(1.貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院， 貴州 貴陽 550025；2.中海石油(中國)有限公司 崖城作業(yè)公司， 廣東 深圳 518067)

經(jīng)驗交流

南山終端液化石油氣生產(chǎn)脫碳原理和參數(shù)控制

謝飛1，2
(1.貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院， 貴州 貴陽 550025；2.中海石油(中國)有限公司 崖城作業(yè)公司， 廣東 深圳 518067)

在全球液化石油氣需求日趨增多，而油氣開發(fā)成本逐步攀升和全球油價低迷不振的情況下，對油田生產(chǎn)的凝析油和天然氣中的液化石油氣進行回收利用可節(jié)能增效、降低成本。介紹了南山終端液化石油氣生產(chǎn)流程、脫碳原理以及脫碳塔失效形式，對液化石油氣生產(chǎn)系統(tǒng)中的脫碳塔內(nèi)塔頂溫度、塔底溫度、塔頂壓力、冷卻液回流量等參數(shù)的控制范圍進行分析研究，以實現(xiàn)生產(chǎn)工藝參數(shù)的精細(xì)化控制，達到安全、平穩(wěn)、高效生產(chǎn)，提高液化石油氣產(chǎn)量和質(zhì)量的目的。

液化石油氣； 脫碳塔； 脫碳原理； 參數(shù)； 控制

近年來，全球液化石油氣(LPG)需求量日趨增多，但油氣開發(fā)成本逐步攀升、油價低迷不振，而對油田生產(chǎn)的凝析油和天然氣中的LPG進行回收利用則可節(jié)能增效、降低成本。文中對南山終端LPG生產(chǎn)系統(tǒng)的脫碳原理和生產(chǎn)參數(shù)控制范圍進行分析研究，以提高LPG的產(chǎn)量和質(zhì)量。

1 南山終端LPG生產(chǎn)流程

南山終端LPG生產(chǎn)流程見圖1。

南山終端處理的天然氣經(jīng)低溫分離器分離后的液相、三相分離器分離的凝析油以及由一級壓縮機滌氣罐洗滌出的液體作為LPG的回收原料，在脫C2塔分離出甲烷和乙烷，含C3以上組分的液體進入脫C4塔分離回收LPG(C3、C4)，脫C4塔底部排出的殘余料為凝析油，冷卻之后進入凝析油儲存罐存儲[1，2]。

圖1 南山終端LPG生產(chǎn)流程簡圖

2 南山終端LGP生產(chǎn)脫碳工藝[1-6]

2.1 工藝流程

原料加熱到180 ℃后進入脫C2塔中部降壓蒸餾，分離出小于C2的輕組分，從塔頂排出經(jīng)壓縮機進入天然氣銷售系統(tǒng)。塔頂操作壓力1 496.16 kPa(G)、操作溫度44 ℃。冷卻器L-E-4201冷卻的凝析油經(jīng)回流泵L-P-5501 A/B增壓和控制閥FV5512分流之后進入塔頂，用于控制塔頂?shù)臏囟取?/p>

圖2 南山終端LPG系統(tǒng)脫碳塔工藝流程

塔頂壓力則由壓力控制閥PCV5516穩(wěn)定控制在1 516.85 kPa(G)以下。蒸餾后的凝析油在塔底經(jīng)重沸器L-E-5502加熱到226.67 ℃，反復(fù)蒸餾脫去小于C3組分的輕烴，保障排出的產(chǎn)品為C3以上組分的烴類。

原料在脫C2塔中脫去C1、C2組分，預(yù)處理后進入脫C4塔降壓蒸餾脫去C3、C4組分，實現(xiàn)LPG的回收利用。脫C4塔頂操作壓力1 199.69 kPa(G)、操作溫度74 ℃。冷卻器L-E-5505冷卻的LPG經(jīng)回流泵L-P-5502A/B增壓和流量控制閥FV5556調(diào)節(jié)分流后進入塔頂，用于控制塔頂溫度。塔頂壓力由壓力控制閥PCV5543控制在1 199.69 kPa(G)左右。蒸餾后的凝析油在塔底被加熱到240 ℃，反復(fù)加熱多次蒸餾分離C3、C4組分，保證脫C4塔塔底排出的殘余料主要是C5以上組分的凝析油。

