天天然气三甘醇脱水装置工艺设计(doc 51页)天天然气三甘醇脱水装置工艺设计(doc51页)毕业设计（论文）题目100万方/天天然气三甘醇脱水装置工艺设计学生姓名学号教学院系应用技术学院专业年级石油化学工业生产技术2008指导教师单位西南石油大学辅导教师单位完成日期2011年06月05日摘要天然气是一种烃类混合气体，主要由低分子饱和烃为主的烃类气体与少量非烃类气体组成。作为井流物的天然气总是被水所饱和的，为了达到商品天然气的管输水露点要求，必须将天然气中的水分脱除到一定的程度。天然气脱水属于天然气处理内容之一，常用的脱水方法有低温分离脱水、溶剂吸收法脱水...

  目100万方/天天然气三甘醇脱水装置工艺设计学生姓名学号教学院系应用技术学院专业年级石油化学工业生产技术2008指导教师单位西南石油大学辅导教师单位完成日期2011年06月05日摘要天然气是一种烃类混合气体，主要由低分子饱和烃为主的烃类气体与少量非烃类气体组成。作为井流物的天然气总是被水所饱和的，为了达到商品天然气的管输水露点要求，必须将天然气中的水分脱除到一定的程度。天然气脱水属于天然气处理内容之一，常用的脱水方法有低温分离脱水、溶剂吸收法脱水和固体吸附法脱水等，其中溶剂吸收法脱水中的三甘醇脱水工艺应用最为普遍。。文章依据天然气站场的原料气条件和脱水要求，综合考虑工艺技术要求和经济影响，采用三甘醇溶剂吸收法脱水和汽提法再生工艺，借助于流程模拟软件HYSYS进行模拟计算，通过对三甘醇脱水工艺参数的选择和相关设备尺寸的估算，对整个工艺中的吸收塔进行了物料衡算，对塔高、塔径进行了确定，对塔板各项参数的计算及相关设备的选型，设计出了符合原料气脱水要求及天然气脱水工艺规范的脱水工艺流程及装置。并通过对工艺方法和工艺参数的详细分析，验证了文章中天然气站场脱水工艺设计的合理性。关键词：天然气三甘醇脱水再生汽提流程模拟AbstractNaturalgasisakindofhydrocarbongasmixture,mainlybythelowmolecularsaturatedhydrocarbonswithsmallamountsofhydrocarbongasesmainlycomposedthehydrocarbongases.Aswellflowcontentofnaturalgasisalwayswater,inordertoachievesaturationofcommercialnaturalpipe-conveyingwaterdemand,mustwilldewpointthemoistureremovalofnaturalgastoacertainextent.Naturalgasdehydrationbelongtooneofthenaturalgasprocessingcontent,thecommonlyuseddehydrationmethodhaslowtemperatureseparationdehydration,solventabsorptiondehydrationandsolidadsorptiondehydrationetc,whicharethreeofsolventabsorptiondehydrationdehydratetechniqueglycolarewidelyused.Accordingtothegasstationmaterialsgasconditionsanddehydrationrequirements,comprehensiveconsiderationoftheprocessrequirementandeconomicimpact,adoptthreedegsolventabsorptiondehydrationandsteamlatifahregenerationprocess,HYSYSbyprocesssimulationsoftwaretosimulatecalculation,throughthreedegdehydrationprocessparameterselectionandrelatedequipmentsizeforthewholeprocess,estimatedtheabsorptiontower,thematerialbalanceoftowerishigh,towerdiametertodeterminetheparameters,calculationoftowerboardandrelatedequipmentselection,designthefeedgasdehydrationconformwiththerequirementsandgasdehydrationprocessspecificationdehydrationprocessandequipment.Andthroughtheprocessandtheprocessparametersofadetailedanalysis,andverifiesthearticlesinthegasstationandtherationalityofthedesignofdewateringprocess.Keyword:NaturalgasthreedegdehydrationregenerationsteamstrippingProcesssimulation

