1、 活化 乙烷深度脱碳工艺研究蒋洪程祥陈泳村杨铜林西南石油大学石油与天然气工程学院中国石油塔里木油田公司油气工程研究院摘要：目的 解决醇胺法乙烷脱碳工艺造成的乙烷损失量较大和装置能耗较高等问题。方法 用 软件对某乙烷回收流程的粗乙烷产品进行胺法脱碳模拟，在控制乙烷损失物质的量比小于 的情况下对胺液中的 和 质量分数进行了优选，同时对乙烷脱碳流程进行能耗优化。结果 与天然气脱碳工艺不同，乙烷脱碳工艺的 质量分数太高会损失大量乙烷。在达到脱碳效果的前提下，较低的 质量分数可避免损失大量乙烷，最佳 质量分数为 。在此 质量分数的条件下，可保证乙烷损失比仅为，往胺液中加入少量哌嗪（）就可显著提高胺液对
2、的吸收效果，最佳 质量分数为 。乙烷脱碳装置的主要能耗为胺液再生能耗，优化后装置的总能耗显著降低。结论 在工业条件下，应用较低质量分数的胺液可显著降低乙烷损失，可合理提高富胺液入再生塔温度或适当降低脱碳溶液循环量，以降低装置能耗。关键词：；活化 ；乙烷脱碳；能耗优化；：引用格式：蒋洪，程祥，陈泳村，等 活化 乙烷深度脱碳工艺研究石油与天然气化工，（）：，（）：，.，；.，：，（），（），：；乙烷作为一种重要的工业原料，在化工行业中可通过蒸汽裂解生产乙烯，同时，可在冷冻设施中充当制冷剂使 用。天 然 气 中 的 乙 烷 摩 尔 分 数 约 为 ，从天然气中回收乙烷可以提高装置的经济效益。低温冷凝
3、法因具有节能降耗、提高天然气乙烷回收率、减少投资等多种优点，成为乙烷回收的主流方法。低温冷凝法在回收乙烷的同时会富集，粗乙烷产品中 摩尔分数一般为 。为进一步提高乙烷纯度，需对粗乙烷产品进行脱碳处理。常用的脱碳方法有低温精馏法、溶剂吸收法、吸附法和膜分离法等。溶剂吸收法中的活化 法具有吸收负荷大、吸收速率快、对管道腐蚀性小等优石 油 与 天 然 气 化 工 作者简介：蒋洪，年生，教授，主要研究方向为油气集输及处理、系统能量综合利用及节能、油气田汞污染控制等，主持及负责 多项科研课题，获省部教改和科技进步奖项，出版教材及专著部，公开发表论文 余篇。：点，成为应用最广泛的脱碳技术 。目前，国内外已
4、对天然气脱碳工艺进行了大量研究 ，但对乙烷脱碳工艺进行的研究较少。在乙烷回收技术较为成熟和新建乙烷回收装置日益增多的前提下，开展乙烷脱碳工艺的研究显得尤为重要。天然气的主要成分为甲烷，而粗乙烷气的主要成分是乙烷，几乎不含甲烷。基于甲烷和乙烷具有不同的物化性质，使得活化 脱碳工艺应用于粗乙烷气时具有不同的效果。针对某乙烷回收装置的粗乙烷气进行乙烷脱碳模拟研究，分析了胺液中 和 质量分数对乙烷脱碳效果的影响，从而优选了配方，同时，在优选配方溶剂的基础上开展了装置能耗分析与优化。活化 脱碳机理甲基二乙醇胺（）是一种三级胺，对 有较大的吸收负荷，但 与 的反应速率较慢。在工程实际应用中，吸收塔内部气液
5、两相流动较快，用纯 溶液脱碳在多数情况下达不到理想效果。哌嗪简称，具有良好的活化性能，其与 的反应为瞬时反应，因此，通常在脱碳溶液中加入少量，以达到更好的脱碳效果。活化 脱碳的过程可用“穿梭机理”进行解释：先通过阻力较小的气膜，在气液交界面，与 发生瞬时反应，生成中间产物氨基甲酸酯，氨基甲酸酯穿过液膜迅速扩散到液相中，液相中的 不断吸收 ，使氨基甲酸酯发生逆反应，重新生成 与 ，逆反应生成的 返回气液交界面，继续吸收来自气相的。穿梭机理的原理如图所示，图中，表示 （其中，）。乙烷脱碳工艺流程模型说明 基础数据本研究选定某凝液回收站内脱乙烷塔塔顶粗乙烷气作 为 原 料 气，原 料 气 温 度 为
6、 ，压 力 为 ，流量为 。该气质中 含量较低，气质组成见表。表粗乙烷原料气气质组成 从 版本开始，公司用自行研发的新一代醇胺酸气物性计算流体包代替了原有的胺包，该流体包可用于所有烃类组分，同时对酸气负荷具有更强的适应性。本研究选取 版本内置的 流体包对乙烷脱碳装置进行模拟计算。流程简述工艺流程图如图所示。原料气先与乙烷湿净化气换热升温至合理的入塔温度，进入吸收塔下部后自下而上与自上而下的贫胺液接触，原料气中的 几乎被全部脱除，从吸收塔塔顶出来的湿净化乙烷气回收热量后进入下游脱水装置，富胺液自吸收塔塔底流出，节流降压后进入闪蒸罐进行闪蒸。闪蒸气用作燃料系统供气，罐底富胺液经贫富液换热器升至合理
