天然氣深冷處理CO₂凍堵分析

王磊 王佳琦 張維旭

摘要：天然氣深冷處理是天然氣資源再利用的新型技術(shù)手段，更加充分的利用天然氣資源。在我國(guó)乙烷回收目前還處于起步階段，現(xiàn)有運(yùn)行的乙烷回收裝置主要集中在中原油田、大慶油田。在天然氣深冷處理過(guò)程中，CO2天然氣在乙烷回收過(guò)程中易產(chǎn)生固體，造成裝置凍堵，影響裝置的安全運(yùn)行，因此在對(duì)含CO2天然氣乙烷回收工藝進(jìn)行研究時(shí)，應(yīng)對(duì)乙烷回收裝置中的相態(tài)進(jìn)行分析。簡(jiǎn)要分析CO2在烴類(lèi)物質(zhì)體中的相態(tài)平衡規(guī)律。研究CO2凍堵影響因素，進(jìn)一步提出相應(yīng)的凍堵控制措施。

關(guān)鍵詞：乙烷回收;深冷處理;輕烴物質(zhì);防凍堵

一、CO2在烴類(lèi)體系中的相態(tài)平衡規(guī)律

CO2固體形成條件與原料氣組成和系統(tǒng)操作條件有關(guān)，當(dāng)操作溫度低于CO2固體形成溫度時(shí)，若CO2含量超出氣相及液相的溶解度，就會(huì)有CO2固體析出。對(duì)于含CO2的液固體系，固體CO2在烴類(lèi)液體中的溶解度主要受溫度影響。在正常運(yùn)行狀況下，隨著溫度的升高變化CO2在烴類(lèi)液體中的溶解度就會(huì)顯著增高。另外壓力也是影響CO2相態(tài)變化的重要原因。在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，若運(yùn)行壓力大于CO2飽和溶液蒸汽壓力，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)CO2固體析出。對(duì)于氣固體系，由于固體在烴類(lèi)氣體中的溶解度非常小，可認(rèn)為溫度低于三相點(diǎn)溫度時(shí)就會(huì)有固體析出。

在整個(gè)處理過(guò)程中，脫甲烷塔正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)處于氣液區(qū)域狀態(tài)下，系統(tǒng)運(yùn)行溫度要高于一定溫度，在這種溫度條件下，壓力的變化并不能影響相態(tài)變化。但是如果出現(xiàn)運(yùn)行溫度低于某一定溫度時(shí)，運(yùn)行壓力的變化會(huì)對(duì)相態(tài)產(chǎn)生一定的影響，可能會(huì)析出固體。這樣設(shè)備設(shè)施就比較容易凍堵。因此我們知道，溫度變化、運(yùn)行壓力、原料氣進(jìn)氣含量的高低、原來(lái)器烴類(lèi)組成等都對(duì)相態(tài)存在一定的影響。

二、CO2凍堵影響因素

我們對(duì)相態(tài)平衡進(jìn)行分析進(jìn)一步得到，運(yùn)行溫度對(duì)于固體物質(zhì)的形成影響程度占比較大。乙烷處理回收裝置一般凍堵都是發(fā)生在溫度比較低的時(shí)候。從設(shè)備角度分析，脫甲烷塔頂換熱冷箱、膨脹機(jī)出口和脫甲烷塔這些部位是整個(gè)體系中比較容易凍堵的。

其凍堵的原因主要是因?yàn)楣?jié)流的影響，溫度較低的液體會(huì)被輸送至甲烷塔的頂板，進(jìn)而發(fā)生平衡中段濃縮。因此在甲烷塔塔頂板下部的很多塔板出都是比較容易凍堵。因此進(jìn)一步研究甲烷塔的凍堵規(guī)律有利于控制脫甲烷塔的凍堵。結(jié)合相態(tài)平衡規(guī)律我們還要對(duì)原料氣含量、設(shè)備操作壓力、塔頂溫度進(jìn)行對(duì)應(yīng)研究。

（1）進(jìn)料氣含量的影響

在脫甲烷塔頂壓力和溫度保持一定的條件下，研究進(jìn)料氣CO2含量對(duì)脫甲烷塔凍堵情況的影響。由于乙烷回收裝置最可能發(fā)生CO2凍堵的部位是脫甲烷塔上部，因此對(duì)脫甲烷塔從塔頂往下數(shù)的前8塊塔板凍堵情況進(jìn)行分析。保持脫甲烷塔頂壓力為，溫度為-95℃左右，進(jìn)料氣CO2含量分別為1%、2%、3%。

