DRIZO脫水工藝模擬分析

賀 三 劉 陽(yáng) 樊林華 王 勇 張勤勤

1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院， 四川 成都 610500；2.中國(guó)石油集團(tuán)東南亞管道有限公司， 北京 100028

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DRIZO脫水工藝模擬分析

賀 三1劉 陽(yáng)1樊林華2王 勇1張勤勤1

1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院， 四川 成都 610500；2.中國(guó)石油集團(tuán)東南亞管道有限公司， 北京 100028

天然氣中存在的水分在一定條件下會(huì)形成水合物，堵塞管路和設(shè)備，對(duì)于含CO2、H2S的天然氣，水分會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)形成酸液，腐蝕管路和設(shè)備，因此在天然氣外輸前需要對(duì)其進(jìn)行脫水處理。對(duì)比DRIZO脫水工藝與傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝的效果，運(yùn)用HYSYS軟件對(duì)兩種脫水工藝流程進(jìn)行模擬，在一定氣體流量(20 ℃，101.325 kPa)下，通過(guò)改變吸收塔塔板數(shù)、共沸劑循環(huán)速率和共沸劑種類，對(duì)影響DRIZO脫水工藝的因素進(jìn)行了研究。計(jì)算可知，天然氣處理量為750×104m3/d，吸收塔操作壓力為11.7 MPa(a)，三甘醇貧液循環(huán)量為4.5 m3/h，正庚烷作共沸劑其質(zhì)量流量為 5 kg/h，可使處理后的氣體含水量滿足管輸要求。分別選用異辛烷、正庚烷作為共沸劑進(jìn)行模擬，采用正庚烷作為共沸劑，得到的脫水后干天然氣含水量和水露點(diǎn)最低。研究結(jié)果表明，DRIZO脫水工藝具有脫水效率高、減少BTEX排放等優(yōu)點(diǎn)，脫水效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)三甘醇脫水流程的脫水效果。

天然氣脫水；DRIZO；HYSYS；模擬；影響因素；共沸劑

0 前言

天然氣中存在的水分在一定條件下會(huì)形成水合物，堵塞管路和設(shè)備；對(duì)于含有CO2、H2S的天然氣，水分會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)形成酸液，腐蝕管路和設(shè)備；輸送中水分會(huì)占據(jù)管內(nèi)空間，導(dǎo)致管內(nèi)天然氣的運(yùn)輸量下降；含水天然氣也不能利用低溫設(shè)備處理[1]。因此，脫除天然氣中的水分，對(duì)于天然氣集輸工藝有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

天然氣脫水方法有很多種，目前應(yīng)用最廣、技術(shù)發(fā)展較為成熟的是三甘醇脫水方法。三甘醇具有吸水力強(qiáng)、在天然氣中溶解度低、沸點(diǎn)高、易再生、投資小等優(yōu)點(diǎn)。但一個(gè)大氣壓下，當(dāng)重沸器的溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，傳統(tǒng)三甘醇脫水流程所得到的三甘醇貧液濃度低，對(duì)于脫水深度要求較高的情況，傳統(tǒng)三甘醇脫水流程無(wú)法達(dá)到脫水要求[2]。DRIZO脫水工藝流程是在傳統(tǒng)三甘醇脫水流程的基礎(chǔ)上引入共沸再生的改進(jìn)工藝流程。其關(guān)鍵在于在再生塔之后設(shè)置三相分離器，分離氣相、水和共沸劑，以循環(huán)利用共沸劑，減少損失。共沸劑本身具有不溶于水和三甘醇的特性[3]，因此，DRIZO脫水工藝脫水過(guò)程中的三甘醇損失量少，回收得到的三甘醇貧液濃度高，脫水后干天然氣的水露點(diǎn)低。

Rueter C O等[4-9]指出，天然氣脫水三甘醇再生環(huán)節(jié)中再生塔排放到大氣中的苯系物排放量(苯、甲苯、乙苯、二甲苯的合稱，以下簡(jiǎn)稱“BTEX”)成為天然氣工業(yè)中愈發(fā)關(guān)心的問(wèn)題。Paymooni K等人[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和建立數(shù)學(xué)模型探究了異辛烷和甲苯作為共沸劑對(duì)再生后三甘醇貧液濃度的影響。Isa M A等人[11]探究了三甘醇貧液濃度對(duì)脫水后干天然氣水露點(diǎn)的影響，指出DRIZO脫水工藝能夠獲得最大的露點(diǎn)降。Saidi M等人[12]對(duì)比了三甘醇汽提脫水、簡(jiǎn)單DRIZO脫水工藝和復(fù)雜DRZIO脫水工藝的脫水效果，結(jié)果表明簡(jiǎn)單DRIZO脫水工藝脫水后干天然氣水露點(diǎn)最低，脫水過(guò)程中BTEX排放量最少。

