【導讀】儀隴天然氣凈化廠天然氣脫硫工程設計

　　

【正文】 再生塔的溶液為貧液，只含有少量未汽提出的殘余酸性氣體。離開重沸器 的熱貧液經(jīng)貧 /富液換熱器回收熱量后，再經(jīng)過溶液冷卻器的進一步冷卻至適當溫度，然后由溶液循環(huán)泵送至吸收塔頂部，完成溶液循環(huán)。 離開再生塔頂部的酸性組分和水蒸氣進入冷卻器，以冷凝分出大部分水蒸氣，冷凝液作為回流返回再生塔頂部，以回收被酸性氣流帶出的醇胺蒸汽，酸氣送至硫磺回收裝置或其他氣體處理設施進一步處理。 工程設計論文 19 第三 章 物料衡算與 能量衡算 概述 對于新建一座處理量為 105m3/d 的天然氣凈化廠（單套設備），工程在確定初步的化工工藝和流程后，從定性估計進入到定量計算階段。通過對整個過程以及部分重 要單元作詳細的物料衡算，計算出主、副產(chǎn)品的產(chǎn)量，原材料的消耗定額， “三廢 ”排放量及組成以及產(chǎn)品收率等各項經(jīng)濟技術(shù)指標，從而定量地評述初步設計所選擇的工藝路線、生產(chǎn)方法及工藝流程在經(jīng)濟上是否合理，技術(shù)上是否先進，為后階段的設計提供依據(jù)。 物料衡算 物料衡算基本原理 根據(jù)天然氣凈化 廠的實際，在進行物料衡算過程中，主要依據(jù)物料平衡方程進行估算。物料衡算的作用在于研究全工段或者各單元體系內(nèi)進、出物料質(zhì)量及組成的變化。根據(jù)質(zhì)量守恒定理，對某一選定體系內(nèi)質(zhì)量流動及變化的物料平衡關(guān)系用數(shù)學式描述，即得 到物料平衡方程。其表達式如下： 關(guān)鍵反應物流入速率 =關(guān)鍵反應物流出速率 +關(guān)鍵反應物的轉(zhuǎn)化速率 +關(guān)鍵反應物的累計速率 +過程損失的關(guān)鍵組分的速率 數(shù)學表達式為： ddin o u t R s tF F C F Lt? ? ? ? 其中 Fin——輸入體系的物料質(zhì)量流量， kg/h； Fout——離開體系的物料質(zhì)量流量， kg/h； F——體系內(nèi)積累的物料質(zhì)量， kg； CR——關(guān)鍵組分的物料轉(zhuǎn)化質(zhì)量流量， kg/h； Lst——關(guān)鍵組分的物料過程損失質(zhì)量流量， kg/h； t——時間， h。 上 式為物料平衡的普遍式，可以對體系的總物料進行衡算，也可以對體系內(nèi)的組分和元素進行衡算。 工程設計論文 20 物料衡算任務 對于新建 天然氣凈化廠 ，其工藝采取年開工 8000 小時的連續(xù)操作，物料衡算的主要任務在于： ① 確定 產(chǎn)品 質(zhì)量指標，副產(chǎn)品產(chǎn)量及規(guī)格； ② 確定工藝中的 “三廢 ”排放量等公共經(jīng)濟指標； ③ 各主要單元過程的物料衡算，并指導工藝設備的尺寸確定； ④ 匯總?cè)鞒涛锪虾馑?，?shù)據(jù)用于完成物料流程圖等后續(xù)設計 任務。 物料衡算過程 本設計采用 45%的 MDEA 水溶液作吸收劑。 天然氣的處理量 原料氣處理量為： 105m3/d。溫度為 30℃ 。壓力位 （表壓） 。 查得天然氣及其組分有關(guān)性質(zhì) 見下表 31。 表 31 天然氣及其組分有關(guān)性質(zhì) 組分 Mol% Tc/K Tc=∑yi*Tc Pc/Mpa Pc=∑yi*Pc 相對分子量M H2S 34 CO2 44 H2O 18 CH4 16 C2H6 30 iC4H10 58 nC4H10 58 N2+He 32 H2 2 O2+Ar 32 T c = 19 4. 13 4i icy T K?? Pc = 4. 69 6i icy P MPa?? 則 工程設計論文 21 3 0 3 .1 5 1 .5 61 9 4 .1 3TTr Tc? ? ? 2 .2 0 .4 6 8Pr 4 .6 9 6PPr ? ? ? 查《天然氣利用手冊》圖 45,得壓縮因子 ? 每小時天然氣的處理量為： 4( 2 2 0 0 1 0 1 . 3 2 5 ) 3 4 3 0 0 0 1 . 6 5 4 5 1 0 / 4 . 5 9 5 8 /0 . 9 9 8 8 . 3 1 4 3 0 3 . 1 5 2 4PVn k m o l h k m o l sZ R T t ??? ? ? ? ?? ? ? 