【正文】 目錄 1 1 1 2 2 3 3 3 3 3 3 3 經(jīng)濟因素 4 4 4 4 6 7 7 8 8 8 8 9 9 9 12 13 13 13 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 15 16 16 165. 工藝計算 17 17 17 17 19 1計算依據(jù) 19 19 24 26 26 26 27 27 28 28 28 28 29 30 30 30 30 30 30 31 31 32 32 32 33 33 33 34 34 34 34 37 38 41 44 計算依據(jù) 44 44 44 解吸塔的塔體工藝尺寸計算 46 47 47 47 47 48 48 48 48 48 48 48 48 49 49 49 直徑 49 50 52 54 54 54（閃蒸罐） 55 55致謝 57參考文獻(xiàn) 5857 100104m3/d天然氣脫硫脫水工藝設(shè)計1 緒論天然氣(Natural Gas)是地表下孔隙性地層中天然生成的以低分子飽和烴為主的烴類氣體和少量非烴類氣體組成的可燃性氣體混合物，它常常和原油伴生在一起。天然氣組分大多數(shù)以甲烷為主，包含乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等烴類，以及少量的氮氣、二氧化碳、硫化氫、氦、氧、氫等氣體。天然氣作為一種寶貴的資源在人民生活和工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。它作為一種高效、優(yōu)質(zhì)、清潔能源，不僅在工業(yè)與城市民用燃?xì)庵袕V泛應(yīng)用，而且在發(fā)電業(yè)中也越來越發(fā)揮重要作用。天然氣還是很好的化工原料，廣泛應(yīng)用于合成氨、甲醇、氮肥工業(yè)、合成纖維工業(yè)等；天然氣合成油(GTL)技術(shù)，也是天然氣大規(guī)模利用的途徑之一；從天然氣中分離出來的硫磺還可作為硫酸工業(yè)原料。天然氣不僅在燃料、化工原料等方面有諸多優(yōu)點，對天然氣進(jìn)行處理回收其中的硫磺，提高天然氣資源綜合利用程度，獲得天然氣資源的更大價值，還能保證在儲藏、運輸過程中的安全性，減少大氣污染，對提高天然氣的整體經(jīng)濟效益，都具有重要的現(xiàn)實意義。天然氣作為一種新興能源，在我們的生活中占據(jù)著越來越重要的地位。據(jù)眾多國際權(quán)威機構(gòu)和專家預(yù)言：天然氣將逐漸取代石油在能源消耗結(jié)構(gòu)中的地位，到21世紀(jì)中期將進(jìn)入“天然氣世紀(jì)”。世界上天然氣的儲量十分豐富，103m3,而非常規(guī)天然氣資源估計有13971012—44301012m3,這為天然氣成為一種優(yōu)質(zhì)清潔能源和重要的化工原料提供了資源保障。[1]自地下儲集層沖采出的天然氣中都含有一定的水分和H2S，有機硫等酸性組分，這些組分的存在往往會造成嚴(yán)重的后果：，影響平穩(wěn)供氣；而H2S和有機硫等酸性組分在水的存在下還會腐蝕管路和設(shè)備，同時也造成了不必要的動力消耗。2. 硫組分中大部分有劇毒，而且還有可能使催化劑催化劑中毒；含硫天然氣燃燒后直接排入大氣，會產(chǎn)生嚴(yán)重的SO2環(huán)境污染，產(chǎn)生酸雨等災(zāi)害，損害大面積農(nóng)作物。因此，無論是從金屬防腐、環(huán)境保護(hù)、人員安全角度考慮，都必須從天然氣中脫除水分和酸氣組分。另外，從充分回收利用硫資源的角度考慮，天然氣中脫除下來的酸性組分可通過克勞斯硫磺回收工藝生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)硫磺。硫磺是一種重要的基礎(chǔ)化工原料，在國防、農(nóng)業(yè)、化工、輕工、冶金、建材、醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用，回收天然氣中的硫資源起到了變廢為寶的作用。