【文章內(nèi)容簡介】 5 表 13 脫水方法比較 方法名稱 分離原理 脫水溶劑 特點(diǎn) 應(yīng)用情況 低溫法 高壓天然氣節(jié)流膨脹降溫 能同時(shí)控制水露 點(diǎn)、烴露點(diǎn) 適宜于高壓天然氣 溶劑吸收法 天然氣與水在脫水溶劑中溶解度的差異 氯化鈣水溶液 費(fèi)用低，需更換，腐蝕嚴(yán)重，露點(diǎn)降較低（ 10～ 25℃ ） 適宜于高壓天然氣 氯化鋰水溶液 對水有高的容量，露點(diǎn)降為 22～36℃ 適宜于邊遠(yuǎn)、寒冷、氣井等不宜建脫硫廠的情況 甘醇 胺水溶液 同時(shí)脫除水、 H2S、 CO2，攜帶損失大，再生溫度要求高，露點(diǎn)降低于三甘醇水溶液 僅限于酸性天然氣脫水 二甘醇水溶液（ DEG） 對水有高的容量，溶液再生容易，再生質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過 95%；露點(diǎn)降低于三甘醇水溶液，攜帶損 失大 應(yīng)用較多 三甘醇水溶液（ TEG） 對水有高的容量，再生容易，質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá) %，蒸汽壓低，攜帶損失小，露點(diǎn)降較高（ 28～ 58℃） 應(yīng)用最普遍 固體吸附法 利用多孔介質(zhì)對不同組分吸附作用的差異 活性氧化鋁 濕容量較活性鋁土礦高，干氣露點(diǎn)可達(dá) 73℃，能耗高 不易處理含硫天然氣 分子篩 高濕容量，高選擇性，露點(diǎn)降大于120℃ ，投資及操作費(fèi)用高于二甘醇及三甘醇 適用于深度脫水 化學(xué)反應(yīng)法 利用與 H2O的化學(xué)反應(yīng) 可使氣體完全脫水但再生困難 用于水分測定 膜分離法 利用 H2O與烴類滲透通過薄膜性能的差異 高分子薄膜 工藝簡單，能耗低，露點(diǎn)降較低（ 20℃ ），存在烴的損失問題 國外已有工業(yè)裝置運(yùn)行 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 粘度（ 60℃）： 103PaS 甘醇有兩個(gè)羥基 （ OH）， 與水分子形成氫鍵，對水有較強(qiáng)的親和力。 三甘醇脫水主要工藝流程，可分為兩個(gè)： 低溫高壓 (天然氣脫水 ) 系統(tǒng) ；高溫低壓 (甘醇再生 ) 系統(tǒng) 三甘醇脫水工藝流程 [3]： 天然氣流程如圖 11： 圖 11 天然氣脫水流程 濕氣通過入口分離器，除去液態(tài)烴和固 態(tài)雜質(zhì)后，進(jìn)入吸收塔底部。 在吸收塔內(nèi)向上通過充滿甘醇的填料段或一系列泡帽或閥盤和甘醇充分接觸，被甘醇脫去水后，再經(jīng)過吸收塔內(nèi)頂部的捕霧器將夾帶的液體留下。最后脫水后的干氣離開吸收塔，經(jīng)過貧甘醇冷卻器 ( 甘醇─干氣熱交換器 )后進(jìn)入銷售輸氣管網(wǎng)。 天然氣脫水系統(tǒng)： 原料氣→過濾分離器（除去液固雜質(zhì)）→吸收塔（與甘醇逆流接觸脫水）→干氣 /貧甘醇換熱器→計(jì)量調(diào)壓→輸氣管線 甘醇流程： 500萬方 /年天然氣脫水裝置的工藝設(shè)計(jì) 7 貧甘醇不斷地被泵入吸收塔頂部，在塔內(nèi)經(jīng)溢流管向下依次流過每一個(gè)塔盤，將在塔內(nèi)向上流動的天然氣中的水蒸汽吸收。吸滿了 水的甘醇 (富甘醇 )從塔底排出，經(jīng)過貧甘醇緩沖器中的大的預(yù)熱盤管后，通過閃蒸罐過濾器后進(jìn)入重沸器上的精餾柱頂部。重沸器中產(chǎn)生的蒸氣，將通過精餾柱中的填料層向下流動的富甘醇中的水蒸汽提走。上升蒸氣夾帶的甘醇在柱頂回流段冷凝后重新流回重沸器，而未冷凝的蒸氣則從精餾柱頂部出來，被送入灼燒爐。