【正文】 ............... 34 500萬方 /年天然氣脫水裝置的工藝設(shè)計 1 1 緒論 隨著世界經(jīng)濟迅 速發(fā)展，人口急劇增加，能源消費不斷增長，溫室氣體和各種有害物質(zhì)排放激增，人類生存環(huán)境受到極大挑戰(zhàn)。天然氣燃燒后產(chǎn)生的溫室氣體只有煤炭的 1/石油的 2/3，對環(huán)境造成的污染遠遠小于石油和煤炭。 初步測算，全球天然氣可采儲量約為 137億噸石油當(dāng)量，與石油基本相當(dāng)。有關(guān)專家預(yù)測，未來 10年內(nèi)，全世界天然氣消費年均增長率將保持%，發(fā)展速度超過石油、煤炭和其他任何一種能源，特別是亞洲發(fā)展中國家的增長速度會更快。在全球范圍內(nèi)，天然氣取代石油的步伐加快，尤其是在東北亞、南亞、東南亞和南美地區(qū)，隨著其輸送管網(wǎng)的建設(shè)，天然氣在 21世紀初期將會有更快的發(fā)展。預(yù)計 2020年前后，天然氣在全球能源結(jié)構(gòu)中的份額將超過煤炭、石油成為能源組成中的第一。水蒸汽可能是天然氣中最令人討厭的雜質(zhì)。當(dāng)管輸壓力和環(huán)境溫度變化時，可能引起水汽從天然氣中析出形成液態(tài)水，在一定條件下還會與烷烴分子等形成固態(tài)水合物，這些物質(zhì)的存在會增加輸壓，減少管線的輸氣能力；嚴重時還會堵塞閥門、管線等，影響平穩(wěn)輸氣。 為避免出現(xiàn)這些問題，在天然氣進入輸氣管網(wǎng)之前，必須除掉其中的部份水蒸 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 2 氣。 [1] 天然氣工業(yè)常用的脫水方法有膨脹冷卻法、加壓冷卻法、固體吸附劑吸附法、溶劑吸收法等。 天然氣脫水的幾種主要方法： ( 1) 低溫冷凝脫水 該方法采用各種方法把高壓天然氣節(jié)流降壓致冷 , 用低溫分離法從天然氣中回收凝析液。長慶采氣二廠、塔里木克拉 2等均采用該方法 , 它具有工藝簡單、設(shè)備較少等優(yōu)點 , 但也有耗能高、水露點高等缺點。對于高壓天然氣 ,冷卻脫水是非常經(jīng)濟的。這些方法的缺點是 : 脫水循環(huán)的一部分處于水合物生成范圍內(nèi) , 容易生成水合物 , 因此需要采取添加抑制劑等防止水合物生成的措施，以及相應(yīng)配套的抑制劑回收系統(tǒng)；需要深度脫水時需配備制冷設(shè)備，會引起工程投資和使用成本的提高；透平膨脹機有高速運動部件，制造難度大、可靠性差。這種脫水系統(tǒng)包括分離器、吸收塔和三甘醇再生系統(tǒng)。所以，三甘醇脫水的投資和運行成本比較高。雖然性能很好 ,但是也存在很多問題。例如四川大天池天然氣輸送干線引進的橇裝三甘醇脫水系統(tǒng)， 1999年 3月 25日至 7月 27日試運行過程中，日平均三甘醇消耗量為 1119 kg，而且隨著裝置運行時間延長，三甘醇消耗逐漸增加。 ( 4) 分子篩脫水 [2] 分子篩脫水屬于固體吸附法脫水，脫水系統(tǒng)主要包括 2個或 3個處于脫水、再生和冷卻狀態(tài)的干燥器，以及再生氣加熱系統(tǒng)。但是，對于大裝置，設(shè)備投資和操作費用都比較高，如果脫水要求的露點相同，建設(shè) 1座處理量為 28萬 m3/d的處理站 , 分子篩脫水的投資比三甘醇多 53%。 ( 5) 超音速脫水 作為新型脫水技術(shù)的超音速脫水，國外主要是在殼牌石油公司支持下開展研究，包括計算機數(shù)值模擬、實驗室研究和現(xiàn)場試驗研究。所有的研究都取得了滿意的結(jié)果。 通過多年的自身努力和引進消化吸收國內(nèi)外先進技術(shù)，國內(nèi)天 然氣脫水工藝已基本配套，能在一定范圍內(nèi)較合理點資源條件選擇脫水方案，能滿足國內(nèi)絕大多數(shù)氣田的建設(shè)。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和提高，在傳統(tǒng)的天然氣脫水方法得到改進和完善的同時，更具有工業(yè)競爭力的脫水技術(shù)，如膜分離脫水和超音速脫水技術(shù)，將成為天然氣脫水技術(shù)的發(fā)展趨勢。對于甘醇脫水來講，由于三甘醇水露點降大、成本低和運行可靠，在各種甘醇化合物中其經(jīng)濟效益最好，因而在國內(nèi)外廣為采用。 其優(yōu)點為： 1）投資較低 2）壓降較小，甘醇脫水的壓降為 35~70kpa 3）為連續(xù)操作，補充甘醇較容易 4）甘醇富液再生時，脫除 1kg 水所需熱量較少 5）甘醇 脫水裝置可將天然氣中水含量降低到 ，如有貧液氣提柱，利用氣提再生，天然氣的水含量至少降到 三甘醇性質(zhì) : 顏色：無色或稍帶淡黃色的粘稠液體； 分子量： ，沸點： ℃ 比重： （一物理大氣壓 ， 20℃ ） 理論熱分解溫度 ： ℃ 冰點： ℃； 蒸氣壓（ 25℃ ）：≤ 可燃極限： % 500萬方 /年天然氣脫水裝置的工藝設(shè)計 5 表 13 脫水方法比較 方法名稱 分離原理 脫水溶劑 特點 應(yīng)用情況 低溫法 高壓天然氣節(jié)流膨脹降溫 能同時控制水露 點、烴露點 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 費用低，需更換，腐蝕嚴重，露點降較低（ 10～ 25℃ ） 適宜于高壓天然氣 氯化鋰水溶液 對水有高的容量，露點降為 22～36℃ 適宜于邊遠、寒冷、氣井等不宜建脫硫廠的情況 甘醇 胺水溶液 同時脫除水、 H2S、 CO2，攜帶損失大，再生溫度要求高，露點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)量分數(shù)不超過 95%；露點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)量分數(shù)達 %，蒸汽壓低，攜帶損失小，露點降較高（ 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，干氣露點可達 73℃，能耗高 不易處理含硫天然氣 分子篩 高濕容量，高選擇性，露點降大于120℃ ，投資及操作費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，露點降較低（ 20℃ ），存在烴的損失問題 國外已有工業(yè)裝置運行 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 6 粘度（ 60℃）： 103Pa 三甘醇脫水主要工藝流程，可分為兩個： 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，進入吸收塔底部。