天然气净化厂MDEA再生系统优化运行探讨.pdf

4 92 石 油 与 天 然 气化 工 CHEMI CAL ENGI NEE RI NG OF OI L GAS 2 O 1 4 天然气净化厂 MD E A再生 系统优化运行探讨 唐 浠 瞿 杨 陈庭库 侯 光远 张云光 中国石油西南油气田公 司重庆天然气净化总厂 摘 要 重庆天然气净化 总厂 引进分厂 2 8 0 1 0 m。 ／ d脱硫装置 MDE A溶液再生 系统溶液 循 环 泵 出 口压力一 直 不稳 定 ， 极 易 因泵 出 口流量骤 降导致 系统联 锁停 车 。从 工 艺、 设备 和 管线布 置 方 面进 行 了分析 ， 发 现 弯 头过 多不是 导致 系统压 降 高的主要 原 因 ， “ Ⅱ ” 型 管 的布置 方 式 可使 该 处压 力 降低 ， 酸 气发 生解析 及聚 集 ， 进 而导 致溶 液循 环泵吸 空 ， 引起 泵 出 口压 力波动 ， 对 系统运行 产 生较 大 影 响 。 关 键词 天然 气 脱硫 MDE A 溶液再 生 压 降 优化 中图分 类号 T E 6 4 4 文献标 志码 B D OI l O ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 3 4 2 6 ． 2 0 1 4 ． 0 5 ． 0 0 6 Op ti ma l o p e r a ti o n o f MDE A r e g e n e r a t i o n s y s t e m i n n a t u r a l g a s p u r i f i c a ti o n p l a n t T a n g Xi ，Qu Ya n g ，C h e n Ti n g k u ，Ho u Gu a n g y u a n，Z h a n g Yu n g u a n g C h o n g q i n g Na t u r a l G a s P u r i f i c a t i o n P l a n t Ge n e r a l ， P e t r o C h i n a S o u t h we s t 0 Z G a s f i e l d C o mp a n y。 C h o n g q i n g 4 0 1 2 5 9 ． C h i n a Ab s t r a c t S e r ％n g a s t h e c r i t i c a l e q u i p me n t o f s o l u t i o n r e g e n e r a t i o n s y s t e m i n 2 8 0 01 0 。 m。 ／ d MDE A d e s u l f u r i z a t i o n u n i t i n Yi n j i n Br a n c h o f Ch o n g q i n g Ge n e r a l Na t u r a l Ga s Pu ri fic a tio n P l a n t ，t h e s o l u t i o n c i r c u l a t i o n p u mp h a s a n u n s t a b l e o u t l e t p r e s s u r e ．Th e s y s t e m i n t e r l o c k s h u t d o wn d ue t o t he s ud de n dr a wdo wn of pump o ut l e t f l o w r a t e oc c u r r e d f r e q ue nt l y ．