日產(chǎn)100萬方天然氣三甘醇脫水裝置工藝的設(shè)計說明

1、 . .PAGE45 / NUMPAGES52 . 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目100萬方/天天然氣三甘醇脫水裝置工藝設(shè)計學生學號教學院系應(yīng)用技術(shù)學院專業(yè)年級石油化工生產(chǎn)技術(shù)2008指導教師單位輔導教師單位摘要天然氣是一種烴類混合氣體，主要由低分子飽和烴為主的烴類氣體與少量非烴類氣體組成。作為井流物的天然氣總是被水所飽和的，為了達到商品天然氣的管輸水露點要求，必須將天然氣中的水分脫除到一定的程度。天然氣脫水屬于天然氣處理容之一，常用的脫水方法有低溫分離脫水、溶劑吸收法脫水和固體吸附法脫水等，其中溶劑吸收法脫水中的三甘醇脫水工藝應(yīng)用最為普遍。文章根據(jù)天然氣站場的原料氣條件和脫水要求，綜合考慮工藝要求和經(jīng)

2、濟影響，采用三甘醇溶劑吸收法脫水和汽提法再生工藝，借助于流程模擬軟件HYSYS 進行模擬計算，通過對三甘醇脫水工藝參數(shù)的選擇和相關(guān)設(shè)備尺寸的估算，對整個工藝中的吸收塔進行了物料衡算，對塔高、塔徑進行了確定，對塔板各項參數(shù)的計算與相關(guān)設(shè)備的選型，設(shè)計出了符合原料氣脫水要求與天然氣脫水工藝規(guī)的脫水工藝流程與裝置。并通過對工藝方法和工藝參數(shù)的詳細分析，驗證了文章中天然氣站場脫水工藝設(shè)計的合理性。 關(guān)鍵詞：天然氣 三甘醇脫水 再生 汽提 流程模擬AbstractNatural gas is a kind of hydrocarbon gas mixture, mainly by the low mol

3、ecular saturated hydrocarbons with small amounts of hydrocarbon gases mainly composed the hydrocarbon gases. As well flow content of natural gas is always water, in order to achieve saturation of commercial natural pipe-conveying water demand, must will dew point the moisture removal of natural gas

4、to a certain extent. Natural gas dehydration belong to one of the natural gas processing content, the commonly used dehydration method has low temperature separation dehydration, solvent absorption dehydration and solid adsorption dehydration etc, which are three of solvent absorption dehydration de

5、hydrate technique glycol are widely used. According to the gas station materials gas conditions and dehydration requirements, comprehensive consideration of the process requirement and economic impact, adopt three deg solvent absorption dehydration and steam latifah regeneration process, HYSYS by pr

6、ocess simulation software to simulate calculation, through three deg dehydration process parameter selection and related equipment size for the whole process, estimated the absorption tower, the material balance of tower is high, tower diameter to determine the parameters, calculation of tower board

7、 and related equipment selection, design the feedgas dehydration conform with the requirements and gas dehydration process specification dehydration process and equipment. And through the process and the process parameters of a detailed analysis, and verifies the articles in the gas station and the

8、rationality of the design of dewatering process.Keyword:Natural gas three deg dehydration regeneration steam strippingProcess simulation目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc2959492341 緒論 PAGEREF _Toc295949234 h 1HYPERLINK l _Toc2959492351.1天然氣概述 PAGEREF _Toc295949235 h 1HYPERLINK l _Toc2959492361.2 天然

9、氣的組成與分類 PAGEREF _Toc295949236 h 1HYPERLINK l _Toc2959492371.2.1 天然氣的組成 PAGEREF _Toc295949237 h 2HYPERLINK l _Toc2959492381.3 天然氣的主要用途 PAGEREF _Toc295949238 h 2HYPERLINK l _Toc2959492391.4天然氣凈化的目的意義 PAGEREF _Toc295949239 h 2HYPERLINK l _Toc2959492401.5天然氣脫水 PAGEREF _Toc295949240 h 4HYPERLINK l _Toc29

10、59492411.5.1天然氣含水量 PAGEREF _Toc295949241 h 4HYPERLINK l _Toc2959492421.6天然氣水合物 PAGEREF _Toc295949242 h 7HYPERLINK l _Toc2959492431.6.1 天然氣水合物的結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc295949243 h 7HYPERLINK l _Toc2959492441.6.2 水合物的生成條件 PAGEREF _Toc295949244 h 7HYPERLINK l _Toc2959492451.6.3天然氣水合物的防止措施 PAGEREF _Toc295949245 h

11、 7HYPERLINK l _Toc2959492462 天然氣脫水的工藝 PAGEREF _Toc295949246 h 9HYPERLINK l _Toc2959492472.1天然氣脫水方法 PAGEREF _Toc295949247 h 9HYPERLINK l _Toc2959492482.2.脫水工藝流程設(shè)計 PAGEREF _Toc295949248 h 11HYPERLINK l _Toc2959492492.2.1脫水裝置設(shè)計 PAGEREF _Toc295949249 h 11HYPERLINK l _Toc2959492502.3天然氣脫水工藝發(fā)展方向 PAGEREF _

12、Toc295949250 h 16HYPERLINK l _Toc2959492512.3.1天然氣膜法脫水 PAGEREF _Toc295949251 h 16HYPERLINK l _Toc2959492522.3.2天然氣超音速法脫水 PAGEREF _Toc295949252 h 18HYPERLINK l _Toc2959492533脫水工藝計算 PAGEREF _Toc295949253 h 20HYPERLINK l _Toc2959492543.1原料氣與凈化氣氣質(zhì) PAGEREF _Toc295949254 h 20HYPERLINK l _Toc2959492553.1.1

13、原料氣 PAGEREF _Toc295949255 h 20HYPERLINK l _Toc2959492563.1.2脫水后凈化氣的氣質(zhì)條件 PAGEREF _Toc295949256 h 20HYPERLINK l _Toc2959492573.2脫水依據(jù) PAGEREF _Toc295949257 h 20HYPERLINK l _Toc2959492583.2.1 貧三甘醇濃度的確定 PAGEREF _Toc295949258 h 20HYPERLINK l _Toc2959492593.2.2 三甘醇循環(huán)量的確定 PAGEREF _Toc295949259 h 21HYPERLINK