運(yùn)用HYSYS軟件對(duì)兩種脫水工藝流程進(jìn)行模擬，處理量為750×104m3/d，吸收塔操作壓力為11.7 MPa(a)，吸收塔入口天然氣溫度為30 ℃，模擬得到再生后的三甘醇貧液濃度、脫水后干天然氣水露點(diǎn)以及脫水過(guò)程中的三甘醇損失量。同時(shí)研究了吸收塔塔板數(shù)、共沸劑循環(huán)速率、共沸劑種類等對(duì)DRIZO脫水工藝的影響。

1 脫水工藝流程模擬對(duì)比

1.1 傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝流程

選用Peng-Robinson狀態(tài)方程，運(yùn)用HYSYS軟件模擬傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝流程，見圖1。傳統(tǒng)三甘醇脫水工

藝流程分為兩部分：三甘醇吸水和三甘醇再生。濕天然氣經(jīng)入口分離器(V-100)去除其中的液體和固體雜質(zhì)后，進(jìn)入吸收塔(T-100)脫水。在吸收塔內(nèi)，天然氣由下至上流經(jīng)各層塔板，與從塔頂向下流動(dòng)的三甘醇貧液逆流接觸，被脫除水分的干氣由塔頂流出，三甘醇富液從塔底流出。吸收塔底流出的三甘醇富液經(jīng)閃蒸罐(V-101)閃蒸分離出烴類氣體后進(jìn)入再生塔(T-101)再生提濃，再生后的三甘醇貧液由甘醇泵(P-100)泵入吸收塔循環(huán)使用[13-14]。

圖1 HYSYS模擬傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝流程圖

1.2 DRIZO脫水工藝流程

選用Peng-Robinson狀態(tài)方程，在一定氣體流量(20 ℃，101.325 kPa)下，運(yùn)用HYSYS軟件建立模擬DRIZO脫水工藝流程，見圖2。DRIZO脫水工藝流程分為三部分：三甘醇吸水，三甘醇再生和共沸劑再生。其三甘醇吸水部分工藝與傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝相同，不同的是DRIZO脫水工藝采用共沸再生三甘醇的方法，在再生

塔(T-101)內(nèi)三甘醇富液自上而下與向上流動(dòng)的共沸劑逆流接觸，再生后的三甘醇貧液進(jìn)入吸收塔(T-102)進(jìn)一步提濃后由甘醇泵(P-101)泵入吸收塔循環(huán)使用。再生塔(T-101)之后設(shè)有一個(gè)三相分離器，分離氣相、水和共沸劑。吸收了水的共沸劑，經(jīng)三相分離器(V-102)脫除其中的氣相和水分后打入吸收塔(T-102)循環(huán)利用[15-17]，以減少損失，避免污染。

圖2 HYSYS模擬DRIZO脫水工藝流程圖

1.3 操作參數(shù)

處理量為750×104m3/d，吸收塔操作壓力11.7 MPa(a)，吸收塔入口天然氣溫度30 ℃。濕天然氣具體摩爾組成見表1。

表1 濕天然氣的組成和性質(zhì)

組分含量/(%)組分含量/(%)C189.50?n㊣C70.06C21.53CO20.78C30.35N27.10?i㊣C40.01H2O0.07?n㊣C40.14C6H60.01?i㊣C50.07C6H5CH30.01?n㊣C50.06C6H5CH2CH30.17?n㊣C60.06C6H4(CH3)20.08

1.4 模擬結(jié)果

傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝流程模擬關(guān)鍵物流的物性參數(shù)及組分分別見表2、表3，DRIZO脫水工藝采用正庚烷做共沸劑，其流程模擬關(guān)鍵物流的物性參數(shù)及組分分別見表4、表5。

表2 傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝流程關(guān)鍵物流的物性參數(shù)

物流溫度/(℃)壓力/MPa(a)流量/(m3·h-1)4(三甘醇貧液)4012.77.905(干氣)27.3011.7031.22×10413(BTEX氣體排放)108.900.110.9916(三甘醇補(bǔ)給)250.150.02

表3 傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝流程關(guān)鍵物流的組分/(%)

物流CO2N2H2OC1～C7BTEX三甘醇4(三甘醇貧液)0.000.001.450.000.4498.115(干氣)0.787.100.0091.900.220.0013(BTEX氣體排放)0.771.7051.451.5843.301.201(三甘醇補(bǔ)給)0.000.000.000.000.00100

表4 DRIZO脫水工藝流程關(guān)鍵物流的物性參數(shù)