7、温度后进入胺液再生塔，塔内富胺液自上而下流动，与自下而上的蒸汽逆流接触，蒸汽气提出富胺液中的，气提出来的 和水蒸气经回流罐部分回流后，剩余部分去往 增压系统。热贫胺液自再生塔底部抽出，在贫富液换热器中回收热量后经胺液循环泵压送至吸收塔顶部，完成整个胺液的循环。溶剂配比优选 质量分数优选在 活化 脱碳装置的实际应用中，活化剂 在溶剂中质量分数约为，在 质量分数的优选过程中，固定 质量分数为，同时控制其他可能会对 质量分数造成影响的关键参数，见表。第 卷第期蒋洪 等 活化 乙烷深度脱碳工艺研究表关键参数控制表原料气入吸收塔温度贫液入吸收塔温度 吸收塔理论塔板数块 吸收塔压力 闪蒸罐压力 闪蒸罐温度
8、 富液入再生塔温度再生塔塔底重沸器温度再生塔压力 对上述关键参数及 质量分数进行控制后，考查不同 质量分数的活化胺液将湿净化气中 摩尔分数脱至 以下时溶液循环量、再生能耗、乙烷损失和富液酸气负荷的变化。模拟结果分别如图图所示。由 图可知，当溶液中 质量分数为时，随着 质量分数的增加，将湿净化气中的 摩尔分数脱至 以下所需的溶液循环量整体呈现出先减少后增加的趋势。再生能耗随 质量分数的变化与溶液循环量随 质量分数的变化规律一致。这是因为再生能耗和溶液循环量呈线性关系，溶液循环量越大，再生能耗越大；溶液循环量越小，再生能耗越小。质量分数在 时所需溶液循环量相对较少。当 质量分数为 时，胺液再生能耗
9、相对较小。当 质量分数低于 时，溶液循环量和再生能耗随着 质量分数的减少而增加。这是因为随着 质量分数的减少，贫液对 的吸收能力减弱，要吸收同样多的，需要更大的溶液循环量。当 质量分 数 大 于 时，溶 液 循 环 量 和 再 生 能 耗 随 着 质 量 分 数 的 增 加 而 增 加，这 是 因 为 随 着 质量分数的增加，胺液黏度增加，根据双膜理石 油 与 天 然 气 化 工 论，液相黏度过高会增大传质系数，使得气液膜之间的传质阻力增大，最终导致传质速率减小，即 吸收速率减小，从而使 吸收量减少，增加了溶液循环量。由图可知，吸收塔塔底乙烷损失随着 质量分数的增加而增加，当 质量分数在 时乙
10、烷净损失较少。当 质量分数大于 时，乙烷 损 失 量明 显增 加，这是 因为 该 区 间内 质量分数和溶液循环量同时增大使 总量增加，导致吸收塔塔底损失了更多乙烷。当 质量分数低于 时，乙烷损失量略微增加。这是由于溶液循环量增加引起的。在实际应用中，乙烷损失量应小于，以减少经济损失。由图可知，质量分数越小，酸气负荷越高。在实际应用中胺液的酸气负荷不应超过 ，否则会造成后续碳钢管道的严重腐蚀。结合乙烷脱碳的工程实际情况，质量分数较高时虽然酸气负荷较低，但会造成更大的乙烷损失。为降低乙烷损失，可将酸气负荷控制在 以下，同时，后续管道不采用碳钢材质。综上所述，综合考查了 质量分数对溶液循环量、再生能
11、耗、乙烷损失量、富液酸气负荷的影响，发现 质量分数为 时，溶液循环量较小，再生能耗较低，乙烷损失量较少。因此，推荐使用较低的 质量分数进行乙烷脱碳。质量分数优选依据 质量分数优选结果，选取 质量分数为，控制模拟流程中的关键参数与表一致，考查具有不同 质量分数的溶液将湿净化气中 摩尔分数脱至 以下时溶液循环量、再生能耗、乙烷损失量、富液酸气负荷的变化。模拟结果分别如图图所示。由图可知，当溶液中 质量分数为 时，质量分数越低，溶液循环量与再生能耗越高，其原因是 质量分数太低降低了对 的活化效果，导致溶液对 的吸收效果变差。当 质量分数大于时，再生能耗的变化趋于平缓，原因是溶液中 的量有限，少量 已
