乙二醇回收裝置中顆粒過濾器的設(shè)計與應用

宗俊斌，楊 勇，趙迎濤，林湧濤，張俊山

（中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東深圳 518000）

乙二醇回收裝置中顆粒過濾器的設(shè)計與應用

宗俊斌，楊 勇，趙迎濤，林湧濤，張俊山

（中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東深圳 518000）

預涂式顆粒過濾器目前在國內(nèi)較少的應用在石油化工行業(yè)，在乙二醇回收裝置中，由于乙二醇對顆粒過濾器的處理量及處理后的精度要求較高。因此需要一套適應性強，處理量大，處理精度高，裝置操作切換簡單的過濾器來滿足要求。本文結(jié)合工程應用實例，對乙二醇回收裝置中的顆粒過濾器的工藝、設(shè)計以及問題等進行了討論。

乙二醇回收；顆粒過濾器；精度

1 乙二醇回收裝置簡介

中國南海某氣田開采使用水下生產(chǎn)系統(tǒng)，從井口采集上來的氣經(jīng)過海底管道運輸?shù)街行钠脚_進行處理。在海管運輸過程中需要加入乙二醇（MEG）抑制水合物的形成，防止海管堵塞。

該平臺設(shè)計一套乙二醇再生回收單元（MRU），將返回到平臺的富乙二醇進行處理，達到標準后進入貧乙二醇產(chǎn)品接收罐，達到再生回收的目的。MRU系統(tǒng)按照功能可以分為4個單元，分別為預閃蒸單元、預處理單元、再生單元、脫一價鹽單元[1]（見圖1）。

2 顆粒過濾器在MRU中的必要性及工藝設(shè)計

在油氣生產(chǎn)的過程中會有地層水隨著油氣一起流入生產(chǎn)管柱進入生產(chǎn)流程，地層水中的二價鹽主要為Ca2+、Mg2+溶解在MEG溶液中，如果在預處理階段不除去二價離子，當Ca2+濃度大于35 g/L時將會與MEG聚合生產(chǎn)一種膠狀物（見圖2）。可見除去二價鹽對于保證MRU系統(tǒng)可操作具有很大的重要性。因此在預處理階段通過加入堿性化學藥劑以沉淀二價鹽，再通過顆粒過濾器以達到除去沉淀從而達到MEG溶液中除去二價鹽的目的[2]。

圖1 乙二醇回收裝置生產(chǎn)流程

圖2 Ca（MEG）4Cl2膠狀物

顆粒過濾器通過助濾劑涂覆在濾布上，形成均勻的預涂層。預涂層起主要過濾作用來過濾介質(zhì)中的雜質(zhì)和二價鹽沉淀，過濾后的乙二醇精度可達到NAS12，當顆粒過濾器入口和出口壓差達到一定值時或者倒計時結(jié)束時，認為過濾結(jié)束，需要進行卸料。過濾完畢后首先對濾餅進行干燥，干燥完畢后，以氮氣為介質(zhì)進行脈沖吹掃，使得濾布伸縮，濾餅脫落，并進行卸料，完成一個過濾循環(huán)。濾芯結(jié)構(gòu)圖和吹掃示意圖（見圖3）。

圖3 濾芯結(jié)構(gòu)圖和吹掃示意圖

顆粒過濾器單元由兩個及兩個以上過濾器（過濾MEG溶液中的二價鹽沉淀、顆粒雜質(zhì)等）、助濾劑添加系統(tǒng)（為顆粒過濾器內(nèi)部濾芯附著助濾劑）、氮氣系統(tǒng)（對顆粒過濾器進行干燥、排液等）、放空系統(tǒng)、進液系統(tǒng)（主要由預處理罐、預處理泵組成為其提供MEG溶液）等組成，顆粒過濾器單元流程示意圖（見圖4）。

3 顆粒過濾器切換流程及操作參數(shù)

3.1 顆粒過濾器切換流程

顆粒過濾器單元一般設(shè)置三個過濾器，為兩用一備，正常情況下都有兩個過濾器在進行過濾過程，當其中一個過濾器的壓差達到報警值或者過濾倒計時完成以后，第三個過濾器才開始進行再生過程，再生完成后開始進行過濾器切換[3]（見圖5）。

