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径向侧导喷射塔盘在天然气胺法脱硫技术改造中的应用
发布时间:2012/7/30 11:17:06 点击次数:3188
摘要:天然气脱除酸性气体工艺中,有机胺混合溶液普遍存在易发泡拦液现象,给整个生产系统的稳定操作带来较大影响。本文分析了发泡拦液现象的机理和危害,概括了缓解或克服拦液问题的五个主要途径。通过工艺计算和软件模拟以及DN1800塔的生产运行检验,把DN2400脱硫装置生产装置中浮阀塔盘更换为径向侧导喷射塔板,现场经过3多月的运行,从未发生过拦液现象,脱硫效果好于浮阀塔板,初步显示出该塔盘在处理易发泡体系、提高生产能力和提高传质效率两方面的优越性能。
径向侧导喷射塔盘在天然气胺法脱硫技术改造中的应用

(长庆油田第一采气厂,719000 ,天津市创举科技有限公司,天津 300130)

问题背景

    天然气净化厂脱硫脱碳装置中通常会利用有机胺溶液净化含有CO2 、H2S等酸性气体的天然气,例如,某净化厂中原料气H2S的含量为0.028%,CO2 含量为5.286%,有机胺溶液采用进口MDEA配方溶液(美国联碳公司的Ucarsol系列)脱硫脱碳,胺溶液属于易发泡体系,随着设备运行时间的增加,有机胺溶液中杂质含量逐渐累积,改变了溶液的表面张力和弹性,再加上天气温度条件变化的影响,使得天然气脱硫塔内不定期出现发泡严重、拦液、夹带等不正常现象,吸收和再生塔内件的设计尤为重要。

    脱硫脱碳、脱水装置目前比较常见的是撬装式结构,工艺流程在传统的基础上进行了优化,脱硫塔投产后初期装置运行相对稳定,但是随着设备运行时间的延长,在三个月后就会周期性地出现塔内吸收剂发泡过多、液泛、拦液、溶液夹带,塔板效率下降等现象,严重影响产品气质量;同时,由于频繁的发泡、拦液等造成整个脱硫溶液系统波动较大,对其他并行装置的脱硫单元、硫磺回收单元、SCOT尾气处理单元、蒸汽系统等装置平稳运行带来了极大的影响,天然气的供应能力也受到限制,溶剂会有较大损失,同时给正常的生产管理带来了很大的困扰[1]

1、拦液问题形成的原因与危害

    拦液又称为带液或者液泛,在气液接触过程中产生的大量气泡,这些气泡的稳定存在使得气液混合物体积成倍增加,液体流动严重受阻,导致塔板和降液系统液体大量累积,塔压降大幅提高、雾沫夹带严重。

    天然气脱硫脱碳运行过程中的拦液问题是业界普遍存在的问题,据文献报道该现象的产生原因来自于气量波动、烃类污染、胺溶液降解物等多方面[2]。在许多文献中,理论研究者和生产经验丰富的技术人员都做了详细的分析,发泡可以导致大量的胺溶液损失,不达标的气体产品,设备长期在低水平下运行,而且可能是产品质量不合格、克劳斯硫磺产品颜色变暗的重要原因[3][4][5][6]

1.1 拦液现象形成的原因

    泡沫形成主要又两方面的因素。一是由气液接触状态决定,二是因为溶液中污染物的产生,因为没有被污染的胺溶液不会形成稳定的泡沫。国外很多文献对此问题都有分析报道[2],其中泡沫形成的原因如下:

(1) 气液传质单元的气液接触状态为泡沫的形成创造了有利条件。众所周知,浮阀塔的气液接触、传质是通过鼓泡与喷射完成。气体穿过液层时会形成大量不同尺寸的气泡,最后浮在液面上,不断堆积,一部份破碎,另外一部分会相对稳定,一部分泡沫的生存时间较长;

(2)由于吸收过程存在物理、化学变化,气液接触时间要求较高,板上液层厚(设计值:76.2mm,3in),使大气泡变为小气泡的概率大大增加,大气泡容易破裂,小气泡更不容易破裂。

(3) 进气口的水溶性表面活性剂(胺溶液添加剂、管道腐蚀抑制剂),它们会降低胺溶液的表面张力,过量的消泡剂也会导致发泡。

(4)液态烃类(压缩机中的润滑油伴随在原料气中、在胺溶液冷凝下来的烃类)

(5)颗粒污染物(FeS腐蚀产物,铁锈),存在于原料气中或者在胺处理单元中产生,像FeS之类的固体物质本身并不会导致发泡,但是这些颗粒会在气液表面聚集进而通过提高表面的黏度使泡沫稳定,所以延迟了泡沫的破裂。