氣體吸收過程中非酸性組分假設不被吸收，則其摩爾流量為 : 22( 1 ) 4 .5 9 5 8 0 .9 7 3 8 4 .4 7 5 4 /H S COG n y y k m o l s? ? ? ? ? ? ? MDEA 的循環(huán)量 由于 MDEA 對 CO2選擇性吸收，吸收因子為 2～ ，這里取為 。 由 22HSCO?? ?? 得 220 . 9 9 9 30 . 3 1 2 33 . 2HSCO ?? ?? ? ? 故脫除的 H2S 的摩爾分數(shù)為： ?? 脫除 CO2的摩爾分數(shù)為： ?? 脫除酸氣的量為 ： ( ) / /k m ol s k m ol h? ? ? ? MDEA 的酸氣負荷由《天然氣利用手冊》和《天然氣加工工程》可查得在 以上，在這里取 q= 酸氣 /kmolMDEA，同時由《天然氣利用手冊》查得再生后的 MDEA 溶液的酸負載為 ： /mol mol。 45%MDEA 溶液的摩爾濃度為 /MC k m ol m? ，那么解吸后的再生溶液酸含量 32 /x k m ol m? 。 單位時間內(nèi) H2S 的處理量 ： 1 754 210 7 993 942 3 /sG y k m ol s?? ? ? ? ? ? 胺的循環(huán)量 ： aaQ x MV qw???? ? 其中， V—醇胺溶液循環(huán)量， m3/min； 工程設計論文 22 Q—原料氣流量， 106m3/d。 X—酸性氣體的摩爾分數(shù)； Ma—醇胺化合物相對分子質(zhì)量； q—酸氣負荷， mol/mol。 wa—循環(huán)溶液中醇胺的質(zhì)量分數(shù)。 將數(shù)據(jù)代入上式中可得 V=。 為了保證運行安全和達到處理要求，胺的循環(huán)量需留有一定的安全裕 度，這里取 。 原料氣含量 : 1 0 .0 2 0 5 0 0 .0 2 1 0 70 .9 7 3 1y ?? 352 20 / 2 10y m g m ?? ? ? 由吸收物料守恒： 1 2 1 2( ) ( )G y y L x x? ? ? 可得： 31 79 /x km ol m? 表 32 物料衡算 表 G—原料氣惰性組分流量 ,kmol/s L—胺循環(huán)量， m3/s 1y 2y ?? 1x 2x 2HS? 2CO? 工程設計論文 23 能量衡算 能量衡算原則 工程依據(jù)化工設計中關(guān)于熱量衡算的基本思想和要求，遵循基本規(guī)范與實際工藝相結(jié)合的原則，進行熱量衡算書的編制。其中一個主要依據(jù)是能量平衡方程： 【輸入系統(tǒng)的能量】 =【輸出系統(tǒng)的能量】 +【系統(tǒng)反應產(chǎn) 生的能量】 +【系統(tǒng)與外界交換的能量】 +【系統(tǒng)累積的能量】 數(shù)學表達式為： d() di n o u t R i w Q H Q t? ? ? ? ? ?? ? ? 其中 Qin——輸入物流帶入設備熱量， kJ/h； Qout——輸出物流帶出設備熱量， kJ/h； △ HR——反應熱效應， kJ/h； Qw——系統(tǒng)與外界交換的能量， kJ/h； Q——系統(tǒng)累計熱量， kJ。 對于連續(xù)系統(tǒng)： ()in o u t R i wQ Q H Q? ? ? ? ?? ? ? 在進行全廠熱量衡算時，是以單元設備為基本單位，考慮由 機械能轉(zhuǎn)換、化學反應釋放和單純的物理變化帶來的熱量變化。最終對全工藝段進行系統(tǒng)級的熱量平衡計算，進而用于指導節(jié)能降耗設計工作。 能量衡算任務 （ 1）確定流程中機械所需的功率，為設備設計和選型提供依據(jù)。 （ 2）確定精餾各單元操作中所需的熱量或冷量及傳遞速率，確定加熱劑和冷劑 的用量，為后續(xù)換熱和公用工程的設計做準備。 （ 3）最終計算出所需的能量和費用，判定工藝過程的經(jīng)濟性。 能量衡算過程 脫除的 CO2和 H2S 量分別為： 工程設計論文 24 4 . 5 9 5 8 0 . 0 2 0 5 0 . 9 9 9 3 6 0 3 4 . 0 7 6 1 9 2 . 4 9 / m in4 . 5 9 5 8 0 . 0 0 5 7 0 . 3 1 2 3 6 0 4 4 . 0 1 1 5 . 6 0 / m inkgkg? ? ? ? ?? ? ? ? ? 