第7章天然气的脱水概要

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1、1,第七章 天然气的脱水 内容提要,第一节 概 述,第二节 溶剂吸收法脱水,基本原理、设计计算,第三节 固体吸附法脱水,基本原理、设计计算,2,基本要求,了解天然气脱水的必要性、脱水方法和脱水深度； 重点掌握溶剂吸收脱水和固体吸附脱水的原理、工艺流程和工艺计算。,3,第一节 概 述 水的危害（为何要脱水？）： 天然气中液相水存在时，在一定条件下会形成水合物，堵塞管路、设备、影响集输生产的正常进行。 对于含有CO2、H2S等酸性气体的天然气，由于液相水的存在，会造成设备、管道的腐蚀。,4,天然气脱水深度要求,满足用户的要求； 管输天然气水露点在起点输送压力下， 宜比管外环境最低温度低510； 对

2、天然气凝液回收装置，水露点应低于最低制冷温度510,5,1低温冷凝法 2溶剂吸收脱水法 3固体吸附脱水法 有时采用2、3两种方式相结合的两步脱水法：第一步用溶剂吸附法使天然气达到一定的露点降；第二步用固体吸附法来达到深度脱水的目的。,天然气的脱水方法：,6,第二节 溶剂吸收法脱水,一、甘醇脱水的基本原理和物理性质 1、甘醇脱水的基本原理 甘醇是直链的二元醇，其通用化学式是CnH2n(OH)2。,7,从分子结构看，每个甘醇分子中都有两个羟基（）。羟基在结构上与水相似，可以形成氢键，氢键的特点是能和电负性较大的原子相连，包括同一分子或另一分子中电负性较大的原子，所以甘醇与水能够完全互溶，并表现出很

3、强的吸水性。 因此甘醇水溶液可将天然气中的水蒸气萃取出来形成甘醇稀溶液，使天然气中水汽量大幅度下降。,8,2、甘醇的物理性质,9,一甘醇（乙二醇）、二甘醇、三甘醇、四甘醇,分子量增大、粘度增大、脱水露点降变小。,10,三甘醇（TEG）的优点是： (1) 沸点较高(285.5)，比二甘醇（244.8 ）约高40，可在较高的温度下再生，即使在常压下再生贫液浓度也可达98.598.7%以上，因而露点降比二甘醇多822左右。 (2) 蒸气压较低。27时，仅为二甘醇的20%，因而损耗小。 (3) 热力学性质稳定。理论热分解温度(206.7)约比二甘醇（164.4 ）高40。,11,二、三甘醇吸收脱水的原

4、理流程,7-5,12,13,图7-6所示为一典型的板式吸收塔。脱水吸收塔通常有612个塔盘。,14,流程中各设备的作用是： 入口分离器 除去自由水、液烃和盐水，以避免由于溶液发泡而造成的溶剂损失和塔效率的下降； 雾液分离器 分离干气携带的 吸 收 塔 是气流传质的场所，使气相中的水分转入中；,15,泵 输送设备； 贫液冷却器 冷却贫甘醇以达到需要的温度； 闪 蒸 器 使富液闪蒸除去进入富液中的轻组分，减少再生塔的再生负荷； 贫富液热交换器 使贫液温度下降，富液温度升高，充分利用热能；,流程中各设备的作用是：,16,流程中各设备的作用是：,再 生塔 提浓富液的场所（精馏原理）； 缓 冲 罐 缓冲

5、、贮存、补充液体； 过 滤 器 过滤溶液，除去腐蚀产物及其它杂质，减少溶液发泡的可能性。,17,问题：,影响三甘醇脱水关键因素是什么？,三甘醇贫液浓度,18,提高三甘醇贫液浓度的方法 (1) 减压再生 可将三甘醇提浓至98.5%（质）以上。但减压系统比较复杂，限制了该法的应用。 (2) 气体汽提 典型流程见图7-7。 气体汽提是将甘醇溶液同热的汽提气接触，以降低溶液表面的水蒸气分压，使甘醇溶液得以提浓到98.5%(质)以上。此法是现行三甘醇脱水装置中应用较多的再生方法。,19,7-7,20,(3) 共沸再生 共沸再生流程见图7-8。 共沸剂与三甘醇溶液中的残留水形成低沸点共沸物汽化，从再生塔顶

