天然气三甘醇脱水的参数分析 毕业论文外文翻译天然气三甘醇脱水的参数分析 P. GANDHIDASAN 机械工程学系 法赫德重点石油矿产大学 达兰，沙特阿拉伯 为避免液体水的凝结，确保管道设施安全无故障运行，天然气通过管道长距离输送之前一定要进行脱水。本文分析每天用液体除湿法对一百万立方米标准状态下天然气脱水，即泡罩塔盘上的吸收剂三甘醇的脱水方法。这篇文章中用公式在不同的气体流量下获得的结果与现有文献中的数据相当的吻合。影响操作参数的因素是多样的，本文就压力，温度和三甘醇的循环量，对设计单元的影响进行简要讨论。 关键词：脱水 液体干燥剂 气体含水量 天然气 ...

  P. GANDHIDASAN 机械工程学系 法赫德重点石油矿产大学 达兰，沙特阿拉伯 为避免液体水的凝结，确保管道设施安全无故障运行，天然气通过管道长距离输送之前一定要进行脱水。本文分析每天用液体除湿法对一百万立方米标准状态下天然气脱水，即泡罩塔盘上的吸收剂三甘醇的脱水

  。这篇文章中用公式在不同的气体流量下获得的结果与现有文献中的数据相当的吻合。影响操作参数的因素是多样的，本文就压力，温度和三甘醇的循环量，对设计单元的影响进行简要讨论。 关键词：脱水 液体干燥剂 气体含水量 天然气 托盘塔 简介 天然气是初级能源的重要来源，是发现于油田的一种天然燃料。大型天然气田的发现于20世纪80年代和90年代，寻找到更多储量天然气的前景很广阔。过去25年在世界总的初级能源需求中天然气的需求来出现了显著增长。这种增长的驱动力已经普及到了能源供应多样化以及改善能源供应的政策， 经济的增长需要一个更清洁的环境，并深入开发利用本地能源资源。 天然气的生产通常伴随有原油和水，因此要在生产的地方对天然气进行初级分离。在油气田被分离的气体中含有凝结水和碳氢化合物，如乙烷和重碳氢化合物（C6+）。为了确认和保证无故障运行的天然气输送系统，除水以防止冷凝液体水和碳氢化合物的形成是非常必要的。除了形成水合物的风险，液体还会减少系统的体积容量，对压力调节器和过滤器操作造成干扰。凝结的液体累积在管道内，会造成工作所承受的压力增加以及传输液体会对设备造成潜在的危害。很多天然气输送公司对所接受输送的天然气的质量有严格的限制，如水露点、烃露点，以减少输送过程中遇到的问题。对天然气脱水，就是要将天然气中有关的气态水清除。防止管道和设备的腐蚀或侵蚀是非常有必要的，特别是当天然气中含有CO2和H2S时。对天然气除水后水露点的要求要满足销售要求及管道输送条件。鉴于这些原因就必须指定一个水露点和天然气烃露点上限。陆上天然气处理过程采用了脱水工艺控制水露点和制冷机控制天然气的烃露点。本文要说明的是怎么来控制水露点。 天然气处理过程 广义天然气处理过程的原理图（Lane and Huey，1995年）如图1所示。天然气进入设备，被压力压缩到输送管道，并通过脱水流程对水露点控制。脱水后的天然气通过一系列的3个热交换器使气流冷却下来，这样不仅脱出了凝结为液体的烃，而且使烃的露点得到了必要的控制。然后进入低温分离器，在那里进行残留气体（主要是甲烷）和液相的分离。脱水后的气体通过气/气换热器（H.E.1）后流进低温分离器，残留气体从低温分离器出来经气/气换热器（H.E.1）后离开。热交换增加了残留气体的温度，降低了进入低温分离器气流的温度。制冷设备的冷却剂循环时通过气/冷却剂换热器（H.E.2）由于热量被制冷剂吸收，使入口气流进一步冷却。来自低温分离器冷却气体与分离出来的液体产物在通过气/液产物余热交换器（H.E.3）之前，在一个加压罐中稳定和储存。稳定器塔顶气体通过管道输送回压缩机入口然后再由压缩机吸入。残留气体从入口气体吸收热量（H.E.1）在它进入销售类管道之前，对气流热值进气计量和取样。 图1天然气处理过程示意图 目前使用两种类型的脱水设备：通过固体干燥剂吸收，为固体干燥剂脱水，通过液体干燥剂吸，为液体干燥剂脱水。2001年Gandhidasan等，讨论了这两种脱水方法的利弊。本文所述的是用液体干燥剂脱水，使天然气的水露点满足输送