  TOC\o1-3\h\z\uHYPERLINK\l_Toc2959492341绪论1HYPERLINK\l_Toc2959492351.1天然气概述1HYPERLINK\l_Toc2959492361.2天然气的组成与分类1HYPERLINK\l_Toc2959492371.2.1天然气的组成2HYPERLINK\l_Toc2959492381.3天然气的主要用途2HYPERLINK\l_Toc2959492391.4天然气净化的目的意义2HYPERLINK\l_Toc2959492401.5天然气脱水4HYPERLINK\l_Toc2959492411.5.1天然气含水量4HYPERLINK\l_Toc2959492421.6天然气水合物7HYPERLINK\l_Toc2959492431.6.1天然气水合物的结构7HYPERLINK\l_Toc2959492441.6.2水合物的生成条件7HYPERLINK\l_Toc2959492451.6.3天然气水合物的防止措施7HYPERLINK\l_Toc2959492462天然气脱水的工艺9HYPERLINK\l_Toc2959492472.1天然气脱水方法9HYPERLINK\l_Toc2959492482.2.脱水工艺流程设计11HYPERLINK\l_Toc2959492492.2.1脱水装置设计11HYPERLINK\l_Toc2959492502.3天然气脱水工艺发展趋势16HYPERLINK\l_Toc2959492512.3.1天然气膜法脱水16HYPERLINK\l_Toc2959492522.3.2天然气超音速法脱水18HYPERLINK\l_Toc2959492533脱水工艺计算20HYPERLINK\l_Toc2959492543.1原料气及净化气气质20HYPERLINK\l_Toc2959492553.1.1原料气20HYPERLINK\l_Toc2959492563.1.2脱水后净化气的气质条件20HYPERLINK\l_Toc2959492573.2脱水依据20HYPERLINK\l_Toc2959492583.2.1贫三甘醇浓度的确定20HYPERLINK\l_Toc2959492593.2.2三甘醇循环量的确定21HYPERLINK\l_Toc2959492603.2.3吸收塔塔板数的确定：21HYPERLINK\l_Toc2959492613.3物料衡算24HYPERLINK\l_Toc2959492623.3.1脱水量24HYPERLINK\l_Toc2959492633.2.2三甘醇循环流量24HYPERLINK\l_Toc2959492643.2.3贫三甘醇流量25HYPERLINK\l_Toc2959492653.2.4富三甘醇流量25HYPERLINK\l_Toc2959492663.3吸收塔25HYPERLINK\l_Toc2959492673.3.1直径25HYPERLINK\l_Toc2959492683.3.2泡罩塔板主要结构参数及选用26HYPERLINK\l_Toc2959492693.3.3板面布置28HYPERLINK\l_Toc2959492703.3.4吸收塔高度31HYPERLINK\l_Toc2959492713.4热量衡算31HYPERLINK\l_Toc2959492723.4.1重沸器31HYPERLINK\l_Toc2959492733.4.2贫/富甘醇换热器31HYPERLINK\l_Toc2959492743.4.3气体/贫甘醇换热器32HYPERLINK\l_Toc2959492753.5设备计算及选型32HYPERLINK\l_Toc2959492763.5.1精馏柱32HYPERLINK\l_Toc2959492773.5.2甘醇泵32HYPERLINK\l_Toc2959492783.6脱水段数据汇总33HYPERLINK\l_Toc2959492794三甘醇脱水影响因素分析35HYPERLINK\l_Toc2959492804.1吸收塔塔盘数对脱水效果的影响36HYPERLINK\l_Toc2959492814.2湿气入口温度对脱水效果的影响37HYPERLINK\l_Toc2959492824.3湿气含水量对脱水效果的影响37HYPERLINK\l_Toc2959492834.4汽提气流量对脱水效果的影响39HYPERLINK\l_Toc2959492845总结41HYPERLINK\l_Toc295949285谢辞42HYPERLINK\l_Toc295949286参考文献43HYPERLINK\l_Toc295949287附录441绪论1.1天然气概述天然气系古生物遗骸长期沉积地下，经慢慢转化及变质裂解而产生之气态碳氢化合物，具可燃性，多在油田开采原油时伴随而出。