14、 l _Toc2959492603.2.3 吸收塔塔板數(shù)的確定： PAGEREF _Toc295949260 h 21HYPERLINK l _Toc2959492613.3物料衡算 PAGEREF _Toc295949261 h 24HYPERLINK l _Toc2959492623.3.1 脫水量 PAGEREF _Toc295949262 h 24HYPERLINK l _Toc2959492633.2.2 三甘醇循環(huán)流量 PAGEREF _Toc295949263 h 24HYPERLINK l _Toc2959492643.2.3 貧三甘醇流量 PAGEREF _Toc295949

15、264 h 25HYPERLINK l _Toc2959492653.2.4 富三甘醇流量 PAGEREF _Toc295949265 h 25HYPERLINK l _Toc2959492663.3 吸收塔 PAGEREF _Toc295949266 h 25HYPERLINK l _Toc2959492673.3.1 直徑 PAGEREF _Toc295949267 h 25HYPERLINK l _Toc2959492683.3.2 泡罩塔板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與選用 PAGEREF _Toc295949268 h 26HYPERLINK l _Toc2959492693.3.3 板面布置 PA

16、GEREF _Toc295949269 h 28HYPERLINK l _Toc2959492703.3.4 吸收塔高度 PAGEREF _Toc295949270 h 31HYPERLINK l _Toc2959492713.4 熱量衡算 PAGEREF _Toc295949271 h 31HYPERLINK l _Toc2959492723.4.1 重沸器 PAGEREF _Toc295949272 h 31HYPERLINK l _Toc2959492733.4.2 貧/富甘醇換熱器 PAGEREF _Toc295949273 h 31HYPERLINK l _Toc2959492743

17、.4.3 氣體/貧甘醇換熱器 PAGEREF _Toc295949274 h 32HYPERLINK l _Toc2959492753.5 設(shè)備計算與選型 PAGEREF _Toc295949275 h 32HYPERLINK l _Toc2959492763.5.1 精餾柱 PAGEREF _Toc295949276 h 32HYPERLINK l _Toc2959492773.5.2 甘醇泵 PAGEREF _Toc295949277 h 32HYPERLINK l _Toc2959492783.6 脫水段數(shù)據(jù)匯總 PAGEREF _Toc295949278 h 33HYPERLINK l

18、 _Toc2959492794三甘醇脫水影響因素分析 PAGEREF _Toc295949279 h 35HYPERLINK l _Toc2959492804. 1吸收塔塔盤數(shù)對脫水效果的影響 PAGEREF _Toc295949280 h 36HYPERLINK l _Toc2959492814. 2濕氣入口溫度對脫水效果的影響 PAGEREF _Toc295949281 h 37HYPERLINK l _Toc2959492824. 3濕氣含水量對脫水效果的影響 PAGEREF _Toc295949282 h 37HYPERLINK l _Toc2959492834. 4汽提氣流量對脫水效

19、果的影響 PAGEREF _Toc295949283 h 39HYPERLINK l _Toc2959492845總結(jié) PAGEREF _Toc295949284 h 41HYPERLINK l _Toc295949285辭 PAGEREF _Toc295949285 h 42HYPERLINK l _Toc295949286參考文獻 PAGEREF _Toc295949286 h 43HYPERLINK l _Toc295949287附錄 PAGEREF _Toc295949287 h 441 緒論1.1天然氣概述天然氣系古生物遺骸長期沉積地下，經(jīng)慢慢轉(zhuǎn)化與變質(zhì)裂解而產(chǎn)生之氣態(tài)碳氫化合物，具

20、可燃性，多在油田開采原油時伴隨而出。 天然氣蘊藏在地下約3000 4000米之多孔隙巖層中，主要成分為甲烷，比重0.65，比空氣輕，具有無色、無味、無毒之特性， 天然氣公司皆遵照政府規(guī)定添加臭劑，以便用戶嗅辨。 依天然氣蘊藏狀態(tài)，又分為構(gòu)造性天然氣、水溶性天然氣、煤礦天然氣等三種。而構(gòu)造性天然氣又可分為伴隨原油出產(chǎn)的濕性天然氣、與不含液體成份的干性天然氣。 天然氣主要有以下幾個用途：（1） 天然氣發(fā)電，具有緩解能源緊缺、降低燃煤發(fā)電比例，減少環(huán)境污染的有效途徑，且從經(jīng)濟效益看，天然氣發(fā)電的單位裝機容量所需投資少，建設(shè)工期短，上網(wǎng)電價較低，具有較強的競爭力。 （2）天然氣化工工業(yè)，天然氣是制造氮

21、肥的最佳原料，具有投資少、成本低、污染少等特點。天然氣占氮肥生產(chǎn)原料的比重，世界平均為80%左右。 （3）城市燃氣事業(yè)，特別是居民生活用燃料。隨著人民生活水平的提高與環(huán)保意識的增強，大部分城市對天然氣的需求明顯增加。天然氣作為民用燃料的經(jīng)濟效益也大于工業(yè)燃料。 （4）壓縮天然氣汽車，以天然氣代替汽車用油，具有價格低、污染少、安全等優(yōu)點。 目前人們的環(huán)保意識提高，世界需求干凈能源的呼聲高漲，各國政府也透過立法程序來傳達這種趨勢，天然氣曾被視為最干凈的能源之一，再加上1990年中東的波灣危機，加深美國與主要石油消耗國家研發(fā)替代能源的決心，因此，在還未發(fā)明真正的替代能源前，天然氣需求量自然會增加。1

22、.2 天然氣的組成與分類廣義的天然氣是指在自然界中天然生成的氣體化合物。而就狹義而言，天然氣是氣態(tài)的石油，是專指巖石圈中生成并蘊藏的以氣態(tài)烷烴混合物為主的可燃性氣體，有時為純氣態(tài)氣藏，有時與石油伴生，并通過油氣井開采出來，是一種潔凈、方便、高效的優(yōu)質(zhì)能源，也是優(yōu)良的化工原1.2.1天然氣的組成石油和天然氣都是以烴類為主，其組成從甲烷（CH4）到33個碳原子的石蠟烴和22個或更多碳原子的芳香烴。石油主要是含4 個或更多碳原子的液烴，而天然氣是以低分子飽和烴為主的烴類氣體與少量非烴類氣體組成的混合氣體，是一種低相對密度、低粘度的流體。天然氣中的烴類基本上是烷烴，通常以甲烷為主，還有乙烷、丙烷丁烷、

