分餾塔超負荷運行時的危害及控制措施

劉海波

中國石化西北油田分公司雅克拉采氣廠, 新疆 庫車 842017

0 前言

雅克拉集氣處理站(簡稱雅站)位于新疆庫車縣境內,于2005年11月29日建成投運,設計日處理天然氣260×104m3,是集油氣計量、天然氣脫水及脫汞、制冷回收輕烴、凝析油穩定、西氣東輸為一體的大型綜合型處理裝置[1-3]。雅站凝液分餾單元的液化氣塔為分餾塔,塔板結構為浮閥塔板,其設計作用是從脫乙烷塔來料中分離出合格的液化氣及輕烴產品。2016年雅站新建塔河四號聯合站(簡稱塔四聯)混烴進站處理工程,增加了分餾塔的負荷,造成分餾塔運行工況出現波動,塔內產品質量不達標。針對分餾塔超負荷運行的情況,通過對根本原因的分析,并分析塔負荷性能對塔設備的影響,提出合理的控制措施,保障了分餾塔穩定運行,產品質量合格。

1 雅站凝液分餾單元概況

雅站液化氣塔設計操作壓力為1.55 MPa、底溫185 ℃、頂溫55 ℃?，F階段控制的參數為壓力1.30 MPa、底溫151 ℃、中部溫度85 ℃、頂溫61 ℃。2016年3月,為解決塔四聯混烴由槽車運輸存在的安全管理難的問題,并綜合利用油氣資源,將混烴進行分餾處理,生產高附加值的液化氣和穩定輕烴產品,提高油田經濟效益,新建了塔四聯混烴進雅站液化氣塔流程:塔四聯的混烴(日產量50 t/d)經外輸泵增壓后通過外輸管線輸送至雅站,在混烴緩沖罐(設計容積49.22 m3)中緩沖后經混烴提升泵增壓,與脫乙烷塔來凝液混合后進入新增換熱器加熱,然后再進輕油換熱器升溫,最后進入液化氣塔生產液化氣和穩定輕烴產品，見圖1。

圖1 現凝液分餾單元流程簡圖

塔四聯混烴中各組分質量含量為:C31.77%、C49.97%、C526.89%、C626.61%、C718.64%、C88.16%、C95.09%、C101.93%、C110.5%、C120.2%、C130.21%、C140.01%。

雅站液化氣塔產品設計負荷為液化氣140.85 t/d,輕油86.60 t/d。塔四聯混烴進站后,雖通過限制進塔流量,控制塔四聯混烴分為24 h進塔,但仍每日增加液化氣塔進料量50 t。根據液化氣質量標準(GB 11174-2011 《液化石油氣》,液化氣產品中戊烷及戊烷以上組分質量含量應不高于3%)和輕烴質量標準(GB 9053-2013 《穩定輕烴》,2號穩定輕烴飽和蒸汽壓夏季不高于74 kPa,冬季不高于88 kPa),液化氣產品中戊烷及戊烷以上成分、輕烴產品中丙丁烷含量極少,故本次計算氣液相負荷時,忽略液化氣中的戊烷及戊烷以上成分和輕烴產品中的丙丁烷成分,根據塔四聯各組分質量含量可算出:液化氣塔中約增加氣體流量(丙丁烷)50 t/d×11.74%=5.87 t/d,增加液體流量50 t/d×88.26%=44.13 t/d,混烴進站前雅站液化氣塔液化氣產量132 t/d,輕油產量73 t/d,混烴進站后液化氣產量達到137.87 t/d,輕油產量達到117.13 t/d,由以上計算可知:混烴進站后分餾塔氣體流量接近設計負荷上限,液體流量超出設計負荷135.25%。由此產生的明顯后果就是按照原操作參數運行時,塔頂產品重組分較高,塔底產品飽和蒸汽壓超高,塔底產品質量不合格。

2 分餾塔負荷超出設計范圍的危害

影響板式塔操作狀況和分離效果的主要因素為來料組分性質、塔板結構及氣液相負荷,對于已建成的板式塔,由于塔板結構固定,其操作狀況和分離效果只與來料組分性質及氣液相負荷有關。要維持塔板的正常操作和塔板效率的基本穩定,必須將塔內的氣液相負荷控制在一定的范圍內。以塔內液相流量L為橫坐標,氣相流量V為縱坐標,將此范圍在直角坐標系中進行繪制,所得圖形即為塔板的負荷性能圖[4-6]，見圖2。