天然气蕴藏在地下约3000—4000米之多孔隙岩层中，主要成分为甲烷，比重0.65，比空气轻，具有无色、无味、无毒之特性，天然气公司皆遵照政府规定添加臭剂，以便用户嗅辨。依天然气蕴藏状态，又分为构造性天然气、水溶性天然气、煤矿天然气等三种。而构造性天然气又可分为伴随原油出产的湿性天然气、与不含液体成份的干性天然气。天然气主要有以下几个用途：（1）天然气发电，具有缓解能源紧缺、降低燃煤发电比例，减少环境污染的有效途径，且从经济效益看，天然气发电的单位装机容量所需投资少，建设工期短，上网电价较低，具有较强的竞争力。（2）天然气化工工业，天然气是制造氮肥的最佳原料，具有投资少、成本低、污染少等特点。天然气占氮肥生产原料的比重，世界平均为80%左右。（3）城市燃气事业，特别是居民生活用燃料。随人民生活水平的提高及环保意识的增强，大部分城市对天然气的需求显著增加。天然气作为民用燃料的经济效益也大于工业燃料。（4）压缩天然气汽车，以天然气代替汽车用油，具有价格低、污染少、安全等优点。目前人们的环保意识提高，世界需求干净能源的呼声高涨，各国政府也透过立法程序来传达这种趋势，天然气曾被视为最干净的能源之一，再加上1990年中东的波湾危机，加深美国及主要石油消耗国家研发替代能源的决心，因此，在还未发明真正的替代能源前，天然气需求量自然会增加。1.2天然气的组成与分类广义的天然气是指在自然界中天然生成的气体化合物。而就狭义而言，天然气是气态的石油，是专指岩石圈中生成并蕴藏的以气态烷烃混合物为主的可燃性气体，有时为纯气态气藏，有时与石油伴生，并通过油气井开采出来，是一种洁净、方便、高效的优质能源，也是优良的化工原1.2.1天然气的组成石油和天然气都是以烃类为主，其组成从甲烷（CH4）到33个碳原子的石蜡烃和22个或更多碳原子的芳香烃。石油主要是含4个或更多碳原子的液烃，而天然气是以低分子饱和烃为主的烃类气体与少量非烃类气体组成的混合气体，是一种低相对密度、低粘度的流体。天然气中的烃类绝大多数都是烷烃，通常以甲烷为主，还有乙烷、丙烷丁烷、戊烷以及少量的己烷以上烃类（C6+）。在大多数天然气中还存在着痕量的不饱和烃，如乙烯、丙烯、丁烯，偶尔还含有极少量的环烷烃和芳香烃，如环戊烷、环己烷、苯、甲苯等。天然气中的非烃类气体，一般为少量的氮气、氧气、氢气、二氧化碳、水蒸气、硫化氢以及硫醇、硫醚、二硫化碳等有机硫化物，有时也含有微量的稀有气体如氦、氩、氙等。1.3天然气的主要用途1、天然气发电，具有缓解能源紧缺、降低燃煤发电比例，减少环境污染的有效途径且从经济效益看，天然气发电的单位装机容量所需投资少，建设工期短，上网电价较低，具有较强的竞争力[2]。2、天然气化工工业，天然气是制造氮肥的最佳原料，具有投资少、成本低、污染少等特点。天然气占氮肥生产原料的比重，世界平均为80%左右。3、城市燃气事业，特别是居民生活用燃料。随人民生活水平的提高及环保意识的增强，大部分城市对天然气的需求显著增加。天然气作为民用燃料的经济效益也大于工业燃料。4、压缩天然气汽车，以天然气代替汽车用油，具有价格低、污染少、安全等优点。目前人们的环保意识提高，世界需求干净能源的呼声高涨，各国政府也透过立法程序来传达这种趋势，天然气曾被视为最干净的能源之一，再加上1990年中东的波斯湾危机，加深美国及主要石油消耗国家研发替代能源的决心，因此，在还未发现真正的替代能源前，天然气需求量自然会增加。1.4天然气净化的目的意义天然气是一种洁净、方便、高效的优质燃料，也是重要的化工原料。有着非常明显的社会效益，环境效益和经济的效果与利益。1993年统计全世界天然气总产量为26633．8×108m3，销售量为21582.7×108m3。主要产气国家的产气量及销售量如表l-1所示。相对于煤炭来说天然气更安全、环保，加强天然气市场培育，有利于世界能源结构的改善，能够很好的满足发展中国家和地区对能源的急迫需求，而且对煤炭和石油将起到重要的替代和补充作用[3]。