三甘醇脱水三甘醇脱水工艺模拟 1 概述 1.1 天然气脱水意义 天然气中含有大量的水蒸气, 天然气脱水是防止水合物形成的根本措施。天然气脱水尤其是天然气集输过程中的水蒸气去除是天然气集输系统中的关键。天然气中含有的水蒸气通常处于饱和状态,具体的含量由天然气的压力、温度、成分等条件决定。在一定的条件下, 这些水蒸气的一部分可能会析出, 形成液态水。液态水的危害主要体现在以下2方面: (1) 有可能形成水合物。天然气水合物是一种固态结晶体, 它的外观类似于雪或松散的冰, 是天然气的某些气体分子嵌入水的晶格中形成的。水合物晶体会引起管线、...

  1 概述 1.1 天然气脱水意义 天然气中含有大量的水蒸气, 天然气脱水是防止水合物形成的根本措施。天然气脱水尤其是天然气集输过程中的水蒸气去除是天然气集输系统中的关键。天然气中含有的水蒸气通常处于饱和状态,具体的含量由天然气的压力、温度、成分等条件决定。在一定的条件下, 这些水蒸气的一部分可能会析出, 形成液态水。液态水的危害主要体现在以下2方面: (1) 有可能形成水合物。天然气水合物是一种固态结晶体, 它的外观类似于雪或松散的冰, 是天然气的某些气体分子嵌入水的晶格中形成的。水合物晶体会引起管线、节流阀、各种阀门以及仪表的堵塞, 降低管线的流动能力或产生物理性破坏,因此必须防止水合物的生成。 (2) 有可能形成具有强腐蚀性的酸液。天然气中通常含有CO2、H2 S等酸性气体, 这些气体溶于水之后, 形成具有强腐蚀性的酸液, 引起管线和设备的腐蚀, 因此要防止酸液的形成。 可见, 脱出天然气中的气态水, 能够尽可能的防止水合物和酸液的形成。 1.2 国内外天然气脱水技术现状 天然气工业常用的脱水方法有膨胀冷却法、加压冷却法、固体吸附剂吸附法、溶剂吸收法等。目前世界上天然气脱水应用最多的方法是溶剂吸收法中的甘醇法, 而国内普遍采用的是三甘醇法。 天然气脱水的几种主要方法 (1) 低温冷凝脱水该方法采用很多方法把高压天然气节流降压致冷, 用低温分离法从天然气中回收凝析液。这种方法是国内气田中除三甘醇法外应用较多的天然气脱水工艺。长庆采气二厂、塔里木克拉2等均采用该方法, 它具有工艺简单、设备较少等优点, 但也有耗能高、水露点高等缺点。 ( 2) J2T阀和透平膨胀机J2T阀和透平膨胀机脱水属于低温冷凝方法脱水。对于高压天然气,冷却脱水是非常经济的。例如大庆油田目前采用很多透平膨胀机脱水, 四川的卧龙河和中坝气田则使用了J2T阀脱水。这一些方法的缺点是: ①脱水循环的一部分处于水合物生成范围内, 容易生成水合物, 因此就需要采取添加抑制剂等防止水合物生成的措施, 及相应配套的抑制剂回收系统; ②需要深度脱水时需配备制冷设备, 会引起工程投资和使用成本的提高; ③透平膨胀机有高速运动部件, 制造难度大、可靠性差。 (3) 三甘醇脱水三甘醇脱水属于溶剂吸收法脱水, 在天然气工业中得到了广泛的应用。这种脱水系统包括分离器、吸收塔和三甘醇再生系统。存在的主体问题是: ①系统很复杂; ②三甘醇溶液再生过程的能耗比较大; ③三甘醇溶液会损失和被污染, 因此就需要补充和净化; ④三甘醇与空气接触会发生氧化反应, 生成有腐蚀性的有机酸。所以, 三甘醇脱水的投资和运行成本比较高。 目前国内的橇装三甘醇脱水系统多从国外引进。虽然性能很好, 但是也存在很多问题。如一次性投资比较大; 各种零配件和消耗品不易购买, 且价格昂贵; 计量标准与我国现行标准不同; 测量系统不适合我国的天然气性质等。例如四川大天池天然气输送干线引进的橇装三甘醇脱水系统, 1999年3月25日至7月27日试运行过程中, 日平均三甘醇消耗量为1119 kg, 而且随着装置运行时间延长, 三甘醇消耗逐渐增加。由于使用的三甘醇需要进口, 价格为36元/kg, 因此三甘醇消耗量成为影响生产所带来的成本的主要的因素。 (4) 分子筛脱水分子筛脱水属于固体吸附法脱水, 脱水系统最重要的包含2个或3个处于脱水、再生和冷吹状态的干燥器, 以及再生气加热系统。分子筛脱水法更适合于深度脱水, 露点能够更好的降低到-73 ℃以下。但是, 对于大装置, 设备投资和操作费用都比较高, 如果脱水要求的露点相同, 建设1座处理量为28万m3 /d的处理站, 分子筛脱水的投资比三甘醇多53%。另外, 分子筛脱水的再生过程能耗比较大, 干燥器下层的吸附剂需要经常更换。 (5) 超音速脱水作为新型脱水技术的超音速脱水, 国外主要是在壳牌石油公司支持下开展研究, 包括计算机数值模拟、实验室研究和现场试验研究。基础的实验研究和数值模拟研究主要在荷兰的埃因霍恩科技大学等几所大学中进行; 现场的试验研究正在荷兰(1998年) 、尼日利亚(2000年)和挪威(2002年) 的天然气气田和海上平台做,主要验证系统长期稳定工作的能力, 并在实际应用中进行不断的改进。所有的研究都取得了满意的结果。目前, 这项技术已进入商业应用状态。 1.3