圖2 塔板的負荷性能圖

2.1 氣相負荷超出設計范圍的危害

圖2中線1為塔的氣相負荷上限線,當塔內上升氣相的流量超過此上限時,即使此時液相負荷較小,液體被上升的氣體夾帶到上一層塔板上的量仍會猛增,塔板上液相逐漸增多,最終可能使整個塔內空間全部被液體所占據,這種現象稱為霧沫夾帶液泛[7-9]。

氣、液兩相以鼓泡形式在塔板上接觸傳質,氣相經過液相層時會帶出一定的霧滴,霧滴中的重組分未得到有效分離就被帶到上一層塔板上,這種現象稱為“霧沫夾帶”[10-12]。進入上層塔板的霧滴增加了塔板上液體的重組分含量,降低了塔板上重組分的分離效率。過多的霧沫夾帶會破壞塔的正常操作,造成分餾塔壓力、溫度劇烈波動,塔板效率大大降低,塔頂產品中重組分含量增加,嚴重時甚至造成沖塔、塔頂產品不合格。

2.2 氣相負荷低于設計范圍的危害

圖2中線2為氣相負荷下限線,若氣相流量低于此下限值,上升氣體無法托住塔板上的液體,液相不是由降液管到下一層塔板,而是大量由塔板上的閥孔漏到下一層塔板,液相未與氣相在塔板上充分接觸傳質,塔板上從液相中分離的氣泡過少,氣液分離效果差,下降液相中含輕組分過多,塔板效率大幅度下降[13-15]。

2.3 氣液負荷超出設計范圍的危害

圖2中線3為液泛線,若氣、液流量超過此線的值,由于此時霧沫夾帶程度較嚴重,塔內液相負荷過大,使塔板上液體不能沿降液管順利流下,致使液體流動發生堵塞,使數層塔板上的液體連成一體,這種現象稱為“液泛”[16-18]。液泛嚴重時,塔底液相大量進入塔頂產品中,形成淹塔。造成液泛的原因主要是氣、液相負荷過大或降液管堵塞。

2.4 液相負荷低于設計范圍的危害

圖2中線4為液相負荷下限線,若液相流量低于此下限值,不論此時氣相負荷為多少,都會導致塔板上液體分布嚴重不均勻,塔板上分布的液相存在滯流、緩流區域,此區域只有極少的液相流入或流出,區域內液相呈接近飽和狀態,經過此處的氣相幾乎沒有發生濃度變化。這種情況必然導致塔板整體液相與氣相接觸傳質效率下降,上升氣相中帶有的重組分無法得到有效分離,塔板效率急劇下降。

2.5 液相負荷超出設計范圍的危害

圖2中線5為塔的液相負荷上限線,若液相負荷超過此塔板的負荷上限值,液體就不能正常地通過降液管向下流動,塔內液體在塔板及降液管上積累而直至充滿整個塔內空間,這種現象稱為溢流液泛[19-20]。嚴重的溢流液泛會造成淹塔,導致塔內產品質量不合格。

正常情況下,塔內液相在塔板上與氣相接觸并傳質,后經降液管到達下層塔板。液相進入降液管時會帶有少量輕組分,需在降液管中停留足夠的時間,才能使輕組分得到較好的分離。如果液相流量增加,液體在降液管中停留時間過短,液相中的輕組分得不到較好分離就被帶入下一層塔板,這種現象稱為“氣泡夾帶”[3-4]。被帶下去的少量氣泡增加了下一層塔板上液相中輕組分含量,過多的氣泡夾帶會降低塔板的分離效率,導致塔底產品中輕組分含量增加,甚至造成塔底產品質量不合格。

綜上所述,圖2中線1～線5所包圍的區域即為塔板的穩定操作范圍,線6為操作線,操作時的氣相流量V與液相流量L在圖2上的坐標位置稱為操作點。塔板的操作點應盡可能位于塔板的穩定操作范圍內,此時氣、液兩相流量的變化對塔板效率及塔內產品質量影響不大;反之,則塔板效率急劇下降,塔內各參數波動較大,嚴重時甚至發生液泛,導致產品質量不合格。