當(dāng)進(jìn)料氣CO2含量為3%時(shí)，脫甲烷塔第4塊塔板溫度開(kāi)始低于CO2的液相凍堵溫度，脫甲烷塔首先在第塊塔板的液相析出CO2固體，發(fā)生CO2凍堵。脫甲烷塔第3塊塔板溫度開(kāi)始低于的氣相CO2凍堵溫度，脫甲烷塔首先在第3塊塔板的氣相析出CO2固體，發(fā)生凍堵。脫甲烷塔的液相凍堵溫度為-80℃，氣相凍堵溫度為-90℃。

綜上所述，在脫甲烷塔頂壓力和溫度保持一定的條件下，脫甲烷塔進(jìn)料含量越高，脫甲烷塔上部各塔板的氣相凍堵溫度和液相凍堵溫度越高，脫甲烷塔越易發(fā)生凍堵。

（2）脫甲烷塔操作壓力的影響

當(dāng)脫甲烷塔操作壓力為2500kPa時(shí)，脫甲烷塔的液相凍堵溫度為-82℃，氣相凍堵溫度為-87℃，當(dāng)脫甲烷塔操作壓力為2000kPa時(shí)，脫甲烷塔的液相凍堵溫度為-74°，氣相凍堵溫度為-79。所以在脫甲烷塔頂進(jìn)料CO2含量和塔頂溫度保持一定的條件下，脫甲烷塔操作壓力越低，脫甲烷塔上部各塔板的氣相凍堵溫度和液相凍堵溫度越高，脫甲烷塔越易發(fā)生凍堵。

（3）脫甲烷塔頂部溫度的影響

當(dāng)脫甲烷塔塔頂溫度為-95℃時(shí)，脫甲烷塔的液相凍堵溫度為-80℃，氣相凍堵溫度為-87℃，當(dāng)脫甲烷塔塔頂溫度為-90℃時(shí)，脫甲烷塔的液相凍堵溫度為-86℃，氣相不發(fā)生CO2 凍堵。所以在脫甲烷塔頂進(jìn)料CO2含量和操作壓力保持一定的條件下，脫甲烷塔塔頂溫度越低，脫甲烷塔上部各塔板的氣相凍堵溫度和液相凍堵溫度越高，脫甲烷塔越易發(fā)生凍堵。

三、LSP工藝技術(shù)控制CO2凍堵

對(duì)比常規(guī)流程與LSP工藝技術(shù)流程，其最大的不同是對(duì)低溫分離器底部重 烴的處理，常規(guī)流程直接把凝液打回脫甲烷塔膨脹機(jī)進(jìn)料口下方，在提餾段被脫 出所溶解的輕組分，LSP工藝將這部分重?zé)N進(jìn)一步冷卻后 打人脫甲烷塔頂作為 回流，改善了CO2凍堵現(xiàn)象，LSP流程中，重?zé)N液體中的 C 3、C4組分可以吸 收部分CO2，使之在氣相中分壓降低，偏離生成固體的條件。同時(shí)，在發(fā)生凍 堵時(shí)可以融解CO2固體，改善了凍堵程度。[1]

LSP工藝流程中重?zé)N實(shí)際上可視作冷回流，這樣使甲烷塔成為一個(gè)真正 的精餾塔，重?zé)N回流液在塔內(nèi)與下方膨脹機(jī)出口含甲烷和乙烷較多的上升氣相逆流接觸，不斷吸收冷凝氣中的乙烷，既提高了收率，又改善了產(chǎn)品質(zhì)量。

總結(jié)

天然氣深冷處理過(guò)程中給，會(huì)有CO2凍堵現(xiàn)象的發(fā)生，然而凍堵會(huì)直接影響到裝置的運(yùn)行。因此研究CO2防止促使是極其必要的。我們通過(guò)對(duì)凍堵的成因進(jìn)行分析，進(jìn)一步深人分析，掌握CO2凍堵產(chǎn)的機(jī)理和規(guī)律，合理優(yōu)化和改進(jìn)流程。LSP工藝流程的優(yōu)化進(jìn)一步解決了CO2凍堵的問(wèn)題。為天然氣深冷處理及乙烷回收提供了可靠的技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 焦玉清，陳萍，張曉花，等伴生氣含量增加對(duì)深冷輕烴回收裝置的影響油氣田地面工程，2012，31（9）：55-56

[2] 劉巖，付東輝，林川.薩南油田伴生氣二氧化碳對(duì)深冷裝置的影響油氣田地面工程，2010，29（11）：50-51

[3] 劉剛，徐守君.天然氣深冷處理裝置分子篩脫水工藝 分析與研究[J].石油石化綠色低碳，2016，（03）：48-52.