海上天然气田乙二醇再生及回收工艺的设计与模拟_李尉新.pdf

第 52 卷第 2 期 辽 宁 化 工 Vol.52，No.2 2023 年 2 月 Liaoning Chemical Industry February，2023 收稿日期收稿日期：2022-04-09 作者简介作者简介：李尉新（1997-），男，云南省保山市人，硕士研究生，2022 毕业于河北工业大学化学工程专业，研究方向：分离过程。通信作者通信作者：李银辉（1981-），女，副教授，博士，研究方向：功能分离材料与分离过程。海上天然气田乙二醇 再生及回收工艺的设计与模拟 李尉新1，吴巍2，李银辉1*，陈赞2，胡凯2，苑鹤莹1（1.河北工业大学 化工学院，天津 300130；2.中海油天津化工研究设计院有限公司，天津 300131）摘 要：在乙二醇再生及回收过程中，为了能达到最大限度抑制结垢和腐蚀的发生，减少占地面积和降低运营成本，提出通过带侧线采出的精馏塔完成乙二醇脱水和脱盐的新思路。通过对一步脱水脱盐工艺和全流脱盐工艺不同之处进行对比分析，利用 Aspen plus 软件确定两个工艺的最佳参数，然后对两个工艺进行了灵敏度分析，确定两种工艺的能耗及年总成本在不同参数下的变化情况。与全流脱水脱盐工艺相比，一步脱水脱盐工艺全年总费用降低了 11.5%。同时，在不同进料流量、富乙二醇中的含水量和产出水的盐浓度的情况下，一步脱水脱盐再生工艺的年总成本均低于全流脱盐工艺，更具成本效益。关 键 词：乙二醇；精馏；脱水；脱盐；模拟 中图分类号：TQ028 文献标识码：A 文章编号：1004-0935（2023）02-0215-08 在天然气开发中，输送过程容易形成水合物，从而造成管道堵塞，甚至导致管道破裂1-2。为了解决这一难题，可以采用注入乙二醇（MEG）来抑制水合物的产生3-4，吸收了部分采出液的 MEG 含有大量的水、盐、少量的烃类和二氧化碳（称 MEG富液），若未经处理再次回注将造成乙二醇质量分数不达标或盐和其他污染物的沉积而危害整个水下系统，因此，MEG 富液需经过乙二醇再生及回收装置（MRU）去除水、盐、烃类和二氧化碳5-6，使 MEG产品满足浓度、含盐量等条件要求，重新输送回水下注入点以循环使用7-10。目前，MRU 主要有传统工艺、全流脱盐工艺、分流脱盐工艺和离子交换法脱盐工艺11-12。传统工艺流程简单，运行成本低，但是没有进行脱盐处理，在运行后期会有大量的盐沉积造成结垢及设备严重腐蚀，不适合长期稳定的运行13。分流脱盐工艺对 MEG 富液进行了脱烃、脱水、脱盐处理，工艺成熟，但是只进行了部分脱盐，还是存在盐沉积的风险，且设备复杂，占地面积大，重量大，由于海上平台空间有限14-15，该方法不适用于海上 MRU 系统。离子交换法脱盐工艺在乙二醇脱盐体系中研究较少，工艺尚不成熟16。完全脱盐法能最大限度地预防结垢和腐蚀的发生，因此，海上 MRU 系统一般采用该方法15。但是完全脱盐工艺前期投资较高，且脱盐脱水分两个单元进行，占地面积也较大。为了有效防止腐蚀结垢、降低运营成本、减小占地面积，本文提出了采用带侧线采出的精馏塔一步脱水脱盐的新思路，即将乙二醇脱水和脱盐在一个单元进行，既能达到最大限度抑制结垢和腐蚀的发生，也减少了占地面积和降低了运营成本。1 模拟部分 1.1 工艺描述 1.1.1 全流脱盐工艺描述 全流脱盐工艺的工艺流程如图 1 所示。图 1 全流脱盐工艺的工艺流程图 MEG 富液通过闪蒸罐脱除烃类物质，再进入预处理器与药剂罐排出的碱性试剂 NaOH 和 Na2CO3发生化学反应生成 Mg(OH)2、CaCO3沉淀物，然后，工艺与装备 DOI:10.14029/ki.issn1004-0935.2023.02.029216 辽 宁 化 工 2023年2月 通过过滤器除去沉淀物，经预处理后的 MEG 富液进入再生塔，再经过精馏分离，水蒸气从塔顶蒸出，塔釜得到含盐 MEG 溶液；含盐 MEG 溶液输送到负压闪蒸罐中进行循环加热分离，合格 MEG 溶液（MEG 贫液）从负压闪蒸罐顶部蒸出，盐罐中将有晶体盐析出，当盐晶体达到一定的量时，打开离心机对盐罐进行离心处理，离心出来的盐颗粒储存于盐罐中，当盐罐储量达到一定量时，集中处理17。