  与合成的有关内容，为更好的理解Hysys软件在化工过程模拟上的应用，对三甘醇脱水工艺做一下几点工作： （1） 三甘醇脱水工艺流程设计； （2） 利用HYSYS软件对三甘醇脱水工艺流程进行模拟； （3） 分析三甘醇脱水效果的影响因素。 1.4 天然气气质资料 进站压力：6.0～7.0 MPa 进站温度：20～30 ℃ 干气外输压力：≥5.5 MPa 干气水露点要求：≤-5 ℃ 天然气气质组成见表1.1 表1.1 天然气组成表（干基） 组分 N2 CO2 H2S CH4 C2H6 mol% 0.0010 0.0284 0.0155 0.8989 0.0310 组分 C3H8 i-C4H10 n-C4 H10 i- C5 H12 n- C5 H12 mol% 0.0148 0.0059 0.0030 0.0.0010 0.0005 2 工艺流程 2.1工艺

  的选择 天然气的脱水方法多种多样，目前应用较广泛的有低温分离法脱水、溶剂吸收法脱水和固体吸附法脱水。针对上述给出的原料气气质工况、处理规模和外输干气对水露点的要求，由于三甘醇的贫液浓浓度可达98～99%，三甘醇蒸气压较低，携带损失小，热力学性质稳定，理论分解温度比较高，能够得到较大的露点降，而且能耗低，投资及操作费用较低，且甘醇类化合物毒性很轻微，三甘醇的沸点高，常温下基本不挥发，使用时不会引呼吸中毒，与皮肤接触也不可能会引起伤害。因而选用三甘醇脱水工艺能够完全满足天然气脱水技术和经济性要求。 2.2 三甘醇脱水状态方程的选用 选择准确无误的状态方程，是模拟工艺过程的关键。作为新一代模拟通用软件，Hysys提供了丰富的物性计算包，匹配了较完整的物性数据库，对不同工况的模拟具有相当大的灵活性。在三甘醇脱水工艺设计时，可通过不同的物性数据包的计算结果做多元化的分析对比，再根据文献与已建装置的实际操作参数核对，最终确定适应三甘醇脱水工况的物性计算包。从目前实际应用以及文献情况去看，选用最多、适合使用的范围最广的物性计算包是Peng-Robinson状态方程。该方程可适用三甘醇脱水工艺的过程模拟。 2.3 工艺流程简介 经过查阅大量文献，并根据Aspen Hysys中给出的大量模型，最后得到天然气三甘醇脱水流程如图2.1所示。天然气经过三甘醇吸收塔（T-100），干气依次经过Remove TEG组分分离器、闪蒸器，并通过Adjut控制器的控制，分析检测出干气露点。 图2.1 三甘醇脱水流程图 吸收塔塔底三甘醇富液经与再生塔塔底部换热（L/R Exch）后从再生塔（TEG Regenerator）中部进料，塔顶再生后的蒸汽经过冷凝得到部分燃料气或者去火炬处理，塔底再生三甘醇换热后补充三甘醇吸收剂，经P-100泵加压与吸收塔塔顶干气换热（E-101）后从吸收塔塔顶进料，循环利用三甘醇吸收剂，减少运行操作费用。 2.4 Hysys软件基本操作 1 组分选择与流体属性包 打开Hysys软件，在进行化工模拟之前，首先应该定义模拟环境，其中最重要的包含物流信息和流体属性包。如图2.2。 图2.2 编辑组分信息列表界面图 图2.3 组分列表 创建一个CASE文档，通过Simulation Basis Manager 编辑组分信息，通过Add添加一个组分包，以供接下来对流程物流信息的模拟。 通过Import添加所需要添加的物流信息，当点击Improt时会弹出图2.3所示的物质查询、添加对话框。通过查找，把所需要的组分添加到组分列表中。 接下来，通过图2.2中Fluid Pkgs选项卡定义物流计算模拟的基本处理方法，即状态方程，通过2.2可以，在此选择Peng-Robing状态方程来处理物流信息。如图2.4所示 图2.4属性包定义界面图 2 模型建立 图2.5 Hysys流程模拟界面 Hysys中模型的建立于Aspen Plus类似，主要是通过从模型界面中把合适的模型添加到流程界面上，并通过特定的物流模型来连接流程，当条件足够时，默认情况下Hysys会自动计算出结果。图2.5所示，Hysys的流程及模型面板。 2.5 TEG吸收塔、再生塔的选用及参数确定 三甘醇脱水工艺过程中，最主要的设备是吸收塔和再生塔。