径向侧导喷射塔盘在天然气胺法脱硫技术改造中的应用.pdf

径 向侧 导喷射塔盘在 天 然气胺法脱硫技术改造 中的应用 王晓军’张 兵 商恩霞 赵玉君’ 1 ． 长庆油田第一采气厂陕西榆林7 1 9 0 0 0 2 ． 天津市创举科技有 限公司天津 3 0 0 1 3 0 【 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 。在 工艺计算和软件模拟的基础上进行 了工业装置检验 ，并把 DN2 4 0 0 脱硫 装置 中浮 阀塔盘 更换 为径 向侧导喷 射塔板 ，经过 3多月的运行 ，未 发生过拦液现象，且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 系时 ，提 高生产 能力和提 高传质 效率 两方 面的优越 性 能 。 【 关键词 】径向侧导喷射塔盘脱硫塔拦液MDE A溶液 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 c O ，、H ， s 等酸性气体的天然气 ， 例如 ，某净化厂 中原料 气 H ． S的含 量为 0 ． 0 2 8 ％， C O ． 含量为5 ． 2 8 6 ％， 有 机胺溶液采用进 口MDE A配方溶 液 美 国联 碳 公 司的 Ue a r s o l 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 王晓军 1 9 7 5 一工程师，长庆油田第一采气厂第二净化厂厂长 。 主要从事天然气加工处理技术开发与管理工作。 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 ，因此 ，吸收和再生塔 内件 的设计 显得尤为重要 。 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 、S C O T尾气处理单 0 0 。 ． 0 3 。 石油和化工设菩l 23 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 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 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 自气量波动 、烃类污染 、胺 溶液降解物等多方 面 1 。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 - 6 1 。 1 ． 1拦液现象形成的原因 泡沫形 成主要 有两个 因素 。 一 是由气液接触状态决定 ，二是 由 于溶液中污染物的产生。国外很多 文献对此问题都有分析报道l 2 1 ，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 2 4 l 石 油 和 化 工 设 蕾 200。．。。 断堆积，一部分破碎，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7 6 ． 2 m m， 3 mi n ，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 F e S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 F e S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 ，并且达不到产 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 ，或者压力表读数不 准确 ； 4 胺溶液变为不透明而且含 有悬浮固体颗粒 ； 5 超过 1 0 ％ 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 解决的主要途径 2 ． 1消除拦液现象的几种措施 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 面人 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 向塔中加 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 和润滑油中均不溶解 ，是化学上 的惰性物质。但在不不使用时要 注意用量、注入位置、加入方法才 能起到有效的消泡效果 I 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 流堰的高度 ，通常情况溢流堰 的 高度在 5 0 7 5 m m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 喷射型的塔板一 C J S T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 几 个初步 的分析结 果 ，见表 1 。 2 ． 3 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 序号 解决 问题 的途径 机理描述 应用情况及效果 加强天然气原料气、 天然气处理厂实际也在加 胺溶液的过滤 ，使用 强天然气和胺溶液的过 加强原料气和胺 新型、高效的过滤装 l 滤 ，能够减少高级烃类、 溶液的过滤 置 ，去除微小的固体 固体杂质在循环溶液 的滞 颗粒 ，从而降低溶液 留量 ，有一定作用； 表面气膜的韧性 ； 加入有机硅类消泡 在酸气系统出现拦液的时 2 加入消泡剂 候，连续注入消泡剂能够 剂 ； 缓解发泡程度； 调整溢流堰高度，降 某净化车间通过理论分 低板上液层厚度和塔 析，认为堰高对溶液发泡 板 的压 降，减少泡沫 多少和拦液具有重要的影 3 调整溢流堰高度 产生的数量，并且是 响，并于2 0 0 7 年 1 1 月对堰 降液管内液层 的高 高进行了调整，从现场运 度 ，可 以降低拦液发 行情况分析 ，达到了预计 的 目的，拦液的频率有所 生的概率和次数 ； 降低 ； 该装置在某天然气净化厂 通过更换高效、抗堵 2 0 0 万方／ 天和3 7 5 万方／ 更换新型塔板一 塞、抗发泡的喷射型 天的装置运行6 个月，脱 4 塔板 ，改变气液接触 硫效果好于浮阀塔板 ，经 J S T 方式 ，降低泡沫产生 过人为设置的苛刻工艺条 的数量； 件的考核检验 ，没有出现 拦液现象； 在生产运行过程中，如果 通过选择和控制关键 塔 内件为浮 阀塔盘，气量 控制生产工艺参 数据指标，减少参数 的波动、酸气负荷的调整 5 数 波动对系统平稳运行 、进气温度、贫液进塔温 的扰动 度这些变量对于稳定泡沫 水平都很重要； 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 不 能最 终 解决 问题 。 