基于分子筛脱水工艺等压再生技术的研究及应用.pdf

基于分子筛脱水工艺等压再生技术的研究及应用黄纯金，陈斌，李肖，田怡，李姣，陈亮（中国石油长庆油田分公司第十采油厂，甘肃庆阳745100）摘要：本文主要为解决分子筛脱水工艺矿场应用的适用性问题，降低设备整体能耗及运行成本，通过对分子筛应用现状及存在问题进行分析，根据实际生产需求，结合三塔等压再生的技术特点，对分子筛的工艺流程、吸附剂、运行参数进行设计，并建立 HYSYS 模型，使用 HYSYS 对设计参数、设备能耗、技术方法进行验证，最后通过矿场实验，对设计的三塔等压再生工艺进行矿场评价，对比经济效益。创新性的研究完善了湿气等压再生工艺流程、材料、参数等内容，在解决双塔降压再生运行难题的同时，降低了分子筛脱水工艺的综合能耗、运行成本，对现场生产运行具有较高的指导意义。关键词：等压再生；分子筛；HYSYS；能耗中图分类号：TE962文献标识码：A文章编号：1673-5285（2023）0苑-0047-06DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.20圆3.0苑.010Research and application of isobaric regeneration technologybased on molecular sieve dehydration processH哉粤晕郧 Chunjin，C匀耘晕 Bin，L陨 Xiao，T陨粤晕 Yi，L陨 Jiao，C匀耘晕 Liang（Oil Production Plant 10 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Qingyang Gansu 745100，China）Abstract:In order to solve the applicability of the application of molecular sieve dehydrationprocess in the field and reduce the overall energy consumption and operating cost of the e原quipment.This paper analyzes the current situation and existing problems of molecular sieveapplication,designs the process flow,adsorbent and operating parameters of molecular sieveaccording to the actual production demand and the technical characteristics of three-towerisobaric regeneration,and establishes the HYSYS model,and uses HYSYS to calculate thedesign parameters,equipment energy consumption and the technical methods are verified.Finally,the designed three-tower isobaric regeneration process is evaluated in the fieldthrough field experiments,and the economic benefits are compared.The innovative researchhas improved the process flow,materials,parameters and other contents of the wet gas iso原baric regeneration,and reduced the comprehensive energy consumption and operation cost ofthe molecular sieve dehydration process while solving the operation problems of the double-tower depressurization regeneration,which has a high guiding significance for the on-site*收稿日期：圆园23原05-26作者简介：黄纯金（1988），男，工程师，大学本科，主要从事油田开发工作。