广安轻烃回收装置分子筛脱水存在问题探析
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收稿日期：2011-04-25；修回日期：2011-05-16
作者简介：张盛富：1963年生，四川隆昌人，工程师，从事天然气加工生产技术工作，公开发表论文20余篇，通讯地址：四川遂宁市凯旋下路162号，川中油气矿磨溪净化厂，邮编：629000，联系方式：15828882007.
摘要：广安轻烃回收装置于2010年底开工。开工初期，由于分子筛脱水效果不好，轻烃回收单元低温段易发生冰堵，每隔15~20天就需要停产进行热吹。经现场多次摸索、调整分子筛热吹方案，找到了解决问题的办法，现运行效果较好。
关键词：轻烃回收 分子筛 冰堵分析 解决办法
Analysis on Molecular Sieve Dehydration Problems of Guang'an Light Hydrocarbon Recovery Unit
Outline:
Zhang Shengfu
,
Cao Xuewen
Moxi Purification Plant, Central Sichuan Oil and Gas District
Abstract: Guang'an light hydrocarbon station started at the end of 2010. In the initial stage, because of the low dehydration efficiency of molecular sieve, the low-temperature part of the light hydrocarbon recovery unit is prone to ice block, and the unit is forced to be shut down and blowed with heat gas every 15 to 20 days. After many times explorations and adjustments on the spot, the solution to the problem has been found finally and the unit runs well now.
Key words:
light hydrocarbon recovery molecular sieve analysis of ice blocking solution
由中国石油集团工程设计有限责任公司(CPE)设计，川西油建施工安装的广安轻烃回收装置，原设计处理量100×104 m3/d，由于广安区块须家河气田衰减，现处理量为60×104 m3/d左右。于2010年11月10日开工，生产液化气约20 t/d，稳定轻烃5.5 t/d左右，现生产正常、安全。
1 流程概述
1.1 分子筛脱水单元流程简述
广安气田天然气经广51集气站后进入轻烃站分子筛脱水单元，经过原料气重力分离器、过滤分离器过滤分离，除去原料气中携带的机械杂质、游离水以后，进入分子筛干燥塔，脱除原料气中的饱和水，使得原料气水露点降低到-70 ℃以下，脱水后的原料气通过粉尘过滤器滤出粉尘后以洁净的状态进入轻烃回收单元。
再生气采用经分子筛脱水后的干燥原料气，经计量后进入再生气加热炉，加热到约280 ℃进入另一分子筛脱水塔，对分子筛进行加热再生。再生后的富气进入再生气空冷器冷却到40 ℃后，进入再生气分离器分离游离水后，经再生气压缩机增压，最后返回原料气管线。简易流程如图 1所示。
1.2 制冷系统
自分子筛脱水装置来的干燥天然气(2.8 MPa，30 ℃)进入原料气预冷器与从脱乙烷塔顶来的低温天然气换热，被冷却到约-56 ℃左右进入低温分离器，进行气液分离。分离出的凝液通过节流后返回至原料气预冷器温度升至0 ℃，进入脱乙烷塔中部。从低温分离器顶部分离出的天然气进入透平膨胀机膨胀，膨胀后的气液混合物(1.4 MPa，-87.02 ℃)进入脱乙烷塔顶部进料口，其中液相作为塔顶回流，塔顶气相返回至原料气预冷器复热到23.2 ℃，最后经透平膨胀机同轴增压机增压(45.7 ℃，1.70 MPa)后，去产品气增压单元，经产品气压缩机增压至3.5 MPa进入北内环干线、广安工业园区、广19配气站。
从脱乙烷塔塔底出来的脱乙烷油与脱丁烷塔塔底出来的轻油换热，换热至约65 ℃后进入脱丁烷塔中部作为脱丁烷塔进料。脱丁烷塔为精馏塔，塔顶生产液化气，塔底生产轻油。从脱丁烷塔塔顶出来的液化气气体经脱丁烷塔顶冷凝器冷却到40 ℃后进入到脱丁烷塔回流罐。脱丁烷塔回流泵从脱丁烷塔回流罐抽取液化气，一部分作为脱丁烷塔塔顶回流，另一部分经计量后去液化气罐区储存。
从脱丁烷塔塔底出来的轻油依次经过脱丁烷塔底重沸器、脱乙烷油预热器、轻油冷却器冷却至40 ℃后，进入轻油罐区储存。
简易流程示意图见图 2。
2 分子筛脱水存在的问题
2.1 冰堵现象
试生产初期，分子筛脱水单元在线水露点分析仪(AMETEK3050)测出分子筛干燥后的天然气水露点为－45 ℃~－53 ℃，轻烃回收单元低温系统有时15天冰堵一次，有时是20天冰堵一次，说明天然气水合物的确存在。冰堵现象分析：
(1) 透平膨胀机进口压力与喷嘴压力压差达0.5 MPa~1.0 MPa，说明透平膨胀机进口过滤器冰堵。