1.1.2 一步法脱水脱盐工艺描述 本文提出的采用带侧线采出的精馏塔一步脱水脱盐的工艺流程如图 2 所示，图 2 中红框内的部分为改进的部分，经过预处理后的 MEG 富液进入改进后的再生塔，水从塔顶蒸出，满足回注要求的MEG 贫液从侧线采出，塔釜中的高溶解性盐不断析出，过饱和的乙二醇溶液进入离心机脱出高溶解性盐。预处理脱烃、脱二价盐和离心脱盐部分与全流脱盐工艺一致。图 2 一步脱水脱盐工艺的工艺流程图 1.2 工艺的模拟 通过 Aspen Plus 软件对全流脱盐工艺和一步法脱水脱盐工艺进行模拟。模拟工艺的初始程序包括定义化学成分、选择适当物性方法、确定工艺流程、确定适当的操作条件以及设置输入和输出条件18。在进料物流中，主要的盐为氯化钠11,19，MEG 富液中 MEG 质量分数约 50%20-21，物性方法采用ELEC-NRTL22-23。进口 MEG 富液流量设置为 1 000 kgh-1，进料组成乙二醇、水、氯化钠的质量比为 47503。在对该过程进行模拟研究之前，在模拟中考虑了以下假设：系统模拟范围为再生塔进口至盐罐进口；MEG 贫液的目标质量分数为90%24-26；乙二醇在塔顶中损失量低于 200 mgL-1；盐的脱除率99%；乙二醇回收率99%。1.3 经济核算 通过一个精馏塔进行脱水和脱盐是改进后工艺的一个独特的特点，因此需要进行成本估计来研究改进后的工艺的经济效益。从资本投资和能源成本两个方面对两个工艺的的经济性进行了评价27。年总成本（TAC）的定义是能源成本（再沸器冷凝器和闪蒸罐的热负荷）加上年资本成本（总资本投资除以 3 年回收期）的总和。1.4 灵敏度分析 对不同的 MEG 富液中水含量、产出水的盐浓度和进料流量进行了敏感性分析，确定两种工艺的性能随不同操作条件和不同参数的变化情况，如表1 所示。表 1 敏感性分析中因素的描述 因素 条件 进料流量/(kgh-1)750 1 000 1 250 富 MEG 溶液中水质量分数/%30 40 50 60 70 产出水的盐质量分数/%1 2 3 2 结果与讨论 2.1 最佳设备参数 2.1.1 理论板数的确定 图 3 为全流脱盐工艺再生塔的回流比与理论板数的关系曲线。（a）回流比与理论板数的关系曲线 第 52 卷第 2 期 李尉新，等：海上天然气田乙二醇再生及回收工艺的设计与模拟 217 （b）理论板数和回流比乘积与回流板数关系曲线 图 3 全流脱盐工艺的回流比与理论板数的关系曲线图以及理论板数和回流比乘积与回流板数关系曲线图 通过 Aspen Plus 对两种工艺进行简捷计算，绘制回流比与理论板数曲线。对于合理的理论板数应在曲线斜率较小的区域选择。通过作理论板数和回流比乘积与理论板数的关系曲线找出最低点，其对应的数值即为合理的理论板数。由图 3 可以看出全流脱盐工艺的再生塔最佳理论板数为 11，对应回流比为 0.044 9。图 4 为一步脱盐脱水再生塔的回流比与理论板数的关系曲线。（a）回流比与理论板数的关系曲线 （b）理论板数和回流比乘积与回流板数关系曲线 图 4 一步脱水脱盐工艺的回流比与理论板数的关系曲线 以及理论板数和回流比乘积与回流板数关系曲线图 由图 4 可以看出，一步脱水脱盐工艺的最佳理论板数为 12，对应的回流比为 0.061 1。2.1.2 最佳进料位置 最佳进料位置，能够最大程度地减少温度返混、汽液返混，同时能耗也是最低的。不断改变进料板位置，观察其变化时对汽液相沿塔板分布、温度沿塔板分布及塔顶冷凝器和塔底再沸器热负荷的变化，通过将这 4 种参数结合，最终确定精馏塔的最佳进料板位置。图 5 为全流脱盐工艺在不同进料位置所对应 4 种参数的变化情况。