E-mail：石油化工应用PETROCHEMICAL INDUSTRY APPLICATION第 42 卷第 7 期2023 年 7 月Vol.42 No.7July.2023序号站库设计规模/（员园源皂猿 凿-1）处理工艺分子筛脱水工艺再生温度/益再生压力/MPa水露点/益1庆一联3DHX 吸收工艺双塔降压再生工艺2800.8-652庆二联4冷凝回收工艺双塔降压再生工艺2600.2-403庆三联3DHX 吸收工艺双塔降压再生工艺2800.8-631研究背景及现状1.员研究背景在油田伴生气回收与加工过程中，一般采用的是低温分离处理工艺。若油田伴生气中含水，低温时油田伴生气中的水分会以冰霜的形式冻结在冷箱换热器的表面，使冷箱压差增大，降低装置的处理能力，甚至堵塞冷箱通道，造成装置停产。而且在某个特定的温度和压力下，油田伴生气和水会形成天然气水合物，可能导致工艺管线、分离设备和换热设备堵塞，严重影响生产的安全稳定运行，因此要及时有效的对油田伴生气内的水含量予以合理控制及消减，固体吸附法中的分子筛脱水工艺是当前我国最常用到的一种脱水方法，分子筛脱水就是采用分子筛脱除掉气体混合物中水蒸气的工艺过程。其工艺按再生压力来分，可分为等压再生和降压再生1。1.2研究现状在油田伴生气综合利用工程一期、二期建设过程中，主要采用双塔降压再生工艺，该工艺冷箱运行参数与设计存在不符问题，导致冷箱再生气通道多次冻裂，再生气与冷剂串通，既导致了设备损坏、生产停滞等经济损失，不同物料通道串通又带来了设备非正常工况停机，进而引发更多的链式反应，存在较大安全风险2。含水天然气进入干气返供系统，导致干气系统冬季管线运行困难，极端低温或低气量会导致站内、站外管线冻堵，进而导致分子筛再生、干气外输、下游点炉等工作无法顺利开展，引发次生风险。现场油田伴生气管道均未做内防腐，凝析水会长时间滞留在管道低洼处、弯头处，长时间运行易造成冲刷性侵蚀及细菌含量超标腐蚀，存在管道失效速度快、污染环境等风险3。目前建有轻烃处理装置 3 套（表 员），设计能力 10伊员园源皂猿/凿，其中 3 套采用双塔降压再生工艺，主要流程为上游站库油田伴生气至轻烃装置（压力 0.2 MPa），原料气经增压至 2.0 MPa，进行吸附脱水（水露点-70 益），脱水后经冷却至-40 益回收重烃，气相深冷至-68 益，进入 DHX 塔进行二次吸收提高 C3+回收率，干气经冷箱换热后返供干气系统。2等压再生工艺设计2.1等压再生工艺简介等压再生工艺主要含两具主吸附塔和一具辅助吸附塔，主塔一塔进行吸附操作，另一塔进行再生操作，副塔可以在吸附和再生之间切换。主要流程（图员）：原料气经增压后进入分子筛前分为再生气、生产气两条流程，对生产气进行截流降压处理，再自上而下进入其中一具主塔吸附，再生气直接进入副塔吸附干燥后，经加热至另一具主塔进行自下而上再生，再生气经过冷却分离后，返回生产气流程；副塔再生时，由未降压主塔吸附干燥后，进入副塔进行再生，三塔分子筛再生主要包括热吹和冷吹两个过程4。2.2工艺选型（1）脱水工艺的选择：级间脱水是指在原料气一二级压缩之间进行脱水的工艺，该工艺对压缩机有一定保护功能；级后脱水是指在原料气压缩机增压完成后进行脱水的工艺，该工艺主要优势在于设计体积小、投资及运维成本低5。以 5伊104m3/d 油田伴生气处理规模为基础，根据HYSYS 模拟数据对比（表 2）。根据两种工艺对比，级后脱水负荷低于级间脱水负荷，设备投资、电耗、运维等费用均优于级间脱水，故建议采用级后脱水工艺。（2）再生工艺的选择：降压再生是指使用装置干气作为再生气，将压力降至 0.8 MPa，经加热后进行再生，该工艺再生效果好，但对填料损伤较大，且干气中水分无法高效去除，对后端管线运行影响大；等压再生是指production and operation.Keywords：isobaric regeneration；molecular sieve；HYSYS；energy consumption表 1分子筛应用基本现状石油化工应用2023 年第 42 卷48采用高压湿气脱水后作为再生气，在 2.0 MPa 的工况下，经加热后进行再生，该工艺主要优势在于解决了干气含水带来的一系列生产运行问题。表 2分子筛级间、级后脱水参数对比表表 3分子筛降压再生、等压再生对比表对两种工艺的优缺点进行对比（表 3），结合现场已建站库生产运行情况，建议选用湿气等压再生工艺。（3）分子筛吸附剂的选择：分子筛吸附剂的基本骨架结构为 SiO2四面体和 Al2O3四面体，按照一定的方式相连在一起，形成复杂的、中空的多面体7。