Hysys软件为用户更好的提供了许多塔模型，包括简捷法蒸馏塔、严格法蒸馏塔、吸收塔、液-液萃取塔等多种塔模型。其中严格蒸馏塔能准确模拟精馏、吸收、汽提、萃取等不同操作的流程。三甘醇吸收塔可安装成一个简单的吸收塔。再生塔可用一个带塔底再沸器的精馏塔来模拟单元操作，塔顶安装一全回流冷凝器。选用合适的流程设备模块以及数十参数是模拟计算快速收敛的关键。 在进行仿真模拟前根据有关文献报道以及其他数据资料，确定天然气以及天然气脱水设备的基础参数，如表2.2与图2.6和图2.7所示。 表2.2天然气进入脱水装置的参数 温度 ℃ 压力 KPa 处理量 kg/h 含水量 mass % 6203 6205 9191 0.0848 图2.6 吸收塔设计参数 三甘醇脱水装置出吸收塔和再生塔外，还有许多辅助设备，如加压阀、换热器、闪蒸器、混合器和泵等，Hysys软件对上述设备有专用模型来模拟，使用较为简单，再次就不一一介绍。 图2.7 再生塔设计参数 2.7 检测分析系统 如图2.8所示，Dry Gas经过换热后成为Sales Gas，首先经过出去三甘醇以便减少其对露点测定的影响，然后再经过闪蒸器，通过Adjust控制出口XS H2O水流量来实现对Water DeWPt露点的测定。 图2.8 Sales Gas露点分析测定流程图 2.8 三甘醇脱水影响因素分析 三甘醇吸收塔是为脱出湿天然气中的水。由于塔顶干气的水含量有严格限定，为此，在模拟流程收敛后，仍一定要通过调整三甘醇循环、再生塔再沸温度等因素来达到一定的要求。为越来越好的了解此流程，现在对湿气入口温度、湿气含水量以及再生三甘醇温度对干气露点的影响。 1 TEG温度对脱水效果的影响 流程确定且湿气与三甘醇的循环量不变，改变三甘醇的温度得到露点与三甘醇温度之间的关系，如图2.9所示。随着三甘醇温度的升高，露点也逐渐升高，脱水效果越来越差，基本呈线性关系，但从直线的斜率能够准确的看出，这种影响很小。 图2.9 露点与TEG温度的关系 2 湿气入口温度对脱水效果的影响 进气温度直接影响进入装置的水量，进气温度越低所需要三甘醇脱出的水量就越少。。在压力一定的条件下, 随湿气入口温度上升, 进塔湿气的含水量也会增加, 进而T EG 溶液需脱出更多的水量才符合露点要求。这样会增加T EG 的消耗量和系统的动力负荷。 在塔板数确定，TEG循环量确定的情况下，湿气入口温度对脱水效果的影响如图2.6所示。入口温度对露点的影响呈现出指数变化趋势，这可能是由于压力一定时，温度上升实际上增大了气体的流速。 过大的流速导致了T EG的携带损失, 使得脱水效果显而易见地下降。所以一般脱水温度控制在35℃一下。 图2.10 湿气入口温度对脱水效果的影响 3 湿气含水量对脱水效果的影响 在进行三甘醇脱水效果评价方面，湿气含水量是个常被忽略但很重要的因素。湿气含水量涉及上游来气，能否做到合理有效的预处理对TEG的脱水效果影响很大。在流程以及循环TEG确定的工况下，得到含水量与露点的关系，如图2.11所示。 图2.11 含水量与露点的关系 随着含水量的上升, 天然气水露点温度增长较快, 含水量增大造成水露点上升的问题大多有两个: 一是天然气携带液态水进入脱水塔导致甘醇浓度下降, 当TEG溶液含水超过3%( w t ) 时其脱水效率极剧下降; 二是未经预处理的天然气携带液态水进入脱水系统后, 系统脱水负荷增大, 由于加热系统温度反馈信息缓慢, 再生温度无法达到200℃, 逐步降低了TEG的浓度, 导致脱水系统无法正常工作。因此上游对天然气预处理对TEG脱水系统平稳工作至关重要。 3 总结 Aspen Hysys软件是化工过程模拟软件中一种极为普遍应用的软件，这款软件是基于联立方程法的进行系统的模拟计算。内部包括各种化工常用模块单元，尤其对于石油化学工业方面，其具有独特的优势。学习Hysys，发现了自己要对自由度有一个清晰的判断，这样有助于对操作单元设置参数。 模拟过程中，发现 Hysys的设计规定是通过Adjust控制器来实现，而灵敏度分析则有case study来实现的。模型的建立也是大同小异。 与Aspen Puls相比，都能够准确模拟化工过程，但是通过个人的模拟体会，发现Aspen Plus 更为直接更为简单，但其对系统过程的分析不如Hysys更透彻。正因为如此，Hysys入手较难，且有错误时对系统的修改很难，但其对动态过程的模拟具有独特的优势。 各有所长，只有在合适的场合选择正真适合的软件，才能发挥其最大的作用。 ~ 1 ~

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