三甘醇脫水裝置換熱網絡夾點技術分析

摘 要

摘要：三甘醇(TEG)脫水工藝是目前國內外天然氣凈化中應用最廣泛的脫水工藝。為有效降低裝置能耗，應用夾點技術對TEG脫水裝置的換熱網絡進行了優化分析，運用HYSYS流程模擬軟件模
摘要：三甘醇(TEG)脫水工藝是目前國內外天然氣凈化中應用最廣泛的脫水工藝。為有效降低裝置能耗，應用夾點技術對TEG脫水裝置的換熱網絡進行了優化分析，運用HYSYS流程模擬軟件模擬TEG脫水流程，并從模擬工藝數據中提取參與換熱的冷、熱物流物性數據，應用溫一焓圖、柵格圖和問題表格法等夾點分析技術對TEG脫水流程的換熱網絡進行分析，找到裝置用能的“瓶頸”——冷、熱物流傳熱溫差過大，阻礙熱量進一步回收。綜合分析溫一焓圖和TEG再生王藝，發現通過提高富TEG溶液換熱后溫度，可以降低物流傳熱溫差，增加熱量回收。對比優化前后天.然氣TEG脫水裝置的工藝流程，HYSYS模擬所得能耗數據表明優化后脫水裝置TEG再生器加熱負荷降低了39.40%，問題表格法計算優化后貧TEG溶液冷卻量減少了156.20kW。
關鍵詞：天然氣凈化；TEG脫水；夾點分析；換熱網絡；HYSYS模擬；能耗
    目前天然氣脫水裝置主要采用設備節能技術改進和先進工藝來降低裝置能耗[1]。夾點技術(PinchTechnology)[2～3]作為一種成熟的過程系統用能分析方法，在過程工業中已取得顯著的節能效果[4]。現在將夾點技術應用于天然氣TEG脫水流程的換熱網絡分析與優化，以提高裝置的能量利用效率。
1 TEG脫水流程換熱網絡夾點分析
    應用夾點技術對處理量為200×104m3/d天然氣凈化廠的TEG脫水流程的換熱網絡進行分析。
1.1 TEG脫水裝置換熱流程
    圖1所示為天然氣TEG脫水工藝流程。其主\要換熱物流為富TEG溶液和貧TEG溶液。
 
    吸收塔C-1301底部排出的富TEG溶液經TEG再生器H-1301頂部盤管E-1302與再生氣換熱升溫后進入閃蒸罐D-1302閃蒸，閃蒸后的富TEG液經過濾器F-1301除去雜質后，進入貧/富液換熱器E-1303與再生后的高溫貧TEG溶液進行換熱，換熱升溫后進入TEG再生器H-1301再生。從再生器緩沖罐D-1303流出的高溫貧TEG溶液，經貧/富液換熱器E-1303換熱降溫后由TEG循環泵P-1301升壓至貧液冷卻器E-1301進一步冷卻，滿足脫水工藝要求的TEG貧液送至吸收塔C-1301頂部。
1.2 天然氣TEG脫水工藝流程模擬
應用HYSYS模擬TEG脫水流程，得到換熱過程所涉及各物流數據，以進行夾點分析。圖2為天然氣TEG脫水工藝HYSYS模擬流程圖。
 
流程模擬的熱力學模型選用Peng-Robinson狀態方程。TEG吸收塔設置5層理論塔板，從第2層到4層的板效率設為0.5，塔頂和塔底的板效率設為1，以保證產品氣出塔時達到平衡狀態。再生塔采用帶塔底重沸器的精餾塔模型，塔頂安裝一個全回流冷凝器。表1為模擬輸入工藝數據。
表1 輸入模擬工藝數據表
設備
項目
數值
單位
原料氣
流量
3501.2
kmol/h
壓力
4550
kPa
溫度
39.3
℃
吸收劑
流量
28.6
kmol/h
溫度
50.3
℃
壓力
4550
kPa
質量分數
98.8
%
閃蒸罐
壓力
120
kPa
再生塔
壓力
100
kPa
壓降
10
kPa
富液進塔溫度
113.5
℃
補充TEG
溫度
25
℃
壓力
110
kPa
1.3 提取物流數據
    從HYSYS模擬數據中提取參與換熱的物流溫度、熱負荷、熱容流率等數據。TEG脫水流程換熱網絡所涉及的冷、熱物流主要有：貧TEG溶液(H1)、再生氣(H2)和富TEG溶液(C1)。表2為換熱網絡物流數據。
表2 換熱網絡物流數據表
物流
起始溫度(℃)
終點溫度(℃)
熱負荷(kW)
熱容流率(kW/℃)
C1
42.81
113.50
164.70
2.33
H1
203.70
50.30
340.50
2.22
H2
142.20
95.50
72.85
1.56
1.4 換熱網絡夾點分析
    設定最小允許傳熱溫差△Tmin=20℃，圖3為天然氣TEG脫水工藝流程換熱過程溫焓(T-H)圖。
    表3為應用問題表格法計算換熱網絡所需公用工程量和夾點位置。換熱網絡的夾點位于193.70℃，加熱量為0kW，冷卻量為248.10kW。
 