分子筛具有很大的比表面积，其表面具有高度的极性，因而对天然气中的水、含硫化合物、二氧化碳等极性分子和可极化的分子具有较强的吸附力与较大的吸附容量。分子筛的吸附强度顺序：H2ONH3CH3OHH2SCO2N2CH46。几种常见分子筛填料吸附性能见表 4。表 4常见分子筛填料吸附性能对比表根据油田伴生气组分性质及目标产品需求，防止乙烷以上组分被吸附，影响吸水性能，选取 3A 填料作为分子筛吸附剂8。2.3参数设计吸附温度设计：吸附操作时，水的饱和蒸气压随着温度的升高而增加，有利于吸附的进行，但吸附剂的吸附率却随着温度的升高而降低，不利于吸附9。根据厂家实验数据拟合的 3A 分子筛在不同温度下的静态吸附曲线（图 2），60 益以内吸附率随温度变化较小，60 益以上吸附率下降幅度较大，因此吸附温度应控制在 60 益以内。有效湿容量选择：根据工业用干燥剂静态平衡曲线，分子筛的静态平衡湿容量约为 22%；根据标准 GB类型孔径尺寸/nm能吸附的分子不能吸附的分子3A0.3H2O、NH3C3H8及以上4A0.4C2H5OH、H2S、CO2、SO2、C2H4、C3H6、C2H6C4H10及以上5A0.5n-C4H9OH、n-C4H10、C3H9C22H46异构物和大于四个碳的环状物项目级间脱水级后脱水备注处理量/（员园源皂猿 凿-1）55运行压力/MPa0.982.08脱水负荷/（kg h-1）12.195.41增压能耗/kW230.2231.0再生气加热负荷/kW51.1234.35冷却负荷/kW343.60329.43吸附剂量/kg3 0701 360吸附剂 2 年更换一次设备投资/万元158112运行费用电耗/（万元/年）133.8126.5电价：0.53元/千瓦时吸附剂消耗/（万元/年）1.50.7吸附剂 10元/千克设备维护/（万元/年）3.92.8合计/（万元/年）139.2130.0项目降压再生等压再生优点（1）再生效果好（2）投资成本低（3）能耗较低（1）运行维护成本低（2）彻底解决了干气含水带来的系列问题缺点（1）运行维护费用高（2）干气中含水（3）再生控制流程较复杂（1）再生效果略差（2）投资成本较高（3）整体能耗较高黄纯金等基于分子筛脱水工艺等压再生技术的研究及应用第 7 期图 1分子筛等压再生工艺流程图原料气来气过滤器分离器再生气水冷却器循环水循环水不合格气回流干气至冷箱粉尘过滤器分子筛干燥塔分子筛干燥塔再生气分离器导热油加热器再生气电加热器分子筛干燥塔污水至分离器导热油导热油分子筛脱水撬PCAEFICLCTICTICM49图 23A 分子筛的静态吸附曲线877080 规定了测定吸附剂动态湿容量的方法，通常分子筛的动态湿容量为 9%12%；有效湿容量一般按照动态湿容量的 80%进行设计，综合考虑取值为8%9。按油田伴生气 5伊104m3/d（折算 2.0 MPa 工况体积2 500 m3/d）、水露点 40 益（含水量 50.91 g/m3）计算，含水量为 127.28 kg/d，设计吸附周期为 16 h，吸附水量为84.85 千克/次，根据有效湿容量计算，主吸附塔需分子筛吸附剂 1.06 吨/具10。3分子筛参数的优化3.1模型建立采用级后脱水+湿气等压再生+三塔吸附工艺，选取 3A 分子筛吸附剂（用量 1.00 吨/具），执行 8 h 主塔吸附+8 h 再生吸附+8 h 再生运行制度，以 5伊104m3/d油田伴生气处理规模为基础建立 HYSYS 模型（图 3）。边界条件：（员）压缩机将原料气增压至 2.0 MPa；（圆）原料气分为再生气与生产气两股物料，生产气通过截流降压至 0.2 MPa；（猿）再生气进分子筛脱水后经加热进行再生；（源）再生后的再生气通过加入纯水物料模拟再生气含水状态；（缘）含水再生气通过水冷降温、分离器排水，将再生气与生产气混合进入主塔吸附脱水。3.2冗余计算按照 HYSYS 模型计算，再生气脱水塔吸水量为2.164 kg/h，主吸附塔吸水量为 7.752 kg/h，根据三塔运行制度，预计单塔处理气量 2伊104m3/d，实际吸附量为79.328 kg/d；根据分子筛参数设计单塔最大湿容量为80 kg/d跃79.328 kg/d（单塔实际吸附量），满足生产要求，分子筛有效湿容量预留 1%3%，充分保障了分子筛特殊情况下的吸水性能11。油田伴生气中含水量按照水露点 40 益计算，实际运行过程中油田伴生气水露点冬季一般为 5 益、夏季为 25 益，基本满足了油田伴生气中含水率变化对分子筛的影响。