乙二醇再生與回收的再生工藝參數優化

張陸軍，李 原，王文濤，趙 磊，何佳偉，張 杰

（1.重慶前衛科技集團有限公司，重慶 401121；2.江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212000）

關鍵字：MRU；再生；Plus；再生塔

2020年2月至3月，中國海域天然氣水合物第二輪試采成功［1］。在開采時管道內易形成水合物，造成管線凍堵，降低管線輸氣量，影響生產的正常運行。乙二醇（MEG）作為水合物抑制劑可防止管道內水合物的生成，通常在海底管道入口和油嘴處注入MEG溶液從而保證水下產出順利輸送到水面。乙二醇回收及再生系統（MRU）可除去MEG富液中的烴、酸氣、水和鹽雜質，從而得到滿足往入純度要求的MEG貧液，實現MEG的循環使用［1-2］。

本文重點研究MRU中的再生脫水流程，對MRU中再生脫水單元的工作流程進行了簡介，采用Aspen Plus對其進行參數優選，，采用Plus中的DSTWU進行簡捷設計并確定了相關參數，然后使用RadFrac對再生脫水進行嚴格模擬與優化，本研究為MRU中再生脫水中再生塔設計奠定一定基礎。

1 MRU再生單元設計

1.1 MRU再生單元的工作原理

經預處理后的MEG富液需進行脫水以實現再生。MEG再生采用精餾的原理，其流程圖如圖1所示。主要設備包括再生塔，立式熱虹吸式再沸器，冷凝器，貧富液換熱器，等等。經預處理后的MEG富液進入貧富液換熱器換熱，換熱后富液從再生塔的中上部進入，富液與向上流動的熱蒸汽不斷接觸與傳熱，當富液的溫度值達到一定，富液中的重組分（MEG）和輕組分（水蒸氣）分離，重組分向下流入到塔釜，輕組分上升塔頂，經冷凝后進入回流罐，不冷凝氣體通過回流罐放空排出。富液流入塔釜后，輸送到再沸器內，采用熱載體對富液加熱將輕組分和重組分分離，產出的熱蒸汽由氣相進料管道進入到再生塔下部，與向下富料液進行換熱，合格的貧液通過塔釜排出進入貧富液換熱器與富液進行換熱，最后進入脫鹽流程。

圖1 再生單元流程圖

1.2 工藝參數及物性方法

經預處理后MEG富液的質量分數為55%，乙二醇在作為水合物抑制劑時，貧液的質量分數要求達到80%～90%。再生工藝參數如表1所示，要求塔頂乙二醇的質量分數小于0.001%，塔釜水的質量分數小于0.001%。塔頂冷凝器為全凝器，回流比為最小回流比的2.5倍。

表1 再生工藝主要參數

由于物系僅含有乙二醇、水和一價鹽，該物系為極性物系，因此采用NRTL方程作為物性方法［2］。

2 設計結果

2.1 簡捷計算結果

DSTWU是多組分精餾的簡捷設計模塊，其計算結果可作為嚴格精餾計算提供合適的初始值。塔頂冷凝器設置為全凝器［3］。

簡捷計算結果為，最小回流比為0.0207，實際回流比為0.05，實際塔板數為30，最小塔板數為7，進料塔板數為13，再沸器熱負荷為1527kW，冷凝器熱負荷為1469.6kW，塔頂產品與進料物質的量比為0.7132，塔釜乙二醇含量94.83%，塔底溫度134℃，塔底溫度45℃，符合設計要求。

2.2 嚴格計算及結果

將簡捷運算結果輸入到RadFrac模塊中進行嚴格計算，再沸器設置為熱虹吸式再沸器，再沸器出口溫度設為134℃，再沸器壓力為10KPa。其計算結果為塔釜溫度128℃，塔底溫度45℃，再沸器熱負荷15KW，冷凝器熱負荷1490kW，塔釜乙二醇質量分數為94.51%，塔釜水質量分數為0.27%，塔頂乙二醇質量分數為1.3%，塔頂水質量分數為98.69%。塔頂中乙二醇含量和塔底水的質量分數超過設計要求，需對其優化。