2.2 工藝要求[1，5，6]

南山終端利用天然氣處理后的余料凝析油提取LPG，主要是回收原料中的C3和C4兩種烷烴，原料在脫碳塔里的分餾主要有兩個步驟：①脫C2塔從凝析油中脫出C1、C2組分，阻止C3、C4組分隨C1、C2組分氣化蒸餾造成損失，保證其進入下一級分餾單元。②脫C4塔脫出C3、C4組分并回收，確保少量C5組分進入LPG，避免殘留C4組分隨凝析油排出。

在實際生產(chǎn)過程中，根據(jù)塔生產(chǎn)能力范圍控制原料進液量，基于烴類物質(zhì)飽和蒸汽壓和溫度的關(guān)聯(lián)特性調(diào)節(jié)脫碳塔內(nèi)的溫度和壓力，確保塔內(nèi)烴類的蒸餾過程。塔頂溫度和壓力控制著塔中過度蒸餾出來非工序要求的其它重?zé)N的冷凝和沉降。原料在塔底加熱反復(fù)蒸留，經(jīng)加熱的高溫液體和蒸餾出的上升高溫氣體穿過塔板上的液層發(fā)生熱傳質(zhì)，為流經(jīng)塔板的原料蒸餾提供熱源補充，因此脫碳塔塔頂溫度、塔頂壓力和塔底溫度的控制是LPG正常生產(chǎn)的核心，是保障LPG產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵。

3 脫碳塔工作原理及失效形式

3.1 脫碳塔結(jié)構(gòu)及分餾原理

脫碳塔是輕烴蒸餾的關(guān)鍵設(shè)備，主要實現(xiàn)氣液傳質(zhì)，形成氣液兩相充分接觸的相界面，質(zhì)、熱傳遞能快速有效地進行，使接觸混合與傳質(zhì)后的氣、液兩相及時分開，互不夾帶[7]，脫碳塔內(nèi)原料中的輕烴從液相混合物中蒸餾成氣相分離出來。

脫碳塔為圓柱體，內(nèi)部豎直方向水平安置若干層塔板，塔板的基本類型有泡罩塔板和篩孔塔板，塔板上按一定順序排列開若干孔，孔的上方安置可上下浮動的閥片，浮閥有多種形式，但基本結(jié)構(gòu)特點相似，閥片依靠自重、塔板液層壓力和上升氣流自動調(diào)節(jié)開度，氣量低時開度小，氣量大時開度增大。南山終端LPG生產(chǎn)系統(tǒng)的脫碳塔都采用浮閥塔板，適用于低液體負(fù)荷和操作彈性要求較高的工藝[1，7]。南山終端LPG生產(chǎn)脫碳塔主要參數(shù)見表1。

本節(jié)課開發(fā)了兩個微課視頻.微課1講解等差數(shù)列的前n項和公式的推導(dǎo)過程，注重數(shù)學(xué)抽象素養(yǎng)的培養(yǎng)；微課2講解等差數(shù)列前n項和公式的實際應(yīng)用，注重數(shù)學(xué)建模素養(yǎng)的培養(yǎng).

表1 南山終端LPG生產(chǎn)脫碳塔主要參數(shù)

凝析油在脫碳塔中氣液兩相分餾原理見圖3，在塔板上的分餾過程見圖4。

圖3 凝析油在脫碳塔中氣液兩相分餾原理

圖4 凝析油在脫碳塔塔板上氣液兩相分餾過程

凝析油經(jīng)加熱變?yōu)闅?、液兩相進入脫碳塔塔內(nèi)后，液相在塔板上橫向流動蒸餾，自上而下層層流經(jīng)塔板反復(fù)蒸餾，最終無法汽化的液相下降到塔底排出。蒸餾出來的氣相上升穿過上一層塔板上的閥片逐級冷凝沉降回流，氣流推開閥片，閥片由自身重力和上升氣流自動調(diào)節(jié)開度。氣體在塔板上水平進入液層，實現(xiàn)氣液接觸，使原料蒸餾揮發(fā)，蒸餾出來的氣體經(jīng)過多塊塔板多次冷凝沉降，實現(xiàn)氣相的凈化和液相的反復(fù)蒸餾，無法冷凝沉降的氣相(工藝要求脫去的輕烴)上升，最終從塔頂排出脫碳塔。液相向下經(jīng)塔板層層汽化分離，最終無法汽化的液相下降到塔底，從塔底排出，從而實現(xiàn)原料的氣相分離。

