【正文】 工程設(shè)計(jì)論文 25 1 102 8 28 ( 110 85 ) 290 142 .7 / m inQ k J? ? ? ? ? ? ② 塔頂酸氣熱負(fù)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(fù)荷為 : 41 ii???沸=+++=塔頂冷凝器熱負(fù)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(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》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(shí)際換熱面積為 ? ? ? (3)二級換熱器熱量衡算（與一級換熱器計(jì)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(shè)備 熱負(fù)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(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。 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。 假設(shè)富液溫度為 45℃ ，冷凝裝置的熱負(fù)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(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。因而酸性氣體與醇胺反應(yīng)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(rèn)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(jìn)塔溫度相同，即為 40℃ 。 （ 3）最終計(jì)算出所需的能量和費(fèi)用，判定工藝過程的經(jīng)濟(jì)性。 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)。 對于連續(xù)系統(tǒng)： ()in o u t R i wQ Q H Q? ? ? ? ?? ? ? 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的熱量變化。 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(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。 將數(shù)據(jù)代入上式中可得 V=。 X—酸性氣體的摩爾分?jǐn)?shù)； Ma—醇胺化合物相對分子質(zhì)量； q—酸氣負(fù)荷， 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? 。 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(shè)計(jì)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(shí)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(shè)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 。壓力位 （表壓） 。 天然氣的處理量 原料氣處理量為： 105m3/d。 工程設(shè)計(jì)論文 20 物料衡算任務(wù) 對于新建 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)。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 +過程損失的關(guān)鍵組分的速率 數(shù)學(xué)表達(dá)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(shí)間， h。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。通過對整個(gè)過程以及部分重 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)。 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。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。閃蒸后的富液經(jīng)過濾器進(jìn)入貧 /富液換熱器，與已完成再生的熱醇胺（簡稱貧液）換熱而被加熱，然后進(jìn)入在低壓下操作的再生塔頂部。達(dá)到要求的凈化器離開吸收塔頂部，井出口分離器除去攜帶的醇胺液滴后出裝置。工藝流程圖如圖 23 所示。 