  要求，其范围从32.8～117 kg/106Nm3。 液体干燥剂脱水 天然气通过与液体干燥剂逆流接触水蒸汽可以被脱去，如氯化钙，氯化锂，乙二醇，氯化锌液体干燥剂等，在选择一个合适的干燥剂脱水时，一般要考虑的因素如下： ·气体溶解度 ·挥发性 ·粘度 ·腐蚀性 ·成本和可用性 用于天然气脱水的液体干燥剂一定要有很强的吸水性、低蒸气压、低溶解度、低粘度、高沸点、耐热性好和不容易化学分解，而且必须便宜和容易获得。虽然氯化钙是脱水最早使用使用的液体干燥剂之一，但是目前一般第一先考虑甘醇，因为他们已相当接近以上所说的所有条件。其中乙二醇，二甘醇和三甘醇是主要的天然气脱水干燥剂。这些干燥剂的简单的的物理性质（格罗索，1978年）见

  1。在选择甘醇作为天然气脱水干燥剂时，一定要重视低流量下甘醇粘度、起泡倾向。二甘醇比较便宜，但比起三甘醇，二甘醇在循环中的损失较大，其路露点降也低，再生成为高浓度难度更大。鉴于这些原因，三甘醇被认为是最经济的选择，几乎所有甘醇脱水干燥剂都选三甘醇。 表1                    甘醇简单物理性质 项目 二甘醇 三甘醇 分质量 106.12 150.17 25℃下的蒸汽压，mm Hg 0.002 0.0004 25℃下的密度，g/ml 1.113 1.119 25℃时的动力粘度，cp 28.2 37.3 25℃时的表面张力，dyne/cm 44 45 25℃时的比热，kJ/kg℃ 2.303 2.219 25℃时的反光指数， 1.446 1.454 在760毫米汞柱汽化，kJ/kg 539.63 404.72 在760毫米汞柱沸腾点，℃ 245.8 288 结冰点，℃ ?7.8 ?7.2 闪点，℃ 137.8 160 燃点，℃ 143.3 165.6 初始分解温度，℃ 164.4 206.7       三甘醇脱水工艺 脱水设备的分类大致根据其主要的作用是否要分散气体或干燥剂。在气体分散类设备中，托盘塔使用比较广泛，而在液体分散类设备中，填料塔则应用的比较广泛。当操作压力和甘醇循环量很高时，托盘塔通常更有利，当塔直径很小时，填料塔更受青睐。虽然随机填料塔也可用于天然气脱水，但是可能会遇到由液体引起的问题，如果发泡严重时，在低于正常气体流量的情况下塔内甘醇就可能会溢流，因此导致过多的甘醇损失。因此，塔盘是目前的研究对象。两种可供使用的传统塔盘的类型是浮阀塔盘和泡罩塔盘。浮阀塔盘在设计性能上更有效，但在低流量下甘醇的“渗漏可能会引起水露点不合格。在大范围的脉动流量下，泡罩塔盘是首选。虽然他们效率低于阀托盘，但是它们在低粘性液体以及甘醇和气体流量的比值较低时更合适。Treybal（1980）详细讨论了这些塔。 图2展示了典型的板式塔脱水过程（萨姆斯，1990）。高压力天然气1从部进入塔内向上流动与托盘接触通过。温度相对低的三甘醇贫液（也称为干液）从7通过塔顶部向下流动，从湿天然气气流中吸收水蒸汽流使得气流与入口气流水露点不一样。脱水后的天然气2从塔出来与进入塔内的三甘醇贫液6在气体与甘醇换热器换热冷却。在脱水塔顶安部装一个合适的除雾器能够大大减少三甘醇的循环损失。脱水天然气经调压后从3出来，并通过管道输送到一个天然气输送线或进一步处理控制以烃露点。 三甘醇富液8（也称为湿液）离开塔经过滤后并用于冷却从缓冲罐出来的，三甘醇贫液4。在较大的脱水系统中，活性炭过滤器和袜式过滤器用于去除杂质。清除固体杂质能够大大减少腐蚀，堵塞，再沸器沉积，并可能减少发泡损失。甘醇通过5三甘醇/三甘醇换热器换热冷却后经泵增压到塔内要求的压力。再沸器和汽提塔再生出一个给定浓度值下的贫三甘醇溶液。有一定余热的富甘醇9在大气压下进入设置于重沸器上的精馏柱顶部。再沸器10加热富三甘醇溶液蒸发汽化从气流吸收的水。为了达到这一目的，可通过热油，蒸汽，电阻线圈。增加再生三甘醇浴温或注射汽提气的纯度以得到更高浓度的甘醇。缓冲罐存储贫三甘醇溶液。在三甘醇对三甘醇换热器换热冷却后，贫三甘醇经泵加压冷却，由6输送到脱水塔。 图2 三甘醇脱水过程示意图 分析 为了设计一个适合采用三甘醇作为液体干燥剂的天然气脱水系统，必须知道天然气最大流量，操作压力，进气温度，进气含水量，以及对出口气体含水量的要求。从本文的分析能得出所需贫三甘醇的最低浓度，贫三甘醇的循环量，以及脱水塔塔径的一个估计值。一般来说，设计一个用三甘醇来进行天然气脱水的系统，要用到数目众多的图和表格。