表1-1主要产气国家的产气量及销售量国家产气量，108m3销售量，108m3前苏联7781.47577.4美国6488.05225.0加拿大1707.11387.5荷兰840.1810.1阿尔及利亚1307.0570.0英国736.2654.9印度尼西亚742.0558.0墨西哥371.4262.6罗马尼亚214.9211.9沙特阿拉伯673.0359.0挪威415.8273.8阿根廷202.5153.5阿联酋264.7241.4委内瑞拉424.8216.0意大利194.0194.0澳大利亚236.7222.3德国193.8186.8马来西亚253.2249.2中国158.1158.1天然气中主要有害杂质为水、二氧化碳、硫化氢及各种形态的硫化物。水在一定温度和压力下可与烃类形成水合物而造成管道堵塞，在输送过程中当温度降低时，也会因冷凝水的冻结而阻塞管道。二氧化碳在有水存在时可腐蚀管道，二氧化碳含量过高会降低天然气热值。硫化氢对输送管道有腐蚀，且使用时会造成污染。因此，天然气在输送之前应进行净化处理以满足管输要求。天然气中水分的存在往往导致非常严重的后果，水分与天然气在一定条件下形成气体水合物而阻塞管路，影响平衡供气，水的存在为含有H2S和CO2的天然气形成酸而侵蚀管路和设备创造了条件.1.5天然气脱水自地层采出的天然气及脱硫后的天然气中一般都含有饱和水蒸气，水分的存在会给天然气的输送和加工造成困难。天然气在输送和加工时需要冷却的温度越低，对其含水量的要求就越严格，因此必须对天然气进行脱水处理，以达到规定的水汽含量指标。天然气中的含水量有两种表示方法，即“绝对含水量”及“露点温度”。绝对含水量指单位体积天然气中含有的水汽质量；露点温度指在很多压力下，天然气中的水蒸气开始冷凝结露的温度。正常的情况下管输天然气的露点温度应比输气管线℃。用于天然气脱水的方法有多种，可分为溶剂吸收法、固体吸附法、直接冷却法和化学反应法等，其中化学反应法在天然气工业中用的极少，而溶剂吸收法、固体吸附法较为普遍。随着科学研究和科学技术的发展，在传统的天然气脱水方法不断得到完善和提高的同时，对新的脱水工艺也不断进行探索，如当前天然气脱水工业中的膜分离法就是一种新型的脱水方法。天然气的“脱水”是指脱除水蒸汽。所有的天然气都在某一些程度上含有水蒸汽。天然气要脱除水蒸汽的原因是：①水和天然气能形成固体水合物，堵塞设备；②含液态水的天然气有腐蚀性，尤其是当天然气中含有CO2和H2S时更为严重；③天然气中的水蒸汽在管线中凝析，可能形成段塞流。1.5.1天然气含水量作为井流物的天然气总是被水所饱和的，为满足集输和深冷分离过程的需要，必须将天然气中的水分脱除到一定的程度。为此，在脱水工艺设计中首先就要确定天然气的含水量。天然气的饱和含水量取决于天然气的温度、压力和组成等条件。绝对含水量是指单位体积天然气中含有的水气的量，又称天然气绝对湿度，单位为mg/m3。在一定温度和压力下天然气含水气量若达到饱和，则这个饱和时的含水气量称为饱和湿度，而天然气绝对湿度与饱和湿度之比则为天然气相对湿度。天然气水露点温度则是指天然气在很多压力下水蒸气开始冷凝结露的温度。在设计过程中普遍采用算图法来估算天然气的含水量。(1)非酸性天然气含水量的估算①算图估算算图主要用来确定非酸性天然气的含水量，同时结合其它算图进行酸性天然气含水量的估算。用得较多的是Mcketta-Wehe算图，如图1-2所示。该算图于1958年首次发表，图中的曲线，与纯水接触的天然气制定的，因此就需要进行相对密度校正和含盐量校正，校正曲线附在算图的左上侧，校正计算式如式（1.1）所示。W=CG×CS×Wo（1.1）式中W——校正后的含水量，mg/m3（GPA）；W0——相对密度为0.6的天然气含水量，mg/m3（GPA）；CG——相对密度校正系数；CS——含盐量校正系数图1-2天然气含水量②

  法计算公式如式（1.2）：图1.1天然气含水量W=16.017A×B（1.8t+32）（1.2）式中：W——水含量，gH2O/m3；t——系统温度，℃；A、B——与压力（P）有关的系数.(2)酸性天然气含水量的估算酸性天然气的含水量有三种校正算图估算法，校正算图1的实质是基于纯酸气（即纯的H2S气体或纯的CO2气体）与水相的平衡，它是配合坎贝尔公式使用的。校正算图2（韦切尔特算图）是新提出来的一种算图，是配合Meketta-Wehe算图使用的。校正算图3中气体所含CO2的量也要折算成H2S的当量浓度，折算方法与校正算图2的方法一样，然后直接由温度、压力和H2S的浓度查图。1.6天然气水合物天然气水合物也称天然气水化物，是一种天然气中的小分子与水分子形成的类冰状固态化合物，是气体分子与水分子非化学计量的包藏络合物，即是水分子与气体分子以物理结合体所形成的一种固体，它在结构上与冰不同。1.6.1天然气水合物的结构以往研究根据结果得出，天然气水合物的结构主要有两种：相对分子质量较小的气体（如CH4、C2H6、H2S、CO2）水合物是稳定性较好的体心立方晶体结构；相对分子质量较大的气体（如C3H8、iC4H10）水合物是稳定性较差的金刚石型结构。