(6)由于氧气进入系统(通常在胺溶液池或者储存罐中),导致胺和氧反应生成羧酸和热稳定盐类,溶解的铁离子会催化胺与氧的反应。

(7) 检修时被油脂或其他油类污染;

(8) 补充水中的水处理剂、缓蚀剂等;

1.2 脱硫塔发生拦液的表现及造成的危害

(1)  胺的损失比较大,胺被带入下游;

(2)  降低了酸性气体的脱除效率,并且满足不了产品出厂的合格指标;

(3)  整个吸收塔或再生塔的压力快速上升,或者压力表读数古怪;

(4)  胺溶液变为不透明而且含有悬浮固体颗粒;

(5)  超过10%的胺形成热稳定的盐类;

(6)  胺溶液泡沫测试结果较差;

(7)  操作费用较高(电力、泵、过滤成本);

(8)  阀门被颗粒物堵塞,固体物质在再生塔塔顶冷凝器中积累并降低换热效果;

2、问题解决的主要途径

2.1   消除拦液现象的几种可能的措施

    通过理论分析,结合国内外生产现场的实际经验,要解决吸收剂发泡、拦液的问题,可以从强化过滤、注入消泡剂、调低溢流堰高、改变传质方式、控制工艺参数五个方面入手:

(1)通过减少对胺溶液污染,加强净化力度和改善净化手段,去除来自集气系统的液态烃的夹带和缓蚀剂进入气体处理的水溶液,从而使胺溶液的发泡倾向和泡沫的稳定性降低,

(2)治理塔中泡沫最常用的办法是响塔中加入消泡剂,最常用的消泡剂为聚二甲基硅氧烷,它基本不挥发,具有低表面张力,在水合润滑油中均不溶解,是化学上的惰性物质。另外,要注意用量、注入位置、加入方法才能起到有效的消泡效果[7]

(3)通过调整气液接触时间来改变气泡产生的数量,即调整溢流堰的高度,通常情况溢流堰的高度在50-75mm之间,可以通过降低堰高,达到降低泡沫的数量和规模。不过堰高调整后会影响液体在塔板上的停留时间,进而影响到酸性气体的脱除效果;

(4)改变气液传质方式,通过变换塔板的几何参数或几何结构,去除或者削弱大量泡沫形成的条件,降低泡沫形成的数量,达到扩产、节能、增效的目的,例如使用喷射型的塔板——CJST塔板替代浮阀塔板;

(5)如果在塔的操作和现场测试都在正常范围内,可以通过控制生产工艺参数治理发泡引起的液泛,如采用改变进料的热状态、改变塔的操作压力、平稳操作、降低塔的负荷(循环量)、改变胺溶液的配比等方法来控制过度泡沫的产生。

2.2 各种解决方案的应用效果

    从目前的工业实践来分析,大部分的研究和生产技术人员仅仅把注意力都集中在第一、二、五方面的手段,即如何使溶液保持清洁这一个方面,而忽略了对塔板的几何参数或者几何结构进行调整。

    从文献的报道中,依据现场装置的运行情况,我们可以得到以下几个初步的分析结果:

序号

解决问题的途径

机理描述

应用情况及效果

1

加强原料气和胺溶液的过滤

加强天然气原料气、胺溶液的过滤,使用新型、高效的过滤装置,去除微小的固体颗粒,从而降低溶液表面气膜的韧性;

天然气处理厂实际也在加强天然气和胺溶液的过滤,能够减少高级烃类类、固体杂质在循环溶液的滞留量,有一定作用;

2

加入消泡剂

加入有机硅类消泡剂

在酸气系统出现拦液的时候,连续注入消泡剂能够缓解发泡程度;

3

调整溢流堰高度

调整溢流堰高度, 降低板上液层厚度和塔板的压降,减少泡沫产生的数量,并且是降液管内液层的高度,可以降低拦液发生的概率和次数;

某净化车间通过理论分析,认为堰高对溶液发泡多少和拦液具有重要的影响,并于2007年11月份对堰高进行了调整,从现场运行情况分析,结果达到了预计的目的,拦液的频率有所降低;

4

更换新型塔板——CJST

通过更换高效、抗堵塞、抗发泡的喷射型塔板,改变气液接触方式,降低泡沫产生的数量;

 

该装置在某天然气净化厂200万方/天的装置运行6个月,脱硫效果好于浮阀塔板,经过人为设置的苛刻工艺条件的考核检验,没有出现过拦液现象;