本文的观点是利用文中给出的方程组取代图和表格，以便写入电脑程序，进行快速计算。 下面假设每天处理1百万立方米（标准状态下）天然气： 1.从底部进入脱水器的天然气饱和湿气的含水量为100 千克每106标准立方米。 2.单位时间内进入托盘塔底部气体是1摩尔。这时计算单位时间内所需的从塔顶进入的贫三甘醇的摩尔数。 3.脱水过程中基本上等温及气体体积不变。 4.实际水露点约为8℃比平衡露点高。也就是说，达到8℃平衡时所用的甘醇浓度最低。 5.三甘醇和气体的密度假设分别为1.12和0.0416千克每升。 6.水和三甘醇分子质量分别为18和150。 7.处理含水量为100 千克每106标准立方米的1百万立方米天然气，所需三甘醇的摩尔气数体在标准压力（0.1 MPa的绝对压力）和温度（15℃）是1739 千摩尔每小时 8.整个泡罩塔的效率为25％。 9.气流表面速率是以溢流时速率的80％计算。 10.天然气脱水操作压力范围为2至10Mpa，气体的温度为20至40℃。 这里主要分析三甘醇循环量一定时，给定浓度和托盘数下能达到的露点降。 贫三甘醇的最低浓度 估算出进入脱水塔的贫三甘醇的最低浓度对使顶部出口气体中含水量满足规定很有必要。当湿的天然气与贫三甘醇在压力和温度恒定的脱水塔内接触，及时就达到平衡。由于三甘醇与湿天然气相比具有较低的含水量，天然气中的水蒸气传输给三甘醇。在给定的操作条件下，给出了天然气脱水平衡时的水露点参数分析 （1） 由于天然气和三甘醇接触的时间不足以达到平衡所需时间，因此实际水露点总是比平衡时的水露点高。一个设计良好的 ，正常使用的脱水系统的实际水露点高于平衡水露点5至10℃。在这一近似平衡的状态下可以使进入脱水塔的贫三甘醇浓度最低。在本研究中，假设8℃为平衡时脱水塔顶部露，这样就有 （2） 回流的三甘醇必须做处理以便再次利用。通常情况下，加热可由再沸器直接完成。建议再沸器再生每公升三甘醇的最少热量约为560千焦（坎贝尔，1984年）。经过控制再沸器的温度、压力还有汽提气，可以在再沸器获得浓度较高的三甘醇。为了在再沸器获得理想浓度的三甘醇，在真空度为为一个大气压下再沸器的温度约为204℃。这个温度接近三甘醇在空气中的热分解温度，见表1。满足脱水塔进口要求的最低浓度的贫三甘醇浓度范围通常在98.5-98.8％之间。可由上述条件下的再沸器产生提供 （3） 在真实的操作中，比这更高的浓度也可使用。因此，上述相关有效浓度范围仅仅从95至99％。 塔盘和三甘醇循环量 为了估计贫三甘醇循环量，需要采集满足含水量规范要求的出口天然气的含水量，以及在给定的操作条件下进入脱水塔的天然气的饱和含水量必须是已知的。天然气的饱和含水量为 （4） 在用三甘醇溶液脱水平衡后，天然气的饱和含水率基本上不随三甘醇浓度变化而变化。这个比例等于水在三甘醇溶液中的溶解度，压力、温度并没有明显影响其范围（希克斯和Senules，1991年）。三甘醇中水溶液活性水系数是由 （5） 就目前的研究中，进入脱水塔的贫三甘醇浓度估算的最低值由公式（3）给出。鉴于（6）三甘醇溶液中水的摩尔分数可由进入脱水塔的贫三甘醇溶液中三甘醇的重量百分比计算出 （6） 进入脱水塔的贫三甘醇溶液的分子量 （7） 经进入脱水塔的贫三甘醇脱水平衡后的干天然气含水量为 （8） 吸收效率的定义是实际吸收的水与最大吸收水量之比的百分数，即 （9） 吸收因子定义为吸收效率下的条件为 （10） 其中a，b和c是经验常数。根据理论的托盘数量将这些常数的最优范围列于表2中。许多脱水装置均设有4个或6个接触泡罩托盘，每个托盘的效率通常为25％左右，从而使该塔分别相当于一个或一个半平衡接触。值得一提的是，高性能盘被引入市场在90年代，新设计的托盘的效率超过传统托盘（布拉沃，1997年）。需要托盘的实际数量 (11) 通常情况下，对于K值已知的水，三甘醇脱水系统体现汽液平衡的条件是含水量的数值为定值。平衡常数与水的活动系数有关 (12) 表2     公式（10）中的常数和数理论托盘 三甘醇循环量由下式给出其单位为升每小时 (13) 每升三甘醇吸收水的质量为 (14) 脱水塔截面积是气体表面速度气体的体积流量之比。在溢流80％后的简化为下式 （15） 由脱水塔截面积此可以算出脱水塔的直径。 结果讨论 计算机程序的编写是在给定的操作条件下，以早期假设的数据为基础计算对1百万立方米天然气脱水，使它达到一定的要求含水量所需的甘醇的循环量。这种方法还用来估计三甘醇脱水塔的内径和所需托盘数量。未解决实际问题，必须使那些在本文中应用，并用它作为检查计算机程序的方程得到可信的结果（坎贝尔，1984年），原则上与这样的一种情况相类似，是输入到程序，得到的结果在与笔者的解决