再生出的甘醇溢過重沸器中的擋板流入甘醇緩沖罐，然后通過甘醇泵將甘醇壓力提高到吸收塔的壓力，經(jīng)過甘醇冷卻器后進(jìn)入吸收塔頂部開始新一輪循環(huán)。 TEG 循環(huán)系統(tǒng)： 貧甘醇→吸收塔（變成富液）→液位調(diào)節(jié) →緩沖罐（一次換熱）→閃蒸罐（閃蒸）→活性炭過濾器→機(jī)械過濾器→精餾柱（二次換熱）→緩沖罐（三次換熱）→甘醇再生器（精餾柱、重沸器）→緩沖罐貧 /富液換熱→水浴冷卻器→甘醇泵（升壓）→貧甘醇 /干氣換熱器→吸收塔（脫水）。 脫水主要單體設(shè)備設(shè)計(jì) [4] 1．吸收塔： 作用：氣液傳質(zhì)的場所，也就是使氣相中的水蒸氣被甘醇吸收的場所。 種類：吸收塔分為板式塔（逐級接觸式）和填料塔（微分接觸式）。塔板結(jié) 有浮閥、泡罩和篩孔。 結(jié)構(gòu)：板式塔由一個(gè)園柱形的殼體及其中按一定間距水平設(shè)置的若干塊塔板組成。主要有泡罩塔 板和浮閥塔板。 2． 閃蒸罐 3． 過濾分離器 4．甘醇再生器： 重沸器：提供熱量，通過簡單的分離（利用水與甘醇沸點(diǎn)差）使甘醇與水分離的設(shè)備。 精餾柱：通常是一個(gè)填料塔，裝在重沸器的頂部，利用甘醇沸點(diǎn)通過分餾將甘醇和水分離。 緩沖罐：提濃 TEG，給 TEG 貧液，富液提供熱交換的場所。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 汽提柱：通常也是一個(gè)填料塔，裝在重沸器與緩沖罐之間，是利用汽提氣對甘醇進(jìn)行提濃的場所。 確定脫水裝置運(yùn)行主要參數(shù) 1．溫度 脫水裝置的脫水效率對來氣的溫度特別敏感。在常壓下，來氣溫度升高，氣中的水含量亦升高。 入口溫度升高，甘醇的蒸發(fā)損失也增大。 10℃被認(rèn)為是甘醇脫水的最低操作溫度。 貧甘醇進(jìn)入吸收塔的溫度至少應(yīng)高于天然氣入口溫度 10℃ ，以防烴類在吸收塔內(nèi)冷凝而引起發(fā)泡。貧甘醇溫度太高常造成甘醇損失增大和脫水不深。 重沸器的溫度和壓力決定著貧甘醇的濃度，在 204 ℃以下，重沸器的溫度提高有利于再生出高濃度的貧甘醇。 精餾柱頂部的溫度也很重要，它關(guān)系到水的蒸發(fā)和甘醇的回流，不應(yīng)太高和太低，建議柱頂溫度為 107 度，低于 105 度水蒸氣就會開始冷凝而流回精餾柱，高于 120度，甘醇的損失就會增大。 2．壓力 在常溫下，壓力降低，入口天然氣中水的含量增加。然而在正常操作范圍內(nèi)，甘醇脫水裝置的壓力并不十分重要。應(yīng)注意閃蒸罐的壓力和吸收塔的壓差。 3．循環(huán)量 吸收塔的塔盤數(shù)和甘醇的濃度一定，飽和天然氣的露點(diǎn)降就成為甘醇循環(huán)量的函數(shù)。脫去 1kg水需要 2560L 三甘醇。 提高甘醇的濃度比增加甘醇的循環(huán)量更容易獲得大的露點(diǎn)降。如果循環(huán)量太大，特別是超過裝置的設(shè)計(jì)能力，會使重沸器過載而降低甘醇的再生的濃度，同時(shí)也造成塔內(nèi)氣─液兩相接觸又不充分和增加泵的維護(hù)工作量。循環(huán)量過大同樣會造成甘醇的損失量升高。 4．濃度 提高甘醇的濃度比增加甘醇的循環(huán)量更容易獲得大的露點(diǎn)降。甘醇脫水的脫水深度主要取決于被重沸器蒸發(fā)掉的水量。進(jìn)入吸收塔內(nèi)的甘醇濃度越高，它的脫水效果就越好。 500萬方 /年天然氣脫水裝置的工藝設(shè)計(jì) 9 2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算 本設(shè)計(jì)天然氣處理規(guī)模為 500 萬方 /年。