目前 设 计 院主 要 是 采 用加 大塔 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 泡 沫 产 生 的条 件 是 一 个 全新 的尝 试 ，有利于问题 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 2 0 0 。 ． 0 3．石油和化工设备l 25 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学 中试实验 的基础上 ，长庆气 田 某 净化 厂 于 2 0 0 7年 1 0月更换 了 DN 1 8 0 0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 ， 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。 C J S T塔板对 MD E A配方溶液 发泡的抑制作用 ，可由实验装置 和 DNl 8 0 0脱硫塔的运行情况得 知 ，浮阀塔板 比较容易 出现拦液 现象 1 。其消泡作用是由C J S T塔板 的气液传质 、传热机理及帽罩结 构决定的。C J S T塔板的气液传质过 程如下 1 液体在帽罩内被气体 提升 、拉膜 、破膜 、破碎 ； 2 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 ； 3 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 ； 4 液 滴 落 回塔板 ，气体上升进入上一层 塔板。步骤 1 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 2 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 3 也可使部分已形成的泡 沫破裂 。 4 径 向 侧 导 喷 射 塔 板 在 DN 2 4 0 0脱硫改造中的效果 D N 2 4 0 0 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，未 26 I 石 油 和 化 工 设 聋 00。．。3 有过拦液情况发生 。在脱硫方面 ， c J s T塔 板表现出十分 明显 的优 势 ，净化气 中的 H ， S 含量一直在 5 ． O m ／ m 以下 ，远远高于产品的质 量标准2 0 m g ／ m ； 在脱碳方面， C J S T 塔 板 与浮 阀塔板 相 比 ，脱 碳效 率 在气相负荷较低的情况下 ，C J S T 塔盘不占优势，处理气量大于 2 7 0 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 MD E A和 C O ， 反应 比较慢 的问 题， 在胺溶液中加入浓度为5 ％ w 的 D E A活化剂，使得 C J S T塔板的 操作更有利于 C O ， 气体的吸收。 5结论 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 ． 9 8 t 蒸汽 ／ 万方天 然气降低到 0 ． 8 8 t 蒸汽／ 万方天然 气 ，而且大大节省了能源消耗。按 照每天处理 3 5 0 万方天然气 、每吨 蒸汽消耗天然气9 0 标方计算 ，每标 方天然气价格 1 ． 8元，每天可节省 资金 5 0 0 0多元，年可创效益 1 5 0万 元 。这项 技 术 的 成功 应 用 为 国 内 外 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 ，已经获得了一些宝贵的 经验 ，胺法净化天然气是石 油天 然气领域 的一个典型发泡体 系吸 收过程实例，经过对C J S T 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的工业 消泡实践 中取得了更大的技术进 步 圈 n1 唐荣武， 王军等。 H GS E型高效低阻超净化装置在卧龙河引进分厂8 0 X 1 0 4 m3／ d净化装置的成功应用 ． 2 0 0 5 ，3 4卷 5 0 1 5 0 2 ． f 2 1 Au t h u r Ko h l ， Ri c h a r d Nie l s en ． Ga s P ur i f ic a t i o n F ift h E d i t io n [ M1 ． 1 9 9 7 ， 2 2 4 - 2 2 6． 『 3 1王开岳等 ． 天然气净化 工艺 一脱硫脱碳 、脱水 、硫磺 回收及尾气处理『 M1 ． 2 0 0 5． 51 5 5 ． 『 4 1 Pa u l e v C R． Fa c e t h e f a c t s a b o u t a mi n e f o ami n q ． Ch e mic a l E n qin e e r i n ．q Pr o q r e s s， 1 9 91 8 7 7 3 3 3 8． 『 5 1 P a u l e v C R，Ha s h e mi R， Ca o t h ien S． W a y s t o c o n t r o l a min e u n it f o a mi n c l o ff e r e d ． Oi l a n d Ga s J o u r n a l I 1 9 8 9；8 7 5 0 6 7 7 5 ． 『 6 1 S t e w a r t E J ， L a n n in q R A ． R e d u c e a mi n e p l a n t s o l v e n t lo s s e s ．H y d r o c a r - b o n Pr o c e s s i n q， 1 9 9 4；7 3 5 6 7 8 1 ． f 7 1 吴俊生，邵惠鹤。精馏设计、操作和控制[ M1 ． 1 9 9 7 ， 2 6 1 2 6 4 ． 『 8 1 王登海。王遇冬。 再论长庆气田含硫天然气脱硫工艺技术[ J 1 ． 2 0 0 2；V o 1 ． 3 1 NO ． 5 2 4 6 - 2 49 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m