12、经可以起到较好的活化作用。由图可知，质量分数对乙烷损失的影响与 质量分数对乙烷损失的影响刚好相反，质量分数越高，则乙烷损失越少。这是因为 加强了胺液对 的吸收效果，从而相对减少了对乙烷的吸收。当 质量分数大于 时，乙烷损失相对较少，低于。由图可知，在 质量分数由 升至的过程中，富液酸气负荷骤升。因为 的加入显著提高了 对 的吸收性能，使富液中 含量显著提升，从而提高了富液酸气负荷。综上所述，综合考查了 质量分数对溶液循环第 卷第期蒋洪 等 活化 乙烷深度脱碳工艺研究量、再生能耗、乙烷损失量、富液酸气负荷的影响，发现加入少量 就可显著提高溶液的吸收效果，当 质量分数为 时，溶液循环量较小，装置能
13、耗较低，乙烷损失量较少。因此，在进行 活化 乙烷脱碳时，推荐 质量分数为 。装置能耗优化醇胺法脱碳流程的能耗主要来自胺液再生塔重沸器热负荷和胺液循环泵电耗，酸气冷凝和贫液冷凝均采用空冷和水冷两种方式。依据上文溶剂配比的优选结果，选取 质量分数为、质量分数为 的胺液作为脱碳溶剂，对装置进行能耗分析与优化。溶液循环量对装置能耗的影响研究溶液循环量对再生塔重沸器热负荷的影响，初始循环量为，绘制再生塔重沸器热负荷与溶液循环量的关系，如图所示。由图可知，再生塔重沸器热负荷与溶液循环量呈正相关。溶液循环量越小，重沸器热负荷越低。但溶液循环量太小会影响脱碳效果，可能使湿净化气中 摩尔分数不达标。为保证湿净化
14、气中 摩尔分数低于 ，选取溶液循环量为，此时，再生塔重沸器热负荷为 。与初始溶液循环量 相比，再生塔重沸器热负荷降低了 。富液入再生塔温度对装置能耗的影响当溶液循环量为、富液入再生塔温度为 时，再生塔重沸器热负荷为 ，胺液循环泵功率为 ，再生塔重沸器热负荷占装置总能耗的 ，因此，减少再生塔重沸器热负荷，可大大减少装置的总能耗。研究富液入再生塔温度对再生塔重沸器热负荷的影响，见图。由图 可知，富液入再生塔温度越高，再生塔重沸器热负荷越低，这是因为富液回收了贫液的热量，减小了重沸器热负荷。富液入再生塔温度不宜过高，否则易导致贫富液换热器温度交叉或胺液再生塔不收敛。依据图 选取富液入再生塔温度为 ，
15、此时贫富液换热器最小温差为 ，对数平均温差为 ，再生塔重沸器热负荷仅为 。相比富液入塔温度 提高了 ，再生塔重沸器热负荷约减少 。综合能耗分析由于重沸器、水冷器、泵使用的是不同获取代价的能源供能，不能用功率去简单计算每台设备的能耗。采用 气田地面工程设计节能技术规范 和 综合能耗计算通则 中综合能耗的评价方法对能耗优化后的乙烷脱碳工艺装置进行量化评价 。综合能耗计算公式见式（）。（）（）式中：为综合能耗，；为消耗的能源品种数，无量纲；为生产和服务活动中消耗的第种能源实物量，；为第种能源的折算系数，其中，电为 （）、冷却水为 、导热油为 。乙烷脱碳工艺中存在能量消耗的设备包括：胺液循环泵、贫液水
16、冷器和再生塔重沸器。假设胺液循环泵为电动机驱动、水冷器采用常温循环水进行冷却、再石 油 与 天 然 气 化 工 表能耗优化前后各关键参数及综合能耗的变化项目原料气入吸收塔温度贫液入吸收塔温度 吸收塔理论塔板数块 吸收塔压力 闪蒸罐压力 闪蒸罐温度 富液入再生塔温度再生塔塔底重沸器温度优化前 优化后 项目再生塔压力 溶液循环量（）湿净化气中 摩尔分数 乙烷净损失 乙烷损失比酸气负荷（）装置综合能耗（）优化前 优化后 生塔重沸器使用导热油进行加热。参考综合能耗评价方法，能耗优化前后各关键参数及综合能耗的计算结果见表，各设备优化前后能耗对比情况见图。由表可知，在保证其余条件不变的情况下，将再生塔入塔 温度 提 高 ，同时将 溶 液循 环 量减少，综合能耗减少了 ，乙烷脱碳装置能耗显著降低。由图 可知，胺液再生能耗在乙烷脱碳装置总能耗中占比最大，优化富液入再生塔温度和溶液循环量后对胺液再生能耗影响最大，降低了，同时，装置总能耗降低了。结论使用 软件对某乙烷回收装置的粗乙烷产品进行了 活化 乙烷脱碳工艺流程模拟计算，对脱碳溶剂中 和 的配比进行了优选，同时对乙烷脱碳装置的综合能耗进行了分析和优化