3 分餾塔超負荷運行時的控制措施

根據目前雅站分餾塔氣、液相流量與塔板負荷性能的關系,雅站分餾塔目前的問題主要是塔內液體流量遠遠超出塔設計負荷,易發生溢流液泛,且氣泡夾帶現象大量發生,塔底產品輕組分含量過高。

3.1 塔頂回流量及溫度控制

防止分餾塔因液體流量過大而發生嚴重的氣泡夾帶現象及溢流液泛,主要措施是減少塔頂回流量。但塔頂回流量的多少在影響塔內塔板負荷的同時,也會影響塔頂溫度。塔頂溫度是一個非常重要的參數,溫度的高低直接影響著塔頂產品的質量和塔的穩定操作。正常操作中,塔頂溫度高低與塔頂產品質量要求相對應。塔頂溫度、回流量一定要嚴格控制,逐漸調整,以避免打亂塔的平穩操作,造成產品質量不合格。減少回流量,分餾塔塔頂溫度會升高,塔頂產品組分偏重,甚至不合格,所以在正常的操作過程中,要根據塔頂產品分析報告逐漸減少塔頂回流量。

3.2 塔的壓力控制

分餾塔塔頂壓力對整個分餾塔組分的揮發度有直接影響。雅站分餾塔塔頂壓力主要受進料組分及四臺塔頂空冷器冷凝能力的影響,因進料組分不宜輕易調整,實踐中分餾塔壓力一般通過調整空冷器轉速及數量控制。因減少塔頂回流量會導致塔頂溫度升高,塔頂產品重組分含量增多,為保證分餾塔塔頂產品質量,應提高分餾塔的運行壓力,使塔內產品的揮發度降低,有效減少塔頂產品中重組分含量。

3.3 塔底溫度及液位控制

分餾塔液相負荷過大會加重氣泡夾帶現象,嚴重的氣泡夾帶會造成塔底產品輕組分過多,塔底產品質量不合格,甚至發生溢流液泛。塔底溫度是平衡物料在該塔的蒸發量大小的主要依據,提高塔底溫度能夠提高塔底輕組分蒸發量,使上升氣體中重組分含量增加,塔內液相負荷減小,塔底產品中輕組分含量減少,有效降低塔底產品飽和蒸汽壓,保證塔內各產品質量。

分餾塔重沸器是分餾塔重要設備,重沸器中的物料液位與分餾塔液位處于同一高度,它的作用是為全塔分餾提供足夠的熱量,使分餾塔底液相部分氣化,為塔內氣液傳熱傳質提供足夠的氣相負荷,以更好地分離塔內各組分。分餾塔底重沸器液位平穩與否是影響塔的各個操作參數的關鍵,直接影響分餾塔工況及各產品質量。液位過高,重沸器內液相汽化空間過小,會使塔底溫度不易升高,塔底液相汽化量過小;液位過低,容易造成輕組分隨塔底液相進入輕烴儲罐,輕烴產品質量不合格及輕烴儲罐超壓事故,因此需仔細控制重沸器液位,精心調節,保持重沸器液位穩定。

根據以上控制措施進行雅站分餾塔最終參數調整,見表1。

表1 雅站分餾塔參數變化表

參數調整前數值調整后數值塔頂壓力/MPa1.301.35塔頂回流量/(m3·h-1)1210塔頂溫度/℃61.063.5塔底溫度/℃151155重沸器液位/mm800800

4 結論和建議

通過對雅站分餾塔關鍵參數的優化調整,根據分餾塔各參數變化趨勢及塔內各產品分析化驗報告顯示:分餾塔塔內各產品質量均控制在正常范圍內,分餾塔各關鍵參數波動較小,達到了預期目的,產品質量滿足工藝要求,分餾塔保持平穩運行。

分餾塔超負荷運行引起產品質量及工況波動時,應根據進塔物料的組分、流量,找出影響分餾塔性能效率的根本原因,并從回流量、塔頂溫度、塔壓、塔底溫度等方面綜合考慮,以產品組分分析報告為輔助,逐步調整影響分餾塔氣液相負荷的關鍵參數,使分餾塔的運行達到較理想的狀態。