23、戊烷以與少量的己烷以上烴類（C6+）。在大多數(shù)天然氣中還存在著痕量的不飽和烴，如乙烯、丙烯、丁烯，偶爾還含有極少量的環(huán)烷烴和芳香烴，如環(huán)戊烷、環(huán)己烷、苯、甲苯等。天然氣中的非烴類氣體，一般為少量的氮氣、氧氣、氫氣、二氧化碳、水蒸氣、硫化氫以與硫醇、硫醚、二硫化碳等有機硫化物，有時也含有微量的稀有氣體如氦、氬、氙等。1.3 天然氣的主要用途1、天然氣發(fā)電，具有緩解能源緊缺、降低燃煤發(fā)電比例，減少環(huán)境污染的有效途徑且從經(jīng)濟效益看，天然氣發(fā)電的單位裝機容量所需投資少，建設(shè)工期短，上網(wǎng)電價較低，具有較強的競爭力2。2、天然氣化工工業(yè)，天然氣是制造氮肥的最佳原料，具有投資少、成本低、污染少等特點。天然氣

24、占氮肥生產(chǎn)原料的比重，世界平均為80%左右。3、城市燃氣事業(yè)，特別是居民生活用燃料。隨著人民生活水平的提高與環(huán)保意識的增強，大部分城市對天然氣的需求明顯增加。天然氣作為民用燃料的經(jīng)濟效益也大于工業(yè)燃料。4、壓縮天然氣汽車，以天然氣代替汽車用油，具有價格低、污染少、安全等優(yōu)點。目前人們的環(huán)保意識提高，世界需求干凈能源的呼聲高漲，各國政府也透過立法程序來傳達這種趨勢，天然氣曾被視為最干凈的能源之一，再加上1990年中東的波斯灣危機，加深美國與主要石油消耗國家研發(fā)替代能源的決心，因此，在還未發(fā)現(xiàn)真正的替代能源前，天然氣需求量自然會增加。1.4天然氣凈化的目的意義天然氣是一種潔凈、方便、高效的優(yōu)質(zhì)燃料

25、，也是重要的化工原料。具有明顯的社會效益，環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。1993年統(tǒng)計全世界天然氣總產(chǎn)量為266338108m3，銷售量為21582.7108m3。主要產(chǎn)氣國家的產(chǎn)氣量與銷售量如表l-1所示。相對于煤炭來說天然氣更加安全、環(huán)保，加強天然氣市場培育，有利于世界能源結(jié)構(gòu)的改善，能夠滿足發(fā)展中國家和地區(qū)對能源的急迫需求，而且對煤炭和石油將起到重要的替代和補充作用3。表1-1 主要產(chǎn)氣國家的產(chǎn)氣量與銷售量國家產(chǎn)氣量，108m3銷售量，108m3前聯(lián)7781.47577.4美國6488.05225.0加拿大1707.11387.5荷蘭840.1810.1阿爾與利亞1307.0570.0英國736.

26、2654.9印度尼西亞742.0558.0墨西哥371.4262.6羅馬尼亞214.9211.9沙特阿拉伯673.0359.0挪威415.8273.8阿根廷202.5153.5阿聯(lián)酋264.7241.4委瑞拉424.8216.0意大利194.0194.0澳大利亞236.7222.3德國193.8186.8馬來西亞253.2249.2中國158.1158.1天然氣中主要有害雜質(zhì)為水、二氧化碳、硫化氫與各種形態(tài)的硫化物。水在一定溫度和壓力下可與烴類形成水合物而造成管道堵塞，在輸送過程中當溫度降低時，也會因冷凝水的凍結(jié)而阻塞管道。二氧化碳在有水存在時可腐蝕管道，二氧化碳含量過高會降低天然氣熱值。硫化

27、氫對輸送管道有腐蝕，且使用時會造成污染。因此，天然氣在輸送之前應(yīng)進行凈化處理以滿足管輸要求。天然氣中水分的存在往往造成嚴重的后果，水分與天然氣在一定條件下形成氣體水合物而阻塞管路，影響平衡供氣，水的存在為含有H2S和CO2的天然氣形成酸而侵蝕管路和設(shè)備創(chuàng)造了條件.1.5天然氣脫水自地層采出的天然氣與脫硫后的天然氣中一般都含有飽和水蒸氣，水分的存在會給天然氣的輸送和加工造成困難。天然氣在輸送和加工時需要冷卻的溫度越低，對其含水量的要求就越嚴格，因此必須對天然氣進行脫水處理，以達到規(guī)定的水汽含量指標。天然氣中的含水量有兩種表示方法，即“絕對含水量”與“露點溫度”。絕對含水量指單位體積天然氣中含有的

28、水汽質(zhì)量；露點溫度指在一定壓力下，天然氣中的水蒸氣開始冷凝結(jié)露的溫度。一般情況下管輸天然氣的露點溫度應(yīng)比輸氣管線最低環(huán)境溫度低510。用于天然氣脫水的方法有多種，可分為溶劑吸收法、固體吸附法、直接冷卻法和化學反應(yīng)法等，其中化學反應(yīng)法在天然氣工業(yè)中用的極少，而溶劑吸收法、固體吸附法較為普遍。隨著科學研究和科學技術(shù)的發(fā)展，在傳統(tǒng)的天然氣脫水方法不斷得到完善和提高的同時，對新的脫水工藝也不斷進行探索，如當前天然氣脫水工業(yè)中的膜分離法就是一種新型的脫水方法。天然氣的“脫水”是指脫除水蒸汽。所有的天然氣都在某種程度上含有水蒸汽。天然氣要脫除水蒸汽的原因是：水和天然氣能形成固體水合物，堵塞設(shè)備；含液態(tài)水的