5

控制生产工艺参数

通过选择和控制关键数据指标,减少参数波动对系统平稳运行的扰动

在生产实际运行过程中,如果塔内件为浮阀塔盘,气量的波动、酸气负荷的调整、进气温度、贫液进塔温度这些变量对于稳定泡沫水平都很重要;

2.3 对应用方案的评价分析

    采用原料气过滤和胺液过滤的手段对系统的平稳运行确实能够起到一定的作用,从胺液系统内在因素上发挥作用,减少了泡沫的稳定性,进而缩短了泡沫的生存时间;消泡剂可以起到降低发泡数量的作用,但是过量使用反而加剧了起泡沫的问题,史密斯[ 8]将消泡剂比作“阿斯匹林”,认为只有手术才能根治疾病。如果是调低溢流堰的高度,那么将对工艺指标产生影响,对于浮阀塔板必然会改变气液接触时间,调整量的大小要根据气质好坏变化幅度进行权衡后确定。控制工艺参数需要积累经验,同时要在工艺设计和设备选型时充分考虑到泡沫治理的问题,在生产实践中也是必不可少的调节手段,但是最终不能解决问题。目前设计院主要是采用加大的塔径设计余量的办法,降液系统的泛点率选择也比较低,应用新型塔内件消除有利于泡沫产生的条件是一个全新的尝试,有利对问题的根本解决。   

3、工业生产装置的消泡效果

    在理论分析、软件模拟、水力学中试实验的基础上,长庆气田某净化厂于2007年10月更换了DN1800脱硫塔的浮阀塔板,在后续的实验过程中,积累了大量的运行数据,从脱硫效果和装置平稳特性角度对数据进行了总结[8],该装置运行至今没有出现过拦液现象,塔板压降也远低于控制指标,综合效果超出预期。

    CJST塔板对MDEA配方溶液发泡的抑制作用,可由实验装置和DN1800脱硫塔的运行情况得知,浮阀塔板比较容易出现拦液现象[8]。其消泡作用是由CJST塔板的气液传质、传热机理及帽罩结构决定的。CJST塔板的气液传质过程如下:⑴ 液体在帽罩内被气体提升、拉膜、破膜,破碎;⑵ 气液向罩顶撞击,折返,喷射,气液在罩内剧烈的湍动混合,液体表面被不断更新;⑶ 气液从罩孔喷出,液体被分散成液滴,为气液接触提供更大的传质表面积;⑷ 液滴落回塔板,气体上升进入上一层塔板。步骤⑴使泡沫液膜变薄,促进液膜排液,降低了泡沫稳定性,使之易于被破坏或难于形成;步骤⑵中气液向罩顶撞击,可导致泡沫液膜破裂,已形成的泡沫被破坏;步骤⑶也可使部分已形成的泡沫破裂。  

4、径向侧导喷射塔板在DN2400脱硫改造中的效果

    DN2400脱硫塔自从开车至今,气量和液量都在有序的进行调整,液量曾经调到系统的较大能力,也经历了近4个月进气的考验,尚未有过拦液情况发生,在脱硫方面,CJST塔板表现出十分明显的优势,净化气中的H2S含量一直在5.0mg/m3 以下,远远高于产品的质量标准20mg/m3;在脱碳方面,CJST塔板与浮阀塔板相比,脱碳效率在气相负荷较低的情况下,不占优势,气量达到270万方的时候脱碳效果明显好转,该现象符合该塔板的性能特点。针对MDEA和CO2反应比较慢的问题,在胺溶液中加入DEA5%(w)活化剂,使得CJST塔板的操作更有利于CO2气体的吸收。

5 、结论与展望

    通过对生产数据进行汇总和经济指标的分析,发现该项技术创新具有较大的推广价值,蒸汽消耗量由原来的0.98t蒸汽/万方天然气降低到0.88t蒸汽/万方天然气,而且大大节省了能源消耗。按照每天处理350万方天然气、每吨蒸汽消耗天然气90标方计算,每标方天然气价格1.8元,每天可节省资金5000多元,年可多创效益150万元。这项技术的成功应用为国内外的天然气装置设计提供了新的工程范例。

    在精馏和吸收操作中,如何面对易发泡溶液体系的问题由来已久,研究人员和工程技术工作者都从理论和实践上进行了大量的探索,获得了一些宝贵的经验,胺法净化天然气是石油天然气领域的一个典型实例。经过对CJST塔盘的水力学特点和原理分析和实验室测试,最终在天然气脱硫塔中取得进一步的成功应用。

 

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