由图 5 可知，对于全流脱盐工艺的再生塔，随着进料位置的向下移动，热负荷逐渐减小最后趋于稳定，在第 8、9、10 块板进料时，热负荷最小。（a）液相质量分数沿塔板的分布 （b）气相质量分数沿塔板的分布 （c）温度沿塔板的分布 218 辽 宁 化 工 2023年2月 （d）热负荷曲线 图 5 全流脱盐工艺不同进料板下液相质量分数、气相质量分数、温度沿塔板的分布以及热负荷曲线 与第 8 和第 9 块板相比第 10 块曲线较平滑，说明返混程度小，塔板分离能力强，最节约能耗。综合考虑，进料板位置应选第 10 块塔板，这样能最大程度的减少能耗损失。同样的，对于一步法脱盐工艺中的再生塔，对比四个参数，综合考虑，进料位置在第 9 块塔板的位置。图 6 为一步脱水脱盐工艺在不同进料位置所对应 4 种参数的变化情况。对于一步法脱盐工艺中的再生塔，第 9 块塔板对应曲线较平滑，对比 4 个参数，综合考虑，进料位置在第 9 块塔板的位置。（a）液相质量分数沿塔板的分布 （b）气相质量分数沿塔板的分布 （c）温度沿塔板的分布 （d）热负荷曲线 图 6 一步脱水脱盐工艺不同进料板下液相质量分数、气相质量分数、温度沿塔板的分布以及热负荷曲线 2.1.3 一步脱水脱盐工艺再生塔侧线采出位置 一步脱水脱盐工艺再生塔的 MEG 贫液从侧线采出，需要确定侧线采出位置。最佳侧线采出位置，能够在满足分离要求的情况下，最大程度地节省能耗28。在总理论板数为 12 块板、进料位置为第 9块塔板的情况下，改变侧线采出位置，观察其变化时侧线产品乙二醇含量、塔顶水含量、再沸器热负荷、冷凝器热负荷的变化，通过将这 4 种参数结合，最终确定精馏塔的最佳侧线采出位置。表 2 列出了侧线采出分别为 9、10、11 块板时的侧线产品 MEG 含量、塔顶水含量、再沸器热负荷、冷凝器热负荷。通过表 2 中数据可以了解到，当侧线采出在第 9 块板的位置时，再沸器热负荷和冷凝器热负荷较大，且塔顶水质量分数为 94.46%，不符合工艺的要求。当侧线采出在第 10 块板和第11 块板的位置时，塔顶水质量分数为 100%，侧线采出乙二醇质量分数为 90%，符合工艺要求，侧线采出在第 11 块板时，再沸器和冷凝器的热负荷均低于第 10 块板。所以，最佳侧线采出应在第 11 块板的位置。第 52 卷第 2 期 李尉新，等：海上天然气田乙二醇再生及回收工艺的设计与模拟 219 表 2 4 个参数随侧线采出位置的变化 名称 第 9 第 10 第 11 侧线产品 MEG 质量分数/%90 90 90 塔顶水质量分数/%94.46 100 100 再沸器热负荷/kW 416.25 403.64 400.96 冷凝器热负荷/kW-348.69-338.83-333.08 2.1.4 全流脱盐工艺闪蒸分离器操作参数 全流脱盐工艺通过再生塔脱除多余水分之后，需要在负压条件下通过闪蒸罐将合格乙二醇蒸出，底部析出的一价盐通过离心机脱除，使 MEG 贫液中的盐含量达到用作水合物抑制剂的工艺要求。闪蒸罐操作压力选取 25 kPa（A）。表 3 为 Aspen Plus 软件模拟MEG 脱盐工艺能耗及 MEG 贫液质量分数随温度变化的数据表。由表 3 可知，该工艺的能耗随着负压闪蒸温度的升高而变大，当温度为 153 时贫乙二醇产品质量分数为 90.24%，随着温度进一步升高，MEG质量分数逐渐增加，但能耗也随着增加，考虑到工艺要求 MEG 质量分数只需大于 90%，为了降低能耗，推荐负压闪蒸温度为 153。表 3 贫液质量分数及热负荷随温度变化的数据表 温度/150 151 152 153 154 155 能耗/kW 124.83 135.76 149.20 166.18 173.95 176.59 MEG 贫液质量分数/%85.86 87.33 88.80 30.24 90.78 90.93 2.2 经济核算结果 根据文献报道27计算全流脱盐工艺和一步法脱水脱盐工艺的资本成本和能源成本，计算结果见表 4 和表 5。全流脱盐工艺通过再生塔脱