天然氣深冷處理CO₂凍堵分析

王磊 王佳琦 張維旭

摘要：天然氣深冷處理是天然氣資源再利用的新型技術(shù)手段，更加充分的利用天然氣資源。在我國乙烷回收目前還處于起步階段，現(xiàn)有運行的乙烷回收裝置主要集中在中原油田、大慶油田。在天然氣深冷處理過程中，CO2天然氣在乙烷回收過程中易產(chǎn)生固體，造成裝置凍堵，影響裝置的安全運行，因此在對含CO2天然氣乙烷回收工藝進行研究時，應(yīng)對乙烷回收裝置中的相態(tài)進行分析。簡要分析CO2在烴類物質(zhì)體中的相態(tài)平衡規(guī)律。研究CO2凍堵影響因素，進一步提出相應(yīng)的凍堵控制措施。

關(guān)鍵詞：乙烷回收;深冷處理;輕烴物質(zhì);防凍堵

一、CO2在烴類體系中的相態(tài)平衡規(guī)律

CO2固體形成條件與原料氣組成和系統(tǒng)操作條件有關(guān)，當操作溫度低于CO2固體形成溫度時，若CO2含量超出氣相及液相的溶解度，就會有CO2固體析出。對于含CO2的液固體系，固體CO2在烴類液體中的溶解度主要受溫度影響。在正常運行狀況下，隨著溫度的升高變化CO2在烴類液體中的溶解度就會顯著增高。另外壓力也是影響CO2相態(tài)變化的重要原因。在設(shè)備運行過程中，若運行壓力大于CO2飽和溶液蒸汽壓力，此時就會出現(xiàn)CO2固體析出。對于氣固體系，由于固體在烴類氣體中的溶解度非常小，可認為溫度低于三相點溫度時就會有固體析出。

在整個處理過程中，脫甲烷塔正常運行時，當處于氣液區(qū)域狀態(tài)下，系統(tǒng)運行溫度要高于一定溫度，在這種溫度條件下，壓力的變化并不能影響相態(tài)變化。但是如果出現(xiàn)運行溫度低于某一定溫度時，運行壓力的變化會對相態(tài)產(chǎn)生一定的影響，可能會析出固體。這樣設(shè)備設(shè)施就比較容易凍堵。因此我們知道，溫度變化、運行壓力、原料氣進氣含量的高低、原來器烴類組成等都對相態(tài)存在一定的影響。

二、CO2凍堵影響因素

我們對相態(tài)平衡進行分析進一步得到，運行溫度對于固體物質(zhì)的形成影響程度占比較大。乙烷處理回收裝置一般凍堵都是發(fā)生在溫度比較低的時候。從設(shè)備角度分析，脫甲烷塔頂換熱冷箱、膨脹機出口和脫甲烷塔這些部位是整個體系中比較容易凍堵的。

其凍堵的原因主要是因為節(jié)流的影響，溫度較低的液體會被輸送至甲烷塔的頂板，進而發(fā)生平衡中段濃縮。因此在甲烷塔塔頂板下部的很多塔板出都是比較容易凍堵。因此進一步研究甲烷塔的凍堵規(guī)律有利于控制脫甲烷塔的凍堵。結(jié)合相態(tài)平衡規(guī)律我們還要對原料氣含量、設(shè)備操作壓力、塔頂溫度進行對應(yīng)研究。

（1）進料氣含量的影響

在脫甲烷塔頂壓力和溫度保持一定的條件下，研究進料氣CO2含量對脫甲烷塔凍堵情況的影響。由于乙烷回收裝置最可能發(fā)生CO2凍堵的部位是脫甲烷塔上部，因此對脫甲烷塔從塔頂往下數(shù)的前8塊塔板凍堵情況進行分析。保持脫甲烷塔頂壓力為，溫度為-95℃左右，進料氣CO2含量分別為1%、2%、3%。