The p r o c e s s，e q u i p me n t a n d p i p e l i n e I a y o u t we r e a n a l y z e d ，a n d t h e r e s u l t s s h o we d t h a t e x c e s s i v e e l b o ws we r e n ot t h e ma i n r e a s o ns o f s y s t e m p r e s s u r e d r o p． The l a yo ut o fⅡ t y pe p i pe l i ne wou l d r e du c e t he pr e s s ur e a n d r e s ul t i n t he e vo l ut i o n a nd a c c u m u l a tio n of a c i d ga s ，t he r e b y l e a d i n g t o t he s uc t i o n o f M DEA cir c u l a t i o n p um p a nd t he fluc t ua tio n o f pu m p o u t l e t p r e s s ur e，wh i c h wou l d br i ng g r e a t i n flue nc e t o t he op e r a t i o n o f s ys t e m． Ke y wo r d s n a t u r a l g a s，de s u l f ur i z a t i o n，M DEA ，s o l ut i o n r e ge ne r a t i o n，p r e s s u r e d r op，o pt i m i z a t i o n 重 庆 天 然 气 净 化 总 厂 引 进 分 厂 脱 硫 装 置 MDE A溶液再生装置建 于 2 0 0 8年， 用于对该厂 8 0 1 0 m。 ／ d和 2 0 0 1 0 m。 ／ d两套天然气脱硫装置 产生的 MD E A富液进行再生 。装置建成后 ， 贫液 循环泵出口压力波动剧烈 ， 极易因泵 出口流量骤 降 导致联锁停车。为了稳定贫液循环泵入 口压力 ， 先 后几 次提 升再 生塔 操作 压 力 ， 同时 对 相 关 管路 进 行 了整改。2 0 1 1年大修后 ， 通过控制操 作， 使泵 的入 口压力趋于平稳 ， 但再生塔塔顶压力 表压 ， 下同 却 一 直维持在 1 0 0 k P a左右 ， 远高于最优塔顶设计压 作者简介 唐 浠 1 9 7 6 ～ ， 男 ， 化工工艺工程师 ， 1 9 9 8年毕业 于承德石油 高等专科学 校热工专业 ， 2 0 0 4年毕业 于华东 石油 大学石油工程专业 ， 长期从事天然气净化生产技术管理工作 ， 现任重庆天然气净化总厂引进分厂副厂长 。地址 4 0 1 2 3 6 重庆 市长寿区海棠镇 重庆天然气 净化 总厂引进分 厂。电话 0 2 3 7 4 6 5 1 1 9 7 。E ma i l t a n g x i l 1 2 2 p e t r o c h i n a ． C O IT I ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 3卷 第 5期 唐 浠 等天然气净化厂 MDE A再生 系统优 化运 行探讨 4 9 3 力 8 O k P a 。 1 概 述 1 ． 1主 要工 艺原 理及 依据 醇胺法脱除酸性气体的反应为可逆反应， 在高 压 、 常温的条件下 ， 原料气 中的 H S 、 C O 酸性组分 与醇胺发生反应而被脱除 ， 吸收酸性组分的富液在 湿 湿净化气分离罐 I - 1 2 O 4 I I 来 自 脱硫塔 1 1 0 0 1 I I C一 1 2 0 1 I J I 闪蒸气至 燃料 气系统 一 ’ I 器 I I 富液闪蒸罐 D 一 1 2 0 2 I I 瘩液 温度升高、 压力降低的工况下释放出酸性气体组分 ， 从 而实 现溶 液 的再生 l 2 ] 。 1 ． 2工艺流 程 重庆天然气净化总厂引进分厂 2 8 0 1 0 1T I 。 ／ d 脱硫 装置 流程 图。 。 ] 如 图 1 所示 。 原料气在脱硫塔内与 MD E A贫液逆流接触 ， 吸 贫液空冷器 贫富液换热器 E 一 1 2 0 5 I I E - 1 2 0 6 I I 1 。 饵⋯ ～一⋯ r ●1 f ， ． 