3.2 脫碳塔失效形式

脫碳塔塔板負(fù)荷性能圖見圖5。圖中VS代表氣相負(fù)荷，LS代表液相負(fù)荷，線1～線5分別代表霧沫夾帶線、液泛線、液相負(fù)荷上限、漏液線和液相負(fù)荷下限，塔板在這5條線圍成的區(qū)域內(nèi)才能正常工作。脫碳塔失效形式有塔板壓降過大、液泛、霧沫夾帶、漏液及液壓落差過大等，在實際生產(chǎn)中還包括工藝參數(shù)失控?zé)o法滿足相應(yīng)的工藝要求[1，7]。脫碳塔的負(fù)荷性能和原料本身性質(zhì)是影響其蒸餾分離的主要因素[7]。

圖5 脫碳塔塔板負(fù)荷性能圖

4 南山終端LPG生產(chǎn)系統(tǒng)脫碳參數(shù)控制和應(yīng)用[7-13]

4.1 脫碳塔內(nèi)溫度

在實際生產(chǎn)過程中，脫碳塔塔底溫度、進料溫度和流量、回流冷卻液溫度和流量是影響塔內(nèi)蒸餾溫度的主要因素。脫碳塔塔內(nèi)各層塔板溫度存在差異，冷卻液從塔頂?shù)谝粚铀暹M入，此層塔板至塔頂部空間的溫度為塔頂溫度，也是塔內(nèi)的最低溫度，此溫度可近似為餾分烴類飽和蒸汽壓(塔頂壓力)下的蒸餾溫度。原料在塔板上蒸餾，溫度自上而下逐級降低，蒸餾過的原料和冷卻液的混合物在塔底經(jīng)加熱、重沸再蒸餾，蒸餾出的高溫氣流自下而上在塔板上與原料和冷卻液的混合物發(fā)生熱傳遞作用，確保塔內(nèi)的蒸餾環(huán)境溫度和蒸餾所需熱量。所以塔底溫度是保障塔內(nèi)原料蒸餾過程的關(guān)鍵，而塔頂溫度是脫碳塔脫去組分的控制因素。

4.1.1塔頂溫度

當(dāng)脫碳塔塔頂壓力恒定時，塔頂溫度越低，塔頂產(chǎn)品中所含LPG組分越少，溫度低于脫去烴的蒸餾溫度后，不利于脫碳工藝的徹底進行。即使在某高溫層塔板上蒸餾出來，也會在上層低溫層或塔頂冷凝為液體流回塔中，也有部分無法及時冷凝的烴被排出系統(tǒng)帶入下游工藝，降低生產(chǎn)效率。

由文獻[13]不同溫度下烴類的飽和蒸汽壓曲線可以知道，在特定壓力下，溫度低于乙烷蒸餾溫度時，乙烷無法蒸出，溫度再低于甲烷蒸餾溫度時，甲烷、乙烷無法蒸出，脫C2塔失效。當(dāng)溫度高于丙烷蒸餾溫度時，丙烷蒸出，溫度再高于丁烷蒸餾溫度時，丁烷蒸出，脫C2塔失效，進料中LPG進入脫C2塔由塔頂排出，混入甲烷、乙烷進入天然氣系統(tǒng)造成浪費，LPG產(chǎn)量下降。此溫度控制在低于丙烷蒸餾溫度而高于乙烷蒸餾溫度為宜，實際生產(chǎn)中塔頂壓力控制在1 482.37 kPa(G)時，脫C2塔的塔頂溫度約44 ℃。