當進料氣CO2含量為3%時，脫甲烷塔第4塊塔板溫度開始低于CO2的液相凍堵溫度，脫甲烷塔首先在第塊塔板的液相析出CO2固體，發(fā)生CO2凍堵。脫甲烷塔第3塊塔板溫度開始低于的氣相CO2凍堵溫度，脫甲烷塔首先在第3塊塔板的氣相析出CO2固體，發(fā)生凍堵。脫甲烷塔的液相凍堵溫度為-80℃，氣相凍堵溫度為-90℃。

綜上所述，在脫甲烷塔頂壓力和溫度保持一定的條件下，脫甲烷塔進料含量越高，脫甲烷塔上部各塔板的氣相凍堵溫度和液相凍堵溫度越高，脫甲烷塔越易發(fā)生凍堵。

（2）脫甲烷塔操作壓力的影響

當脫甲烷塔操作壓力為2500kPa時，脫甲烷塔的液相凍堵溫度為-82℃，氣相凍堵溫度為-87℃，當脫甲烷塔操作壓力為2000kPa時，脫甲烷塔的液相凍堵溫度為-74°，氣相凍堵溫度為-79。所以在脫甲烷塔頂進料CO2含量和塔頂溫度保持一定的條件下，脫甲烷塔操作壓力越低，脫甲烷塔上部各塔板的氣相凍堵溫度和液相凍堵溫度越高，脫甲烷塔越易發(fā)生凍堵。

（3）脫甲烷塔頂部溫度的影響

當脫甲烷塔塔頂溫度為-95℃時，脫甲烷塔的液相凍堵溫度為-80℃，氣相凍堵溫度為-87℃，當脫甲烷塔塔頂溫度為-90℃時，脫甲烷塔的液相凍堵溫度為-86℃，氣相不發(fā)生CO2 凍堵。所以在脫甲烷塔頂進料CO2含量和操作壓力保持一定的條件下，脫甲烷塔塔頂溫度越低，脫甲烷塔上部各塔板的氣相凍堵溫度和液相凍堵溫度越高，脫甲烷塔越易發(fā)生凍堵。

三、LSP工藝技術(shù)控制CO2凍堵

對比常規(guī)流程與LSP工藝技術(shù)流程，其最大的不同是對低溫分離器底部重 烴的處理，常規(guī)流程直接把凝液打回脫甲烷塔膨脹機進料口下方，在提餾段被脫 出所溶解的輕組分，LSP工藝將這部分重烴進一步冷卻后 打人脫甲烷塔頂作為 回流，改善了CO2凍堵現(xiàn)象，LSP流程中，重烴液體中的 C 3、C4組分可以吸 收部分CO2，使之在氣相中分壓降低，偏離生成固體的條件。同時，在發(fā)生凍 堵時可以融解CO2固體，改善了凍堵程度。[1]

LSP工藝流程中重烴實際上可視作冷回流，這樣使甲烷塔成為一個真正 的精餾塔，重烴回流液在塔內(nèi)與下方膨脹機出口含甲烷和乙烷較多的上升氣相逆流接觸，不斷吸收冷凝氣中的乙烷，既提高了收率，又改善了產(chǎn)品質(zhì)量。

總結(jié)

天然氣深冷處理過程中給，會有CO2凍堵現(xiàn)象的發(fā)生，然而凍堵會直接影響到裝置的運行。因此研究CO2防止促使是極其必要的。我們通過對凍堵的成因進行分析，進一步深人分析，掌握CO2凍堵產(chǎn)的機理和規(guī)律，合理優(yōu)化和改進流程。LSP工藝流程的優(yōu)化進一步解決了CO2凍堵的問題。為天然氣深冷處理及乙烷回收提供了可靠的技術(shù)保障。

參考文獻：

[1] 焦玉清，陳萍，張曉花，等伴生氣含量增加對深冷輕烴回收裝置的影響油氣田地面工程，2012，31（9）：55-56

[2] 劉巖，付東輝，林川.薩南油田伴生氣二氧化碳對深冷裝置的影響油氣田地面工程，2010，29（11）：50-51

[3] 劉剛，徐守君.天然氣深冷處理裝置分子篩脫水工藝 分析與研究[J].石油石化綠色低碳，2016，（03）：48-52.