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 )后進入銷售輸氣管網(wǎng)。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入重沸器上的精餾柱頂部。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。 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）。 種類：吸收塔分為板式塔（逐級接觸式）和填料塔（微分接觸式）。 結(jié)構(gòu)：板式塔由一個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。 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（利用水與甘醇沸點差）使甘醇與水分離的設(shè)備。 緩沖罐：提濃 TEG，給 TEG 貧液，富液提供熱交換的場所。 確定脫水裝置運行主要參數(shù) 1．溫度 脫水裝置的脫水效率對來氣的溫度特別敏感。 入口溫度升高，甘醇的蒸發(fā)損失也增大。 貧甘醇進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。 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。 2．壓力 在常溫下，壓力降低，入口天然氣中水的含量增加。應(yīng)注意閃蒸罐的壓力和吸收塔的壓差。脫去 1kg水需要 2560L 三甘醇。如果循環(huán)量太大，特別是超過裝置的設(shè)計能力，會使重沸器過載而降低甘醇的再生的濃度，同時也造成塔內(nèi)氣─液兩相接觸又不充分和增加泵的維護工作量。 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降。進入吸收塔內(nèi)的甘醇濃度越高，它的脫水效果就越好。根據(jù)實際生產(chǎn)停車估算，年開工時間按300 天計，天然氣天處理量為 16667 方 /天。 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，天然氣露點降就越大。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，三甘醇濃度愈高則露點降愈大； ?循環(huán)量和三甘醇濃度固定時，塔板數(shù)愈多則露點降愈大 ； ?塔板數(shù)和三甘醇濃度固定時，循環(huán)量愈大則露點降愈大，但循環(huán)量升到一定程度后，露點降的增加值明顯減少，而且循環(huán)量過大會導(dǎo)致重沸器超負荷，動力消耗過大。 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到平衡時，離塔干氣的水露點是可能達到的最低露點，即干氣的平衡露點；而干氣中所含水汽量為塔頂吸收溫度、壓力下可能達到的最低水汽量。此時，進塔貧三甘醇溶液的濃度即為達到最低干氣露點所必須的最低濃度。 rt : 出塔吸收干氣的實際露點， ℃ 。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 10 8 1 0 1 8et ? ? ? ? ?℃ 因為原料氣進料溫度為 20℃ ，設(shè)原料氣進口溫度為 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)量分數(shù)下出塔干氣平衡露點與吸收溫度的關(guān)系圖 21 可得：進塔貧甘醇濃度為 %。( yyVG ??? 式中： G—— 脫出的水量， kg/d V—— 進入吸收塔天然氣的量， 3/md y—— 進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 11 yˊ —— 離開吸收塔的干氣含水量，3/gm 由已知條件可得：當(dāng)進口原料氣溫度為 20℃ ，壓力為 時，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，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。 則三甘醇貧液用量為： 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 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。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。 吸收塔直徑的計算 對于板式塔，計算塔徑時，可先 按 BrownSouder 公式計算出允許最大空塔氣速，計算公式如下： 500萬方 /年天然氣脫水裝置的工藝設(shè)計 13 m a xm a x[ ( ) / ]4l g gacuCGDu? ? ????? 其中： maxu —— 氣體的最大允許氣速， m/s。 g? —— 吸收塔中氣相密度， 3/kgm 。 acG —— 氣體在塔內(nèi)的實際流量， 3/ms。 氣體在操作條件下的密度求?。? 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 / ( 273 .15 25 ) / 190 .6 643rcT T T? ? ? ?， / 4. 0 / 96rcP P P? ? ? 由 rT ， rP 查圖得知壓縮因子 ? 34 0 0 0 1 7 . 0 0 0 4 2 9 .8 1 8 5 /0 . 9 2 8 . 3 1 4 2 9 8 .1 5g PM k g mZ R T? ?? ? ??? 設(shè)塔板間距為 600mm，則查表 21 可得 C=? ?