【正文】 對(duì)混合物進(jìn)行分離、提純、濃縮的一種新型分離技術(shù)。基本原理:原料氣中的各個(gè)組分在壓力作用下因通過(guò)半透膜的相對(duì)傳質(zhì)速率不同而得以分離。高壓原料氣在膜一側(cè)吸附，通過(guò)薄膜擴(kuò)散至低壓側(cè)(低壓側(cè)壓力約為高壓側(cè)的 10%～20%)。 工藝流程簡(jiǎn)述 根據(jù)以上所述脫除酸性氣體的方法，結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際，選擇 MDEA 溶劑作為吸收劑，脫除天然氣中的 H2S。醇胺法工藝的基本流程主要有吸收、閃蒸、換熱和再生四部分組成。工藝流程圖如圖 23 所示。含酸性組分的天然氣經(jīng)入口分離器除去液固雜質(zhì)后進(jìn)入吸收塔底部，由下而上與醇胺溶液逆流接觸，脫出其中的酸性組分。達(dá)到要求的凈化器離開吸收工程設(shè)計(jì)論文 18 塔頂部，井出口分離器除去攜帶的醇胺液滴后出裝置。吸收了酸氣的醇胺溶液（通常稱為富液）由吸收塔底部流出后降至一定壓力進(jìn)入閃蒸罐，是富液中溶解和夾帶的烴類閃蒸出來(lái)，閃蒸汽可用作裝置的燃料氣。閃蒸后的富液經(jīng)過(guò)濾器進(jìn)入貧/富液換熱器，與已完成再生的熱醇胺（簡(jiǎn)稱貧液）換熱而被加熱，然后進(jìn)入在低壓下操作的再生塔頂部。圖 23 MDEA 脫硫工藝流程圖在再生塔中富液首先在塔頂閃蒸處部分酸性組分，然后自上而下流動(dòng)與在重沸器中加熱氣化的氣體（主要為水蒸氣）接觸，將溶液中其余的酸性組分進(jìn)一步汽提出來(lái)。因此，出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(guò)溶液冷卻器的進(jìn)一步冷卻至適當(dāng)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(jìn)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(shè)施進(jìn)一步處理。工程設(shè)計(jì)論文 19 第三章 物料衡算與能量衡算 概述對(duì)于新建一座處理量為 105m3/d 的天然氣凈化廠（單套設(shè)備） ，工程在確定初步的化工工藝和流程后，從定性估計(jì)進(jìn)入到定量計(jì)算階段。通過(guò)對(duì)整個(gè)過(guò)程以及部分重要單元作詳細(xì)的物料衡算，計(jì)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(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，從而定量地評(píng)述初步設(shè)計(jì)所選擇的工藝路線、生產(chǎn)方法及工藝流程在經(jīng)濟(jì)上是否合理，技術(shù)上是否先進(jìn)，為后階段的設(shè)計(jì)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(shí)際，在進(jìn)行物料衡算過(guò)程中，主要依據(jù)物料平衡方程進(jìn)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(jìn)、出物料質(zhì)量及組成的變化。根據(jù)質(zhì)量守恒定理，對(duì)某一選定體系內(nèi)質(zhì)量流動(dòng)及變化的物料平衡關(guān)系用數(shù)學(xué)式描述，即得到物料平衡方程。其表達(dá)式如下： 關(guān)鍵反應(yīng)物流入速率=關(guān)鍵反應(yīng)物流出速率+ 關(guān)鍵反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化速率+ 關(guān)鍵反應(yīng)物的累計(jì)速率+過(guò)程損失的關(guān)鍵組分的速率數(shù)學(xué)表達(dá)式為： dinoutRstFCL??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(guò)程損失質(zhì)量流量，kg/h；t——時(shí)間，h。