大涝坝集气处理站分子筛脱水工艺优化研究
Outline:
江玉发
,
张玉蕾
,
梁根生
,
杨刚
,
贺蕾
收稿日期：2010-12-27；修回日期：2011-04-07
作者简介：江玉发：男，汉族，1985年生，山东临沂人，2008年毕业于西南石油大学油气储运专业。助理工程师，主要从事地面油气集输、装置运行及设备运行等方面管理工作。地址：(842017)新疆库车县塔北邮电所雅克拉采气厂，电话：13579010469.
摘要：分子筛干燥系统是集气处理深度脱水的关键装置。本文简述了大涝坝集气处理站分子筛粉化和结块严重、湿容量低、脱水效果差的现状，通过对失效分子筛实验研究以及对脱水系统影响因素的全面分析，找到其失效快的原因，并提出优化措施。
关键词：分子筛 蜡 湿容量 再生气 入口分离 优化措施
Optimization Research on Molecular Sieve Dehydration Process in Dalaoba Gas-Collection Station
Outline:
Jiang Yufa
,
Zhang Yulei
,
Liang Gensheng,
, et al
Yakela Oil & Gas Exploration Factory, Northwest Company, SINOPEC, Kuche 842017, Xinjiang
Abstract: Molecular sieve dehydration system is the key device of the deep dehydration in gas collection processing. This paper introduces briefly the present situation of the Dalaoba Gas-Collectiion Station about the serious pulverization and agglomeration of molecular, low wet capacity, and poor dehydration effect. By experimental research on the ineffective molecular sieve and comprehensive analysis of the influencing factors on dewatering system, the quick invalidity reason has been found and the optimization measures are put forward.
Key words:
molecular sieve wax wet capacity regeneration gas entrance separation optimization measures
大涝坝集气处理站分子筛脱水系统设计日处理量：25×104 m3(1±20%)，再生温度：220 ℃，露点：-100 ℃，切换周期：8 h。其主要针对原料气进行深度脱水，其高效运行是集气处理装置制冷和分馏系统安全、平稳、高效运行的保障。
1 分子筛运行现状
大涝坝集气处理站双塔分子筛自2005年投运后，天然气处理量很快升至30×104 m3/d，脱水系统处于满负荷运行，脱水后原料气的水露点为-70℃，远高于设计脱水深度-100℃，装置制冷温度优化难度大。天然气组分分析如表 1和表 2。
表 1
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表 1 天然气组分数据
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表 2
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表 2 轻烃气相色谱分析数据
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2006年在原双塔的基础上增加一台同规格分子筛干燥塔，实现“三塔流程”。单塔分子筛吸附时间定为6 h，再生、冷吹时间延长至5 h，升压、泄压时间调整为25 min，避免了对吸附剂床层的扰动，缓解了压力急剧变化造成分子筛破碎问题，脱水效果较好。但是随着大涝坝气田开发，天然气组成不断变化，导致脱水装置面临新的问题：