29、天然氣具有腐蝕性，尤其是當天然氣中含有CO2和H2S時更為嚴重；天然氣中的水蒸汽在管線中凝析，可能形成段塞流。1.5.1天然氣含水量作為井流物的天然氣總是被水所飽和的，為了滿足集輸和深冷分離過程的需要，必須將天然氣中的水分脫除到一定的程度。為此，在脫水工藝設(shè)計中首先就要確定天然氣的含水量。天然氣的飽和含水量取決于天然氣的溫度、壓力和組成等條件。絕對含水量是指單位體積天然氣中含有的水氣的量，又稱天然氣絕對濕度，單位為mg/m3。在一定溫度和壓力下天然氣含水氣量若達到飽和，則這個飽和時的含水氣量稱為飽和濕度，而天然氣絕對濕度與飽和濕度之比則為天然氣相對濕度。天然氣水露點溫度則是指天然氣在一定壓力下

30、水蒸氣開始冷凝結(jié)露的溫度。在設(shè)計過程中普遍采用算圖法來估算天然氣的含水量。(1)非酸性天然氣含水量的估算算圖估算算圖主要用來確定非酸性天然氣的含水量，同時結(jié)合其它算圖進行酸性天然氣含水量的估算。用得較多的是Mcketta-Wehe算圖，如圖1-2所示。該算圖于1958 年首次發(fā)表，圖中的曲線是按相對密度為0.6，與純水接觸的天然氣制定的，因此需要進行相對密度校正和含鹽量校正，校正曲線附在算圖的左上側(cè)，校正計算式如式（1.1）所示。W = C GC SW o （1.1）式中W 校正后的含水量，mg/m3（GPA）；W0 相對密度為0.6 的天然氣含水量，mg/m3（GPA）；C G 相對密度校正

31、系數(shù)；C S 含鹽量校正系數(shù) 圖1-2 天然氣含水量公式法計算公式如式（1.2）：圖1.1天然氣含水量W = 16.017 A B（1.8t +32） （1.2）式中：W 水含量，gH2O/m3；t系統(tǒng)溫度，；A 、B與壓力（P）有關(guān)的系數(shù).(2) 酸性天然氣含水量的估算酸性天然氣的含水量有三種校正算圖估算法，校正算圖1 的實質(zhì)是基于純酸氣（即純的H2S 氣體或純的CO2 氣體）與水相的平衡，它是配合坎貝爾公式使用的。校正算圖2（韋切爾特算圖）是新提出來的一種算圖，是配合Meketta-Wehe 算圖使用的。校正算圖3 中氣體所含CO2 的量也要折算成H2S 的當量濃度，折算方法與校正算圖2

32、的方法一樣，然后直接由溫度、壓力和H2S 的濃度查圖。1.6天然氣水合物天然氣水合物也稱天然氣水化物，是一種天然氣中的小分子與水分子形成的類冰狀固態(tài)化合物，是氣體分子與水分子非化學計量的包藏絡(luò)合物，即是水分子與氣體分子以物理結(jié)合體所形成的一種固體，它在結(jié)構(gòu)上與冰不同。1.6.1 天然氣水合物的結(jié)構(gòu)以往研究結(jié)果表明，天然氣水合物的結(jié)構(gòu)主要有兩種：相對分子質(zhì)量較小的氣體（如CH4、C2H6、H2S、CO2）水合物是穩(wěn)定性較好的體心立方晶體結(jié)構(gòu)；相對分子質(zhì)量較大的氣體（如C3H8、iC4H10）水合物是穩(wěn)定性較差的金剛石型結(jié)構(gòu)。當天然氣中含有形成兩種水合物結(jié)構(gòu)的氣體組分時，通常只生成一種結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定

33、的水合物，具體結(jié)構(gòu)主要取決于天然氣的組成。1.6.2 水合物的生成條件引起水合物形成的主要條件是：天然氣的溫度等于或低于露點溫度，有液態(tài)水存在；在定壓力和氣體組成下，天然氣溫度低于水合物形成溫度；壓力增加，形成水合物的溫度相應(yīng)增加。當具備上述主要條件時，有時仍不能形成水合物，還必須具備下述一些引起水合物形成的次要條件：氣流速度很快，或者通過設(shè)備或管道中諸如彎頭、孔板、閥門、測溫元件套管處等時，使氣流出現(xiàn)劇烈擾動；壓力發(fā)生波動；存在小的水合物晶種；存在CO2或H2S 等組分，它們比烴類更易溶于水并易形成水合物。1.6.3天然氣水合物的防止措施防止天然氣水合物生成有三種方法，采用任何一種方法都能有

34、效防止水合物的生成：給天然氣加熱，并且使天然氣溫度維持在天然氣水合物形成溫度以上；向氣流中加入化學處理劑（水合物抑制劑），使水合物形成溫度降至天然氣在管線或設(shè)備中可能達到的最低溫度；2 天然氣脫水的工藝2.1天然氣脫水方法目前溶劑吸附法在我國被廣泛應(yīng)用，這種方法的原理是利用吸水性較強的化學溶劑與天然氣接觸后，選擇性地吸收所含的水分。甘醇是一種親水性很好的液體，能與水完全互溶，當含水天然氣與濃甘醇(稱貧液)充分接觸時，天然氣中水與甘醇互溶成甘醇水溶液(稱富液)，天然氣被凈化脫水后進入輸氣干線，將甘醇水溶液進行再生處理，使水汽化排出以達到再生的目的，甘醇提濃后可重復使用。三甘醇和二甘醇特別適宜于長

35、輸管線大，氣量的深度脫水，但由于三甘醇對水份有極強的親合力，具有較高的脫水深度，而對天然氣有較低的溶解度(選擇性吸收好)，蒸汽壓相對較低，溶劑損失小，熱力學穩(wěn)定，其沸點比二甘醇高，可在較高的溫度下再生，所需設(shè)備也簡單，脫水后的天然氣露點下降值較大，因此，國使用的化學溶劑較多的是三甘醇溶液。天然氣脫水在原理上講有四種方式：直接冷卻、壓縮以后冷卻、吸收和吸附，在工藝上主要有：液體脫水劑(甘醇)法、固體脫水劑(分子劑、鉛土、硅膠)與氯化鈣法。表2-1給出了常用的脫水方法比較。（1）IFPEX1脫水工藝法國石油科學院開發(fā)的IFPEXOL工藝是氣體加工領(lǐng)域的一項新工藝，其突出的優(yōu)點是其經(jīng)濟性與對環(huán)境的安