上式為物料平衡的普遍式，可以對(duì)體系的總物料進(jìn)行衡算，也可以對(duì)體系內(nèi)的組分和元素進(jìn)行衡算。工程設(shè)計(jì)論文 20 物料衡算任務(wù)對(duì)于新建天然氣凈化廠，其工藝采取年開工 8000 小時(shí)的連續(xù)操作，物料衡算的主要任務(wù)在于： ① 確定產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)，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(jì)指標(biāo)； ③ 各主要單元過(guò)程的物料衡算，并指導(dǎo)工藝設(shè)備的尺寸確定；④ 匯總?cè)鞒涛锪虾馑悖瑪?shù)據(jù)用于完成物料流程圖等后續(xù)設(shè)計(jì)任務(wù)。 物料衡算過(guò)程本設(shè)計(jì)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：10 5m3/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(duì)分子量MH2S 34CO2 44H2O 18CH4 16C2H6 30iC4H10 58nC4H10 58N2+He 32H2 2O2+Ar 32Tc=??P6iMPa則工程設(shè)計(jì)論文 21 ??28P.查《天然氣利用手冊(cè)》圖 45,得壓縮因子 每小時(shí)天然氣的處理量為： 4()??????氣體吸收過(guò)程中非酸性組分假設(shè)不被吸收，則其摩爾流量為: 22()../HSCOGny ls?? MDEA 的循環(huán)量由于 MDEA 對(duì) CO2 選擇性吸收，吸收因子為 2～，這里取為 。由 2HSCO??得 ?故脫除的 H2S 的摩爾分?jǐn)?shù)為： .?脫除 CO2 的摩爾分?jǐn)?shù)為： 0737脫除酸氣的量為： (.).02/????MDEA 的酸氣負(fù)荷由《天然氣利用手冊(cè)》和《天然氣加工工程》可查得在 以上，在這里取 q= 酸氣/kmolMDEA，同時(shí)由 《天然氣利用手冊(cè)》查得再生后的 MDEA 溶液的酸負(fù)載為： 。45%MDEA 爾濃度為 ，那么解吸后的再生溶液酸含量 。? ?單位時(shí)間內(nèi) H2S 的處理量：?????胺的循環(huán)量： .aQxMVqw?工程設(shè)計(jì)論文 22 其中，V—醇胺溶液循環(huán)量，m 3/min；Q—原料氣流量，10 6m3/d。X—酸性氣體的摩爾分?jǐn)?shù)；Ma—醇胺化合物相對(duì)分子質(zhì)量；q—酸氣負(fù)荷，mol/mol。wa—循環(huán)溶液中醇胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。將數(shù)據(jù)代入上式中可得 V=。為了保證運(yùn)行安全和達(dá)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: ?52/4mg??由吸收物料守恒： 112()()GyLx?可得：?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 ??1x?工程設(shè)計(jì)論文 23 能量衡算 能量衡算原則工程依據(jù)化工設(shè)計(jì)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(shí)際工藝相結(jié)合的原則，進(jìn)行熱量衡算書的編制。其中一個(gè)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(yīng)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(xué)表達(dá)式為： d()inoutRiwHt??????其中 Qin——輸入物流帶入設(shè)備熱量，kJ/h； Qout——輸出物流帶出設(shè)備熱量，kJ/h； △HR——反應(yīng)熱效應(yīng)，kJ/h； Qw——系統(tǒng)與外界交換的能量，kJ/h；Q——系統(tǒng)累計(jì)熱量，kJ。 