(1) 分子筛入口分离器不见积液，分离器分离效果差，无法保证进分子筛原料气洁净。
(2) 再生温度在195 ℃~200 ℃之间，不能达到设计的220℃，吸附周期4 h切换，分子筛再生效果无法达到设计要求，致使分子筛脱水效果变差，装置处理量下降。
(3) 分子筛粉化、结块现象较严重，粉尘过滤器滤网易糊堵，平均更换周期为1.5年。
2 失效分子筛实验研究
2.1 粉尘过滤器粉末样品分析
为对分子筛粉化和结块的原因进行分析，对清洗粉尘过滤器糊状物进行了取样分析，并分别用不同溶剂对样品进行浸泡、过滤、冷却处理、室温观察、尿素络合法测定。结果见图 1~图 3。
通过尿素络合法分别对丙酮浸泡液、正庚烷浸泡液和汽油浸泡液进行了测试和分析，浸泡液中发现了蜡的成分(见表 3)。
表 3
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表 3 粉尘过滤器粉末样品实验分析
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2.2 失效分子筛实验分析
大涝坝天然气处理装置采用高压分子筛脱水工艺，分子筛选用高效吸附4A分子筛。长期以来大涝坝集气处理系统分子筛脱水效果不佳，对失效分子筛进行了取样分析。
根据分子筛使用前后的外观对比可知：大涝坝分子筛干燥脱水在运行过程中存在分子筛结块、粉化等现象。结果见图 4~图 7。
为全面分析大涝坝天然气处理系统脱水分子筛的使用状况，借更换分子筛时机，分别从脱水干燥系统中取新鲜分子筛、结块分子筛、粉碎分子筛、废弃分子筛等样品进行试验分析。结果见表 4。
表 4
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表 4 分子筛样品实验分析
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通过实验可知：用过的分子筛都呈黑色，表面有白色或焦状物质糊堵，比表面积严重减少，对水分吸附性能下降，且碱性减弱，结合粉尘过滤器粉末化验结果分析可推测，分子筛吸附脱水过程中受到蜡成分的影响。
2.3 蜡对分子筛的影响机理
石蜡主要是由C12~C30的高分子正构烷烃构成。根据目前生产工艺分析，进分子筛原料气一部分来自高压计量分离后气相，其计量分离器和生产分离属于平衡级分离，离开分离器的气相和液相达到或接近气液平衡状态[1]；另一部分来自凝析油稳定系统不凝气，其主要以三相分离器、凝析油稳定塔完成气液分离和凝析油稳定，亦属于平衡分离。
因此，受气液相平衡控制，存在于凝析油中的蜡和芳香烃等组分，仍有微量存在于气相中进入天然气处理系统。经过物料衡算可知：三相分离器气相含蜡最高，其C12+含量可达0.019 7%。同时再对进装置原料气化验分析，其中C7+质量组成含量在0.4%左右，超出了设计要求0.3%的气质条件，吸附法脱水较困难。
天然气中存在微量蜡会吸附在分子筛表面及大孔内。在分子筛再生过程中，蜡等大分子烃难以脱附出来。蜡成分等大分子烃不断聚结糊在分子筛表面，堵塞分子筛孔道，长期聚结导致结块，使干燥塔有效处理量减少。在同样的处理量条件下，吸附塔内流通通道变小，气体相对流速加快，对分子筛产生扰动，使分子筛磨损、破碎。所以原料气气质不洁净、含蜡等大分子烃较多是分子筛吸附效率低下的主要原因[2]。
3 分子筛脱水系统影响因素分析
3.1 工艺参数与脱水装置设计核算
分子筛吸附压力5.9 MPa，吸附温度30 ℃~45 ℃时，各参数基本平稳，在设计范围之内，处于吸附最佳温度范围。
在实际工况下，充分考虑分子筛干燥塔操作温度、处理天然气量、天然气粘度、天然气相对分子质量、压缩因子、饱和水、切换周期等因素，利用计算软件对分子筛干燥器的尺寸进行了核算(见表 5)。分子筛床层的直径约900 mm，高度约1 920 mm。目前，处理装置中分子筛干燥器的实际直径为900 mm，床层高度2 600 mm。按30×104 m3/d的处理量计算，现有分子筛吸附床层在高度上有富裕。由此可见，分子筛脱水装置符合设计要求。
表 5
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表 5 分子筛脱水装置核算
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3.2 再生效果分析