36、全性。IFPEXOL的基礎(chǔ)是在低溫下使用單一的甲醇溶劑，其技術(shù)原理則是利用天然氣凝液回收中的氣體冷卻來同時完成脫水和酸氣脫除中的溶劑處理。IFPIEXOL工藝分兩部分，其中IFPEXl用于脫水，其工藝過程是：氣體進料向上通過一座接觸塔，在塔與來自冷卻分離器并向下流動的含水溶劑逆流接觸，甲醇溶劑上升的原料氣從水中完全提出。由于該工藝不蒸發(fā)氣體，因而可減少芳烴的排放。IFPEX1工藝的操作費用低。能量費用占操作費用的大部分。常用的三甘醇法需要一臺大的輸送高熱物料泵和再生裝置，耗能較多。而IFPIEX1工藝不需要耗熱只要用一定的電量驅(qū)動一臺小低壓泵。若以每千瓦小時的電費為0.05美元與每百萬大卡需要

37、耗燃料費12美元計算，與三甘醇法相比較，IFPIEXl每年可節(jié)約10萬美元的操作費用。（2）最常用的脫水工藝三甘醇工藝目前天然氣脫水中應(yīng)用最多的是三甘醇工藝。在新概念的指導下，這項脫水工藝又有所發(fā)展。研究表明，結(jié)構(gòu)填料在壓力為6.89MPa或更大時進行天然氣脫水表現(xiàn)出極佳的效果。ARCO油氣公司證實，在采用三甘醇脫水一樣的工藝條件下，結(jié)構(gòu)填料能夠?qū)⑺囊?guī)模減小，容器重量減少，部零件減少，費用降低。目前已進行了兩種類型的結(jié)構(gòu)填料測試。結(jié)構(gòu)填料提供了更大的吸收率、更高的處理量與較低的壓降。甘醇脫水工藝的另一項改進技術(shù)是使用異辛烷、甲苯等作為共沸劑的的Drizo法，其三甘醇貧液濃度可達99.998，

38、干氣露點可達-73，無氣體排放。美國Proses公司擁有的這項Proses技術(shù)，氣體處理越大，成本越低，世界上許多國家正在推廣這項技術(shù)。意大利一家公司設(shè)計并建造了一套不用有毒的芳烴溶劑，也無汽提氣損耗的Drigas裝置。采用這種裝置，三甘醇貧液濃度可達到99.95以上，濕氣溫度可達60，壓力可達15MPa。如果需要的三甘醇濃度較高，只要并入一個二級吸收塔，輸入少量的三甘醇貧液，三甘醇純度就可達到99.99。（3）其他工藝分子篩工藝，膜分離工藝分子篩能脫除天然氣中的水、硫化物和其他雜質(zhì)，也可用于酸性天然氣的干燥。目前許多天然氣田都使用分子篩干燥氣體。分子篩能將水脫除很低的水平。在分子篩干燥氣體時

39、，同時吸附了硫化氫，但需注意，在有CO2存在時，H2S可能被催化反應(yīng)為碳基硫。特殊的抗酸性分子篩的使用壽命長，能保持其脫水能力。分子篩用于氣體干燥不需要甘醇脫水那樣的預冷卻。隨著天然氣價格的上漲，許多酸性氣田要投入開發(fā)，已考慮選擇用抗酸性分子篩干燥天然氣。20世紀90年代美國天然氣研究院提出的膜分離工藝，是根據(jù)含有水蒸汽、溶解氣的流動氣體通過聚合物薄膜發(fā)生的擴散或滲透，由于不同氣體有不同的溶解度和擴散系數(shù)，氣體通過膜具有不同的移動速度，從而達到分離的目的。工業(yè)上早期使用的氣體分離膜，成本高、分離能力低，大規(guī)模使用受到限制，隨著膜分離系統(tǒng)分離能力的改進和費用的降低，1987年P(guān)ermea公司工業(yè)

40、上首先使用膜裝置干燥器來干燥壓縮空氣，能使壓縮空氣的含水量低于lppm。美國天然氣研究院與一些大型石油公司已研究開發(fā)出了用于天然氣干燥的氣體分離膜和膜系統(tǒng)。2.2.脫水工藝流程設(shè)計2.2.1脫水裝置設(shè)計此次設(shè)計所選用的脫水裝置有：臥式過濾分離器、脫水吸收塔（塔頂捕霧器和塔板之間設(shè)冷卻盤管代替氣體-甘醇換熱器）、立式閃蒸罐、三甘醇再生塔（富液精餾柱頂設(shè)換熱盤管、塔頂設(shè)回流冷凝器、塔底設(shè)重沸器）、貧液汽提柱、緩沖罐（設(shè)三甘醇貧富液換熱盤管）、三甘醇循環(huán)泵、三甘醇過濾器、三甘醇冷卻器、廢氣分液罐和灼燒爐。圖2-1 AutoCAD繪制的工藝流程設(shè)計圖（1-濕天然氣；2-出塔干氣；3-TEG 富液；4-

41、閃蒸后的TEG 富液；5-TEG 富液再生；6-再生的TEG貧液；7-TEG 貧液進塔；8-閃蒸氣；9-含水氣；10-汽提氣；11-燃料氣；12-原料氣；13-污水至污水池；14-干天然氣至輸氣干線；15-補充TEG；16-循環(huán)冷水；17-循環(huán)回水；A-臥式過濾分離器；B-脫水吸收塔；C-閃蒸罐；D-富液精餾柱；E-重沸器；F-貧液汽提柱；G-緩沖罐；H-TEG 循環(huán)泵；I-TEG 冷卻器；J-TEG 過濾器；K-廢氣分液罐；L-灼燒爐）工藝過程的中心設(shè)備是吸收塔，用泵將TEG泵人到吸收塔的頂部，TEG經(jīng)過吸收塔時與氣流逆流接觸后向下沉動，富TEG水溶液從塔底排出，再經(jīng)過冷凝器的盤管升溫并過濾