在脫C4塔中，當(dāng)塔頂壓力恒定時，若塔頂溫度低于丁烷蒸餾溫度，則丁烷無法蒸出，溫度再低于丙烷蒸餾溫度時，丙烷無法蒸出，脫C4塔失效。LPG殘留在進料中進入脫C4塔底混入凝析油內(nèi)，導(dǎo)致LPG的產(chǎn)量下降。當(dāng)塔頂溫度高于戊烷蒸餾溫度時，C5以上組分的重?zé)N蒸出，部分重?zé)N混入LPG產(chǎn)品從塔頂排出，LPG產(chǎn)品純度下降。將此溫度控制在小于戊烷蒸餾溫度而大于丁烷蒸餾溫度為宜。塔頂溫度越高，塔頂產(chǎn)品中所含重?zé)N組分越多，LPG產(chǎn)品的純度越低。溫度高于戊烷蒸餾溫度后，隨著溫度的升高，重?zé)N組分越多，LPG產(chǎn)量增加但純度越低，產(chǎn)品質(zhì)量不合格。溫度低于戊烷蒸餾溫度而高于丁烷蒸餾溫度時，溫度越低，產(chǎn)品越純而產(chǎn)量越低。塔頂壓力在1 199.69 kPa(G)時，實際生產(chǎn)中溫度控制在74 ℃。

脫碳塔塔頂溫度是通過回流泵輸入的冷卻凝析油來控制的，根據(jù)塔頂溫度和生產(chǎn)需要反饋給流量控制閥實現(xiàn)流量大小的調(diào)節(jié)，回流量越大，塔頂溫度越低，反之亦然。塔頂溫度越高，上升氣流越多，塔板越容易發(fā)生液泛和霧沫夾帶現(xiàn)象；塔頂溫度越低，上升氣流相對減少，塔板越容易發(fā)生漏液現(xiàn)象。

4.1.2塔底溫度

蒸餾過的凝析油在塔底加熱反復(fù)蒸餾，蒸出的高溫氣體穿過浮閥和流經(jīng)塔板上的液層發(fā)生氣液熱質(zhì)傳遞，塔內(nèi)壓力是由蒸餾出的氣體壓力聚集形成的，塔底料溫度降低，塔內(nèi)溫度隨之降低，當(dāng)溫度降到影響部分烴類蒸餾時，塔內(nèi)蒸汽減少，塔內(nèi)氣壓隨之降低，適宜的塔底溫度可保障原料在塔內(nèi)蒸餾的整個過程。

在脫C2塔中，塔底溫度越低，越容易發(fā)生塔壓降低。實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，脫C2塔塔底溫度降低到215.56 ℃時，塔內(nèi)的蒸汽壓會下降，對下游的影響更大。在特定壓力下，設(shè)定塔底溫度時同樣需要考慮乙烷和丙烷的蒸餾溫度，實際生產(chǎn)中塔頂壓力在1 482.37 kPa(G)時，塔底溫度控制在221.11～226.67 ℃系統(tǒng)比較穩(wěn)定。

在脫C4塔中，塔底溫度對進料脫碳的影響與塔頂溫度的影響同理，塔底溫度對蒸餾工藝的影響與脫C2塔塔底溫度對蒸餾工藝的影響同理。設(shè)定塔底溫度時同樣需要考慮丁烷和戊烷的蒸餾溫度，實際生產(chǎn)中塔頂壓力在1 199.69 kPa(G)時，正常設(shè)定塔底溫度在240 ℃。

塔底料的加熱溫度越高，原料反復(fù)蒸餾的效果越好，蒸餾出來去塔中發(fā)生熱傳遞的高溫氣體越多，反之亦然。塔底溫度不可低于該塔脫去烴類飽和蒸汽壓力下的蒸餾溫度，可適當(dāng)高于此溫度，以保障充足的熱量被熱氣流帶到上層塔板，保證塔內(nèi)原料在每塊塔板上都能發(fā)生正常的汽化蒸餾。