工藝流程簡述 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?；驹?:原料氣中的各個(gè)組分在壓力作用下因通過半透膜的 相對傳質(zhì)速率不同而得以分離。故分子篩可按分子尺寸、極性及不飽和度將復(fù)雜體系中的某些組分脫除或分離出來。反應(yīng)原理如 下 : K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3 K2CO3+H2S=KHS+KHCO3 分子篩法 基本原理 :分子篩因其具有孔徑均勻的微孔孔道而僅允許直徑微小的分子進(jìn)入孔內(nèi)而得名。用于處理粗天然氣使之達(dá)到管輸要求的固體脫硫劑主要成分均為活性氧化鐵，它們可與 H2S 發(fā)生如下反應(yīng) : Fe2O3+3H2S→Fe 2S3+3H2O 工程設(shè)計(jì)論文 17 Fe3O4+4H2S→3FeS+4H 2O+S FeS+S→FeS 2 熱碳酸鉀法 熱碳酸鉀法廣泛用于脫除合成氣中的 CO2的方法，國內(nèi)常稱為熱鉀堿法，由于溶液中常加入促進(jìn) CO2吸收的活化劑，所以亦稱為活化熱鉀堿法。主要有釩法 (ADANaVO3，栲膠 NaVO3等 )，鐵法 (LoCat， Sulferox， EDTA 絡(luò)合鐵，F(xiàn)D 及鐵堿法等 )，還有 PDS 等方法。 直接轉(zhuǎn)化法 直接轉(zhuǎn)化法是指使用含有氧載體的溶液將天然氣中的 H2S 氧化為元素硫，被還原的氧化劑經(jīng)空氣再生又恢復(fù)了氧化能力的一類氣體脫硫方法。 因?yàn)轫堪贩嬗谢瘜W(xué)溶劑法和物理溶劑法的優(yōu)點(diǎn) :能耗低，可脫有機(jī)硫、裝置處理能力大，腐蝕輕，不易發(fā)泡及溶劑變質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)，在進(jìn)料氣中酸性氣體分壓高時(shí)尤為適用，當(dāng)前砜胺法也是天然氣凈化工藝領(lǐng)域非常重要的方法，此方法不能用于深度脫硫，因此在某些時(shí)候與其它方法配合使用效果才更佳。砜胺法在較高的酸氣分壓下有較高的酸氣負(fù)荷而可降低循環(huán)量，并有良好的脫有機(jī)硫的能力，還可節(jié)能。 (9)基本上不存在溶劑變質(zhì)問題。 (8)酸氣負(fù)荷與酸氣分壓大體成正比。 (7)烴類溶解量多、特別是重?zé)N。 (5)具有優(yōu)良的脫有機(jī)硫的能力 。 (4)具有選擇脫硫能力。 (3)溶劑再生的能耗低。特點(diǎn)如下 : (l)傳質(zhì)速率慢 。(4)再生能耗更低。(2)具有更高 的吸收容量 。 空間位阻胺是指有機(jī)醇胺化合物分子中氨基的氮原子連接一個(gè)體積較大碳鏈 (尤其是非線性碳鏈，如叔丁基 )基團(tuán)的化合物，該碳鏈基團(tuán)對氨基在空間上具有位阻效應(yīng)，這種效應(yīng)使氨基呈現(xiàn)特有的化學(xué)活性。對于含有 MEA 或 DEA 的溶液，由于具有較低的平衡氣相H2S 及 CO2分壓，可在吸收塔頂達(dá)到更好的凈化度。因此，叔胺的 CO2理論負(fù)荷高于伯胺及仲胺，但前者與 CO2的反應(yīng)速率則大大低于后二者。 反應(yīng)原理 :伯胺及仲胺與 CO2 反應(yīng)生成氨基甲酸鹽，其摩爾比為 2:1。 (3)混合胺工藝 工程設(shè)計(jì)論文 15 采用 MDEA與其它伯胺 (如 MEA)或仲胺 (如 DEA)的混合體系是為了在基本保持體系的低能耗的同時(shí)提高對 CO2的脫除能力或解決在低壓下運(yùn)行時(shí)的凈化度問題。氣體凈化度高，凈化后能將原料氣中的 H2S 含量降至 6mg/m3， CO2脫除至 200106 “(體積分?jǐn)?shù) )一下 。 反應(yīng)原理 :MDEA 作為一個(gè)選吸溶劑正是基于它與 CO2的反應(yīng)速度較慢，用于脫碳則需加入活化劑以加快與 CO2的反應(yīng)速度，可用的活化劑 DEA。因此，有的配方溶液可比 MDEA 具有更高的脫硫選擇性，有的配方溶液也可比其它醇胺溶液具有更好的脫除 CO2效果。 (1)MDEA 配方溶液 MDEA 配方溶液系以 MDEA 為主劑、加入小量一種或幾種助劑 (通常是不公開的 )以改善其某種或某些方面性能的溶液體系。在天然氣凈化領(lǐng)域，酸氣提濃是在某些特殊情況下不得已而采取的一項(xiàng)工藝措施。 H2S 提濃 酸氣 H2S 提濃系指脫硫所得酸氣 H2S 濃度不能達(dá)到工藝要求而以 MDEA再次選吸使酸氣 H2S 濃度得以提高的過程。 (3)MDEA 濃溶液常壓選吸效果更佳。 工程設(shè)計(jì)論文 14 (2)凈化氣尾氣 H2S 含量與富液 H2S 負(fù)荷顯示出同步關(guān)系。特點(diǎn)如下： (l)優(yōu)于 DIPA 常壓選吸工藝。 (6)原料氣碳硫比 原料氣碳硫比并非一個(gè)單因素，而是原料氣 H2S 及 CO2濃度互動(dòng)的結(jié)果。但壓力降低的同時(shí)也使溶液負(fù)荷降低，裝置的處理能力也下降。從選擇性角度而言，宜使用較