物流溫度/(℃)壓力/MPa(a)流量/(m3·h-1)4(三甘醇貧液)4012.704.805(干氣)27.2511.7031.23×10418(BTEX氣體排放)250.110.01627(三甘醇補(bǔ)給)250.150.002

表5 DRIZO脫水工藝流程關(guān)鍵物流的組分/(%)

物流CO2N2H2OC1～C7BTEX三甘醇4(三甘醇貧液)0.000.020.020.110.0199.845(干氣)0.787.100.0091.870.250.0018(BTEX氣體排放)17.0043.353.0035.151.500.0027(三甘醇補(bǔ)給)0.000.000.000.000.00100

1.5 模擬結(jié)果對(duì)比

1.5.1 三甘醇貧液濃度

模擬DRIZO脫水工藝流程得到的三甘醇貧液濃度可達(dá)到99.84 %，模擬傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝流程得到的三甘醇貧液濃度為98.11 %。

1.5.2 三甘醇貧液損失量

DRIZO脫水工藝脫水過(guò)程中的三甘醇貧液損失量為0.002 m3/h，傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝脫水過(guò)程中的三甘醇貧液損失量為0.02 m3/h。這是因?yàn)楣卜袆┍旧砭哂胁蝗苡谒腿蚀嫉奶匦?。因此，DRIZO脫水工藝脫水過(guò)程中的三甘醇貧液損失量少。

1.5.3 水露點(diǎn)

DRIZO脫水工藝脫水后干天然氣水露點(diǎn)可達(dá)-56.44 ℃，傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝脫水后得到干天然氣水露點(diǎn)為-18.24 ℃。這是因?yàn)镈RIZO脫水工藝脫水過(guò)程中的三甘醇損失量少，回收得到的三甘醇貧液濃度高，因此脫水后干天然氣的水露點(diǎn)低。

1.5.4 BTEX排放

在吸水環(huán)節(jié)吸收了天然氣中BTEX的三甘醇在再生環(huán)節(jié)與共沸劑接觸，BTEX進(jìn)入共沸劑中，再生用的共沸劑不直接排放到大氣而是循環(huán)利用，一定程度上減少了BTEX的排放。DRIZO脫水工藝再生塔后經(jīng)三相分離器排放到大氣中的BTEX的排放量為0.384 m3/d，傳統(tǒng)三甘醇脫水流程經(jīng)再生塔排放到大氣中的BTEX的排放量為23.76 m3/d。

2 DRIZO脫水工藝影響因素分析

2.1 吸收塔塔板數(shù)對(duì)脫水效果的影響

處理量為750×104m3/d，吸收塔操作壓力11.7 MPa(a)，正庚烷作共沸劑，其循環(huán)量為5 kg/h的情況下，研究不同塔板數(shù)N下三甘醇貧液循環(huán)量對(duì)脫水效果的影響，結(jié)果見圖2。

如圖2所示，當(dāng)三甘醇貧液循環(huán)量在1.0～5.0 m3/h范圍內(nèi)變化時(shí)，脫水后的干天然氣含水量和水露點(diǎn)隨著塔板數(shù)的增加而降低。這是因?yàn)樗鍞?shù)增多，氣液接觸面積增大，加強(qiáng)了水在氣液相之間的傳質(zhì)[18]。所以，增加塔板數(shù)能夠降低三甘醇貧液循環(huán)量。

a)不同吸收塔塔板數(shù)下三甘醇貧液循環(huán)量對(duì)干天然氣含水量的影響

b)不同吸收塔塔板數(shù)下三甘醇貧液循環(huán)量對(duì)干天然氣水露點(diǎn)的影響

但是，隨著三甘醇貧液循環(huán)量的增加，脫水后干天然氣含水量和水露點(diǎn)的下降趨勢(shì)減小，當(dāng)三甘醇貧液循環(huán)量增加到4.5 m3/h后干天然氣含水量和水露點(diǎn)隨三甘醇貧液循環(huán)量增大變化得不明顯。同時(shí)，理論塔板數(shù)從4增加到6時(shí)，隨著三甘醇貧液循環(huán)量的增加，脫水后干天然氣含水量和水露點(diǎn)的降低同樣變緩。這是因?yàn)?，?dāng)三甘醇貧液循環(huán)量或者塔板數(shù)增大至一定值后，水分在氣液相間的傳質(zhì)阻力作用逐漸增強(qiáng)[19]。