当天然气中含有形成两种水合物结构的气体组分时，通常只生成一种结构较为稳定的水合物，具体结构主要根据天然气的组成。1.6.2水合物的生成条件引起水合物形成的主要条件是：①天然气的温度等于或低于露点温度，有液态水存在；②在—定压力和气体组成下，天然气温度不高于水合物形成温度；③压力增加，形成水合物的温度相应增加。当具备上述主要条件时，有时仍不能形成水合物，还一定要具有下述一些引起水合物形成的次要条件：①气流速度很快，或者通过设备或管道中诸如弯头、孔板、阀门、测温元件套管处等时，使气流出现剧烈扰动；②压力发生波动；③存在小的水合物晶种；④存在CO2或H2S等组分，它们比烃类更易溶于水并易形成水合物。1.6.3天然气水合物的防止措施防止天然气水合物生成有三种方法，采用任何一种方法都能有很大效果预防水合物的生成：①给天然气加热，并且使天然气温度维持在天然气水合物形成温度以上；②向气流中加入化学处理剂（水合物抑制剂），使水合物形成温度降至天然气在管线或设备中可能达到的最低温度；2天然气脱水的工艺2.1天然气脱水方法目前溶剂吸附法在我国被大范围的应用，这种方法的原理是利用吸水性较强的化学溶剂与天然气接触后，选择性地吸收所含的水分。甘醇是一种亲水性很好的液体，能与水完全互溶，当含水天然气与浓甘醇(称贫液)充分接触时，天然气中水与甘醇互溶成甘醇—水溶液(称富液)，天然气被净化脱水后进入输气干线，将甘醇—水溶液进行再生处理，使水汽化排出以达到再生的目的，甘醇提浓后可重复使用。三甘醇和二甘醇特别适宜于长输管线大，气量的深度脱水，但由于三甘醇对水份有极强的亲合力，具有较高的脱水深度，而对天然气有较低的溶解度(选择性吸收好)，蒸汽压相比来说较低，溶剂损失小，热力学稳定，其沸点比二甘醇高，可在较高的温度下再生，所需设备也简单，脱水后的天然气露点下降值较大，因此，国内使用的化学溶剂较多的是三甘醇溶液。天然气脱水在原理上讲有四种方式：直接冷却、压缩以后冷却、吸收和吸附，在工艺上主要有：液体脱水剂(甘醇)法、固体脱水剂(分子剂、铅土、硅胶)及氯化钙法。表2-1给出了常用的脱水方法比较。（1）IFPEX—1脱水工艺法国石油科学院开发的IFPEXOL工艺是气体加工领域的一项新工艺，其突出的优点是其经济性及对环境的安全性。IF—PEXOL的基础是在低温下使用单一的甲醇溶剂，其技术原理则是利用天然气凝液回收中的气体冷却来同时完成脱水和酸气脱除中的溶剂处理。IFPIEXOL工艺分两部分，其中IFPEX—l用于脱水，其工艺过程是：气体进料向上通过一座接触塔，在塔内与来自冷却分离器并向下流动的含水溶剂逆流接触，甲醇溶剂上升的原料气从水中完全提出。由于该工艺不蒸发气体，因而可减少芳烃的排放。IFPEX—1工艺的操作费用低。能量费用占操作费用的大部分。常用的三甘醇法需要一台大的输送高热物料泵和再生装置，耗能较多。而IFPIEX—1工艺不需要耗热只要用一定的电量驱动一台小低压泵。若以每千瓦小时的电费为0.05美元及每百万大卡需要耗燃料费12美元计算，与三甘醇法相比较，IFPIEX—l每年可节约10万美元的操作费用。（2）最常用的脱水工艺——三甘醇工艺目前天然气脱水中应用最多的是三甘醇工艺。在新概念的指导下，这项脱水工艺又有所发展。研究表明，结构填料在压力为6.89MPa或更大时进行天然气脱水表现出极佳的效果。ARCO油气公司证实，在采用三甘醇脱水相同的工艺条件下，结构填料能够将塔的规模减小，容器重量减少，内部零件减少，费用降低。目前已进行了两种类型的结构填料测试。结构填料提供了更大的吸收率、更高的处理量及较低的压降。甘醇脱水工艺的另一项改进技术是使用异辛烷、甲苯等作为共沸剂的的Drizo法，其三甘醇贫液浓度可达99.998％，干气露点可达-73℃，无气体排放。美国Proses公司拥有的这项Proses技术，气体处理越大，成本越低，世界上许多国家正在推广这项技术。意大利一家公司设计并建造了一套不用有毒的芳烃溶剂，也无汽提气损耗的Drigas装置。采用这种装置，三甘醇贫液浓度可达到99.95％以上，湿气温度可达60℃，压力可达15MPa。若需要的三甘醇浓度较高，只要并入一个二级吸收塔，输入少量的三甘醇贫液，三甘醇纯度就可达到99.99％。（3）其他工艺——分子筛工艺，膜分离工艺分子筛能脱除天然气中的水、硫化物和其他杂质，也可用于酸性天然气的干燥。目前许多天然气田都使用分子筛干燥气体。分子筛能将水脱除很低的水平。在分子筛干燥气体时，同时吸附了硫化氢，但需注意，在有CO2存在时，H2S可能被催化反应为碳基硫。特殊的抗酸性分子筛的常规使用的寿命长，能保持其脱水能力。分子筛用于气体干燥不需要甘醇脱水那样的预冷却。随着天然气价格的上涨，许多酸性气田要投入开发，已考虑选择用抗酸性分子筛干燥天然气。20世纪90年代美国天然气研究院提出的膜分离工艺，是根据含有水蒸汽、溶解气的流动气体通过聚合物薄膜发生的扩散或渗透，由于不同气体有不同的溶解度和扩散系数，气体通过膜具有不一样的移动速度，进而达到分离的目的。