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)停車估算，年開工時(shí)間按300 天計(jì)，天然氣天處理量為 16667 方 /天。 [1] 對于三甘醇脫水工藝，影響脫水效果的關(guān)鍵參數(shù)是三甘醇貧液濃度、三甘醇循環(huán)量、吸收塔和再生塔的塔板數(shù)、再生塔溫度、再生方式 。 在甘醇循環(huán)量和塔板數(shù)一定的情況下，三甘醇 的濃度越高，天然氣露點(diǎn)降就越大。因此，降低出塔干氣露點(diǎn)的主要途徑是提高三甘醇貧液濃度。根據(jù)溶液吸收原理，循環(huán)量、濃度與塔板數(shù)的相互關(guān)系如下： ?循環(huán)量和塔板數(shù)固定時(shí)，三甘醇濃度愈高則露點(diǎn)降愈大； ?循環(huán)量和三甘醇濃度固定時(shí)，塔板數(shù)愈多則露點(diǎn)降愈大 ； ?塔板數(shù)和三甘醇濃度固定時(shí)，循環(huán)量愈大則露點(diǎn)降愈大，但循環(huán)量升到一定程度后，露點(diǎn)降的增加值明顯減少，而且循環(huán)量過大會導(dǎo)致重沸器超負(fù)荷，動力消耗過大。 三甘醇循環(huán)量是控制脫除天然氣中總水量，必須保證甘醇與氣體接觸較好的最小循環(huán)率，一般從天然氣中脫 除 1 kg 水需要 25 L～ 60L 三甘醇。 貧甘醇濃度的確定 當(dāng)吸收塔塔頂氣體與吸收劑充分接觸達(dá)到平衡時(shí)，離塔干氣的水露點(diǎn)是可能達(dá)到的最低露點(diǎn)，即干氣的平衡露點(diǎn)；而干氣中所含水汽量為塔頂吸收溫度、壓力下可能達(dá)到的最低水汽量。即飽和水汽量。此時(shí)，進(jìn)塔貧三甘醇溶液的濃度即為達(dá)到最低干氣露點(diǎn)所必須的最低濃度。實(shí)際上，吸收塔塔頂氣 液兩相接觸時(shí)間不足以達(dá)到平衡，出塔干氣不能達(dá)到平衡水露點(diǎn)，而出塔干氣的真實(shí)水露點(diǎn)比平衡水露點(diǎn)略高，即： ttt re ??? 其中： et ：出塔吸收干氣的平衡露點(diǎn)， ℃ 。 rt : 出塔吸收干氣的實(shí)際露點(diǎn)， ℃ 。 t? ：偏差值，一般為 8— 11℃ ，此處取 8℃ 。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 8 1 0 1 8et ? ? ? ? ?℃ 因?yàn)樵蠚膺M(jìn)料溫度為 20℃ ，設(shè)原料氣進(jìn)口溫度為 20℃ ，而吸收溫度比原料氣溫度高 3～ 8℃ ，此處取 5℃ ，因此設(shè)吸收溫度為 25℃ ，則由不同三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)下出塔干氣平衡露點(diǎn)與吸收溫度的關(guān)系圖 21 可得：進(jìn)塔貧甘醇濃度為 %。 圖 21 不同三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)下出塔干氣平衡露點(diǎn)與吸收溫度的關(guān)系 脫水量 [1] 吸收裝置單位時(shí)間所需要的三甘醇貧液用量可根據(jù)給定的工藝參數(shù)，先計(jì)算出單位時(shí)間的脫水量 G（ kg/d） ，再確定三甘醇溶液用量 V 1000/)39。( yyVG ??? 式中： G—— 脫出的水量， kg/d V—— 進(jìn)入吸收塔天然氣的量， 3/md y—— 進(jìn)入吸收塔的天然氣含水量 ， 3/gm 500萬方 /年天然氣脫水裝置的工藝設(shè)計(jì) 11 yˊ —— 離開吸收塔的干氣含水量，3/gm 由已知條件可得：當(dāng)進(jìn)口原料氣溫度為 20℃ ，壓力為 時(shí)，查 天然氣含水量圖可知 ， y= 3/gm；出口干氣溫度為 10℃ ，壓力為 時(shí)，查天然氣水含量圖 22 可知， yˊ = 3/gm；則可求得： 16 66 7 ( 0. 