42、后，進入閃蒸罐閃蒸出富TEG中溶解的烴類組分，然后液相流人貧富甘醇換熱升溫并過濾后，進入脫水單元的再生器部分，在再生培通過加熱使TEG吸收的水分在常壓下脫除從而提濃，再生后的TEG經(jīng)貧富甘醇換熱器冷卻后，泵人吸收塔循環(huán)使用。而濕天然氣由吸收塔底進入，經(jīng)人口洗滌器后自下而上與TEG接觸傳質(zhì)，然后經(jīng)塔頂分離器后外輸。(1) 入口分離器一半以上的脫水裝置的問題都是由于入口氣體不夠充分洗滌氣而引發(fā)的的常見五種污染物是；游離水：水會增加甘醇的循環(huán)量、重沸器的熱負荷和燃料費用。油或烴類：可溶解的烴會減弱甘醇的脫水能力有游離水存在時不可溶的油會在換熱器的熱交換表面結(jié)焦，同時會增加甘醇的濃度。帶入的鹽水：鹽溶

43、解于甘醇中會腐蝕鋼材，特別是不銹鋼，容易引起重沸器火管穿孔.添加劑：如腐蝕防護劑、酸化和壓裂液，這些物質(zhì)易引起發(fā)袍、腐蝕和對火管造成熱腐蝕.團體雜質(zhì)：如砂、腐蝕產(chǎn)物(FeS、鐵銹等)，這些固體易引起發(fā)泡，侵蝕閥門和泵，堵塞塔板和填料。 進口濕氣的完全洗滌是保證裝置安全生產(chǎn)的必要前提。許多大的三甘醇脫水裝置都在吸收塔前設(shè)有分離器或洗滌器，可能的話還設(shè)有過濾器。洗滌器的負荷要能處理最大氣體流量的125。（2）吸收塔 如圖22所示，吸收塔由底部的洗氣段、中部的傳質(zhì)或干燥段、頂部的甘碎冷卻和捕霧器組成。圖22甘醇吸收塔 濕天然氣切向進入塔底部一體化的氣體洗滌器，然后穿過絲網(wǎng)捕霧器以去除隨氣體帶入的殘余

44、液體顆粒，通過這樣的兩級處理使可能進入甘醇體系的污染物最小化。一體化的氣體洗滌器是對入口分離器的補充，它不能代替入口分離器。在干燥段，氣體由下而上與由上而下三甘醇進行逆流接觸，一般需412層泡罩塔板或浮閻塔板，盡管浮閥塔比泡罩塔有較高的效率，但由于泡罩在低氣速下不致漏液，且適合粘性液體。因此，實際過程中，往往采用泡罩塔板。甘醇趨向于發(fā)袍，因此塔板間距至少應(yīng)保持204mm，比較合適的值是6l0760mm。安裝時，應(yīng)保持塔體垂直，否則由于塔板上液位不一致將影響到氣液接觸效果。塔頂?shù)牟鹅F器保證氣相中盡可能少地夾帶甘醇，捕集墊由l00200mm的不銹鋼和滌綸組成。液體的分離空間是十分重要的，從捕霧器到

45、第一塊塔板的距離至少應(yīng)為板間距的15倍。（3）閃蒸罐在甘醇吸收水分的過程中，較重的烴類包括芳香烴會不可避免地部分溶解于甘醇溶液。可應(yīng)用兩相分離器進行分離，此時溶液的停留時間為510min。如果甘醇吸收有大量的重質(zhì)烴，氣體的相對密度大，這時可選用三相分離器，其停留時間應(yīng)為2030min。氣體凝液甘醇分離的最佳條件是350500kpa(表)，3865，該條件下閃蒸出的閃蒸氣可不經(jīng)壓縮而直接作燃料氣或汽提氣使用。當油被除去后，富甘醇在閃蒸前經(jīng)過甘醇/甘醇換熱器進行預熱，加熱減小了溶液的粘度并加速了甘醇與液烴的分離。要注意的是：閃蒸時的壓力一定要能保證甘醇能流過下游的設(shè)備如換熱器和過濾器等。使用臥式閃

46、蒸罐一般能獲得較好的凝液甘醇分離效果，而立式閃蒸罐卻占有更少的平臺面積，這要進行具體的分析選用。（4）過慮器在甘醇中固體顆粒應(yīng)少于001(質(zhì)量)以避免泵的損壞、換熱器阻塞、溶液發(fā)泡、吸收塔板和再生精餾柱填料的污染、火管的熱腐蝕等。常用固體過濾器和活性炭過濾器來保證溶液的純度。前者以纖維制品、紙或玻璃纖維為濾料，除去5m以上的粒子。固體過濾器置于閃蒸罐后，此時溶液溫度較高，粘度較低，便于過濾。固體過濾器的容量應(yīng)滿足處理全部循環(huán)溶液的需要?；钚蕴窟^濾器主要是除去溶液中的溶解性雜質(zhì)，加高沸點的烴類、表面活性劑、壓縮機潤滑油以與TEG降解產(chǎn)物等。循環(huán)溶液可以全部進入活性炭過濾器處理，也可以部分處理，視

47、溶液中雜質(zhì)含量而定。溶液在過濾器的停留時間應(yīng)為1520min以保證處理效果。(5) 甘醉泵甘醇循環(huán)泵是脫水裝置的唯一一個轉(zhuǎn)動部件，它將貧甘醇從低壓升為高壓后入塔。常用的泵有三種驅(qū)動方式：高壓氣體驅(qū)動高壓液體驅(qū)動電動沒有甘醇的循環(huán)，就不能繼續(xù)脫水。因此，應(yīng)選配兩臺泵，每臺泵的能力都要能滿足全部甘醇循環(huán)的需要，一臺工作，另一臺備用：對大型裝置選擇電動、水平或正位移泵都是有利的。對小型的邊遠裝置，經(jīng)常選用高壓液體或氣體驅(qū)動的甘醇泵。從吸收塔底出來的高壓甘醇可給雙動泵提供部分動力，從吸收塔出來的高壓氣體也能提供部分動力，當然這就要求吸收塔有較高的壓力。（6）緩沖罐緩沖罐的體積要足夠大以容納從吸收塔出來