在吸水環(huán)節(jié)吸收了天然氣中BTEX的三甘醇在再生環(huán)節(jié)與共沸劑接觸，BTEX進(jìn)入共沸劑中，天然氣本身含

有的BTEX混合物作為共沸劑的一部分在脫水工藝流程中循環(huán)，不但可以減少BTEX的排放，還可以降低費(fèi)用。但是考慮到在三甘醇再生環(huán)節(jié)中BTEX的排放速率會(huì)隨著三甘醇貧液循環(huán)量的增加而增加，DRIZO脫水工藝三甘醇貧液的循環(huán)量還需控制在一定數(shù)值以內(nèi)。本系統(tǒng)中，N=6時(shí)，最佳循環(huán)量為4.5 m3/h。

2.2 共沸劑循環(huán)速率對(duì)脫水效果的影響

處理量為750×104m3/d，吸收塔操作壓力11.7 MPa(a)，吸收塔塔板數(shù)6塊，研究不同三甘醇貧液循環(huán)量下正庚烷作共沸劑其循環(huán)速率對(duì)脫水效果的影響，結(jié)果見圖3。

a)不同三甘醇貧液循環(huán)量下共沸劑循環(huán)量對(duì)干天然氣含水量的影響

b)不同三甘醇貧液循環(huán)量下共沸劑循環(huán)速率對(duì)干天然氣水露點(diǎn)的影響

引入共沸劑可大幅降低脫水后干天然氣的含水量，使得脫水效果加強(qiáng)。共沸劑質(zhì)量流量越大，脫水后干天然氣的含水量越低。由亨利定律可知，溶液上方的氣體溶質(zhì)平衡分壓與該溶質(zhì)在液相中的組成成正比，引入共沸劑后，水蒸氣在氣相中的分壓減小，其在液相即三甘醇溶液中的溶解度也隨之減小，使得回收后的三甘醇貧液濃度提高，脫水后干天然氣的含水量降低[20]。實(shí)際操作過(guò)程中，可視脫水深度選擇適宜的共沸劑循環(huán)速率。

2.3 不同種類共沸劑對(duì)脫水效果的影響

常用共沸劑的組成為C5～C8范圍內(nèi)的芳環(huán)烷烴及石蠟烴的混合物，也可采用正庚烷、異辛烷等。確定吸收塔操作壓力為11.7 MPa(a)，理論塔板數(shù)為6，三甘醇貧液循環(huán)量為4.5 m3/h，研究不同共沸劑對(duì)脫水效果的影響，結(jié)果見圖4。

如圖4所示，分別采用正庚烷、異辛烷作為共沸劑進(jìn)行模擬，探討不同共沸劑對(duì)脫水效果的影響。結(jié)果顯示，采用正庚烷作為共沸劑得到的脫水后干天然氣含水量最低。

a)不同種類共沸劑對(duì)脫水后干天然氣含水量的影響

b)不同種類共沸劑對(duì)脫水后干天然氣水露點(diǎn)的影響

3 結(jié)論

1)天然氣處理量為750×104m3/d，吸收塔操作壓力為11.7 MPa(a)，理論塔板數(shù)為6，三甘醇貧液循環(huán)量為4.5 m3/h，正庚烷作共沸劑且其循環(huán)量為5 kg/h。模擬DRIZO脫水工藝得到的三甘醇貧液濃度為99.84 %，脫水后干天然氣水露點(diǎn)為-56.44 ℃，脫水過(guò)程中的三甘醇損失為0.002 m3/h，再生塔后經(jīng)三相分離器排放到大氣中的BTEX排放量為0.384 m3/d。結(jié)果顯示，DRIZO脫水工藝具有提高脫水效率、減少BTEX排放等優(yōu)點(diǎn)，脫水效果遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝的脫水效果。

2)吸收塔塔板數(shù)、共沸劑循環(huán)速率、共沸劑的種類都會(huì)對(duì)DRIZO脫水工藝的脫水效果產(chǎn)生影響。一定范圍內(nèi)，塔板數(shù)越多、共沸劑質(zhì)量流量越大，則脫水效果越好，脫水后干天然氣的水含量越低。天然氣處理量為750×104m3/d，吸收塔操作壓力為11.7 MPa(a)，吸收塔塔板數(shù)為6塊，三甘醇貧液循環(huán)量為4.5 m3/h，共沸劑質(zhì)量流量為5 kg/h，可使處理后的氣體含水量滿足管輸要求。分別采用正庚烷、異辛烷作為共沸劑進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示，操作參數(shù)相同時(shí)，采用正庚烷作為共沸劑得到的脫水后干天然氣含水量最低。

3)DRIZO脫水工藝雖具有提高脫水效率、減少BTEX排放等優(yōu)點(diǎn)，但其前期投資較大，需視天然氣處理規(guī)模和是否含有BTEX氣體等綜合考慮是否選用DRIZO脫水工藝脫水。

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2015-06-21

賀 三(1975-)，男，四川成都人，副教授，博士，主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)方面的研究。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.01.010