1 _ _ E 敬 王m馕 目q x衣且 贫液后冷器 E 一 1 2 0 4I I 循环泵I预过滤器 活性炭过滤 后过滤器 p - 1 2 0 l I I l F 一 1 2 0 1 I I A B F 一 1 2 0 2 Ⅱ F 一 1 2 0 3 I I 蒸 重沸 器 E -1 2 0 1 I I 溶液再 生塔 凝结水分 离 罐酸水回流 泵酸水分 离罐 c 一 1 2 0 2I I D l 2 0 5Ⅱ P l 2 0 2I I D l 2 0 3Ⅱ 图1 系统流程图 Fi g ur e 1 F l o w d i a gr am of t h e s y s t e m 收 了 H S和 C O 的 MD E A 富液 经 闪蒸罐 及 3 级 过 滤系统除去溶液中溶解 的 CH 、 机械杂质和变质产 物后 ， 进 入 MDE A贫 富 液换热 器 E - 1 2 o 2 l I A／ B 与 出 MDE A再生塔 C - 1 2 O 2 l I 塔底的 MD E A贫液换 热 ， 然后进入 MD E A再生塔上部 ， 富液 自上而下流 动， 与塔内 自下而上的蒸汽逆流接触进行再生 再生 所需 热 量 由塔底 重 沸器 E 一 1 2 0 1 I I 提 供 ， 解 吸 出 H S和 C O。 气体 。在约 1 2 5℃下 MD E A热贫液 自 塔底出来 ， 经贫富液换 热器 E 一 1 2 0 2 ⅡA／ B 与富液 换热后 进 人贫 液 空 冷 器 E 一 1 2 0 3ⅡA／ B ， 再 经 过 贫 液后冷器 E 一 1 2 0 4 I I A／ B 将贫液温度进一步冷却至 3 O℃左 右 ， 然 后 由 MDE A 循 环 泵 P - 1 2 0 1ⅡA／ B 将最大流量为 3 6 ． 3 r n 。 ／ h 、 1 5 ． 7 1 T I 。 ／ h 、 4 m。 ／ h的 3 股贫液分别送人脱硫吸收塔 C 一 1 2 0 1 ll I 、 C 一 1 2 0 1 11 和 MD E A 闪蒸 罐 D 一 1 2 0 2Ⅱ ， 完成 整个溶 液系统 的循环 。 2 问题 分析与相关计算 2 ． 1 改造前管道布置 装置改造前 的管道布置示意 图见 图 2 ， 主要工 艺参数见 图 3 。 图2 改造前管道布置示意图 Figu r e 2 Sc he ma t ic dr a wi n g o f p i p eli n e ar r an g emen t b e f o r e t r an s f or mat i o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 94 石 油 与 天 然气 化 工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG OF OI L GAS 1 20 1 1 0 1 0 0 9 O 8 0 7 O 6 O 5 O 一 泵入 口压力 薹 婪 时 间／ h 图3 改造前主要工艺参数 F i g ur e 3 Mai n p r o c es s p ar amet er b ef or e t r a ns f o r ma t i on 由图 2 、 图 3可以看出， 虽然再生塔 压力一直维 持在 1 0 0 k P a左右 ， 但泵入口压力很不稳定， 容易出 现断流现象 ， 造成设备损坏。而要维持泵入 口压力 的稳定 ， 就必须提高再生塔压力 ， 但从溶液热降解和 酸气组分的脱除两方面考虑 ， 提高再生塔操作压力 不利 于再 生 。 2 ． 2问题 产 生的原 因及 分析 由图 4可知 MD E A贫液 出塔后 ， 在进入贫 富 液换热器之前 ， 温度 尚未降低 ， 但压力降低明显 。贫 液空冷器出 口压力降至系统 内最低值， 此处最易积 聚酸气造成吸空 ， 压力随设备安装高度 的变化也最 为明显。其次是经过换热器时的压力损失。经过管 道 、 弯头 、 阀门处的压力损失最小。 当 MD E A溶 液循 环 泵 P 一 1 2 0 1 I I 入 口压 力较 低时 ， 容易出现断流现象 ， 造成泵抽空停车 ， 严重时 可能 损 坏 设 备。