3.3参数优化将再生气冷却器出口温度由 40 益降低至 30 益，可将主塔吸水量由 7.752 kg/h 降至 7.022 kg/h，单塔实际吸附量降至 73.488 kg/d，但冷却负荷增加 3.8 kW；继续降至 20 益，会将部分 C3、C4液化，导致轻烃产品进入污水系统损耗，因此将再生气冷却器出口温度设定为 3040 益运行效果最好14，16-19。3.4应用效果评价猿园圆缘圆园员缘员园2030405060708090100110120130吸附温度/益石油化工应用2023 年第 42 卷图 3分子筛 HYSYS 模型再生气脱水量再生气脱水加热负荷再生干气主吸附原料气来气湿气再生三通 员截流阀降压后主流程含水干气脱水混合器主脱水流程再生脱水量再生热干气再生混合器主流程脱水量主流程脱水脱水后物料含水干气再生气冷却器降温负荷含水冷干气干气分离器干气分离器排水再生气脱水量温度：圆员源援员0 益压力：2 050 kPa摩尔流量：0.120 1 kgmole/h质量流量：2.164 kg/h加热负荷热流：106.8 kW脱水后物料温度：42.08 益压力：1 970 kPa摩尔流量：90.560 0 kgmole/h质量流量：2 492.000 kg/h主流程脱水量温度：40.00 益压力：1 970 kPa摩尔流量：0.430 3 kgmole/h质量流量：7.752 kg/h干气分离器排水温度：40.00 益压力：1 970 kPa摩尔流量：0.334 9 kgmole/h质量流量：6.034 kg/h降温负荷热流：112.0 kW加热器50序号项目级后脱水级间脱水备注三塔等压再生工艺双塔降压再生工艺双塔降压再生1投资成本/万元125.00112.00158.002运行成本电耗/（万元/年）127.60126.50133.80电价：0.53 元/千瓦时3吸附剂消耗/（万元/年）0.300.701.50吸附剂 10 元/千克4设备维护/（万元/年）10.0028.0039.005合计/（万元/年）137.90155.20174.306间接损失/（万元/年）8.75017.5017.500.5 万元/吨710 年运行费用现值（设备投资+运行费+间接损失）1 591.501 839.002 076.002022 年 11 月庆五联油田伴生气处理装置顺利投运，设计处理能力 5伊104m3/d，分子筛采用三塔等压再生工艺，该工艺设计参数投入生产后，主要有以下几方面特点：（1）再生气冷却采用水冷换热器，未使用冷箱换热制冷，可合理控制冷却温度，彻底避免了冷箱冻堵、损坏等故障造成的设备损失及产量损失。（2）返供的干气水露点达到-70 益，远高于双塔降压再生工艺干气水露点，解决了冬季站内再生气流程管线冻堵导致连锁反应，提高了工艺适用性。（3）干气返供管道生产运行过程中不易产生冷凝水，形成段塞堵塞供气管道，减少了冬季干气管道吹扫频次，消减了管道硫酸盐还原菌滋生条件，避免了管道弯头处液击造成的管道失效。4推广应用及经济效益该项目主要从投资成本、运行成本和间接损失进行评价，选取双塔降压再生工艺进行对比（表 5）。通过对全生命周期进行对比，三塔等压再生工艺经济效益最好，较级后脱水双塔降压再生工艺节约 247.50 万元，较级间脱水双塔降压再生工艺节约 484.50 万元。5结论及建议（1）三塔等压再生工艺具有设备独立性强、分子筛使用寿命长、经济效益好、应用范围广、对其他设备影响小等特点，对比双塔降压再生工艺具有明显的技术优势。（2）分子筛在设计过程中的冗余设计，可确保在非正常工况下，分子筛还能维持基本运转，提高了工艺整体适用性。（3）由于分子筛再生时耗热量大、燃料气消耗量多，使得再生气系统能耗很高。在后续的研究过程中，可对再生气加热与降温流程优化，合理利用能量，降低生产成本。参考文献：1 赵永刚.天然气脱水塔的设计 J.科技创新与应用，2020，（2）：68-69.2 王倩.天然气脱水技术现状综述J.辽宁化工，2015，44（4）：432-434.3 袁东筱，周明军，刘富权，等.分子筛脱水装置再生过程仿真及控制优化 J.天然气与石油，2017，35（2）：36-41，46.4 刘建勋，宁雯宇.天然气脱水方法综述 J.当代化工，2015，44（7）：1548-1549，1552.5 许萍.天然气分子筛脱水装置设计与控制研究 D.成都：西南石油大学，2016.6 李均方，张瑞春，陈吉刚.改进的分子筛脱水装置在页岩气脱水中的应用 J.石油与天然气化工，2020，49（2）：14-18.7 吉红军，梁成宁，邢艳霞，等.分子筛脱水技术简介 J.山东化工，2013，42（6）：26-28.8 苏民德，俞接成，卫德强.天然气脱水技术探讨 J.