在中坝“雷三”气藏天然气产量不断下降的情况下，原F1(V1)型浮阀塔板已不能满足川西北气矿的正常生产。在2006年脱硫装置适应性改造前，已多次因发泡、拦液等汽液接触不均匀造成净化气不合格而停产放空燃烧，不仅浪费资源也对周边环境造成了影响。为了“雷三”气藏高含硫天然气的高效、安全使用，经过中国石油集团工程设计西南分公司和我厂的共同努力，围绕采用何种分离设备进行了深入的调研，最终选定了吸收塔、再生塔两个关键分离设备上采用梯形导向浮阀塔板，首次将梯形导向浮阀技术成功应用于天然气处理中。两塔更换塔板后，经过工艺控制指标的不断优化与调整，处理装置运行表现出安全、稳定和高效的特点。同时，随着“雷三”气藏的进一步降量，运用梯形导向浮阀塔板流体力学性能和负荷性能图，分析了现塔设备塔板的适应性，并提出了应对措施，以便为天然气处理装置的工业应用提供参考。
界区外来原料天然气首先经过滤、分离后，进入脱硫装置脱除其所含的几乎所有的H2S和部分CO2，脱硫后的湿净化气经过分离器分离、调压和计量后，或进入轻烃回收装置处理，得到的产品天然气进入输气管道外输至用户。吸收塔底的富砜胺液经闪蒸，并与热贫胺液换热后进入再生塔上部，富液自上而下，被自下而上的蒸汽汽提，解析出H2S和CO2等气体。再生塔底出来的贫胺液经过换热、冷却后，由溶液循环泵送入吸收塔顶部，完成胺液的循环。同时分一小股贫胺液进入闪蒸塔，以脱除闪蒸气的H2S。再生塔顶的酸气经冷凝分离后，送至硫磺回收装置回收硫磺。硫磺回收尾气送至尾气焚烧炉焚烧后经百米烟囱排入大气。
随着原料气量的降低，塔板的流体力学性能日趋不能满足净化装置的生产运行，加之F1型浮阀的种种缺点，为了安全、平稳地生产合格净化气，2006年对脱硫装置吸收塔、再生塔进行了适应性改造，采用了高效梯形导向浮阀塔板(见图 1)。
通过梯形导向浮阀塔板的操作和2008年大修的检查，该塔板具有以下特点：
(1) 塔板上配有导向浮阀, 浮阀上设有导向孔, 导向孔的开口方向与塔板上的液流方向一致。在操作中, 从导向孔喷出的少量气体以及从浮阀两侧吹出的具有向前分速度的气体推动塔板上液体流动, 从而可减小甚至完全消除塔板上的液面梯度；
(2) 导向浮阀为梯形, 两端设有阀腿, 在操作过程中气体不是从四面八方流出, 而是从浮阀的两侧流出, 气体有向前的分速度和垂直于塔板上液流方向的分速度，因而梯形导向浮阀塔板上的液体返混是很小的；
(3) 塔板两侧的弓形区内, 梯形导向浮阀可以加速该区域的液体流动, 基本能消除塔板上的液体滞止区；
(4) 因梯形导向浮阀塔板在操作过程中不转动, 浮阀无磨损、不脱落、不卡死；
(5) 塔板压降明显降低，汽相负荷上限可提高10%~20%，甚至更高；
(6) 塔板效率明显提高；
(7) 塔板实际漏液量高于1%时，塔设备仍运行正常。
目前，梯形导向浮阀塔板的研究工作走在前列的单位属华东理工大学和天津大学，各自通过实验拟合出了塔板压降、雾沫夹带、漏液等流体力学模型。我厂采用天大天久的梯形导向浮阀塔板，除采用塔板通用流体力学模型外，塔板压降、塔板漏液量和雾沫夹带量采用天津大学流体力学模型进行核算及分析。塔设备基本结构参数如表 1。
根据文献[1]和[2]的梯形导向浮阀塔板流体力学模型，核算了我厂吸收塔、再生塔塔板流体力学性能，见表 2、表 3所示。
塔设备的操作弹性、效率和压力降关键在于塔板结构的设计。当含硫天然气组成一定时，负荷性能图完全取决于塔板的结构设计，与操作条件无关。我们可以从塔板的阀孔动能因子、塔板上溶液停留时间、总板压力降、相对漏液量、堰上液层高度等参数分析梯形导向浮阀塔板的适宜性操作。而负荷性能图就是最主要的分析和诊断手段，它是用以表示塔板上汽液两相能正常流通，且保持相当塔板效率的稳定操作范围。超越此范围，塔的正常操作就遭到破坏，汽液就不能均匀接触。汽液流量、物系性质、塔板结构等因素都会影响塔的操作。随着原料气量的不断降低，塔设备的可操作性越来越难，通过对其进行分析，采取简单可行的改造方法，使其在低负荷运行下净化气100%合格。
随着处理量降低，漏液现象一直存在，相对漏液量均大于1%，其增大趋势非常明显，是影响塔板正常操作的主要问题。塔板压力降和雾沫夹带量都随着处理量的降低而下降，塔板压降对应液层高度小于Φ(HT+hw)，降液管中清液层高度不会超过板间距一半；雾沫夹带量ev远小于0.1 kg/kg气体，核算得不同开孔率也都满足塔板操作，在更低负荷和溶液不太脏的情况下，塔板不会发生液泛和雾沫夹带。
