摘 要

摘　要：为了正确评价天然气净化过程能量利用状况及节能潜力，以分析为基础，基于过程推动力原理解析了天然气净化系统的能过程，将天然气净化过程船损失分为动量损失、传热

摘　要：为了正确评价天然气净化过程能量利用状况及节能潜力，以分析为基础，基于过程推动力原理解析了天然气净化系统的能过程，将天然气净化过程船损失分为动量损失、传热损失和传质损失，从而建立起了天然气净化过程的能量结构模型。随后应用该模型对四川盆地普光气田高含硫天然气净化装置能状况进行了分析，结果表明：①天然气净化系统的损失主要发生在传热过程和传质过程，其损失率分别为75.3％和20.1％；②传质过程的损失主要发生在胺液解吸再生过程，应用逐层塔板分析方法得知该过程的总火效率约为10.0％，主要损失发生在重沸器和冷凝器中。最后，为了提高胺液解吸再生过程的能效率，采用双效精馏工艺改造胺液解吸再生过程，通过高压塔顶气体与低压塔底物流进行换热，回收高压塔顶冷凝热量，降低低压塔底重沸器热量，使胺液解吸再生过程能耗降低了11.0％，效率提高了27.0％。

关键词：天然气净化  过程推动力  能量结构模型  能  损失  效率  胺液解吸再生  双塔精馏  普光气田

Energy analysis of a natural gas purification process based on the process driving model：A case history of the Puguang Gas Field，Sichuan Basin

Abstract：In order to correctly evaluate energy utilization and energy-saving potential in a natural gas purification process，we divided the exergy loss in the whole process into that of momentum，of heat and of mass transfer based on the process driving force，and thus established an energy structure model in the case of a purification plant in the Puguang Gas Field，Siehuan Basin．On this basis，we made an analysis which showed that both the heat and mass transfer process accounting for 75.3％and 20.1％respectively are the most exergy loss process in this plant．Because the exergy loss in the mass transfer process mainly occurs in the amine regeneration process，the method of plate-to-plate exergy analysis was applied to calculate the cumulative exergy efficiency of amine regeneration process of about l0.0％，and also found that the main exergy loss occurred in the reboiler and condenser．With the introduction of double-effect distillation into the amine regeneration process，the heat exchange was done between the overhead high pressure gas and the low-pressure bottom stream to recover the overhead high pressure condensing heat，and reduce the energy needs for the lowpressure bottom reboiler．The results showed that the application of double effect distillation helped not only reduce the energy consumption of the amine regeneration process by ll.0％ but increase the exergy efficiency of this plant by 27.0％．

Keywords：natural gas purification，process driven force，energy structure model，exergy loss，amine regeneration，distillation tower，Puguang Gas Field，Sichuan Basin

为了正确评价天然气净化过程能量利用状况和节能潜力，以分析为基础，应用过程推动力原理分析天然气净化系统的能过程。过程推动力是为了推动过程进行所必须付出的代价^[1]。对于任何实际能量系统或化工过程中都存在“三传”，即动量传递、热量传递和质量传递。流体流动的推动力是压力差或位差，热量传递的推动力是温度差，质量传递的推动力是浓度差^[2]。因此，大部分过程系统的损失均可分为动量损失、传热损失和传质损失。为此，基于过程推动力原理，运用分析方法研究天然气脱硫过程能量的传递和转换过程，确定天然气净化装置能的薄弱环节及节能改造的方向，从而采用合理的技术改造手段使天然气净化流程的成本、能耗、产率或者收益等性能指标达到最优^[3-8]。

1　基于过程推动力的天然气净化过程能量结构模型

高含硫天然气净化装置是含硫天然气开发过程中重要的组成部分，主要包括脱酸气、脱水、硫磺回收、尾气处理、酸水汽提单元，且各操作单元之间存在物流交换，从而组成一个复杂的大规模过程系统。中国石油化工股份有限公司普光气田(以下简称普光气田)天然气净化装置的原料气中H2S含量为13％～l8％、CO2含量为8％～l0％，天然气净化难度大。为满足高含硫天然气净化要求，普光气田天然气净化装置采用MDEA二级吸收法脱硫脱碳、TEG法脱水、常规Claus硫磺回收、加氢还原吸收尾气处理的天然气净化工艺路线(图1)。

 