顆粒過濾器一個循環(huán)周期一共可分為七步:

（1）使用氮氣對顆粒過濾器清洗吹掃，以置換內(nèi)部的氧氣。

（2）助濾劑添加罐添加MEG溶液、助濾劑以及對過濾器進行涂層。

①通過外加撬塊對助濾劑添加罐添加助濾劑，通過預處理泵向其加注MEG溶液；②當助濾劑添加罐滿足條件（壓力、液位、攪拌時間等）后，通過助濾劑添加泵向過濾器填充助濾劑溶液；③填充滿以后（液位開關(guān)觸發(fā)）通過助濾劑添加泵對過濾器、助濾劑添加罐打循環(huán)，對過濾器內(nèi)過濾元件進行濾餅建立。

（3）當助濾劑泵循環(huán)一定時間后，開始進入過濾階段，以除去二價沉淀鹽、顆粒、雜質(zhì)等。

（4）當過濾到一定時間或者過濾器前后壓差到一定值后，停止過濾，將過濾器內(nèi)部MEG溶液排放至預處理罐。

（5）當排液結(jié)束后（液位開關(guān)觸發(fā)）通過氮氣對過濾器內(nèi)濾器元件上的鹽餅進行干燥。

（6）當干燥一定時間后，通過放空管線將過濾器內(nèi)部壓力降低至常壓。

圖4 顆粒過濾器單元流程示意圖（粗線為過濾階段時MEG溶液流程）

圖5 顆粒過濾器控制時序圖

（7）通過氮氣對內(nèi)部過濾元件進行反向憋壓吹掃，以使得鹽餅脫落至頂部廢鹽收集撬。

3.2 參數(shù)選取

3.2.1 堿性藥劑加注量 根據(jù)該氣田地層水中產(chǎn)出的碳酸根和氫氧根總量，通過采用相關(guān)工藝軟件模擬計算出碳酸鈉注入量與鈣、鐵離子析出率之間的關(guān)系（見圖6）[4]，可以看出當碳酸鈉注入量為23.6 kg/h時，鈣、鐵離子析出率穩(wěn)定在99.5%左右，繼續(xù)增大碳酸鈉注入量析出率也沒有明顯提高，同理，氫氧化鈉的注入計算量為34.7 kg/h時，鎂離子析出率為99.2%。

圖6 碳酸鈉注入量與鈣、鐵離子析出量關(guān)系

3.2.2 系統(tǒng)操作溫度 據(jù)文獻資料[5]介紹，低溶解性二價鹽在水中的溶解度很小，且隨溫度變化幅度不大。考慮來液中溶解有一定量的烴類，為了避免大量烴類在過濾器內(nèi)聚集而發(fā)生堵塞以及發(fā)生起泡，在預處理上游段操作溫度選取為60℃～80℃，此時一價離子溶解度變化不大，同時絕大多數(shù)的烴類均能從上游罐內(nèi)分離出去。同時綜合氣田凝析油物性及二價鹽溶解度，預處理罐的操作溫度確定為80℃最為合適。

3.2.3 過濾、再生參數(shù) 該顆粒過濾器屬于高精度、大流量過濾器，因此采用12 h兩塔過濾一塔再生流程，同時壓差設(shè)定點為380 kPa。過濾器預涂循環(huán)再生結(jié)束和開始壓差的差值應該達到50 kPa以上，以保證預涂效果達到要求。

4 顆粒過濾器的設(shè)計要點

4.1 助濾劑粒徑分布的選擇

珍珠巖助濾劑的登記范圍一般而言是0.2～6達西。因為在預處理管內(nèi)沉淀物的大小由其參數(shù)決定的，因此珍珠巖的粒徑通常按照設(shè)計要求設(shè)定。該氣田珍珠巖粒徑累計分布（見表1）。

表1 珍珠巖粒徑累計分布

4.2 預涂的關(guān)鍵參數(shù)

（1）在預涂前需保證顆粒過濾器脈沖吹掃完成，濾餅完全脫落以保證濾布的潔凈度，現(xiàn)場實際干燥氮氣500 kPa，吹掃氮氣20 kPa。

（2）顆粒過濾器濾布預涂厚度設(shè)定，一般預涂厚度由調(diào)試工程師設(shè)定完成在6 mm～8 mm，預涂厚度與預涂時間、排量、預涂壓差等相關(guān)參數(shù)相關(guān)，現(xiàn)場實際預涂時間30 min，預涂泵流量為130 m3/h。