(2) 分子筛脱水深度不够，每次冰堵发生后热吹8 h~12 h都能顺利解堵。
2.2 冰堵原因分析
(1) 分子筛脱水再生时压差越大，越利于水分的脱附，即传质(脱附)有推动力。一般来讲，再生气入干燥器压力和出干燥器压力的压差要保持在0.1 MPa~0.4 MPa，此压差应根据再生气流量(双塔生产再生气量一般控制在原料气量的15%~18%，要保证分子筛脱水效果，不仅需要足够的再生时间，而且需要一定的再生气量。)和加热炉的再生温度规定加以调整[1]。广安轻烃装置在试生产初期，由于加热炉、再生气流量控制操作不平稳，直接影响脱水效果。
(2) 分子筛再生脱水时温度越高，本来是越利于饱和水的脱附，但是升温梯度不合理或者水分蒸发段时间不够也会造成脱水困难。要求干燥器进出口温差≤30 ℃，出口温度控制在≥220 ℃, 恒温1 h即可停止再生。而分子筛切换周期为12 h，冷吹时干燥器出口温度≤50 ℃即可[2]。装置试生产初期，由于分子筛干燥器再生温度从常温升至204 ℃，时间太短，仅为2.5 h~3 h，在达到204 ℃后恒温0.5 h就进行冷吹，升温梯度和恒温时间没有达到较好的状态。这与分子筛脱水单元再生程序设定有关。再生气加热炉为美国进口的全自动直焰炉，效果较好。分子筛脱水单元为加拿大进口的撬装设备，但直焰炉没能在100 ℃~200 ℃期间维持较长时间和在分子筛干燥塔出口温度达220 ℃后恒温1 h以上，即水分还没有完全脱附就冷吹，直接造成周而复始的饱和再饱和。
(3) 要保证再生时间与切换时间。要求再生时间小于8 h，以保证下一周期的正常运行，同时也要保证冷吹的时间和效果，同时也是为了从分子筛上脱除重烃等聚合物，以延长分子筛寿命[1]。
(4) 正确选择分子筛。图 3为分子筛再生的5个阶段，一般要求：干燥器出口气体水分含量不大于5×10－6(w), 正确选择分子筛的牌号很重要。在中国境内40多家分子筛厂商中，3A、4A、5A分子筛物理化学特性大体差不多，但制造的分散性差异大。就广安轻烃来说，3A、4A均可，表面积和孔体积及堆积密度差异小，粉尘量小，能耐酸碱性气体，质量稳定的分子筛正常使用时间可达4年[1]。由于装置处理的是须家河层位的气体，水含盐量大，含饱和水多，订货时有必要告知分子筛厂家，以便在生产时注意添加物的浓度。另外，由于干燥器容量有限，更换和装填分子筛时要特别强调堆积密度，尽量让密度达到690 kg/m3~700 kg/m3, 以提高堆积量，增加脱水能力。新疆雅克拉一轻烃装置[3-4]就是因为装填密度(量)不够造成干燥达不到预期效果。
3 问题的解决
3.1 处理办法
(1) 针对以上原因，把分子筛脱水单元再生程序通过暂停程序控制器和减少冷吹时间进行调整，再生时间由5 h增加到7 h，干燥器出口再生温度从常温升至100 ℃需1.5 h，从100 ℃升至180 ℃约3 h，从180 ℃升至220 ℃约0.5 h，从220 ℃至热吹结束温度约2 h，冷吹时间调整为4 h，整个周期为11 h。
(2) 加热炉出口温度控制在270 ℃~280 ℃，让再生气带够充足的热量。
(3) 保证有足够的再生气量，将其严格控制在(8~10)×104 m3/d范围内(4 101 m3/h)。
(4) 考虑到加热炉负荷，分子筛出口温度在180 ℃以下，加热炉出口温度控制在230 ℃，再生气量控制在10×104 m3/d，分子筛出口温度达180 ℃后，加热炉出口温度0.5 h内由230 ℃升至280 ℃，再生气量由10×104 m3/d降至8×104 m3/d。
(5) 对透平膨胀机喷嘴入口过滤器的形状和目数进行改造。
通过以上分子筛再生热吹方案的调整，经观察水露点分析仪(AMETEK3050)测出分子筛干燥后天然气的水露点为(-70±5) ℃，脱水效果已有较明显的变化。
3.2 处理后的现状
(1) 原料气入站压力为2.7 MPa~3.0 MPa时，现入原料气预冷器冷气温度为-81 ℃左右，低温分离器出口为-63.1 ℃，入口为-64.6 ℃，原料气预冷器和脱乙烷塔温度、原料气预冷器进出口压差、透平膨胀机喷嘴进口压力正常。运行近5个月来，没有发生冰堵现象。
(2) 膨胀机入口-65.2 ℃(2.88 MPa左右)，出口-90 ℃(压力1.4 MPa)，透平膨胀机喷嘴进口压力正常，膨胀机入口过滤器经改造后也没有出现堵塞现象。
4 结论
由此可见，再生气加热温度、恒温时间、流量、分子筛质量等分子筛脱水的关键参数是否精细操作，对分子筛再生脱水深度影响是很大的。如该装置深度脱水就须在“再生气加热温度、恒温时间”上认真摸索，有的装置需要对再生气流量进行调整，还有的装置需要对原料气分离器进行改造或是对前端脱水操作工艺节点进行再规定。因此严格遵守操作规程和在基本操作参数确定后的经验调整就显得十分必要。
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诸林.天然气加工工艺[M].北京: 石油工业出版社, 1996年5月.
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李国诚, 诸林.油气田轻烃回收技术[M].四川: 四川科学技术出版社, 1998年4月.
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2011, Vol. 40