根據(jù)文獻數(shù) 據(jù)，取 CO2與 MDEA 的反應熱為 1420kJ/kg， H2S 與 MDEA 的反應熱為 1050kJ/kg。因而酸性氣體與醇胺反應放出的總熱量為： 15 .60 14 20 19 9 10 50 22 42 66 .5 / m i nkJ? ? ? ? 近似認為凈化氣為甲烷（相對分子質(zhì)量為 16），離開吸收塔凈化器溫度與貧液進塔溫度相同，即為 40℃ 。查基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可得：甲烷比熱容 ： 45 / ( )kJ m K? 凈化氣體帶出的熱量為： m i n/)3040(6024 kJ?????? 由《天然氣加工工程》公式 ： 3 .3 5 3 6 0 .0 0 4 3 5PCT?? 在 40℃ 時 45%的 MDEA 溶液的比熱容為 ： 536 043 5 40 28 / ( )PC k J k g K? ? ? ? ? 不考慮吸收塔熱損失，則 MDEA 溶液經(jīng)過吸收塔的溫升為 ： 2 2 4 2 6 6 .5 3 1 4 1 .7 1 9 .0 53 .2 1 0 2 8 3 .5 2 8 K? ??? 富液溫度遠高于貧液溫度，假設不正確，所以在吸收過程中應設置冷凝裝置，保證貧富液溫度相差不大。 假設富液溫度為 45℃ ，冷凝裝置的熱負荷為 ： 2 2 4 2 6 6 . 5 3 1 2 1 . 2 1 3 . 5 6 1 5 7 4 1 3 . 6 / m in1 9 . 0 5 kJ? ?? 吸收塔出口富液與 再生塔貧液進行二次換熱，使富液溫度達到 65℃ ，進入閃蒸罐，閃蒸出重烴組分?？捎伞短烊粴饫檬謨浴芳僭O經(jīng)過貧富液第一級換熱器使富液溫度達到 80℃ ，貧液溫度將為 90℃ ，富液進入再生塔進行溶劑再生。 設再生塔塔頂溫度為 105℃ ，塔底溫度為 110℃ ，再沸器溫度 118℃ ，回流比 R=2:1。 (1)再沸器熱量恒算： ① 貧液溫升帶走的熱量。 工程設計論文 25 1 102 8 28 ( 110 85 ) 290 142 .7 / m inQ k J? ? ? ? ? ? ② 塔頂酸氣熱負荷 ? ?2 ( 1 9 2 .4 9 1 5 .6 0 ) 1 .4 0 3 1 0 0 8 5 4 3 7 9 .3 0 / m inQ k J? ? ? ? ? ③ 酸性組分解吸熱 3 / m inQ k J? ④ 回流熱 ? ?4 ( 1 9 2 .4 9 1 5 .6 0 ) 4 .2 2 8 5 4 5 6 9 9 1 8 .2 / m inQ k J? ? ? ? ? ? 所以再沸器的熱負荷為 : 41 ii???沸=+++=塔頂冷凝器熱負荷 ? ?2 ( 19 2. 49 15 .6 0) ( 4. 2 2 1. 40 3 ) 10 0 45 11 21 94 .8 / m inQ k J? ? ? ? ? ? ? (2)一級換熱器熱量衡算 熱量衡算公式 ? ?1 1 1 2m m pQ K A t q c T T? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ?1 1 2 21122t=tlnmT T ttTTt? ? ???? 貧液溫度： 1T =110℃ ， 2T =90℃ 富液溫度： 1t =85℃ , 2t =65℃ mt? =? ?11tT? =? ?22Tt? =25℃ 采用管殼式換熱器，熱物流走管程冷物流走殼程，由 45%MDEA 溶液的粘度公式 : 1326lg 3 .6 5 8 7 T? ? ? ? 貧液粘度： 1 m Pa s? ?? 富液粘度： 2 s? ?? 工程設計論文 26 由已知粘度范圍查《化工單元設備設計手冊》取傳熱系數(shù) ? ?2175 /K w m k?? ? ?1 1 1 2 20 .6 6 3 2mpmq c T TAmKt? ? ?? ? ??? 取欲度系數(shù)為 ，則實際換熱面積為 ? ? ? (3)二級換熱器熱量衡算（與一級換熱器計算方法相同） 貧液溫度： 1T =90℃ ， 2T =70℃ ， 富液溫度： 1t =65℃ , 2t =45℃ ?? 表 33熱量衡算 一覽表 設備 熱負荷 kJ/min 換熱面積 /m2 吸收塔冷凝裝置 再沸器 解吸塔頂冷凝器 一級 換熱器 二級換熱器 工程設計論文 27 第四章 設備設計及選型 天然氣脫硫工藝主要設備的計算主要包括塔設