對(duì)于連續(xù)系統(tǒng)： ()inoutRiwQHQ?????在進(jìn)行全廠熱量衡算時(shí)，是以單元設(shè)備為基本單位，考慮由機(jī)械能轉(zhuǎn)換、化學(xué)反應(yīng)釋放和單純的物理變化帶來(lái)的熱量變化。最終對(duì)全工藝段進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的熱量平衡計(jì)算，進(jìn)而用于指導(dǎo)節(jié)能降耗設(shè)計(jì)工作。 能量衡算任務(wù)（1）確定流程中機(jī)械所需的功率，為設(shè)備設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。（3）最終計(jì)算出所需的能量和費(fèi)用，判定工藝過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。 能量衡算過(guò)程脫除的 CO2 和 H2S 量分別為：工程設(shè)計(jì)論文 24 ./min71560kg???根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，取 CO2 與 MDEA 的反應(yīng)熱為1420kJ/kg，H 2S 與 MDEA 的反應(yīng)熱為1050kJ/kg。因而酸性氣體與醇胺反應(yīng)放出的總熱量為： ./inkJ????近似認(rèn)為凈化氣為甲烷（相對(duì)分子質(zhì)量為 16） ，離開吸收塔凈化器溫度與貧液進(jìn)塔溫度相同，即為 40℃。查基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可得：甲烷比熱容：()kJmK?凈化氣體帶出的熱量為： min/)04( kJ????由《天然氣加工工程》公式： ..5PCT??在 40℃時(shí) 45%的 MDEA 溶液的比熱容為：()P kJgK??不考慮吸收塔熱損失，則 MDEA 溶液經(jīng)過(guò)吸收塔的溫升為：??富液溫度遠(yuǎn)高于貧液溫度，假設(shè)不正確，所以在吸收過(guò)程中應(yīng)設(shè)置冷凝裝置，保證貧富液溫度相差不大。假設(shè)富液溫度為 45℃，冷凝裝置的熱負(fù)荷為：./min90kJ???吸收塔出口富液與再生塔貧液進(jìn)行二次換熱，使富液溫度達(dá)到 65℃，進(jìn)入閃蒸罐，閃蒸出重?zé)N組分?？捎伞短烊粴饫檬謨?cè)》假設(shè)經(jīng)過(guò)貧富液第一級(jí)換熱器使富液溫度達(dá)到 80℃，貧液溫度將為 90℃，富液進(jìn)入再生塔進(jìn)行溶劑再生。設(shè)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：工程設(shè)計(jì)論文 25 ①貧液溫升帶走的熱量。 (108)????②塔頂酸氣熱負(fù)荷 ??2().??③酸性組分解吸熱 32./minQkJ?④回流熱 ??4()????所以再沸器的熱負(fù)荷為:=+++=41iQ??沸塔頂冷凝器熱負(fù)荷 ??2()()?????(2)一級(jí)換熱器熱量衡算熱量衡算公式 112mpQKAtqcT???????12t=lntt貧液溫度： =110℃， =90℃1T2富液溫度： =85℃, =65℃tt= = =25℃m???1tT?2t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: ????貧液粘度： ???富液粘度： 24工程設(shè)計(jì)論文 26 由已知粘度范圍查《化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)》取傳熱系數(shù) ??2175/Kwmk?? ????????取欲度系數(shù)為 ，則實(shí)際換熱面積為 ??(3)二級(jí)換熱器熱量衡算（與一級(jí)換熱器計(jì)算方法相同）貧液溫度： =90℃， =70℃，1T2富液溫度： =65℃, =45℃??表 33 熱量衡算一覽表設(shè)備 熱負(fù)荷 kJ/min 換熱面積/m 2吸收塔冷凝裝置 再沸器 解吸塔頂冷凝器 一級(jí)換熱器 二級(jí)換熱器 工程設(shè)計(jì)論文 27 第四章 設(shè)備設(shè)計(jì)及選型天然氣脫硫工藝主要設(shè)備的計(jì)算主要包括塔設(shè)備、分離器、換熱器以及再沸器的計(jì)算。 