天然气集输中甲醇回收装置的釜式重沸器改造

重庆科技学院本科生毕业设计天然气集输中甲醇回收装置的釜式重沸器改造王玉富1 刘亚茹1马新远1罗荣2(1长庆油田分公司第一采气厂，2长庆油田分公司第三采气厂)摘 要 针对甲醇回收精馏装置的釜式重沸器及连接管线常出现堵塞，造成二次蒸汽不足，装置无法正常运行等现象，对重沸器及原出水管线工艺流程进行了改造。改造后的重沸器的各项参数达到了工艺要求：(1) 降低了蒸汽量，节约了能耗。在进料温度未达到要求的条件下，很小的蒸汽量就能够保证塔底温度达到操作要求，保证塔底水的质量。(2) 回收装置运行平稳，工作可靠。改造后的重沸器结晶、堵塞现象基本肖除。(3) 塔底出水通畅，水质达标，满足回注要求。关键词天然气集输甲醇回收装置釜式重沸器改造天然气集输过程中，管线中极易形成天然气水化物，严重时造成井堵。长庆气田主要利用甲醇注入井底来预防水化物的形成。由于注入的甲醇有剧毒，易挥发，必须对天然气携带出来的含醇污水进行处理，以保护环境。分离出甲醇成分，一则甲醇可以再生利用，二则保证回注地层污水质量达标。长庆油田分公司第一采气厂第一净化厂的甲醇回收装置建于1997 年，由长庆油田设计院设计，采取常压精馏工艺集中处理含醇污水。针对该甲醇回收精馏装置的釜式重沸器及连接管线经常出现堵塞，造成二次蒸汽不足，装置无法正常运行等现象，提出了对重沸器的改造方案，经过改造的重沸器，运行平稳，工作可靠，各项参数达到了工艺要求。技术讨论1.甲醇回收装置工艺原理甲醇回收装置工艺原理是：利用甲醇和水的挥发度的差异，对含醇污水采取反复的部分汽化和部分冷凝使之分离。在部分汽化时，汽相中所含的易挥发组分比液相中多，使含醇污水达到一定程度的分离，当混合汽体部分冷凝时，冷凝液中所含的难挥发组分比汽相中多。常压精馏的主体设备是精馏塔。精馏塔分为提留段和精馏段两部分。前者的作用就是脱除溶液中的轻质组分，提留段内的上升蒸汽量与下降液量的相对比值大，有利于塔底产品的提纯；后者的作用是脱除蒸汽中的重质组分，回流量与上升蒸汽量的相对比值大，有利于提高塔顶产品的纯度。甲醇回收常压精馏的过程就是使部分汽化和部分冷凝同时连续进行来完成的。2.甲醇回收装置的工艺流程含醇污水由污水车卸入沉降槽，沉降一部分机械杂质后，经溶液泵打入反应器，在进入反应器的过程中，药剂加入装置给管线内加入药剂，后进入溶液槽，这就是甲醇回收的预处理流程。经过预处理的含醇污水在溶液槽中反应沉降后，经给料泵进入换热器，塔底水与含醇污水在换热器中换热，将含醇污水的温度升高，经过精细过滤器的过滤进入加热器，在进入加热器之前加入缓蚀阻垢剂，在加热器中蒸汽将含醇污水加热到8090后，进入精馏塔后分为汽液两相；液相自上而下与自下而上的二次蒸汽逆流接触，完成传热传质的过程，最后成为塔底水汇集于精馏塔底部集液箱，塔底水靠液位差流入重沸器用蒸汽加热到102110，部分塔底水汽化成二次蒸汽进入精馏塔自下而上与下流的含醇污水逆流接触蒸发出溶液中的轻组分甲醇，部分塔底水进入换热器冷却后由废液泵打入调节罐进行回注地层；从进料段进入的汽相自下而上与塔顶下流的回流液逆流接触，完成传热传质的过程。汽相中的重组分水被冷凝成液体流入塔底， 从塔顶出来的甲醇蒸汽经冷凝器全冷成为液体，进入回流槽，而后经回流泵将部分产品甲醇打回流至精馏塔塔顶，部分产品甲醇经产品冷却器冷却后进入甲醇储罐，浓度不小于95 %的合格产品甲醇经装车泵装车外运。3.甲醇回收装置运行状况及存在问题第一净化厂甲醇回收装置处理能力为55 m3/d，2000 年改扩建后，处理量增加为100 m3/d 的装置1套， 现处理能力增至150 m3/d。