北京石油化工学院学报，2015，23（1）：10-15.9 李明，魏志强，张磊，等.分子筛脱水装置节能探讨 J.石油与天然气化工，2012，41（2）：156-160.10 钱伯章.膜法分离气体及其应用 J.石油化工，1982，（9）：613-620.1员 胡晓敏，陆永康，曾亮泉.分子筛脱水工艺简述 J.天然气与石油，2008，26（1）：39-41.1圆 刘刚，徐守君.天然气深冷处理装置分子筛脱水工艺分析与研究 J.石油石化绿色低碳，2016，1（3）：48-52.1猿 张博，刘刚，高斌.天然气液化工厂分子筛脱水工艺比选J.中国石油和化工标准与质量，2018，38（1）：187-188.1源 杜丽民，丁锋.分子筛脱水系统工艺技术研究 J.天然气化工（C1 化学与化工），2018，43（2）：75-78.1缘 李学智.关于分子筛脱水工艺的分析与比较 J.化学工程与装备，2018，（7）：18-19.表 5不同工艺经济效益评价表（下转第 62 页）黄纯金等基于分子筛脱水工艺等压再生技术的研究及应用第 7 期511远 孙花珍.NGL 回收装置分子筛脱水工艺原理探讨与流程优化 J.中国石油和化工标准与质量，2018，38（8）：191-192.1苑 刘畅，李瑞萍.分子筛脱水装置的工艺设计及应用 J.石油和化工设备，2016，19（9）：13-16，20.1愿 王泉波，闫飞，于波，等.三塔等压吸附脱水天然气脱水工艺 J.油气田地面工程，2013，32（12）：94-95.员怨 董国庆，田明磊，孟琦.天然气深冷装置分子筛脱水系统研究 J.化工管理，2019，（13）：79-80.延长 2 h 左右就是最终应该执行的制度。利用有效冲程法对 225 口间开油井进行效果拟合，在产液量保持平稳的前提下，理论计算和实际执行的制度平均相差 2 h 左右，其中误差臆依4 h 的共计106 口，准确率有待提高。该方法计算较为简单，但未将液面恢复规律考虑进去，造成准确率较小，之后需持续跟踪效果并及时优化制度。3.3根据动液面监测判断间开制度根据动液面连续监测判断间开时间，对 L94 井的液面变化进行连续追踪，根据动液面变化监测，01:00开井后液面迅速下降，到 12:00 液面降到最低 1 832 m。此时停井，液面开始恢复，随时间推移，恢复速度逐渐下降，到 24:00 恢复到 1 729 m。结合间开时间计算公式可以求得理论间开时间：T=24伊120伊3.14伊0.124-0.073蓸蔀衣2蓘蓡2360伊3.14伊0.0282伊2.4伊2.5伊0.203-0.55=11.3 h3.4根据干线单量法判断间开制度通过对比干线单量数据变化情况，分析间开井对液量的影响，结合动液面变化情况优化间开制度，直至液量趋于平稳。3.5应用效果（员）通过加强技术研究、开展精细管理，实现间开工作的“三个转变、两个平稳”。领导高度重视、全员转变观念、加强现场管理，在不影响产量的情况下间开率由72.2%提升至 85.6%。间开井单井平均液量 1.25 m3/d，保持单井液量、管线运行及站点产进平稳。（圆）深化间开井管理，节能降耗效果明显。间开井数大幅增加，间开井数由 416 口提高到 492 口，日开井时间缩短 456 h，日耗电减少 1 113 千瓦时，日节约电费 694 元，进一步实现节能降耗。（猿）加大力度调整油井生产参数，日理论排量降低了 9.5%；泵效得到稳步提升，由 29.2%提高至 32.2%；机采系统效率提高了 3.6%；同时能够有效减缓油管杆偏磨，助力检泵周期及维护作业频次持续向好。4结论与认识（1）通过实施间开井与前期连续生产相比，取得了明显的节电效果，同时因油井生产时间减少，泵效、系统效率均有所提升，管、杆、泵的磨损降低，维护作业频次也大大低于连续生产时期。（2）通过数字化功图的变化可以初步判定间开时间，结合液面的变化、间开时间计算公式以及干线单量液量变化情况可以进一步确立比较合理的间开时间。仍需通过间开井的周度月度分析等做好效果跟踪，及时优化间开制度。（3）油井间开停井时，井筒内杂质沉降、堆积容易导致泵筒堵塞、泵阀漏失等，井筒有结蜡、结垢等问题的井实施间开停井后存在卡泵的情况。因此低产低效井的间开需要配合井筒治理，减少间开井漏失或卡泵上修的影响。参考文献：员 张琪援采油工程原理与设计 M 援东营：石油大学出版社，2006援圆 童宪章援压力恢复曲线在油、气田开发中的应用 M 援北京：石油工业出版社，1982援猿 雷群，赵卫国援低产井间歇抽油技术研究 J 援钻采工艺，2001，24（2）：20-21援（上接第 51 页）石油化工应用2023 年第 42 卷62