（3）顆粒過濾器的面積60 m2，1 m2預涂量1 kg，單次預涂60 kg。從而確定助濾劑添加罐中單次添加珍珠巖量，通過取樣觀察助濾劑添加罐中的樣本光學清晰度來加以確認。

（4）在預循環(huán)后，必須使流體往前持續(xù)流動以保證過濾器上的珍珠巖預涂層不脫落。

4.3 顆粒過濾器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

在有限的過濾器內(nèi)要保證足夠大的過濾面積，在每個顆粒過濾器內(nèi)有11排共97根濾芯組成（見圖7）。每根濾芯由中心管、不銹鋼骨架、濾布等主要部件組成。每排中心管線均連接在單獨的收集管匯上，每根收集管匯在濾器出口均設(shè)置有自動閥門，在進行氮氣脈沖時可單排依次進行，可保證每次的脈沖質(zhì)量。同時，極大的增加了過濾面積，正常過濾時單套流量可達19.6 m3/h。

圖7 顆粒過濾器外形結(jié)構(gòu)圖

5 實際應用中的故障分析及解決方案

在實際運行中過濾效果不佳，出口富乙二醇的顆粒度不達標，高達NAS15，部分雜質(zhì)未經(jīng)過濾進入到再生單元，造成泵入口濾器堵塞，尤其是在重沸器中堆積，造成加熱效率降低。清洗泵入口濾器和重沸器，造成乙二醇的大量浪費。經(jīng)過開蓋檢查發(fā)現(xiàn)大部分濾芯卡箍/墊圈存在脫落現(xiàn)象，且部分濾布上濾餅脫落不干凈特別是濾芯兩端比較嚴重。由于部分濾布從濾芯上滑落，導致從濾芯中吹掃的氮氣泄漏，無法將濾餅吹落。同時，濾布從濾芯上滑落，則珍珠巖及雜質(zhì)會進入下游工藝流程，顆粒過濾器過濾作用失效。經(jīng)分析造成這種問題原因有以下幾點:

（1）內(nèi)墊圈過度膨脹。內(nèi)置墊圈在溶液介質(zhì)中吸收乙二醇或油類物質(zhì)，導致自身膨脹，膨脹率大于30%，且現(xiàn)場內(nèi)墊圈散發(fā)著濃烈的油味，內(nèi)墊圈的這種自身膨脹而產(chǎn)生的張力不容忽視。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計問題。本身設(shè)計濾芯槽的深度為2 mm，寬16 mm；內(nèi)墊圈厚4 mm，寬15 mm；卡箍寬12 mm。安裝時內(nèi)墊圈置于凹槽，濾布夾在內(nèi)外墊圈之間靠卡箍進行固定。由于內(nèi)墊圈厚度大于槽深，因此內(nèi)墊圈會凸出槽2 mm，濾芯槽只起固定內(nèi)墊圈作用，濾布和外墊圈受卡箍的束縛力不大，在吹掃、振動等條件下，墊圈/卡箍易脫落（見圖8）。

圖8 濾芯頭部實物及尺寸圖

現(xiàn)場通過如下措施已解決濾芯卡箍/墊圈存在脫落現(xiàn)象:

（1）內(nèi)墊圈材質(zhì)更換:選用耐乙二醇、耐油類物質(zhì)、耐高溫（現(xiàn)場工況80℃）的新墊圈，且新墊圈具有一定彈性，有利于其在濾芯上的安裝。

（2）內(nèi)外墊圈及卡箍尺寸重新設(shè)計。要使內(nèi)墊圈厚度小于卡槽深度，用卡箍將濾布固定緊以后，濾布一部分處于卡槽中。

在實際運行過程中最難解決的為間歇性故障，為解決顆粒過濾器間歇性堵塞問題，通常需要如下步驟進行分析:對固體沉淀和堵塞物進行化驗做出判斷；控制問題故障排除。

首先檢查預涂階段，確保該環(huán)節(jié)正常運轉(zhuǎn)。在每次過濾開始前均對預涂進行了細致的檢查，但是問題仍然不時的出現(xiàn)，因此排除預涂階段故障。