3 設計結果優化

3.1 回流比優化

根據文獻，再沸器和冷凝器的熱負荷隨著回流比（MOLE-RR）的增大而增大，從而加熱劑和冷卻劑的耗量也會按比例增加，操作費用也隨之增加。但隨著回流比的增大，塔板數會隨之減小，設備費用會降低，因此需要最適宜的回流比［3-5］。在Plus中將塔底產品的質量純度（PURITY）設定，將塔釜乙二醇的目標值設為0.9483，回流比下限為0.05，上限為0.1。結果顯示回流比為0.0707時，塔釜乙二醇的質量純度為0.9483。在Plus中對回流比進行靈敏度分析，分析回流比大小對塔釜乙二醇純度的影響。如圖2所示，隨著回流比的增加，塔釜乙二醇的純度也隨著上升，當回流比的值達到0.0706左右時，乙二醇的純度保持不變，純度值保持在0.9483，故回流比最佳值為0.0707。

圖2 回流比對塔釜乙二醇純度的影響

在精餾塔不同的位置進料時，再沸器和冷凝器的熱負荷也會受之影響，最佳回流比確定后，需對進料板數進行優化。將原回流比改為最佳回流比后，分析進料位置對再沸器熱負荷（REB-DUTY）和冷凝器熱負荷（COND-DUTY）的影響，進料位置范圍為2到29，分析結果如圖3所示。

圖3 熱負荷隨進料位置的變化

3.2 進料塔板數優化

冷凝器熱負荷隨著進料位置的增大而減小，當進料板位置低于6時，冷凝器熱負荷值保持平穩，當進料板位置大于26時，冷凝器熱負荷值上升，當進料板位置為29時，冷凝器熱負荷值最大。再沸器熱負荷值如圖3所示，當進料板位置為2到14時，再沸器熱負荷先上升然后下降，進料板位置為14時，再沸器的熱負荷值最??；當進料板位置為15到28時，再沸器熱負荷繼續上升，當進料板位置為29時，再沸器熱負荷值最小。綜上當進料板位置為14時，冷凝器熱負荷和再沸器熱負荷最小，故進料位置選擇14。

3.3 塔參數結果

塔器分為填料塔與板式塔，真空和常壓工況選填料塔居多；易堵、含顆粒和加壓工況下選擇板式塔較多；填料塔分率效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大，生產能力大等優點，再考慮到板式塔一般使用金屬材料容易被富液中的鹽腐蝕，故選擇填料塔作為MRU中的再生塔。

進入到Pack Sizing中，對填料塔參數進行設定，從第2塊板開始直到第29塊板，填料型號為MELLAPAK，廠商 SULZER，材料為 STANDARD型，尺寸為250Y，等板高度根據文獻［4］所知為0.5m。塔徑設計結果為1.36m，經過圓整后為塔徑為1.4m。填料層高度為13.5m，根據文獻［3］，塔高通常為填料層高度的130%，即塔高為13.5×1.3＝17.55m。

3.4 優化結果

采用Aspen Plus軟件對MRU再生脫水流程進行嚴格設計，最終得到再生塔主要參數，再生塔板數選為30塊，回流比為0.0707，進料位置為14，塔徑為 1.4m，塔高為 17.55m，操作壓力為100kPa，冷凝器壓力10kPa，再沸器選擇熱虹吸式再沸器，出口溫度為134℃，壓力為10kPa，塔釜乙二醇含量為94.873%，塔釜水含量接近于0，塔底乙二醇含量接近于0，滿足設計要求。

4 結論

對MRU中的再生脫水進行了介紹，通過使用Aspen Plus對再生流程進行了模擬，對再生塔內各個參數的調節來判斷對再生效果的影響，設計出滿足要求且能耗最優的再生塔。本研究為MRU中的再生塔設計奠定一定基礎?？晒┫嚓P人員使用設計精餾塔時作為參考。