工业上早期使用的气体分离膜，成本高、分离能力低，大规模使用受到限制，随着膜分离系统分离能力的改进和费用的降低，1987年Permea公司工业上首先使用膜装置干燥器来干燥压缩空气，能使压缩空气的含水量低于lppm。美国天然气研究院及一些大型石油公司已研究开发出了用于天然气干燥的气体分离膜和膜系统。2.2.脱水工艺流程设计2.2.1脱水装置设计此次设计所选用的脱水装置有：卧式过滤分离器、脱水吸收塔（塔顶捕雾器和塔板之间设冷却盘管代替气体-甘醇换热器）、立式闪蒸罐、三甘醇再生塔（富液精馏柱顶设换热盘管、塔顶设回流冷凝器、塔底设重沸器）、贫液汽提柱、缓冲罐（内设三甘醇贫富液换热盘管）、三甘醇循环泵、三甘醇过滤器、三甘醇冷却器、废气分液罐和灼烧炉。图2-1AutoCAD绘制的工艺流程设计图（1-湿天然气；2-出塔干气；3-TEG富液；4-闪蒸后的TEG富液；5-TEG富液再生；6-再生的TEG贫液；7-TEG贫液进塔；8-闪蒸气；9-含水气；10-汽提气；11-燃料气；12-原料气；13-污水至污水池；14-干天然气至输气干线-循环回水；A-卧式过滤分离器；B-脱水吸收塔；C-闪蒸罐；D-富液精馏柱；E-重沸器；F-贫液汽提柱；G-缓冲罐；H-TEG循环泵；I-TEG冷却器；J-TEG过滤器；K-废气分液罐；L-灼烧炉）工艺过程的中心设备是吸收塔，用泵将TEG泵人到吸收塔的顶部，TEG经过吸收塔时与气流逆流接触后向下沉动，富TEG水溶液从塔底排出，再经过冷凝器的盘管升温并过滤后，进入闪蒸罐闪蒸出富TEG中溶解的烃类组分，然后液相流人贫富甘醇换热升温并过滤后，进入脱水单元的再生器部分，在再生培内通过加热使TEG吸收的水分在常压下脱除从而提浓，再生后的TEG经贫富甘醇换热器冷却后，泵人吸收塔循环使用。而湿天然气由吸收塔底进入，经人口洗涤器后自下而上与TEG接触传质，然后经塔顶分离器后外输。(1)入口分离器一半以上的脱水装置的问题都是由于入口气体不够充分洗涤气而引发的的常见五种污染物是；·游离水：水会增加甘醇的循环量、重沸器的热负荷和燃料费用。·油或烃类：可溶解的烃会减弱甘醇的脱水能力．有游离水存在时不可溶的油会在换热器的热交换表面结焦，同时会增加甘醇的浓度。·带入的盐水：盐溶解于甘醇中会腐蚀钢材，特别是不锈钢，会造成重沸器火管穿孔.·添加剂：如腐蚀防护剂、酸化和压裂液，这些物质易引起发袍、腐蚀和对火管造成热腐蚀.·团体杂质：如砂、腐蚀产物(FeS、铁锈等)，这些固体易引起发泡，侵蚀阀门和泵，堵塞塔板和填料。进口湿气的完全洗涤是保证装置安全生产的必要前提。许多大的三甘醇脱水装置都在吸收塔前设有分离器或洗涤器，可能的话．还设有过滤器。洗涤器的负荷要能处理最大气体流量的125％。（2）吸收塔如图2—2所示，吸收塔由底部的洗气段、中部的传质或干燥段、顶部的甘碎冷却和捕雾器组成。图2—2甘醇吸收塔湿天然气切向进入塔底部一体化的气体洗涤器，然后穿过丝网捕雾器以去除随气体带入的残余液体颗粒，通过这样的两级处理使可能进入甘醇体系的污染物最小化。一体化的气体洗涤器是对入口分离器的补充，它不能代替入口分离器。在干燥段，气体由下而上与由上而下三甘醇进行逆流接触，一般需4～12层泡罩塔板或浮阎塔板，尽管浮阀塔比泡罩塔有较高的效率，但由于泡罩在低气速下不致漏液，且适合粘性液体。因此，实际过程中，往往采用泡罩塔板。甘醇趋向于发袍，因此塔板间距至少应保持204mm，较为贴切的值是6l0～760mm。安装时，应保持塔体垂直，否则由于塔板上液位不一致将影响到气液接触效果。塔顶的捕雾器保证气相中尽可能少地夹带甘醇，捕集垫由l00～200mm的不锈钢和涤纶组成。液体的分离空间是十分重要的，从捕雾器到第一块塔板的距离至少应为板间距的1．5倍。（3）闪蒸罐在甘醇吸收水分的过程中，较重的烃类包括芳香烃会不可避免地部分溶解于甘醇溶液。可应用两相分离器进行分离，此时溶液的停滞时间为5—10min。如果甘醇吸收有大量的重质烃，气体的相对密度大，这时可选用三相分离器，其停留时间应为20—30min。气体—凝液—甘醇分离的最佳条件是350—500kpa(表)，38—65℃，该条件下闪蒸出的闪蒸气可不经压缩而直接作燃料气或汽提气使用。当油被除去后，富甘醇在闪蒸前经过甘醇/甘醇换热器进行预热，加热减小了溶液的粘度并加速了甘醇与液烃的分离。要注意的是：闪蒸时的压力一定要能保证甘醇能流过下游的设备如换热器和过滤器等。使用卧式闪蒸罐一般能获得较好的凝液—甘醇分离效果，而立式闪蒸罐却占有更少的平台面积，这要进行具体的分析选用。（4）过虑器在甘醇中固体颗粒应少于0．01％(质量)以避免泵的损坏、换热器阻塞、溶液发泡、吸收塔板和再生精馏柱填料的污染、火管的热腐蚀等。常用固体过滤器和活性炭过滤器来保证溶液的纯度。