  一致。此外，电脑程序通过对文献中可用的图表作比较，也可估算压力恒定在7Mpa时不同的气体流速下托盘塔直径（Manning and Wood，1993年），其结果如图3所示。两个结果之间相差非常小，这些微小的差异可能是由于溢流计算时假设表面气流速度造成的。 图4显示了在不一样的温度下压力对脱水塔进口所需最小甘醇浓度的影响。结果发现，随着工作所承受的压力的增加，在进口所需的最低贫甘醇浓度降低，但在操作温度增加时，不管压力和托盘数是多少，所需最小三甘醇浓度都增加。 不同的温度下工作所承受的压力对脱水内径的影响如图5所示。制造脱水器的材料一定要有耐腐性，如玻璃衬里的金属和塑料。塔直径必须充足大，以满足处理气体流量和干燥剂。从图中能够准确的看出，随着压力的增大，塔直径减小。有必要注意一下的是，天然气的温度就没有在轴向上对脱水塔内径造成影响。增加托盘间距可以使塔直径减小。托盘间距通常以维修和成本作为选择的基础。除了最小直径的塔外，从清理角度来看50厘米似乎是最佳的托盘间距（Lee and Erekson，1994年）。 脱水塔直径，厘米 压力，Mpa 图3 比较现有研究的数据 最小三甘醇浓度% 压力，Mpa 图4 压力及温度对贫三甘醇最低浓度的影响。 为了设计一个设备，使出口气体的含水量满足规范，必须估算出用于脱水的贫三甘醇的循环量。三甘醇循环量必须有利于富三甘醇维持其浓度。虽然大循环量是可行的，但是会使投资增加，所以一般会用可行行下的最低循环量。图6给出了各种工作所承受的压力和温度下对天然气脱水所需要的最小三甘醇循环量，以及实际需要的托盘数量。用于脱水所需要的三甘醇循环量对于任何给定的压力，随着压力的增大，三甘醇循量减小，温度也降低。必须指出的是，温度为40℃时，实际需要的三甘醇循环量持续不断的增加，因为其托盘数为6，而对其他两个温度下所需托盘数才为4。如图6所示在40℃，增加实际所需的托盘数量，能降低所需要的三甘醇的浓度。根据方程（14）计算每公升三甘醇循量吸收水的公斤数值如图6所示。结果发现，每升贫三甘醇从天然气吸收水的公斤数从22至50千克不等。 脱水塔直径，厘米 压力，Mpa 图5 压力和温度对脱水塔内径的影响 三甘醇循环量，升每小时 压力，Mpa 图6压力及温度对三甘醇循环量的影响 结论 在本文中列出的那些方程，可拿来取代表格和图，在工作条件下估算出贫三甘醇循环量，脱水塔内径，脱水塔塔板数，以实现对天然气的干燥使其水气含量符合出口气的气质要求。结果发现，操作温度对脱水塔内径的影响可忽略，但对所需三甘醇循环量的影响相当大。此外，当增大工作所承受的压力时，在任何给定的工作条件下塔内径以及三甘醇循环量都变小。在温度较高的条件下运行，增加了托盘的数量能够大大减少三甘醇循环量。 定义； a，b，c——公式（10）中的常数； A——脱水塔截面积，㎡； AF——吸收因子； C——三甘醇循量，L/h； C、——吸收水的三甘醇循量，L/kg; G——气体流量，百万立方米； K——三甘醇脱水系统中的含水平衡常数； M——分子质量； N——实际盘数； N、——数理论托盘； P——压力，Map； T——温度，℃； W——气体含水量，kg/ MMscm； X——贫三甘醇溶液水的摩尔分数。 希腊字母 γ——三甘醇溶液中水的活性系数； η——效率，％； ρ——密度，kg/L； ξ——贫甘醇浓度，％。 下标 A——吸收； act——实际； dew——露点； eq——平衡； g——天然气； in——进入； min——最小量； out——出口； s——标准； st——贫； t——塔板； TEG——三甘醇； W——水。

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