再生气在加热再生过程中，最高温度246℃，最低温度221℃，但干燥塔再生温度最高在195℃~200℃，无法达到设计的220℃。分子筛干燥塔于2009年5月11日更换分子筛以来，干燥塔切换周期由6 h调整至目前的4 h，无法达到8 h切换周期，天然气脱水后的水露点由更换初期的-75℃升至目前的-65℃。根据再生气量3.2 ×104 m3/d分析，实际气量没有低于分子筛干燥塔再生气气量10%~15%的条件。分析原因为：再生气加热温度不变，再生时间变短，分子筛没有再生完全，导致分子筛再生后的残余水分含量较高，分子筛有效湿容量下降，使其在吸附阶段过程中脱水效果变差。
3.3 进口分离器分离效果评价
现有分子筛入口分离器为重力式分离器，设计分离100 μm左右的液滴。若重力沉降分离50 μm左右的液滴，则不能有效进行。目前分离器不积液现象表明，大涝坝天然气处理系统蜡等大分子烃类组分液滴直径低于100 μm，因而导致分离器无法进行有效分离，造成分子筛污染，影响分子筛使用。
3.4 气体线速度影响
对大涝坝分子筛干燥塔内天然气线速度对吸附剂的分子筛湿容量的影响进行了分析，线速度与分子筛湿容量关系曲线如图 8所示。
由图 8可知：吸附塔内气体的线速度愈高，吸附剂的湿容量愈低，即说明分子筛脱水时，气体线速度过大是不利的。根据大涝坝天然气装置中分子筛干燥器的结构尺寸，气体在分子筛干燥器内的线速度与天然气处理量的变化关系如图 9所示。该图说明在大涝坝分子筛干燥器内，天然气线速度随着天然气处理量的增加而增加，基本呈线性关系。
大涝坝天然气处理系统分子筛吸附最大线速度为16.3 m/min，对比图 8可知，目前分子筛干燥塔吸附湿容量处于线速度最佳阶段。
根据单位床高压降公式可知：
式中：ΔP为压降，kPa；L为床层高度，m；μ为气体粘度，mPa·s；νg为气体流速，m/min；ρg为气体操作状态下的密度，kg/m3; B、C取值根据3.2 mm直径球形分子筛分别取值为4.155与0.001 35。
床层压降与吸附线速度成正比例关系，吸附线速度过大吸附床层压降增大，容易扰动床层，以至冲刷压碎分子筛颗粒，说明分子筛脱水时，气体线速度过大是不利的，处理量不宜超负荷运转。由于蜡的影响，分子筛气流通道变窄，气体线速度相对变大，对分子筛床层影响明显[3]。
3.5 分子筛湿容量分析
根据现运行情况，对分子筛湿容量进行了核算，对分子筛系统实际运行工况的分析和湿容量核算如表 6所示。
表 6
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表 6 实际工况下分子筛湿容量核算结果
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因此，按目前装置运行情况，4 h吸附周期时分子筛的湿容量约4.2%左右；同样按照吸附周期以6 h核算，湿容量大约在6.3%左右。但在分子筛脱水系统设计时，分子筛吸附脱水的设计湿容量为8%~10%, 因此目前湿容量较低。
4 分子筛脱水优化措施研究
4.1 改善入口分离器分离效果，提高原料气的洁净程度
石蜡小液滴大小在13 μm左右，所以为防止原料气中的蜡等杂质进入，顶端采用高效捕雾丝网材料的重力分离器，加强对天然气中细小液滴(10 μm)的捕集，实现分离10 μm的液滴，确保原料气洁净，提高分子筛吸附效率，延长分子筛使用寿命[4]。
4.2 增加再生温度，加强再生深度，提高分子筛湿容量
更换再生气加热器，将加热器换热面积由15 m2增加至35 m2，将热再生气进塔温度提高到260 ℃时，使再生气出口温度能够达到220 ℃左右。深度脱附分子筛中残留水含量，可提高分子筛的湿容量，脱水后露点可以达到-80 ℃。
4.3 合理控制分子筛处理量，避免超负荷运转
严格控制气体处理量在设计范围之内，防止吸附塔内气体流速过高，对吸附剂产生扰动，使吸附剂磨损、破碎。在改变吸附塔压力时，缓慢充压或泄压，避免压力变化速度过快扰动吸附剂床层。为满足处理量日益增长的需求，可增加一台分子筛干燥塔，采取四塔工艺流程。
5 结语
本文针对分子筛脱水存在问题，通过实验分析得出分子筛受到蜡影响。对分子筛脱水系统运行情况进行了分析，发现进口分离器分离效果达不到脱蜡要求，是导致分子筛寿命短的根本原因。同时，根据现有吸附脱水周期短造成再生不完全，提出了提高再生温度、合理控制处理量等相关补救措施，为分子筛使用寿命研究提供了实际依据。
2011, Vol. 40