4.2 塔頂壓力

脫碳塔塔內(nèi)壓力存在一定的層差，塔板間的壓力差可近似等于上升氣流流動的推動壓力[14]，所以各塔板層之間的壓力不同。與塔頂溫度一樣，當(dāng)塔頂壓力過低時，過度蒸餾出來的烴類也有部分無法及時冷凝而被排出系統(tǒng)帶入下游工藝流程。塔頂溫度、壓力是由脫去烴類成分屬性決定的，由塔外工藝流程調(diào)節(jié)控制，所以塔頂壓力可視為塔頂溫度下此處需脫去烴類的飽和蒸汽壓。

在脫C2塔中，甲烷、乙烷在相同溫度下的飽和蒸汽壓高于其它烴類物質(zhì)。塔頂壓力低于乙烷飽和蒸汽壓臨界點時，壓力越高，塔中液相物質(zhì)越趨穩(wěn)定，而甲烷、乙烷還處在可蒸餾狀態(tài)。但隨著塔頂壓力的升高，甲烷、乙烷的蒸餾溫度也會相應(yīng)升高。特定溫度下，壓力高于乙烷飽和蒸汽壓時，乙烷無法蒸出，再高于甲烷飽和蒸汽壓時，甲烷無法蒸出，殘留在進料中進入脫C4塔混入LPG中。壓力低于丙烷飽和蒸汽壓時，丙烷蒸出，再低于丁烷飽和蒸汽壓時，丁烷蒸出，原料中LPG從脫C2塔蒸餾出去，混入甲烷、乙烷進入天然氣系統(tǒng)造成浪費，脫C2塔蒸餾過度而失效，導(dǎo)致下游LPG產(chǎn)量下降。將此壓力控制在大于丙烷飽和蒸汽壓而小于乙烷飽和蒸汽壓為宜，在實際生產(chǎn)中，此壓力是通過下游壓力控制閥來控制的。

在脫C4塔中，丙烷、丁烷在相同溫度下的飽和蒸汽壓高于其它烴類物質(zhì)，但隨著塔頂壓力的升高，丙烷、丁烷的蒸餾溫度也會相應(yīng)升高。特定溫度下，壓力高于丙烷飽和蒸汽壓時，丙烷無法蒸出，再高于丁烷飽和蒸汽壓時，丁烷無法蒸出，殘留在進料中進入塔底排出生產(chǎn)系統(tǒng)而造成損失。壓力低于戊烷飽和蒸汽壓時戊烷蒸出，隨著塔內(nèi)壓力逐漸降低，其它重?zé)N蒸餾出塔頂，混入LPG影響其純度。將此壓力控制在大于戊烷飽和蒸汽壓而小于丁烷蒸汽壓為宜。在實際生產(chǎn)中，此處壓力是通過下游壓力調(diào)節(jié)閥加以控制的，為提高LPG的純度，可以適當(dāng)調(diào)高此處壓力。

在相同進液量操作條件下，塔頂壓力越小，塔板越容易發(fā)生漏液現(xiàn)象；塔頂壓力越大，塔板越容易發(fā)生液泛和霧沫夾帶現(xiàn)象，進而造成塔板失效而影響整個塔效率。

4.3 冷卻液回流量

脫碳塔的塔頂溫度都是通過控制冷卻液回流量來控制的，隨著回流流體流量的變化，塔中處理物料發(fā)生變化，塔頂壓力和溫度也會相應(yīng)發(fā)生改變，整個生產(chǎn)系統(tǒng)參數(shù)需要重新調(diào)節(jié)才能滿足生產(chǎn)需求。

脫C2塔冷卻液回流量越大，塔頂溫度越低，原料中甲烷、乙烷的蒸餾不徹底，塔底產(chǎn)品的輕質(zhì)組分也會相應(yīng)增多，進入脫C4塔進而降低LPG的純度。冷卻液回流量減小，塔頂溫度增加，原料中甲烷、乙烷蒸餾徹底，當(dāng)塔頂溫度增加到丙烷蒸餾溫度時，重?zé)N蒸餾逐漸增多，無法及時冷凝回流而混入甲烷、乙烷，從塔頂排出造成浪費，LPG產(chǎn)量下降。