隨著石油、天然氣勘探開發(fā)逐步向復(fù)雜、高風(fēng)險油氣藏等領(lǐng)域發(fā)展，一批含硫、高含硫氣田相繼投入開發(fā)(如羅家寨、渡口河、普光等氣田)，一批新的天然氣凈化處理廠將應(yīng)運而生。目前對天然氣脫硫裝置設(shè)計一般采用經(jīng)驗設(shè)計方法，該方法在給定工藝指標(biāo)的前提下，由個人經(jīng)驗與手工查圖相結(jié)合的辦法，手算出脫硫裝置中各設(shè)備的參數(shù)。[2]該方法不僅設(shè)計技術(shù)手段落后。對設(shè)計者本身的素質(zhì)要求較高。沒有考慮到技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，不符合成本最低的要求，不能完全貫徹“安全、效益并重”的現(xiàn)代企業(yè)管理思想。而且采用該方法設(shè)計出的天然氣脫硫裝置往往存在系統(tǒng)運行不協(xié)調(diào)、不經(jīng)濟的問題。因此天然氣脫硫裝置優(yōu)化設(shè)計是當(dāng)前迫切需要解決的問題。目前國內(nèi)外研究大都停留在對單個設(shè)備的模擬和優(yōu)化上，而對整個脫硫裝置系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計研究相對較少。因此，本文將模擬與優(yōu)化技術(shù)引入到天然氣脫硫裝置設(shè)計過程中，對提高脫硫裝置整體運行效果、降低天然氣處理系統(tǒng)的運行成本具有一定的指導(dǎo)作用。同時本文的研究對降低管道、設(shè)備、儀表的腐蝕:減少大氣污染。增強下游行業(yè)的天然氣深加工能力。保證人民的生命財產(chǎn)安全。提高天然氣相關(guān)行業(yè)的整體經(jīng)濟、節(jié)約能源、社會效益，都具有重要的現(xiàn)實意義。 商品天然氣的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) （GB 178201999）項 目一 類二 類三 類高位發(fā)熱量MJ/m3＞總硫mg/ m3 ≤100 ≤200≤460H2S mg/ m3≤6≤20≤460二氧化碳 %(v)≤－水露點℃在天然氣交接點的壓力和溫度條件下，天然氣的水露點應(yīng)比最低溫度低50℃。該工藝是依據(jù)西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書，按照化學(xué)工業(yè)部1988年6月發(fā)布的“化工工廠初步設(shè)計內(nèi)容深度的規(guī)定”進(jìn)行設(shè)計的。，搞好配套專業(yè)設(shè)計，特別是要加強節(jié)能、環(huán)保、安全、消防及工業(yè)衛(wèi)生和勞動保護(hù)方面的配套設(shè)計。，參考有關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，精心設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計方案，精打細(xì)算，在保證質(zhì)量的前提下，力爭用最少的資金，研究出最合理的優(yōu)秀設(shè)計。 、能量衡算、能量衡算如原料氣的組成、壓力、溫度、凈化氣要求的凈化度、壓力、溫度；以及由此而要求的技術(shù)條件（如再生蒸汽壓力、貧液入塔溫度等等）。這些因素基本上不取決于脫硫和脫水方法本身。如消耗指標(biāo)、三廢產(chǎn)生情況、要求的設(shè)備型式等等，以及他們與上述外部工藝因素的關(guān)系。這些方法的內(nèi)部對工藝流程和設(shè)備有直接影響。 經(jīng)濟因素主要是投資和操作成本，也包括原材料供應(yīng)情況：盡管脫硫方法甚多，但對較大型的裝置醇胺法經(jīng)常是優(yōu)先考慮的。