实际生产中要求平堰的水平偏差不超过3 mm是困难的，为了保证液流均匀，必须满足堰上液层高度how≥13 mm，否则采用齿形堰。以平堰上液层高度13 mm对应的液相负荷为液相下限，吸收塔板的液相负荷下限为31 m3/h，即33 647.275 kg/h。再生塔板的液相负荷下限为35.1 m3/h，即34 608.6 kg/h。
以溶液在降液管中的停留时间7 s为溶液液相负荷上限，吸收塔液相负荷上限为237.6 m3/h，即259 060 kg/h。再生塔液相负荷上限为270 m3/h，即266 220 kg/h。
以F0=2.5(再生塔取F0=3.0)为汽相负荷下限，吸收塔汽相负荷下限为356.273 4 m3/h，即5 700.4 kg/h；再生塔汽相负荷下限为3 773.485 m3/h，即4 420.3 kg/h；采用插值方法，当吸收塔压力为2.2 MPa(A)，温度为30 ℃时，吸收塔下限运行至18.010 3×104 Sm3/d(CHN); 再生塔下限运行至18.8×104 Sm3/d(CHN)。
以塔板雾沫夹带量0.1 kg/kg气体为雾沫夹带线，在不同液相负荷对应的汽相负荷值绘制液泛线和雾沫夹带线。以上述五个变量进行绘图，得到目前塔板开孔率情况下的吸收塔、再生塔负荷性能图(见图 2、图 3)。
通过塔板流体力学性能和负荷性能图分析，随着原料气处理量的降低，塔设备的主要问题是塔板越来越靠近汽液相负荷下限和塔板漏液量比较严重。
远离液相负荷下限，可适当提高溶液循环量得以解决。
远离汽相负荷下限，最直接的办法就是降低塔板开孔率，降低梯形导向浮阀升程，提高塔板负荷性能。梯形导向浮阀升程的降低，可以使塔板漏液量明显减小，几乎不影响塔板效率、压力降和雾沫夹带量。降低溢流堰有效高度和等效长度，确保塔板液流均匀，提高传质效率。溢流堰高度的降低，在塔板其它结构参数一定的情况下，塔板压降和漏液量均会降低。更换部分梯形导向浮阀为矩形导向浮阀，避免塔板上产生负的液面梯度。
提高再生蒸汽流量，确保溶液充分得以再生，保证贫液质量。同时蒸汽流量增加了，半贫液蒸发量增加，汽相负荷相应增加，增大了塔板的阀孔气速，生产运行更平稳。
根据塔板负荷性能图的分析，只有降低塔板的开孔率，进而降低塔板气相负荷下限值，同时提高了阀孔气速，降低了塔板的相对漏液量，吸收塔、再生塔才能平稳运行。把吸收塔开孔率降至3.34%，即每层塔板堵孔28个，在非弓形区分块塔板上均匀堵孔。把再生塔开孔率降至6.24%，即每层塔板堵孔57个，在非弓形区分块塔板上均匀堵孔。塔顶3层精馏段塔板开孔率由5.2%降至3.0%，即每层塔板堵孔58个。经核算，在相同的板间距、堰高、液流强度和较小的空塔气速条件下，雾沫夹带量随开孔率的减小而增加量非常微小。塔板堵孔后的流体力学性能见表 4至表 6；吸收塔、再生塔堵孔后的负荷性能图见图 4和图 5。
(1) 降低塔设备塔板开孔率：吸收塔降至3.34%，再生塔汽提段降至6.24%，回流段降至3.0%。塔板堵孔后，采用插值方法，当吸收塔压力为2.1 MPa(A)，温度为30 ℃时，吸收塔下限可运行至11.8×104 Sm3/d(CHN); 再生塔下限可运行至14×104 Sm3/d(CHN)。
(2) 原料天然气瞬时流量是上下不规则变化的，经观察, 一般在1 000 Sm3/h波动，建议吸收塔和再生塔在原料气处理量至21×104 Sm3/d(CHN)时进行堵孔; 堵孔运行后，建议运行至15×104 Sm3/d(CHN)再进行堵孔。
(3) 根据塔板堵孔核算结果和塔板结构特点，川西北气矿定于净化厂2010年大修期间(2009年未大修)实施堵孔作业。
(4) 梯形导向浮阀塔板具有液面梯度小、返混小、基本无滞液区、塔板压降小、操作负荷上下限大等特点，且浮阀不转动、无磨损、不脱落、不卡死。在新建天然气净化装置中可推广使用，操作负荷波动非常大的已建天然气处理装置可更换为组合(矩形和梯形)导向浮阀塔板。
2011, Vol. 40 Issue (3): 254-259
2011, Vol. 40 Issue (3): 254-259