隨著對固體沉積物進行分析，發(fā)現(xiàn)固體中含有大量的烴類物質(zhì)，表明在預閃蒸階段撇油出現(xiàn)問題。現(xiàn)場通過調(diào)節(jié)預閃蒸罐內(nèi)的液位，校準液位信號變送器后該問題得以解決。

針對該問題，現(xiàn)場提出以下幾點預防性解決方法:

（1）氣井生產(chǎn)水、凝析油等組分可隨時間變化，定期分析樣品，確定水中含油等參數(shù)；（2）對固體沉淀和堵塞物進行化驗，提前檢測問題；（3）定期設(shè)備維護，校準傳感器，確定工藝參數(shù)正確。

在預處理罐中需要添加多種化學藥劑，當加入過量的碳酸鈉時，由于碳酸根顯堿性，如果不去除隨著生產(chǎn)再回到系統(tǒng)中，高含量碳酸根容易使油水形成乳濁液，加大油水的分離難度。此外，如果加入過量的除氧劑（亞硫酸鈉），不僅造成成本浪費，還會與氧反應形成硫酸鹽，容易形成結(jié)垢。

由于碳酸鈉和氫氧化鈉都屬于堿性化學藥劑，所以通過檢測儀表上的pH值（pH值介于9～10）便可確定化學藥劑的使用是否過量。同時，在預處理罐上還設(shè)置了含氧檢測儀表（ORP）以確定除氧劑的使用量是否合適。

本套MRU中，濾器干燥排放和吹掃排放流程一樣，都是通過預涂層罐至放空，其排放管線和脫水再生單元的排放管線相通。干燥排放時，由于再生單元放空管線中會有冷凝液聚集，導致顆粒過濾器在干燥排放時將積液瞬間噴出，同時也導致再生單元放空背壓升高。

在MRU中顆粒過濾器和再生單元均需要放空，但是兩個單元放空量及放空時的壓力存在著較大的區(qū)別，在設(shè)計中應盡可能考慮將兩個單元的放空系統(tǒng)分開設(shè)計，避免相互影響。

6 結(jié)語

該套三塔預涂式顆粒過濾器已經(jīng)在乙二醇回收裝置中投入使用，能夠確保經(jīng)過過濾后的乙二醇溶液精度達到NAS12以上，達到了設(shè)計的預期效果，為其后的工程設(shè)計積累了經(jīng)驗。

［1］曹莉，齊志彬，汪楊，李婷.海上氣田乙二醇回收系統(tǒng)的優(yōu)化研究［J］.廣州化工，2014，（22）:159-161.

［2］宗俊斌.乙二醇回收和脫鹽技術(shù)在番禺項目中的研究及應用［C］.海洋工程論文集，2014.

［3］周生林，郭偉，宗俊斌，張海磊，劉紅方，張強，鄭天旭.番禺34-1氣田乙二醇回收系統(tǒng)的設(shè)計改進［J］.油氣田地面工程，2016，（6）:34-37.

［4］郝蘊，周曉紅.南海深水氣田群番禺34-1CEP平臺乙二醇再生脫鹽系統(tǒng)工藝設(shè)計［J］.中國海上油氣，2014，（4）:91-95.

［5］STEPHEN H，STEPHEN T.Solubilities of inorganic and organic compounds［M］.Oxford:per-gamon Press，1963.

Design and application of particle filter in ethylene glycol recovery unit

ZONG Junbin，YANG Yong，ZHAO Yingtao，LIN Yongtao，ZHANG Junshan
（CNOOC Deepwater Development Co.，Ltd.，Shenzhen Guangdong 518000，China）

In recent years,the application of particulate filter in the petrochemical industry is less in China.In the ethylene glycol recovery technology,the processing quantity and precision of the pellet filter are higher.Therefore,it is necessary to meet the requirements of a set of strong adaptability,large processing capacity,high processing precision and simple operation of the device.In this paper,the process,design and problems of particle filter in ethylene glycol recovery unit are discussed.

ethylene glycol recovery technology；particulate filter；precision

TE966

A

1673-5285（2017）04-0131-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.04.033

2017－03-13

宗俊斌（1983-），工程師，主要從事海洋石油天然氣開發(fā)開采及處理工作，郵箱:624798507@qq.com。