依据天然气净化过程能分析所确定的净化过程3种炯损失，并借鉴“白箱”分析模型将各天然气净化操作单元视为一个“白箱”，每个“白箱”内的损失为动量损失、传热损失和传质损失3部分，从而建立了如图2所示的天然气净化过程能量结构模型，图2中∑Exsup和∑Exgain为外界供人净化过程的能及产品净化天然气物流获得的能；∑Exs,sup和∑Exs,gain为脱酸气单位供人和获得的能；∑ExD,sup和∑ExD,gain为脱水单位供人和获得的能；∑ExR,sup和∑ExR,gain为硫磺回收单位供入和获得的能；∑ExT,sup和∑ExT,gain为尾气处理单位供人和获得的能；∑ExW,sup和∑Exw,gain为酸水汽提单位供入和获得的能；∑Ip、∑IH、∑IT，分别为净化过程产生的动量损失、传热损失和传质损失；IS,P、IS,H、IS,T分别为脱酸气单位产生的动量损失、传热损失和传质损失；ID,P、ID，H、ID,T分别为脱水单位产生的动量损失、传热损失和传质损失；IR,P、IR,H、IR,T分别为硫磺回收单位产生的动量损失、传热损失和传质损失；IT,P、IT,H、IT,T分别为尾气处理单位产生的动量损失、传热损失和传质损失；IW,P、IW,H、IW,T分别为酸水汽提单位产生的动量损失、传热损失和传质损失。

 

根据平衡原理，天然气净化过程的方程如下：

∑Exsup＝∑Exgain+∑ILoss 　　　               (1)

其中

∑ILoss＝∑IP+∑IH+∑IT 　　　                (2)

∑Exsup＝ExS,sup+ExD,aup+ExR,sup+ExT,sup+ExW,sup        (3)

∑Exgain＝ExS,gain+ExD,gain+ExR,gain+ExT,gain+ExW,gain       (4)

∑IP＝IT,P+ID,P+IR,P+IT,P+IW,P 　　　 (5)

∑IH＝IT,H+ID,H+IR,H+IT,H+IW,H        (6)

∑IT＝IT,T+ID,T+IR,T+IT,T+IW,T        (7)

天然气净化过程的效率(h)为：

 

净化单元的局部有损失率(ξ)为：

 

净化过程的动量损失率为：

 

净化过程的传热损失率为：

 

净化过程的传质损失率为：

 

根据以上公式，表l为天然气净化过程分析结果。

 

由表l可以看出，硫磺回收单元和尾气处理单元效率最高，这是由于这2个单元主要为过程余热回收单元，将过程反应产生的余热通过余热锅炉进行回收；而脱酸气单元和脱水单元的效率较低是由于其再生过程为一个能低效的过程。从整个过程的损失分布来看，脱酸气单元的损失最高，这是由于普光气田天然气净化厂处理的原料气中H2S含量很高，需要更大溶剂循环量才能使净化气达到商品气标准，这导致再生过程的能耗大大增加，而溶液再生过程为典型的低效过程，因此造成了较高的损失。

由天然气净化过程能量结果模型可知，天然气净化装置损失可分为3类：由流动阻力造成的损失(IR)、换热过程损失(IH)和非平衡传质过程损失(IT)。表2为天然气净化过程损失分布结果。

 

从表2中可以看出，天然气净化过程主要损失为换热过程和传质过程，换热过程的损失可以通过换热流程优化来降低；其次，传质过程损失是另一主要损失部分，而胺液解吸再生过程的传质损失为最大损失部分，传质过程的损失需要通过优化其气液传质过程来降低。

2　基于能量结构模型的双塔精馏改造

天然气净化过程能分析表明，传质过程为主要损失部分。而对于天然气净化过程，传质过程损失主要发生在醇胺的解吸再生过程，因此，再生塔是传质损失主要产生部位。采用逐层塔板分析方法对再生塔进行能分析^[9]，确定降低胺液解吸再生过程损失的途径。

2．1　再生塔逐层塔板炯分析

再生塔利用塔底重沸器(R)提供的热量提高醇胺溶液中酸气组分的化学位能，推动酸气组分向气相发生传质。普光气田天然气净化厂脱酸气单元中胺液再生塔采用浮阀板式塔，由20块塔板组成，塔径为2000mm，板间距为500mm，塔板堰高为70mm，堰长为1050mm。

图3表示再生塔中第j层塔板上能量的传递与转换过程。现以其作为研究对象，对该层塔板进行分析。

 

由第j-1层塔板下降的液相(其组成、温度、压力和流量分别为xk,j-1、Tj-1、pj-1和Lj-1)与由第j+1层塔板上升的气相(其组成、温度、压力、流量分别为yk,j+1、Tj+1、pj+1和Vj+1)相接触。液相中流量为DLj的部分被气化，进入组成、温度、压力和流量分别为yk,j、Tj、pj和Vj的气相中。气相中流量为DVj的部分被冷凝，进入组成、温度、压力和流量为xk,j、Tj、pj和Lj的液相中。液相其余部分进入到组成、温度、压力和流量分别为xk,j、Tj、pj和Lj的液相中。气相其余部分进入到组成、温度、压力和流量分别为yk,j，Tj，pj和Vj的气相中^[10]。

通过上面分析可知，在该层塔板中发生的复杂过程主要包括4个过程：

1)液相转移过程。该过程引起物流间的传热和传质过程。

2)液相气化过程。该过程为相变过程。

3)气相转移过程。该过程引起物流间的传热和传质过程。

4)液相冷凝过程。该过程为相变过程。

在第j层塔板能量转化过程中，一部分物理能转换为扩散能，其余部分物理能为推动传质过程而被损耗掉。由第j层塔板能衡算式可得：

-DExph,j＝DExdiff,j+Ij        (13)