   從圖3中可以看出，冷、熱物流的傳熱溫差遠大于20℃，阻礙熱量進一步回收，可認為此處是換熱網絡用能的“瓶頸”所在。
    仔細觀察T-H圖可知，如果將冷物流組合曲線向左平移，則可以減小物流的傳熱溫差；同時提高冷物流的換后終點溫度，則可以增加換熱過程熱能回收量；從工藝上分析，提高冷物流(富TEG溶液)進TEG再生器的溫度，可以減少TEG再生器再生所需熱量。通過上述分析，找到解除“瓶頸”的方法，即降低換熱物流間的傳熱溫差，提高TEG富液換熱后溫度。
1.5 換熱網絡優化
    在滿足物流間最小傳熱溫差條件下，通過優化算法可得冷物流(C1)換熱后的最高溫度為180.90℃。
    圖4為富TEG溶液升溫后的T-H圖。從圖中可以看出，物流之間的傳熱溫差明顯減少，換熱過程熱量回收量加大，公用工程冷卻量大幅減小。
 
    根據升溫后的物流數據，再用問題表格法計算得到升溫后的夾點位置為132.18℃，所需的冷卻量為91.86kW。
根據夾點設計規則[5]，構建最大能量回收換熱網絡(MER)，將C1物流按熱容流率分成0.92kW/℃(C1-1)和1.41kW/℃(C1-2)兩股物流，C1-1物流通過換熱器E-1302與再生氣(H2)換熱到122.20℃，C1-2物流通過新增換熱器與貧TEG溶液(H1)換熱到122.20℃，然后兩股物流合并成一股通過換熱器E-1303與貧TEG溶液(H1)換熱到180.90℃，貧TEG溶液(H1)剩余熱量通過冷卻器E-1301將其溫度從91.7℃降到50.2℃。圖5、6為優化后的換熱網絡柵格圖和工藝流程圖。
 
    根據優化后天然氣TEG脫水流程工藝參數，應用HYSYS模擬得到TEG再生塔的熱負荷為284.60kW，相對優化前的469.40kW，降低了39.40%。貧TEG溶液冷卻負荷減少了156.20kw。
    換熱網絡優化后，換熱器E-1302和E-1303的換熱負荷及換熱物流溫度均有較大變化，需要重新校核計算，以滿足工藝要求。
2 結論
    應用夾點技術對天然氣TEG脫水裝置換熱網絡進行分析，確定出物流間傳熱溫差過大是阻礙提高換熱網絡熱量回收的“瓶頸”。依據夾點設計原則及TEG脫水工藝原理，提高了富TEG溶液進再生器溫度，優化了物流換熱流程。通過HYSYS模擬表明優化后TEG再生器的負荷大幅降低，公用工程冷卻水用量明顯減少，大幅提高了天然氣TEG脫水裝置的能量利用效率。
參考文獻
[1] 王樂，賈立民，付孟貴，等.天然氣脫水系統的技術改造[J].天然氣工業，2005，25(28)：123-124.
[2] LINNHOFF B，VREFEELD D R. Pinch technology has come of age[J].Chemical Engineering Progress，1984，80(7)：33-41.
[3] LINNHOFF B，FLOWER J R. Synthesis of heat exchanger networks[J].AIChE Journal，1987，24(4)：633-640.
[4] YOON S G，LEE J，PARK S. Heat integration analysis for an industrial ethylbenzene plant using pinch analysis[J].Applied Thermal Engineering，2007，27：886-893.
[5] KEMP I C. Pinch analysis and process integration[M].Oxford：Elsevier，2007.
 
(本文作者：李奇1 姬忠禮1 張德元2 詹釗1 1.中國石油大學機電工程學院；2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院)