三甘醇脱水装置换热网络夹点技术分析

摘 要

摘要：三甘醇(TEG)脱水工艺是目前国内外天然气净化中应用最广泛的脱水工艺。为有效降低装置能耗，应用夹点技术对TEG脱水装置的换热网络进行了优化分析，运用HYSYS流程模拟软件模
摘要：三甘醇(TEG)脱水工艺是目前国内外天然气净化中应用最广泛的脱水工艺。为有效降低装置能耗，应用夹点技术对TEG脱水装置的换热网络进行了优化分析，运用HYSYS流程模拟软件模拟TEG脱水流程，并从模拟工艺数据中提取参与换热的冷、热物流物性数据，应用温一焓图、栅格图和问题表格法等夹点分析技术对TEG脱水流程的换热网络进行分析，找到装置用能的“瓶颈”——冷、热物流传热温差过大，阻碍热量进一步回收。综合分析温一焓图和TEG再生王艺，发现通过提高富TEG溶液换热后温度，可以降低物流传热温差，增加热量回收。对比优化前后天.然气TEG脱水装置的工艺流程，HYSYS模拟所得能耗数据表明优化后脱水装置TEG再生器加热负荷降低了39.40%，问题表格法计算优化后贫TEG溶液冷却量减少了156.20kW。
关键词：天然气净化；TEG脱水；夹点分析；换热网络；HYSYS模拟；能耗
    目前天然气脱水装置主要采用设备节能技术改进和先进工艺来降低装置能耗[1]。夹点技术(PinchTechnology)[2～3]作为一种成熟的过程系统用能分析方法，在过程工业中已取得显著的节能效果[4]。现在将夹点技术应用于天然气TEG脱水流程的换热网络分析与优化，以提高装置的能量利用效率。
1 TEG脱水流程换热网络夹点分析
    应用夹点技术对处理量为200×104m3/d天然气净化厂的TEG脱水流程的换热网络进行分析。
1.1 TEG脱水装置换热流程
    图1所示为天然气TEG脱水工艺流程。其主\要换热物流为富TEG溶液和贫TEG溶液。
 
    吸收塔C-1301底部排出的富TEG溶液经TEG再生器H-1301顶部盘管E-1302与再生气换热升温后进入闪蒸罐D-1302闪蒸，闪蒸后的富TEG液经过滤器F-1301除去杂质后，进入贫/富液换热器E-1303与再生后的高温贫TEG溶液进行换热，换热升温后进入TEG再生器H-1301再生。从再生器缓冲罐D-1303流出的高温贫TEG溶液，经贫/富液换热器E-1303换热降温后由TEG循环泵P-1301升压至贫液冷却器E-1301进一步冷却，满足脱水工艺要求的TEG贫液送至吸收塔C-1301顶部。
1.2 天然气TEG脱水工艺流程模拟
应用HYSYS模拟TEG脱水流程，得到换热过程所涉及各物流数据，以进行夹点分析。图2为天然气TEG脱水工艺HYSYS模拟流程图。
 
流程模拟的热力学模型选用Peng-Robinson状态方程。TEG吸收塔设置5层理论塔板，从第2层到4层的板效率设为0.5，塔顶和塔底的板效率设为1，以保证产品气出塔时达到平衡状态。再生塔采用带塔底重沸器的精馏塔模型，塔顶安装一个全回流冷凝器。表1为模拟输入工艺数据。
表1 输入模拟工艺数据表
设备
项目
数值
单位
原料气
流量
3501.2
kmol/h
压力
4550
kPa
温度
39.3
℃
吸收剂
流量
28.6
kmol/h
温度
50.3
℃
压力
4550
kPa
质量分数
98.8
%
闪蒸罐
压力
120
kPa
再生塔
压力
100
kPa
压降
10
kPa
富液进塔温度
113.5
℃
补充TEG
温度
25
℃
压力
110
kPa
1.3 提取物流数据
    从HYSYS模拟数据中提取参与换热的物流温度、热负荷、热容流率等数据。TEG脱水流程换热网络所涉及的冷、热物流主要有：贫TEG溶液(H1)、再生气(H2)和富TEG溶液(C1)。表2为换热网络物流数据。
表2 换热网络物流数据表
物流
起始温度(℃)
终点温度(℃)
热负荷(kW)
热容流率(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 换热网络夹点分析
    设定最小允许传热温差△Tmin=20℃，图3为天然气TEG脱水工艺流程换热过程温焓(T-H)图。
    表3为应用问题表格法计算换热网络所需公用工程量和夹点位置。换热网络的夹点位于193.70℃，加热量为0kW，冷却量为248.10kW。
 
   从图3中可以看出，冷、热物流的传热温差远大于20℃，阻碍热量进一步回收，可认为此处是换热网络用能的“瓶颈”所在。
    仔细观察T-H图可知，如果将冷物流组合曲线向左平移，则可以减小物流的传热温差；同时提高冷物流的换后终点温度，则可以增加换热过程热能回收量；从工艺上分析，提高冷物流(富TEG溶液)进TEG再生器的温度，可以减少TEG再生器再生所需热量。通过上述分析，找到解除“瓶颈”的方法，即降低换热物流间的传热温差，提高TEG富液换热后温度。
1.5 换热网络优化
    在满足物流间最小传热温差条件下，通过优化算法可得冷物流(C1)换热后的最高温度为180.90℃。
    图4为富TEG溶液升温后的T-H图。从图中可以看出，物流之间的传热温差明显减少，换热过程热量回收量加大，公用工程冷却量大幅减小。
 
    根据升温后的物流数据，再用问题表格法计算得到升温后的夹点位置为132.18℃，所需的冷却量为91.86kW。
根据夹点设计规则[5]，构建最大能量回收换热网络(MER)，将C1物流按热容流率分成0.92kW/℃(C1-1)和1.41kW/℃(C1-2)两股物流，C1-1物流通过换热器E-1302与再生气(H2)换热到122.20℃，C1-2物流通过新增换热器与贫TEG溶液(H1)换热到122.20℃，然后两股物流合并成一股通过换热器E-1303与贫TEG溶液(H1)换热到180.90℃，贫TEG溶液(H1)剩余热量通过冷却器E-1301将其温度从91.7℃降到50.2℃。图5、6为优化后的换热网络栅格图和工艺流程图。
 
    根据优化后天然气TEG脱水流程工艺参数，应用HYSYS模拟得到TEG再生塔的热负荷为284.60kW，相对优化前的469.40kW，降低了39.40%。贫TEG溶液冷却负荷减少了156.20kw。
    换热网络优化后，换热器E-1302和E-1303的换热负荷及换热物流温度均有较大变化，需要重新校核计算，以满足工艺要求。
2 结论
    应用夹点技术对天然气TEG脱水装置换热网络进行分析，确定出物流间传热温差过大是阻碍提高换热网络热量回收的“瓶颈”。依据夹点设计原则及TEG脱水工艺原理，提高了富TEG溶液进再生器温度，优化了物流换热流程。通过HYSYS模拟表明优化后TEG再生器的负荷大幅降低，公用工程冷却水用量明显减少，大幅提高了天然气TEG脱水装置的能量利用效率。
参考文献
[1] 王乐，贾立民，付孟贵，等.天然气脱水系统的技术改造[J].天然气工业，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 姬忠礼1 张德元2 詹钊1 1.中国石油大学机电工程学院；2.中国石油西南油气田公司天然气研究院)