48、的全部甘醇。正常運行期間緩沖器應(yīng)半滿。同時應(yīng)有氣封以防止甘醇與空氣接觸。（7）貧富液換熱器貧/富溶液換熱器是用來控制進閃蒸罐和過濾器的富液溫度，并回收貧濃的熱量，使富液升溫至148左右進再生塔，以減輕重沸器的熱負荷。最常用的是管殼式換熱器。對小型裝置可以不設(shè)置專門的換熱器，而在貧液緩沖罐中用換熱盤管來代替(即換熱罐)。采用這種換熱形式可以簡化流程，節(jié)省投資，但其換熱效果較差，即使整個盤管均浸沒在貧液之中，換熱后的人塔富液溫度也很難超過93。TEG脫水的各種工藝流程，吸收部分大致一樣，再生部分有所不同，目的是 提高TEG的濃度。最初采用的是常壓加熱,只靠加熱來提濃TEG，受到熱分解溫度的限制，只

49、能提濃到985(質(zhì))左右，大約可使露點降達35左右。由于這種方法不能滿足要求，因而發(fā)展了其它三種再生方法。第一種是減壓再生方法。 在一定溫度壓力下，比常壓加熱多蒸出水分，提高濃度。但此法系統(tǒng)復雜，操作費用高；第二種是氣體汽提。它是國外通常采用的方法。將TEG溶液與熱的汽提氣 接觸，降低水蒸氣的分壓?？梢蕴釢獾?995(質(zhì)) ，露點降可達7585。氣與蒸出的水汽一起排 向大氣，因含大量水汽而點不著火，不能燃燒而產(chǎn)生污染。第三種是共沸再生，這是20世紀70年代發(fā)展起來的方法，采用的共沸再生沸應(yīng)具有不溶于水和TEG、與水能形成低沸點共沸物、無毒、蒸發(fā)損失小的性質(zhì)，最常用的是異辛烷。此法可將TEG提濃

50、到9995(質(zhì))，露點降達7585，共沸劑在閉路循環(huán)，無大氣污染。此法雖然不用汽提氣，但是增加了設(shè)備和汽化共沸劑的能耗。 到目前為止，國外設(shè)計的一些TEG吸收脫水裝置仍采用汽提氣再生的方法。因汽提氣量很少，雖有污染，但不影響達到環(huán)保標準。它的成本低、操作方便、提濃效果好，是該法的一大優(yōu)點，所以國大都使用此法。2.3天然氣脫水工藝發(fā)展方向2.3.1天然氣膜法脫水基本原理：混合氣體中各組分在壓力的推動下透過膜的傳遞速率不同，從而達到分離的目的。膜法脫水技術(shù)是利用特殊設(shè)計和制備的高分子氣體分離膜對天然氣中水分的優(yōu)先選擇滲透性，當原料天然氣流經(jīng)膜表面時，水分優(yōu)先透過分離膜而被脫除掉。膜法脫水特點5：利

51、用天然氣自身壓力作為凈化的推動力，幾乎無壓力損失；無試劑加入，屬“干法”凈化，凈化過程中無額外材料消耗；無須再生，無二次污染；工藝相容性強，具有同時脫除性，如在脫水的同時，部分地脫除H2S、CO2；工藝簡單，組裝方便，易操作，易橇裝；技術(shù)單元使用靈活，占地面積小。隨著膜分離法天然氣脫水越來越被人們重視成為常規(guī)胺、物理吸收和甘醇脫水等傳統(tǒng)工藝強有力的競爭對手。世界上許多廠家、商家，如美國的Separex、Grace、Monsanto和挪威的AirProduct等大化工企業(yè)以與日本的日東電工、東麗、松下等，都相繼投入大量資金和精力到天然氣膜脫水工藝與裝置的研究開發(fā)中，國外膜法天然氣脫水已實現(xiàn)工業(yè)化

52、。自20世紀80年代以來，一些國家對天然氣膜脫水技術(shù)進行了研究開發(fā)，目前已實現(xiàn)工業(yè)化 美國Separex公司開發(fā)了醋酸纖維素螺旋卷式膜組件，用于海上開發(fā)平臺天然氣脫水，其H2O/CH4分離因子為500，在7.8Mpa、38下脫水后的天然氣的水露點溫度可達-48，水蒸氣含量在10-4時，可以除去97%的水分，這對天然氣的輸送，避免管道腐蝕十分有利。由于膜分離法天然氣脫水裝置體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，減少了海上采油平臺建設(shè)的投資費用。美國Grace公司利用卷式膜組件開發(fā)了天然氣水分和酸性氣體脫除的工業(yè)試驗裝置，并在加拿大等地現(xiàn)場進行了試驗，取得了良好效果。近幾年來，挪威AirProducts公司已

53、經(jīng)開發(fā)出適用于海洋開發(fā)平臺的天然氣脫水裝置。國膜分離法天然氣脫水情況：我國于20世紀90年代初開始膜分離法天然氣脫水研究與其應(yīng)用，中科院化學物理所、中科院應(yīng)用化學所等單位在該方面進行了積極有益的探索，并取得了長足進展。中國科學研究院化學物理研究所于1994年在我國長慶氣田研制出中空纖維膜天然氣脫水裝置，并在長慶氣田進行了天然氣膜法脫水先導性試驗，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出天然氣膜法脫水工業(yè)試驗裝置，繼而進行了工業(yè)規(guī)模的現(xiàn)場試驗。該方法采用了復合膜結(jié)構(gòu)，其致密層是聚砜材料，支撐層是硅橡膠；膜組件的構(gòu)造是中空纖維式。試驗結(jié)果表明：輸氣壓力4.6MPa下 凈化氣水露點達到-8-13，甲烷回收率不低于98%。膜

54、法天然氣脫水挑戰(zhàn)傳統(tǒng)脫水方法：膜分離法脫除天然氣中水分有諸多優(yōu)點，可保持其原來的壓力，且無二次污染，具有低能耗、 低成本，易操作，花費低，高負荷和高功效等特點。膜分離器用于去除天然氣中的水汽時，它能處理含He，H2 ，CO2，CO等多種雜質(zhì)的天然氣，少量芳香烴、氯代烷、烯烴、重烴與液態(tài)烴都不會影響膜的分離性能。膜分離作為一種處理工藝，有較寬的流量適用圍。原料氣流量發(fā)生變化，可通過增加或減少膜分離器數(shù)量或者分離器的單元數(shù)來獲得同樣的分離效果，具有良好的市場前景，已經(jīng)或者正在成為傳統(tǒng)天然氣脫水方法強有力的競爭對手。美國BenBikson等2003年在給美國能源部關(guān)于天然氣濃縮用新穎合成膜和膜過程開