式中-DExph,j和DExdiff,j为进入和流出第j层塔板所有物流的物理能和扩散能。

逐板效率为：

 

全塔的能衡算为：

∑-DExph,j＝∑DExdiff,j+∑DIj　　　　(15)

依据再生塔逐层塔板分析，在再生塔逐层塔板计算的基础上，可以得到各层塔板上气液相物流的物理能和扩散能，进而计算各层塔板的损失和热力学效率。结合流程模拟软件的模拟结果，应用逐层塔板分析法，对胺液再生塔进行逐层塔板分析。图4为损失分布图，从图4可知再生塔的损失主要发生在再生塔顶上部解吸扩散损失和塔顶冷凝器(C)、塔底重沸器中传热物理损失。

 

在考虑解析塔分析的同时，必须兼顾解析塔内酸气解析效果，图5所示为再生塔内酸性气体组分分布情况。

图5显示了再生塔内酸性气体H2S和CO2气相分压及其液相平衡分压沿再生塔的分布情况。酸性气体的平衡分压由朱立凯及金汀^[11-12]建立的酸气在醇胺溶液中的平衡溶解度模型计算。从图5可知，酸气解吸过程在再生塔第2层塔板上的解吸驱动力最大，致使其损失也最大。而在重沸器及冷凝器中气液相达到相平衡，解吸驱动力消失。从图5还可以看出，CO2的解吸驱动力要大于H2S的解吸驱动力，这也验证了实际运行中CO2比H2S更易从醇胺溶液中解吸出来。

 

从再生塔逐层塔板损失分布特点可知，再生塔的节能潜力主要体现在塔顶冷凝器排弃的热量未加以利用而被浪费，以及再生塔各层塔板的能效率不高导致整个解吸过程的能量利用率较低。

2．2　双效精馏过程节能分析

采用双效精馏过程可以提高胺液解吸再生过程的热力学效率。图6为双效精馏操作流程示意图，图中F1、F2分别为低压塔和高压塔进入的物料；D1、D2分别为低压塔和高压塔顶出来的气体；W1、W2分别为低压塔和高压塔的塔底出来的液体。高、低压塔分别进等量物料，只对高压塔底再沸器供入加热蒸气，而低压塔底物流通过与高压塔顶产生的蒸气换热获得热量，以作为低压塔底再沸器的热源。双效精馏过程通过回收高压塔顶热量来提高精馏过程的能效率。双效精馏工艺在石油化工和精细化工过程中有广泛的应用^[13-16]，通过更合理地利用余热，节约能源，降低成本，更经济有效地改进再生塔的操作，做到降低操作能耗，在天然气净化过程中有着重要的现实意义。

 

图7为应用ProMax软件模拟醇胺溶液双效精馏再生工艺流程。将胺液再生过程分为高、低压2个再生塔，高、低压塔分别得到等量从吸收塔中出来的醇胺溶液，各塔处理量为原再生塔的一半。在高压塔顶增加冷凝器，并在低压塔底配置再沸器，以避免低压塔的塔底液体加热量达不到分离要求所需的温度，同时避免高压塔顶的气体冷却量达不到冷却量要求。

 

2．3　改造结果分析

表3为胺液双效精馏解吸再生工艺和常规解吸工艺操作参数的ProMax模拟结果。模拟结果表明，双效精馏过程大约降低了胺液再生过程能耗ll.0％。对双效精馏过程中高压塔和低压塔采用逐层塔板分析方法进行研究，确定高压塔和低压塔内的能量利用和损失分布情况，以了解双效精馏过程的节能原理。

 

图8、9为高压塔和低压塔逐层塔板损失分布图。

 

 

从损失分布图可以发现，由于双效精馏过程将再生塔的外部损失合理利用，不仅大大降低了胺液解吸再生过程的热量消耗，而且也降低了能损失，提高了整个胺液解吸再生过程的效率。将双效精馏过程看成一个整体，其胺液解吸再生过程的效率为12.7％，较之于传统流程单塔解吸过l2.7％，较之于传统流程单塔解吸过程，效率提高了约27.0％。

3　结束语

依据分析方法对高含硫天然气净化装置的能过程进行分析。基于过程推动力将天然气净化过程的损失分为动量损失、传热损失和传质损失，从而建立了天然气净化过程的能量结构模型。应用该模型对四川盆地普光气田高含硫天然气净化装置的能进行分析，确定了主要损失发生在传热过程和传质过程，其损失率分别为75.3％和20.1％。并针对天然气净化装置能薄弱环节的特点，采用双塔精馏的方法有效提高胺液解吸再生过程的能效率，使胺液解吸再生过程能耗约降低了ll.0％，效率提高了约27.0％。

 

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本文作者：李奇  吴小林  马利敏  胡世鹏

作者单位：中国石油大学(北京)机械与储运工程学院

  中国石化石油勘探开发研究院

  中国石油大学(北京)化学工程学院