75 0. 08 ) / 10 00 11 .16 ( / )G k g d? ? ? ? 圖 22 天然氣含水量圖 三甘醇貧液循環(huán)量 天然氣中吸收 1kg 水需要 25～ 60 升三甘醇溶液，低于該值可能造成塔板上液封不夠或不能潤濕填 料，高于此值則可能會過多地增加動力消耗和冷卻水的消耗。在此通過先確定脫水量再用經(jīng)驗(yàn)公式確定三甘醇貧液用量： Vˊ =a? G, 3m /d 式中： a—— 天然氣中每吸收 1kg水所需要的三甘醇溶液量， m3,一般取 ，此處取 。 則三甘醇貧液用量為： 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 11. 168 9 0. 558 4( m / d )Vn ? ? ? 在 25℃ ，三甘 醇濃度為 %的情況下，查得三甘醇溶液密度為 1120kg/m3，則三甘醇貧液用量為： 11 20 0 .5 58 4 62 5 .4 08 0( / ) 26 .0 58 7 ( / )k g d k g h? ? ? 三甘醇富液循環(huán)量 三甘醇富液循環(huán)量為貧液甘醇量加上吸收的水量。由上述可知，脫水量 ，貧液三甘醇循環(huán)量為 ， 綜上 三甘醇富液循環(huán)量為： 62 5. 40 8 11 .1 6 63 6 .5 68 ( / ) 26 .5 24 ( / )k g d k g h? ? ? 三甘醇富液濃度為： 6 2 5 . 4 0 8 0 . 9 8 7 1 0 0 % 9 6 .9 7 %6 2 5 . 4 0 8 1 1 .1 6? ??? 吸收塔工藝參數(shù)計(jì)算 吸收塔塔板數(shù)的確定 [5] 經(jīng)過幾十年的實(shí)踐， GPSA 做出了吸收溫度為 38℃ 時(shí)，吸收塔的實(shí)際塔板數(shù)（總板效率 20%左右）、吸收 1kg 水所需三甘醇的量、三甘醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與氣體露點(diǎn)降的關(guān)系如圖。圖中縱坐標(biāo)為脫水率，其中 inW 為原料天然氣中的含水量， outW 為干氣的含水量。 /W =( 0. 15 8) /= 89. 33%in out inWW（ ） 三甘醇循環(huán)量選擇 3m /kg 水， =1eN 時(shí)，查圖得脫水率小于 ， = 時(shí)，查圖得脫水率為 ，符合脫水要求，所以實(shí)際塔板（取板效率為 25%）為 6 塊。 吸收塔直徑的計(jì)算 對于板式塔，計(jì)算塔徑時(shí)，可先 按 BrownSouder 公式計(jì)算出允許最大空塔氣速，計(jì)算公式如下： 500萬方 /年天然氣脫水裝置的工藝設(shè)計(jì) 13 m a xm a x[ ( ) / ]4l g gacuCGDu? ? ????? 其中： maxu —— 氣體的最大允許氣速， m/s。 l? —— 吸收塔中液相密度， 3/kgm 。 g? —— 吸收塔中氣相密度， 3/kgm 。 C—— 經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，可由表查得； D—— 塔徑， m。 acG —— 氣體在塔內(nèi)的實(shí)際流量， 3/ms。 三甘醇貧液的密度為 1120kg/ 3m ,所以 3=1120 /l kg m? 。 氣體在操作條件下的密度求取： 由已知條件，根據(jù)公式求得天然氣分子量可視為： = =1 00 4iiM x M? 查臨界常數(shù)和偏心因子表得： ? ， MPa? 因此