新增加的釜式重沸器的作用是通过管程蒸汽加热壳程塔底水产生二次蒸汽，提供甲醇精馏塔内部介质所需热量。运行中发现，重沸器及其连接管线经常出现堵塞，大量白色结晶体附着在管束表面和管束与管束之间的缝隙中，这些白色结晶体的存在造成重沸器进水量变小，二次蒸汽不足，装置无法正常生产。经分析，原因主要有以下两点：其一，气田含醇污水成分复杂。含醇污水矿化度较高，一般在510410104mg/L；高价金属阳离子含量高，Ca2+含量1000025000 mg/L，Mg2+含量10002500 mg/L、Fe2+含量100300mg/L 之间；水中游离CO2及HCO-3 含量较高，HCO-3含量一般在400 mg/L 左右。由于污水中含有这些离子，使塔底水在常压下随着水温的升高，打破了水系统多相离子的溶解平衡，有大量的结晶体析出，造成重沸器等设备及管线的堵塞。其二，重沸器壳程塔底水流动过慢。两年多的运行状况表明，主要由于重沸器结构的限制，造成甲醇回收精馏塔至重沸器的塔底水流动速度过慢，延长了各离子在常压热水中的换热时间，致使大量结晶体析出，附着于管束的外表面。改造措施气田污水中大量的Ca2+、Mg2+、Fe2+、HCO-3 等离子已通过预前处理、添加缓蚀阻垢剂、增加过滤等一系列工艺改造，使水质得到明显的改变，结晶现象缓解，对装置的腐蚀也得到较大减轻，但要彻底解决结晶结垢，延长装置的使用寿命，需进一步对重沸器结构进行改造。为了使换热后的塔底水均匀输送到泵头，需将重沸器壳程加长以增大换热空间，同时在延长段增加一块挡板以保持液位高度。根据现场运行情况及液体流动速度，应保持挡板高度h =1/2D2/3D，D为重沸器外径，取h=370 mm，并在加长段处新开DN50mm 出水口与塔底出水泵泵头相联，理论计算如下。V = sL式中V 重沸器挡板后体积， 取V =5109/60 = 8133107 mm3 ；s 挡板截面积，取s =21/2292(370-300)+3002207/360=182 935mm2 ；L 重沸器加长段长度，取L=IV/s= 1138133107/182 935600mm；I 液体流动损失系数，取I = 112114 。釜式重沸器于2002 年10 月进行了改造(图1)，并对原出水管线工艺流程做局部改造。图1釜式重沸器改造示意图图1 釜式重沸器改造示意图改进后的工艺流程是：塔底水进入重沸器后，一路按原流程作为二次蒸汽进入塔内，一路自挡板流出，通过塔底出水泵进入污水回注罐，并将原来的塔底液位控制改为重沸器液位控制。改造前后的工艺流程对比如图2、3所示。图2 甲醇回收装置原换热工艺流程图3 改造后的甲醇回收装置工艺流程运行效果改造前与改造后的甲醇回收装置运行情况见表1和表2。甲醇回收装置的重沸器经改造后，运行正常，各项参数达到工艺要求。(1) 降低了蒸汽量，节约了能耗。为了保证塔底水合格，进料温度要达到87.7，塔底温度必须达到103105之间，这些都需要通过调整重沸器的蒸汽量来提高塔底水的质量，从表1 可以看出，由于原流程造成管线及重沸器壳程堵塞，塔底水流动缓慢，即使增加蒸汽量，仍无法保证塔底温度，影响塔底水的质量。而重沸器改造后回收装置在进料温度并未达到要求的条件下，很小的蒸汽量就能够保证塔底温度达到操作要求，保证塔底水的质量。(2) 回收装置运行平稳，工作可靠。重沸器改造前，壳程塔底水结晶、堵塞现象严重，大约15 d 就需要解体清除管束结晶体。改造重沸器后工作半年多才打开检修， 结晶、堵塞现象基本消除，至今重沸器已连续正常运行1a 多。(3) 塔底出水通畅，水质达标。重沸器改造后塔底水流动通畅，水质合格，满足回注要求，达到了预期效果。