:

氣相與固相間的相平衡。常見的有固體溶解于高壓下的稠密氣體時出現的氣固平衡。由相平衡準則可導得固體在氣相中的溶解度Y為:

式中:

p--總壓力/Pa；--固體的飽和蒸氣壓/Pa；

?s--固體組分在壓力為p的氣體混合物中的逸度系數；

--壓力為的飽和蒸氣中的逸度系數；

Vm--固體二氧化碳的摩爾體積/L·moL-1；

R--氣體常數，8.314；T--流體溫度/K。

理想氣體狀態方程即克拉珀龍方程,各組分氣體的含量和摩爾質量如表1所示:

表1 組分氣體的含量和摩爾質量

在塔頂溫度為-93℃時，脫甲烷塔頂壓力在1.25MPa到1.38MPa范圍內變化時，飽和溶解度和摩爾濃度隨之變化，說明在塔頂溫度維持一定的時候，CO2在液化天然氣中的含量是隨著塔頂壓力的升高而降低的，因此在發生凍堵時，為了緩解凍堵需要降低塔頂壓力。

在塔頂壓力為1.25MPa時，甲烷塔頂溫度在-110℃到-90℃范圍內變化時，飽和溶解度和摩爾濃度隨之變化，說明在一定壓力下，CO2固體的在液化天然氣中的溶解度是隨著溫度的升高而上升的，因此為了緩解凍堵，可以采取提高甲烷塔頂部溫度的方法。

3 結果與討論

3.1 合理利用制冷量

控制輔助制冷系統，改變丙烷制冷單元淺冷蒸發器出口壓力設置(降低壓力)，靠壓差制冷，保持在-11℃左右；同時適當減小深冷蒸發器液位，保持在-26℃左右，不同層級的制冷提供最終使原料氣離開冷箱的溫度達到-30℃左右；

3.2 維系工藝壓力

鑒于脫甲烷塔在二氧化碳含量高時，壓力高容易出現凍堵，脫甲烷塔頂壓力維系在1.25MPa之左右較好控制。同時甲烷塔頂壓力太高會影響固體二氧化碳的溶解度，容易形成凍堵，也提高了膨脹機的出口溫度，不利于脫甲烷塔頂溫度的調控。

3.3 減小膨脹比

適當增大膨脹機入口噴嘴開度，從21%左右提高到25%左右，減小膨脹比。

膨脹機經驗公式[2]:

T2—膨脹機出口溫度/K；T1—膨脹機入口溫度/K；P2—膨脹機出口壓力/Pa；P1—膨脹機入口壓力/Pa；k—絕熱指數。

如果膨脹機的出口溫度T2太低，不利于緩解脫甲烷塔凍堵。將脫甲烷塔頂壓力(入口壓力P2)由3.2MPa降低至3.0MPa。以此來提高膨脹機入口溫度T1，從而提高膨脹機出口溫度T2。

3.4 減少節流效應

增大低溫分離器2-V1底部節流閥焦耳-湯姆遜閥開度，減小閥后溫降，進而提高脫甲烷塔頂回流溫度，減小在塔盤上析出CO2的機會。

式中:△TH--溫度降/K；C--氣體的特性常數；△P--節流閥前后壓差/Pa；T1--節流前絕對溫度/K。

節流膨脹所獲得的溫度降與壓力降成正比，與節流前溫度T1成反比，因此采取減小壓力降和提高節流前溫度的方法來減小溫度降。在采用輔助制冷量控制，提高節流前絕對溫度T1的同時，開大節流閥減小△P值，這樣△TH值也相應減小，提高了節流后溫度。

[1]王遇冬.天然氣處理與加工工藝.1999年4月第一版，第36頁.

[2]王遇冬.天然氣處理與加工工藝.1999年4月第一版，第125頁.