前者以纤维制品、纸张或玻璃纤维为滤料，除去5µm以上的粒子。固体过滤器置于闪蒸罐后，此时溶液温度比较高，粘度较低，便于过滤。固体过滤器的容量应满足处理全部循环溶液的需要。活性炭过滤器主要是除去溶液中的溶解性杂质，加高沸点的烃类、表面活性剂、压缩机润滑油以及TEG降解产物等。循环溶液可以全部进入活性炭过滤器处理，也可以部分处理，视溶液中杂质含量而定。溶液在过滤器内的停留时间应为15—20min以保证处理效果。(5)甘醉泵甘醇循环泵是脱水装置的唯一一个转动部件，它将贫甘醇从低压升为高压后入塔。常用的泵有三种驱动方式：高压气体驱动高压液体驱动电动没有甘醇的循环，就不能继续脱水。因此，应选配两台泵，每台泵的能力都要能满足全部甘醇循环的需要，一台工作，另一台备用：对大型装置选择电动、水平或正位移泵都是有利的。对小型的边远装置，经常选用高压液体或气体驱动的甘醇泵。从吸收塔底出来的高压甘醇可给双动泵提供部分动力，从吸收塔出来的高压气体也能提供部分动力，当然这就要求吸收塔内有较高的压力。（6）缓冲罐缓冲罐的体积要足够大以容纳从吸收塔出来的全部甘醇。正常运行期间缓冲器应半满。同时应有气封以防止甘醇与空气接触。（7）贫／富液换热器贫/富溶液换热器是用来控制进闪蒸罐和过滤器的富液温度，并回收贫浓的热量，使富液升温至148℃左右进再生塔，以减轻重沸器的热负荷。最常用的是管壳式换热器。对小型装置能不设置专门的换热器，而在贫液缓冲罐中用换热盘管来代替(即换热罐)。采用这种换热形式可以简化流程，节省投资，但其换热效果较差，即使整个盘管均浸没在贫液之中，换热后的人塔富液温度也很难超过93℃。TEG脱水的各种工艺流程，吸收部分大致相同，再生部分不一样，目的是提高TEG的浓度。最初采用的是常压加热,只靠加热来提浓TEG，受到热分解温度的限制，只能提浓到98．5％(质)左右，大约可使露点降达35℃左右。由于这种方法不能满足规定的要求，因而发展了其它三种再生方法。第一种是减压再生方法。在一定温度压力下，比常压加热多蒸出水分，提高浓度。但此法系统复杂，操作费用高；第二种是气体汽提。它是国内外一般会用的方法。将TEG溶液与热的汽提气接触，降低水蒸气的分压。可以提浓到99．95％(质)，露点降可达75—85。气与蒸出的水汽一起排向大气，因含大量水汽而点不着火，不能燃烧而产生污染。第三种是共沸再生，这是20世纪70年代发展起来的方法，采用的共沸再生沸应具有不溶于水和TEG、与水能形成低沸点共沸物、无毒、蒸发损失小的性质，最常用的是异辛烷。此法可将TEG提浓到99．95％(质)，露点降达75—85℃，共沸剂在闭路内循环，无大气污染。此法虽然不用汽提气，但是增加了设备和汽化共沸剂的能耗。到目前为止，国外设计的一些TEG吸收脱水装置仍采用汽提气再生的方法。因汽提气量很少，虽有污染，但不影响达到环保标准。它的成本低、操作便捷、提浓效果好，是该法的一大优点，所以国内大都使用此法。2.3天然气脱水工艺发展趋势2.3.1天然气膜法脱水基础原理：混合气体中各组分在压力的推动下透过膜的传递速率不同，进而达到分离的目的。膜法脱水技术是利用特殊设计和制备的高分子气体分离膜对天然气中水分的优先选择渗透性，当原料天然气流经膜表面时，水分优先透过分离膜而被脱除掉。膜法脱水特点[5]：①利用天然气自身压力作为净化的推动力，几乎无压力损失；②无试剂加入，属“干法”净化，净化过程中无额外材料消耗；无须再生，无二次污染；③工艺相容性强，具有同时脱除性，如在脱水的同时，部分地脱除H2S、CO2；④工艺简单，组装方便，易操作，易橇装；⑤技术单元使用灵活，占地面积小。随着膜分离法天然气脱水慢慢的被人们重视成为常规胺、物理吸收和甘醇脱水等传统工艺强有力的竞争对手。世界上许多厂家、商家，如美国的Separex、Grace、Monsanto和挪威的AirProduct等大化工企业和日本的日东电工、东丽、松下等，都相继投入大量资金和精力到天然气膜脱水工艺及装置的研究开发中，国外膜法天然气脱水已实现工业化。自20世纪80年代以来，一些国家对天然气膜脱水技术进行了研究开发，目前已实现工业化美国Separex公司开发了醋酸纤维素螺旋卷式膜组件，用于海上开发平台天然气脱水，其H2O/CH4分离因子为500，在7.8Mpa、38℃下脱水后的天然气的水露点温度可达-48℃，水蒸气含量在Ф