然 而 造 成 断 流 的 主 要 原 因是 MD E A贫液在进入贫富液换热器之前 ， 温度尚未降 低 ， 因压力降低解析 出少量 H。 S和 C O 并发生聚 集 。造成压力降低和气体聚集的原因如下 1 再生塔底部至泵入 口管线设计不合理 ， 导 致阻力 损失 过大 。引进 分 厂 2 8 0 1 0 m。 ／ d胺液 再 生系统贫液出口可能 由于设计缺陷， 贫液管线上有 许多弯头 ， 增大了系统阻力 。阻力损失过大导致管 线内平均压力偏低 。同时， 空冷器采取高位安装 的 方式 ， 也导致在其 出口处产生低压点 ， 如图 4所示。 2 管线多处高点导致局部压力偏低和酸气 累 积。溶液循环泵 P - 1 2 O 1 Ⅱ 入口贫液管线形成许多 “ Ⅱ” 型管 ， 不仅增大了系统阻力 ， 而且其高点为该段 管线压力最低处， 极易使 H。 S和 C O。 发 生解析及 聚集 ， 如 图 4中溶 液再 生 塔 至 贫 富液 换 热 器 和 贫液 空 冷器处 。 砖 璺 ＼ 趟 溶液 贫富液贫液 贫液 溶液 再生塔换 热器 空冷器 后冷 器 循环 泵 图4 压力温度变化示意图 F i gu r e 4 Sc h emat i c dia gr a m o f p r e s s ur e an d t empe r a t u r e c ha n ge s s ＼ 赠 贫液空冷器人 口位置为整条管线的最高点， 很 容易出现酸气聚集。引进分厂 2 0 1 0年大修改造时 在该处增加 了排气管线 ， 以加强 日常排气 ， 但溶液循 环泵 P 一 1 2 0 1 Ⅱ 人 口压 力 仍 波 动极 大 ， 再 生 塔 压 力 也依然偏高， 且操作人员定期手动排气也增加 了劳 动强 度 ， 故 此方 法具有 一定 的局 限性 。 2 ． 3 压降计算 2 ． 3 ． 1 C _ 1 2 0 2 I I 塔 底至 P - 1 2 0 1 1 1 进 口压 降计 算 再生塔贫液出口垂直 高度为 2 ． 2 m， 而循 环泵 入 口管线垂直高度为 1 ． 2 m， 没有底泵 ， 溶液出塔后 管线弯头较多 ， 且使用 了阻力损失较大 的板式换热 器作为贫富液换热器， 故系统压降较大。以下针对 装置贫液管线计算管路弯道压力损失。 分别取贫液出塔处和贫液循环泵人 口处粗滤器 前作为截面 1 、 2 ， 列柏努利方程E 4 3 户 1 p l g h 1 一 p 2 p 2 g h 2 巳 譬 A p 1 式 中， △ 为管路及换热器阻力损失所造成的压降， M P a 。 △ 一 A p1 Ap 2 。 前 已述 及 ， MD E A 贫液 出塔 后 ， 经 过 3台 换 热 器 ， 温度从 1 2 5 C左右 降至 3 0。 C左右 。为简化计 算 ， 分别取质量分数为 5 0 ％的 MD E A水溶液在 1 2 5 ℃、 6 0℃及 3 O℃下的密度和黏度， 求取平均值进行 计算 ， 见表 1 。 因 而可取 P 1 一10 2 1 0 0 5 ． 5 k g ／ m。 ， 又 由 于溶液 在同等直径管路 中作稳态流动， 所 以可取 一 一 U ， 其中 “为溶液在管内瞬时流速， m／ s 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 3卷 第 5期 唐浠 等天然气净化厂 MD E A再生系统优化运行探讨 4 9 5 表 1 5 0 ％ W M D E A水溶液参数 Tabl e 1 Pr op er t ies o f 5 0wt ％MDEA s olu t i o n 由式 1 可得泵人 口处压力， 见式 2 。 2 一 户l 十 p g 矗 1 一h 2 一 △ 2 前 已述 及 ， h 1 2 ． 2 m， h 2 1 ． 2 m。 贫液管线 内径为 1 5 0 r n m， 根据 以往 的操作经 验 ， 以 目前装 置处 理量而言 ， 贫液循环 量平均约 为 4 0 r n 。 ／ h ， 即 0 ． 0 1 I n 。 ／ s 。由式 3 可 以求得 管路 中 的瞬 时流速 一 4 3 丌 式 中 ， q 为 瞬 时体积 流量 m。 ／ s ， 由式 3 可得 管 路 中瞬时流速 一0 ． 5 7 m／ s 。又 由式 4 可求得管路 中流体流动雷诺准数 R8 一 dup 4 式中， 为溶液黏度 ， P aS ； 由式 4 求得 管路 中流 体的雷诺数为 Re 2 4 1 2 8 ． 6 1 4 0 0 0 ， 因而管路中 流体为湍流。管线材 质为 2 O 碳钢 ， 可取绝对粗糙 度 ￡ 一0 ． 2 mm， 因而管路相对粗糙度为 三 一 一 0 ．0 01 3 5 d I 5 0 ‘ ⋯ 查 相应 图表可 得管 路 阻力 系数 一0 ． 0 2 8 。 统计管道中直管长度和弯头 、 大小头及阀门等 的数量 ， 并 查得 相应 的局 部阻力 系数 ， 见 表 2 。其 中 ， 贫 液 自塔底 进入 管线 为 突然 缩 小 ， 闸 阀 、 球 阀处 于全开 状 态时局 部 阻力极 小 ， 可忽 略不 计 。 表 2管道 阻力情 况统计 Tab l e 2 St at i s t i c s of pi pel i n e r es i s t an c e 项 目 m 触 。 。 标 由设备性能参数 和 日常操作经验可知， 溶液流 经换 热器 E 一 1 2 0 2 I I 、 E 一 1 2 0 3 I I 和 E 一 1 2 0 4 1 I 时 的压 降 分别为 2 0 k P a 、 1 6 k P a和 1 5 k P a ， 则溶液流经换热 器 产生 的总 压 降 A p 一2 0 1 6 1 5 5 1 k P a 。由式 6 可求得管路阻力损失所造成的压降 A户2 一 ∑ 6 其中， z 为直管长度 ， m； ∑ 为管路局部阻力系数之 和 ， 由表 2可知 ， ∑ 一0 ． 7 5 3 5 0 ． 1 7 2 0 ． 5 2 7 ． O 9 ， 计算后 可得 △ 户 2 6 6 2 0 ． 3 1 P a ， 故总压 降 △夕一△ 1 △ 2 5 7 ． 6 2 k Pa 。 当再生塔塔顶压力为 1 0 0 k P a ， 塔底压力约 为 1 2 0 k P a时 ， 若塔底液位为 5 O ， 则塔底液面到管线 人 口处 的垂 直深 度 为 1 ． 0 5 m， 即 一 1 2 0 x 1 0 。 1 0 0 5 ． 5 9 ． 8 1 1 ． 0 5 1 3 0 3 5 7 ．1 5 Pa ， 即 1 3 0 ． 3 6 k P a 。代人式 2 可得， 此时泵人 口端压力 一8 2 ． 6 k P a ， 与现场实测值基本一致。 当再生 塔塔 顶压 力 降至 8 0 k P a ， 塔底 压 力 降 为 约 1 0 0 k P a时， 则 户 。 相应地降为 6 2 ． 6 k P a ， 根据以 往的经验 ， 在入 口和管线高点已充分排气的情况下 ， 泵 可 以正常 运行 。若 维持 液位 在 7 O ， 则 垂 直深 度 变为 1 ． 3 5 m， 此时 ， P 为 1 1 3 ． 3 2 k P a ， z相应地为 6 5 ． 5 6 k P a 。当冬 季气温较 低时 ， 可将溶液 切换至 E 一 1 2 0 3旁 路 流通 。减 少 空 冷器 压 降后 ， 。值 为 8 1 ． 5 6 k P a 。由计算可知 ， 管路本身所造成 的压 降较 小 ， 但仍可通过变更管线走向、 减少弯头数量的方式 减小管路阻力损失。而对于泵入 口粗滤器而言 ， 要 求其压差不得超过 1 0 k P a 。只要溶液 过滤 装置操 作维护得当 ， 溶液 中杂质较少 ， 同时， 在进行动设备 月度切换时按规定对粗滤器进行定期清洗 ， 因此 ， 粗 滤器所产生的压降几乎可以忽略不计。 2 ． 3 ． 2 贫液空冷器 E - 1 2 0 3 I I出口压力计算 用以上方法按塔底液位为 5 O 计算 ， 可求得贫 液空冷 器 E 一 1 2 0 3 Ⅱ出 口压力 P 。 一一1 9 k P a 。 2 ． 3 ． 3 MD E A再生塔至贫富液换 热器之 间最 高点 医 力计 算 同理可得 ， MDE A再生塔至贫富液换热器之间 最高点压力 一1 1 l k P a 。 2 ． 