脫C4塔冷卻液回流量越大，塔頂溫度越低，從塔頂蒸餾出的丙烷、丁烷產(chǎn)品純度就越高，但是原料中所含丙烷、丁烷的蒸餾就不徹底，還會流入塔底排出生產(chǎn)系統(tǒng)，塔底產(chǎn)品的輕質(zhì)組分相應(yīng)增多，隨凝析油排入儲罐造成浪費，致使LPG產(chǎn)量下降。脫C4塔冷卻液回流量減小，塔頂溫度升高，有利于原料中丙烷、丁烷的徹底蒸餾，當(dāng)塔頂溫度升高到戊烷蒸餾溫度時，重?zé)N蒸餾逐漸增多，混入LPG從塔頂排出，原料中C5以上的重?zé)N蒸餾混入LPG中，使LPG產(chǎn)量增加但是純度降低。

回流量增加，塔頂溫度越低，流經(jīng)塔板的液體越多，塔的負(fù)荷越大，塔板越容易發(fā)生漏液的同時還可能發(fā)生液泛和液面落差增大現(xiàn)象。在相同的進料工藝工況下，過分調(diào)低塔頂溫度反而會使塔對原料的蒸餾滯后，達不到預(yù)期效果，可適當(dāng)調(diào)低此溫度?；亓髁繙p少，塔頂溫度越高，流經(jīng)塔板的液相相對減少，但進料中蒸餾氣相相對增加，塔板越容易發(fā)生液泛和霧沫夾帶現(xiàn)象。因此，冷卻液回流量一定要控制好，要根據(jù)實際生產(chǎn)情況在一定范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)節(jié)控制塔頂溫度。

從凝析油中蒸餾LPG，除了需考慮凝析油混合物本身的物理性質(zhì)特點外，還需充分了解蒸餾設(shè)備的性能和作用，才能在實際生產(chǎn)中精準(zhǔn)控制，保證LPG的穩(wěn)定生產(chǎn)。

5 結(jié)語

脫碳塔是LPG生產(chǎn)系統(tǒng)的核心，對利用蒸餾法回收LPG的系統(tǒng)而言，由于烴類混合物性質(zhì)相近，而且蒸餾技術(shù)本身存在著一定的局限性，因此容易出現(xiàn)脫碳塔失效問題。南山終端LPG的穩(wěn)定生產(chǎn)控制技術(shù)關(guān)鍵在于控制脫碳塔的溫度和壓力，脫碳塔中參數(shù)之間的變化是相互影響、相互作用的結(jié)果，單一的參數(shù)控制無法滿足實際生產(chǎn)需求，實時控制脫碳塔的冷卻液回流量、塔頂壓力、塔頂溫度以及塔底溫度，綜合各種因素全方位考慮整個系統(tǒng)的調(diào)整，才能更好地調(diào)節(jié)和控制脫碳塔，提高LPG的產(chǎn)量和質(zhì)量。

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StudyonDecarburizationPrincipleandParameterControlofNanshanBaseLiquefiedPetroleumGasProduction

XIEFei1，2
(1.College of Mechanical Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China；2.Yacheng Operation Company， CNOOC Ltd.， Shenzhen 518067， China)

With worldwide demand for liquefied petroleum gas (LPG) increasing and oil and gas development costs gradually rising and global oil prices staying sluggish, recovering of LPG from oilfield condensate and nature gas and making good use of the recovered LPG can possibly benefit enterprises energy conservation, efficiency enhanced and production costs reduced. Production process, decarburization principle and failure patterns of Nanshan liquefied petroleum gas production base are introduced. Control range of top temperature, bottom temperature, tower pressure, coolant reflux flow and other parameters of decarburization tower in the LPG production system is analyzed and studied, thus to achieve fine control of the production process parameters for safe, stable and efficient production, increase LPG output and improve LPG production quality.

liquefied petroleum gas； decarburization tower； decarburization principle； parameter； control

1000-7466(2017)06-0059-06

2017-06-03

謝 飛(1980-)，男，貴州德江人，工程師，碩士，主要從事海上油氣田設(shè)備的管理及維修工作。

TQ050

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.06.011

(張編)