  对比。他们成功地研制了工业化的天然气脱水用聚酰亚胺合成中空纤维膜，膜器在大于7MPa操作压力下，性能可靠。在净化比为2%~3%时，当进气温度大于32℃时，可使水露点下降到-1℃。用两种膜器进行了经济分析，一种是新研制的大规模工业应用膜器（膜压差7MPa左右），一种是膜压力等于5MPa左右的膜器。小规模试验时，当膜过程在处理气量小于283168m3/d时比TEG方法性能和经济性好，而在大规模试验条件下，当处理气量小于等于28316.8m3/d时，比TEG性能和经济性好。全面验证了膜过程天然气脱水的优势和适用条件。应用前景：膜法脱水不仅适用于净化厂集中脱水和集气站小站脱水，同时也能够灵活方便地应用于边远井站单井脱水。天然气集成净化工艺脱除天然气中的杂质天然气集成处理技术，可利用各自技术特有的优势，在满足应用要求的前提下降低装置的投资和运行的成本，简化操作工艺。各种集成技术的研究和开发，必将为膜分离技术在天然气工业中的应用开拓广阔的天地。膜分离技术是目前世界上比较先进的技术之一，它具有易于操作、常规使用的寿命长、适应范围广、安全可靠、能耗低等技术优点。国外的膜分离生产和研发技术已走在我国的前面，我国的天然气行业虽然起步晚，但发展势头猛劲，更需要开发和应用先进的工艺方法。2.3.2天然气超音速法脱水基础原理：核心部件为超音速分离器，其基础原理是利用拉瓦尔喷管。使天然气在自身压力作用下加速到超音速，这时天然气的温度和压力会急剧下降，使天然气中的水蒸气冷凝成小液滴，然后在超音速下产生强烈的气流旋转将小液滴分离出来，并对于气进行再压缩。第一个商业化的脱水系统于2003年12月在马来西亚的B11海上平台上安装。目前，国内在这方面的研究较少。技术优点：①天然气超音速脱水系统最简单，需要的设备少，易形成橇装系统。由于天然气高速通过脱水系统，因此在相同解决能力下，其体积较小。②天然气超音速脱水系统没大的转动部件和化学处理系统，其可靠性很高，日常维护很少，允许在最苛刻环境中运转，易实现无人职守。③超音速脱水技术利用天然气本身的压力工作，能够在瞬间启动和停止工作，且不需要大量的外部能源供应。④工艺工程中不添加化学药剂，如甲醇、乙二醇、三甘醇，避免了化学品对环境的危害。⑤天然气超音速脱水系统投资少，操作便捷，可靠性高，不需外加动力，故其运行的成本低。应用前景：我国的气田多使用多井集气工艺，采气管线MPa以上，经节流降压至4～8MPa后进入集气管线。防止输送和节流过程中生成水合物，常采取加热、注醇和低温分离等措施。该技术容易设计成体积小、质量轻、成本低、可靠性高的脱水橇，并能充分的利用天然气的压力能。适合单井集气工艺的井口、多井集气工艺的集气站的天然气脱水，取代加热、注醇、低温分离和三甘醇脱水等系统。因此，开展天然气超音速脱水与天然气脱水技术探讨研究将非常必要和有意义。3脱水工艺计算3.1原料气及净化气气质3.1.1原料气（1）原料气来自天然气净化厂脱硫装置的湿净化气,其气质条件如下：表3-1原料气组成组分%（mol）C196.6C20.98C30.42C40.14N21.1CO20.21H2S0.36H2O0.19合计100.00注：原料气不含有机硫。（2）原料气处理量1×106m3/d（3）原料气温度27～38℃（4）原料气压力4.2mpa(g)3.1.2脱水后净化气的气质条件产品气温度≤40℃水露点/含量

  0.006m故降液管底细高度设计合理。选用凹形受液盘，深度=50mm。3.3.4吸收塔高度吸收塔直径D=0.8m吸收塔内塔板间距为0.60m，共9层塔板，高度=5.4m进口气涤器高度(1D)=0.8m贫甘醇进口至塔顶捕雾器高度(1D)=0.8m裙底取1.5m吸收塔总高度H=5.4+0.8+0.8+1.5=8.5m3.4热量衡算3.4.1重沸器重沸器的热负荷按经验法确定：根据脱水量由式(4.6)估算，即(4.6)式中QR——脱除1kg水所需的重沸器热负荷，kJ/kg水；LG——甘醇循环量，L/kg水；kJ/kg水。重沸器热负荷QRT=10417.4×28.67=298666.858kJ/h=82.96kw考虑15%的设计裕量，故重沸器热负荷取95.4kw重沸器火管传热表面的热流密度取20.5kw/㎡,故重沸器火管传热面积=95.4/20.5=4.65㎡3.4.2贫/富甘醇换热器（1）贫、富甘醇进口与出口温度贫甘醇进口温度为199℃，出口温度为88℃；富甘醇进口温度为30℃，出口温度为t。（2）贫甘醇热负荷贫甘醇在平均温度143℃的比热容为2.86kJ/(kgK)，故贫甘醇热负荷=1109.889×(199-88)×2.86=352345.36kJ/h。（3）富甘醇出口温度假定富甘醇出口温度为141℃，富甘醇在平均温度85℃时的比热容为2.6kJ/(kgK)，由热量平衡确定富甘醇的出口温度，经迭代计算得：352345.36=1151.06×2.6×(t-30)t=147.73℃3.4.3气体/贫甘醇换热器（1）贫甘醇热负荷贫甘醇进口温度为88℃，出口温度为38℃。贫甘醇在平均温度63℃时的比热容为2.34kJ/(kgK)，故贫甘醇热负荷=1109.889×2.34×(88-38)=129857kJ/h（2）气体降温由于出吸收塔干气

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