MDEA 吸收塔的工藝設(shè)計(jì) 塔設(shè)備選型板式塔和填料塔的比較是個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。涉及的因素很多，難以用比較簡(jiǎn)便的方法明確地作出對(duì)比。依據(jù) 在 1969 年國(guó)際精餾會(huì)議上提出的方法，對(duì)幾種板式塔和填料塔的操作性能和經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，作簡(jiǎn)要對(duì)比如下見表 41 所示。表 41 板式塔和填料塔對(duì)比表塔型項(xiàng)目板式塔 填料塔壓力降 壓力降一般比填料塔大 壓力降小，較適于要求壓力降小的場(chǎng)合空塔氣速（生產(chǎn)能力）空塔氣速大 空塔氣速小塔效率效率較穩(wěn)定，大塔板效率比小塔有所提高塔徑 ；塔徑增大，效率通常會(huì)下降液氣比 適應(yīng)范圍較大 對(duì)液體噴淋量有一定要求持液量 較大 較小材質(zhì)要求 一般用金屬材料 可用非金屬耐腐蝕材料安裝要求 較容易 較困難造價(jià) 直徑大時(shí)一般比填料塔造價(jià)低Φ800mm以下，一般比板式塔便宜，直徑增大，造價(jià)顯著增加重量 較輕 較重塔型選擇時(shí)考慮的因素有：物料性質(zhì)、操作條件、塔設(shè)備的性能及塔設(shè)備工程設(shè)計(jì)論文 28 的制造、安裝、運(yùn)轉(zhuǎn)和維修等。吸收塔和再生塔是醇胺法工藝的核心設(shè)備，分別承擔(dān)吸收酸性組分和從溶液中趕出酸性氣體的職責(zé)。對(duì)于直徑大于等于 時(shí)，宜選用板式塔。在計(jì)算塔徑時(shí)，考慮到醇胺溶液易于起泡的特點(diǎn)，不宜采用過(guò)小的板間距。通常采用的板間距為 600mm，為維修檢修方便，有人孔時(shí)，板間距取 800mm。根據(jù)《氣田天然氣凈化廠設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，浮閥塔盤具有彈性大、效率高、處理能力比泡罩塔和篩板塔的特點(diǎn)，故吸收塔、再生塔宜優(yōu)先采用浮閥塔。因此，在本次設(shè)計(jì)中優(yōu)先采用浮閥塔。 塔板數(shù)確定如前所述，MDEA 對(duì) H2S、CO 2 的吸收為化學(xué)吸收。吸收過(guò)程中放出的反應(yīng)熱是隨塔板數(shù)變化而變化的。MDEA 為叔胺，其與 H2S 及 CO2 的反應(yīng)機(jī)理如下： 322RN+S()? ? ??? ? 3(H)RS? ?? ?3223OC(H)CO? ?? ?2(RN)+N? ?? ?根據(jù)《天然氣加工工程》知，對(duì)于胺溶液的吸收塔一般取 45 個(gè)理論板，塔板效率均為 25%～40%。取理論板數(shù) Ne=5；塔板效率 =25%。?則實(shí)際塔板數(shù)為：Np=5/=20。此塔板數(shù)可將凈化氣中 H2S 的含量降至 20mg/m3 以下。 塔徑的天然氣在 30℃，2200KPa 下的流量：3410/md? ??工程設(shè)計(jì)論文 29 液體循環(huán)量 Ls 為 MDEA 的循環(huán)量，由上部分計(jì)算得知 Ls= 。3/ms天然氣相對(duì)分子質(zhì)量為： ??天然氣密度： ??320+.???()()()196SiLVgF???塔板間距為： 6THm查閱《石油化學(xué)工程基礎(chǔ)》液層高度 介于 —，取 。Lh60Lhm?圖 41 smith 關(guān)聯(lián)圖由圖 41，可查得 ?∵液相 45%MDEA ???????∴查得結(jié)果 C20 按下式校正 .78945L?????????????最大允許氣速：工程設(shè)計(jì)論文 30 max ????????∵M(jìn)DEA 不易發(fā)泡，取泛點(diǎn)百分率為 。實(shí)際氣速： ?塔徑： ???按《氣田天然氣凈化廠設(shè)計(jì)規(guī)范》的標(biāo)準(zhǔn)，將塔徑圓整為 ，選擇浮閥塔3是