這類方法技術(shù)成熟，溶劑來源方使，對上述三個方面的影響因素有很大的適應(yīng)性．是天然氣工業(yè)上最重要的—類方法：據(jù)有關(guān)資料介紹，今世界2000多套氣體脫硫裝置中，醇胺法裝置占55％以上。而在脫水過程中，三甘醇（TEG）脫水的工藝性質(zhì)為連續(xù)性吸收再生，露點降為40到60℃，能耗中等，投資也中等，且沒有環(huán)境問題，所以三甘醇是種很好的脫水方法。2 化學(xué)工藝氣體脫硫是一種古老的工藝，19世紀(jì)末英國已開始用干式氧化法從氣流中脫除H2S。目前國內(nèi)外己經(jīng)開發(fā)出許多天然氣脫硫處理工藝方法，這些方法主要分為可再生溶劑法、固定床吸附法、膜分離方法、等三大類工藝流程方法。[3]可再生溶劑吸收脫除H2S是目前最常用的方法。該方法通過將含有H2S的天然氣與溶劑逆流接觸而達(dá)到在吸收塔中將其脫除的目的。同時，吸收了H2S的富液通過熱再生將其去除，然后將溶液冷卻，再重新使用，從而完成整個循環(huán)過程。再生出來的酸氣一般通過Cluas硫磺回收工藝將H2S轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫，而將其回收利用。常用的可再生溶劑主要有化學(xué)溶劑(胺類溶劑和熱碳酸鉀)、物理溶劑、混合溶劑等三大類。[4]其中化學(xué)溶劑(主要是醇胺類)法是目前天然氣脫硫工藝中使用最頻繁的方法。在低操作壓力下，它們比物理溶劑或混合溶劑更為適用。因為此時H2S等酸氣的脫除過程主要是受化學(xué)過程控制，而較少依賴于組分的分壓，而且化學(xué)溶劑對烴類的溶解度很小，不會造成大的烴損失。清除小規(guī)模的低于1520噸硫化氫，氧化還原法或胺溶解法已被證明是一個很合適的方法。在脫除過程中，必須把固體硫轉(zhuǎn)換成硫化氫，以硫在胺溶劑中改良為克勞斯回收法，可用于如凈化廠中的所有克勞斯回收法回收的硫化氫。這個可以表明胺溶液相比氧化還原反應(yīng)是便宜的。對于高容量的情況，所需要的硫容量是高于20的TPD ，所以胺溶液法加克勞斯硫磺回收法仍舊是最符合經(jīng)濟效益的選擇。[5][6]所示:脫硫方法MDEASulfinolDSulfinolDMEAMEA化學(xué)溶劑MDEADIPAMDEAMEAMEA物理溶劑—環(huán)丁砜環(huán)丁砜——氨液濃度%( m)20～5030～5030～5015～2530～40酸氣負(fù)荷mol/mol～＞＞～＞脫有機硫效率，%差80～9580～95差差選擇脫硫能力有無有無無溶解烴量少較多較多少少再生易難程度易較易較易難較難腐蝕性弱較弱較弱強較強國外裝置數(shù)，套＞50＞140＞140幾百套＞65 2. Sulfinol法工藝砜胺法凈化天然氣的工藝流程與醇胺法相同，差別僅僅是使用的吸收溶液不同。砜胺法采用的溶液包含有物理吸收溶劑和化學(xué)吸收溶劑，物理吸收溶劑是環(huán)丁砜?；瘜W(xué)吸收溶劑可以用任何一種醇胺化合物，但常用的是二異丙醇胺(DIPA)和甲基二乙醇胺(MDEA) 。砜胺法溶液的酸氣負(fù)荷幾乎正比于氣相中酸氣分壓。因此，處理高酸氣分壓的氣體時，砜胺法比化學(xué)吸收法有較高的酸氣負(fù)荷。因為砜胺溶液中含有醇胺類化合物，因此凈化氣中酸氣含量低，較易達(dá)到管輸要求的氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。由于砜胺法兼有物理吸收法和化學(xué)吸收法二者的優(yōu)點，因而自1964年工業(yè)化以來發(fā)展很快，現(xiàn)在已成為天然氣脫硫的重要方法之一。但是該方法不能深度脫硫，常用于硫的粗脫，與其它方法配合使用。 膜分離技術(shù)適合處理原料氣流量較低、含酸氣濃度較高的天然氣，對原料氣流量或酸氣濃度發(fā)生變化的情況也同樣適用，但不能作為獲取高純度氣體的處理方法。