55、發(fā)的年度報告中，對膜過程和傳統(tǒng)的三甘醇(TEG)過程天然氣脫水進行了性能和經(jīng)濟性兩方面的評價對比。他們成功地研制了工業(yè)化的天然氣脫水用聚酰亞胺合成中空纖維膜，膜器在大于7MPa 操作壓力下，性能可靠。在凈化比為2%3%時，當進氣溫度大于32時，可使水露點下降到-1。用兩種膜器進行了經(jīng)濟分析，一種是新研制的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用膜器（膜壓差7MPa左右）， 一種是膜壓力等于5MPa左右的膜器。小規(guī)模試驗時，當膜過程在處理氣量小于283168m3/d時比TEG方法性能和經(jīng)濟性好，而在大規(guī)模試驗條件下，當處理氣量小于等于28316.8m3/d時，比TEG 性能和經(jīng)濟性好。全面驗證了膜過程天然氣脫水的優(yōu)勢和適

56、用條件。應(yīng)用前景：膜法脫水不僅適用于凈化廠集中脫水和集氣站小站脫水，同時也能夠靈活方便地應(yīng)用于邊遠井站單井脫水。天然氣集成凈化工藝脫除天然氣中的雜質(zhì)天然氣集成處理技術(shù)，可利用各自技術(shù)特有的優(yōu)勢，在滿足應(yīng)用要求的前提下降低裝置的投資和運行費用，簡化操作工藝。各種集成技術(shù)的研究和開發(fā)，必將為膜分離技術(shù)在天然氣工業(yè)中的應(yīng)用開拓廣闊的天地。膜分離技術(shù)是目前世界上比較先進的技術(shù)之一，它具有易于操作、使用壽命長、適應(yīng)圍廣、安全可靠、能耗低等技術(shù)優(yōu)點。國外的膜分離生產(chǎn)和研發(fā)技術(shù)已走在我國的前面，我國的天然氣行業(yè)雖然起步晚，但發(fā)展勢頭猛勁，更需要開發(fā)和應(yīng)用先進的工藝方法。2.3.2天然氣超音速法脫水基本原理：

57、核心部件為超音速分離器，其基本原理是利用拉瓦爾噴管。使天然氣在自身壓力作用下加速到超音速，這時天然氣的溫度和壓力會急劇下降，使天然氣中的水蒸氣冷凝成小液滴，然后在超音速下產(chǎn)生強烈的氣流旋轉(zhuǎn)將小液滴分離出來，并對于氣進行再壓縮。第一個商業(yè)化的脫水系統(tǒng)于2003年12月在馬來西亞的B11海上平臺上安裝。目前，國在這方面的研究較少。技術(shù)優(yōu)點：天然氣超音速脫水系統(tǒng)比較簡單，需要的設(shè)備少，易形成橇裝系統(tǒng)。由于天然氣高速通過脫水系統(tǒng)，因此在一樣處理能力下，其體積較小。天然氣超音速脫水系統(tǒng)沒有大的轉(zhuǎn)動部件和化學處理系統(tǒng)，其可靠性很高，日常維護很少，允許在最苛刻環(huán)境中運轉(zhuǎn)，易實現(xiàn)無人職守。超音速脫水技術(shù)利用天

58、然氣本身的壓力工作，能夠在瞬間啟動和停止工作，且不需要大量的外部能源供應(yīng)。工藝工程中不添加化學藥劑，如甲醇、乙二醇、三甘醇，避免了化學品對環(huán)境的危害。天然氣超音速脫水系統(tǒng)投資少，操作方便，可靠性高，不需外加動力，故其運行費用低。應(yīng)用前景：我國的氣田多使用多井集氣工藝，采氣管線壓力一般在10MPa以上，經(jīng)節(jié)流降壓至48MPa后進入集氣管線。防止輸送和節(jié)流過程中生成水合物，常采取加熱、注醇和低溫分離等措施。該技術(shù)容易設(shè)計成體積小、質(zhì)量輕、成本低、可靠性高的脫水橇，并且可以充分利用天然氣的壓力能。適合單井集氣工藝的井口、多井集氣工藝的集氣站的天然氣脫水，取代加熱、注醇、低溫分離和三甘醇脫水等系統(tǒng)。因

59、此，開展天然氣超音速脫水與天然氣脫水技術(shù)研究將非常必要和有意義。3脫水工藝計算3.1原料氣與凈化氣氣質(zhì)3.1.1原料氣（1）原料氣來自天然氣凈化廠脫硫裝置的濕凈化氣,其氣質(zhì)條件如下：表3-1 原料氣組成 組分%（mol）C196.6C20.98C30.42C40.14N21.1CO20.21H2S0.36H2O0.19合計100.00注：原料氣不含有機硫。（2）原料氣處理量 1106m3/d（3）原料氣溫度 2738（4）原料氣壓力 4.2mpa(g)3.1.2脫水后凈化氣的氣質(zhì)條件產(chǎn)品氣溫度 40水露點/含量 0.006m故降液管底細高度設(shè)計合理。選用凹形受液盤，深度=50mm。3.3.4

60、吸收塔高度吸收塔直徑D=0.8m吸收塔塔板間距為0.60m，共9層塔板，高度=5.4m進口氣滌器高度(1D)=0.8m貧甘醇進口至塔頂捕霧器高度(1D)=0.8m裙底取1.5m吸收塔總高度H=5.4+0.8+0.8+1.5=8.5m3.4 熱量衡算3.4.1 重沸器重沸器的熱負荷按經(jīng)驗法確定：根據(jù)脫水量由式(4.6)估算，即 (4.6)式中QR脫除1kg水所需的重沸器熱負荷，kJ/kg水；LG甘醇循環(huán)量，L/kg水； kJ/kg水。重沸器熱負荷QRT=10417.428.67=298666.858kJ/h=82.96kw考慮15%的設(shè)計裕量，故重沸器熱負荷取95.4kw重沸器火管傳熱表面的熱流