4 计算结果 由上述计算可知， 虽然贫液管线弯头处有压力 损失 ， 但损失较小 ， 不足 以对再生塔及泵入 口压力造 成影响 ， 因此 ， “ Ⅱ ” 型管处存在气 体聚集是产 生压力 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 96 石 油 与 天 然 气化 工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG OF OI L ＆ GAS 损失的主要原因， 主要包括 以下位置 1 MDE A再生塔至贫 富液换 热器之间 的管 线。虽然此段管线 的最低压力与 MDE A再生塔出 口相比下降不大 ， 但 由于流经此段的溶液还没有经 过贫富液换热器降温， 微小的压降也会导致饱和溶 液中的 H S和 C O 发生解析及聚集 。 2 贫 液 空 冷 器 E 一 1 2 0 3 I I出 口管 线 。此 处 是 MDE A溶液系统的压力最低 点， 有时甚至为负压 ， 故此管线也是 H s和 C O 最容易发生解析及聚集 的地点 。 2 ． 5 改造 后主 要流 程及参 数 将 MD E A再生塔至贫 富液换热器 之间的管线 进行 以下 优化改 造 1 减少弯头数量 。 2 降低此段管道最高点高度。 3 去除“ Ⅱ ” 型管段。 具体做法如图 2 、 图 5所示 ， 将部分管线从管架 上 向下调整 0 ． 5 m， 既减少了两个弯头 ， 又降低 了该 段管线最高点 的高度 ， 同时可去除系统中的“ Ⅱ” 型 管段 。 贫液 空冷器 溶 液 再 生 塔 图5 改造后示意图 Fi g ur e 5 Sc h ema t ic d r a wi n g a f t er t r an s f or ma t ion 图 6为优化改造后 的工艺参数 ， 由图 6可以看 出 ， 改造后泵人 口压力趋于稳定 ， 同时， 再生塔压力 也下降了 2 O k P a ， 可在提高再生效率的同时 ， 保证 整个系统的长期稳定运行。 1 2 0 t l 0 1 0 0 9 O 8 0 7 0 6 0 50 一 泵入 口压力 时间／ h 图6 改造后工艺参数 F i gu r e 6 Pr oc e ss p a r ame t e r s a f t e r t r an s f or ma t ion 0 、 3结论及建议 1 改造时对贫富液换热器前的“ Ⅱ” 型管线进 行 了整改 ， 对于装置 的平稳 运行 起到 了一定作 用。 但在工艺参数变化较大情况下 ， 仍难以满足工况要 求 ， 需在再生塔底增加溶液增压泵才能从根本上解 决 问题 。 2 弯头过多在一定程度上会造 成压力损失 ， 但不是主要原因 ， 在饱和态液相存在的管路 中， “ Ⅱ ” 型管的布置方式对 系统运行有较大影响 ， 在今后的 设计 中应予以考虑。 3 虽然改造后运行条件趋于稳定 ， 但装置再 生压力仍较高， 在溶液系统 的稳定性和装置能耗方 面仍有潜力可挖 。可以通过减少垂直方 向的“ Ⅱ” 形 弯， 增加水平方向“ Ⅱ” 形 弯的方式消除管路系统 的 热应力影响。在不改变运行条件的前提下 ， 使装置 平稳运行 ， 同时降低装置能耗 。 参 考 文 献 [ 1 ]熊勇 ， 张廷洲 ， 王军 ， 等．重庆 天然气 净化总 厂引进分 厂适应 性 改造情况综述E J ] ． 石油与天然气化工， 2 0 1 0 ， 3 9 增刊 1 9 - 1 2 ． [ 2 ]陈赓 良， 朱利凯．天然气处理与加工 工艺原理及技术 进展[ M] ． 北京 石油工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 3 ]蒋维钧， 戴猷 元 ， 顾 惠君．化工原 理[ M] ．北 京 清华 大学 出版 社 ， 2 0 09 ． [ 4 ]诸林 ．天然气加工工程[ M] ．北京 石油工业出版社 ， 2 0 0 8 ． 收稿13 期 2 0 1 3 1 1 2 2 ； 修回13 期 2 0 1 4 0 3 1 3 ； 编辑 温冬云 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m