對原料氣流量大、酸氣含量低的天然氣不適合，而且過多水分與酸氣同時存在會對膜的性能產(chǎn)生不利影響。目前，國外膜分離技術(shù)處理天然氣主要是除去其中的CO2，分離H2S的應(yīng)用相對較少，而且處理的H2S濃度一般也較低，多數(shù)應(yīng)用的處理流量不大，有些僅用于邊遠(yuǎn)地區(qū)的單口氣井。但膜分離技術(shù)作為一種脫除大量酸氣的處理工藝，或者與傳統(tǒng)工藝混合使用，則為含高濃度酸氣的天然氣處理提供了一種可行的方法。國外在此方面已作了許多有益的嘗試。尤其是對一些高含量H2S天然氣的處理，獲得了滿意效果。天然氣脫水在原理上講有四種方式：直接冷卻、壓縮以后冷卻、吸收和吸附，在工藝上主要有：液體脫水劑(甘醇)法、固體脫水劑(分子劑、鉛土、硅膠)及氯化鈣法。1. IFPEX一1脫水工藝法國石油科學(xué)院開發(fā)的IFPEXOL工藝是氣體加工領(lǐng)域的一項新工藝，其突出的優(yōu)點是其經(jīng)濟性及對環(huán)境的安全性。IF—PEXOL的基礎(chǔ)是在低溫下使用單一的甲醇溶劑，其技術(shù)原理則是利用天然氣凝液回收中的氣體冷卻來同時完成脫水和酸氣脫除中的溶劑處理。IFPIEXOL工藝分兩部分，其中IFPEX—l用于脫水，其工藝過程是：氣體進(jìn)料向上通過一座接觸塔，在塔內(nèi)與來自冷卻分離器并向下流動的含水溶劑逆流接觸，上升的原料氣從水中完全提出。由于該工藝不蒸發(fā)氣體，因而可減少芳烴的排放。IFPEX—1工藝的操作費用低。能量費用占操作費用的大部分。常用的三甘醇法需要一臺大的輸送高熱物料泵和再生裝置，耗能較多。而IFPIEX—1工藝不需要耗熱只要用一定的電量驅(qū)動一臺小低壓泵。若以每千瓦小時的電費為0．05美元及每百萬大卡需要耗燃料費12美元計算，與三甘醇法相比較，IFPIEX—l每年可節(jié)約10萬美元的操作費用。目前天然氣脫水中應(yīng)用最多的是三甘醇工藝。在新概念的指導(dǎo)下，這項脫水工藝又有所發(fā)展。研究表明，結(jié)構(gòu)填料在壓力為6．89MPa或更大時進(jìn)行天然氣脫水表現(xiàn)出極佳的效果。ARCO油氣公司證實，在采用三甘醇脫水相同的工藝條件下，結(jié)構(gòu)填料能夠?qū)⑺囊?guī)模減小，容器重量減少，內(nèi)部零件減少，費用降低。目前已進(jìn)行了兩種類型的結(jié)構(gòu)填料測試。結(jié)構(gòu)填料提供了更大的吸收率、更高的處理量及較低的壓降。甘醇脫水工藝的另一項改進(jìn)技術(shù)是使用異辛烷、甲苯等作為共沸劑的的Drizo法，其三甘醇貧液濃度可達(dá)99．998％，干氣露點可達(dá)—73℃，無氣體排放。美國Proses公司擁有的這項Proses技術(shù)，氣體處理越大，成本越低，世界上許多國家正在推廣這項技術(shù)。分子篩能脫除天然氣中的水、硫化物和其他雜質(zhì)，也可用于酸性天然氣的干燥。目前許多天然氣田都使用分子篩干燥氣體。分子篩能將水脫除很低的水平。在分子篩干燥氣體時，同時吸附了硫化氫，但需注意，在有CO2存在時，H2S可能被催化反應(yīng)為碳基硫。特殊的抗酸性分子篩的使用壽命長，能保持其脫水能力。分子篩用于氣體干燥不需要甘醇脫水那樣的預(yù)冷卻。隨著天然氣價格的上漲，許多酸性氣田要投入開發(fā)，已考慮選擇用抗酸性分子篩干燥天然氣。20世紀(jì)90年代美國天然氣研究院提出的膜分離工藝，是根據(jù)含有水蒸汽、溶解氣的流動氣體通過聚合物薄膜發(fā)生的擴散或滲透，由于不同氣體有不同的溶解度和擴散系數(shù)，氣體通過膜具有不同的移動速度，從而達(dá)到分離的目的。工業(yè)上早期使用的氣體分離膜，成本高、分離能力低，大規(guī)模使用受到限制，隨著膜分離系統(tǒng)分離能力的改進(jìn)和費用的降低，1987年P(guān)ermea公司工業(yè)上首先使用膜裝置干燥器來干燥壓縮空氣，能使壓縮空氣的含水量低于lppm。美國天然