6、流出，经冷凝冷却后，进入共沸物分离器，分去水后，共沸剂用泵再打回重沸器。 共沸剂最常用的是异辛烷。可将甘醇溶液提浓至99.99%(质)，干气露点可低达-73。,21,7-8,22,三、三甘醇法脱水的工艺参数选取原则,影响脱水效果的因素包括：贫三甘醇的浓度、三甘醇循环速率、处理量、操作压力和温度以及影响平衡过程的其它因素。,23,1入口气体温度 （1）在恒定压力条件下，当入口气体温度升高时，入口气体的含水量增加。也就是说，在较高的温度下，甘醇不得不清除更多的水量才能符合要求。 （2）气体温度的升高，会导致所需的吸收塔塔径的增加。这是由于温度升高实际上增大了气流的速度所致。,24,（3）最低的气体

7、入口温度应高于水合物形成的温度并应总是高于10C。若低于10C，甘醇会变稠。低于1521C，甘醇会同气体中的液体烃类形成稳定的乳化液，并在塔内导致发泡。 入口气温度超过48C将导致三甘醇的损失增大。,1入口气体温度,25,通常所设计的三甘醇装置的入口气体温度都在2643C之间。,26,2塔内压力 认为3.458.27MPa的脱水压力是最经济的。 为什么？,27,3贫甘醇的温度 多数设计要求贫甘醇温度较吸收塔的出口气体温度高10C。 为什么？,28,4吸收塔的塔板数 在甘醇循环率和贫甘醇浓度恒定情况下，塔板数越多，露点降越大。 由于再沸器的热负荷与甘醇循环率有直接的关系，故所用的塔板数愈多，节约

8、燃料也愈多。通常多数塔板都定为68块。,29,5甘醇的浓度 在给定了甘醇循环率和塔板数的情况下，贫甘醇的浓度越高，露点降就越大。,30,7-9,离开吸收塔的气体的实际露点，一般较平衡露点高5.58.3C。,书中改错,31,对于露点降，增加贫甘醇浓度较增加循环率更有效。,7-10,32,6甘醇再（重）沸器温度,再沸器的温度可控制水在贫甘醇中的浓度，温度越高，贫甘醇浓度也越大。通常把三甘醇再沸器的温度限制为204C 一般比较流行的作法是，把再沸器的温度限制在188199C之间，这样可将甘醇的降解减至最小，从而有效地将甘醇浓度限制在98.2%98.5%之间,33,甘醇同汽提气的接触能降低离开再沸器的

9、贫甘醇中水的浓度。在常温常压下，常使用被水蒸气饱和的湿气作为汽提气。,7汽提气,34,8甘醇循环率,能够保证甘醇与气体接触较好的最小循环率大约是脱除每1kg水需16.7L的甘醇；保证最大的循环率为清除1kg水需58.4L甘醇；而最常用的范围是吸收1kg水需2560L 三甘醇溶液。,35,三甘醇脱水装置的工艺计算,一吸收塔的工艺计算 吸收塔的工艺计算包括：确定吸收剂的浓度、循环量、塔板数以及塔径等吸收塔的尺寸。,36,一吸收塔的工艺计算,1.进塔贫甘醇溶液浓度的确定 根据图7-9可确定在一定操作温度下，欲达到干气平衡露点所必须的贫三甘醇溶液的最低浓度。 出塔干气的真实水露点温度比平衡水露点温度高

10、， tr= te + t (7-1) 一般可取 t = 8 11C,37,7-9,38,2、吸收剂贫三甘醇溶液用量的确定,G脱出的水量，kg/d(或kg/h)； V进入吸收塔的天然气量，Nm3/d(或Nm3/h)； y进入吸收塔的天然气含水汽量，g重/Nm3 y离开吸收塔的干气含水汽量，g重/Nm3,39,2、吸收剂贫三甘醇溶液用量的确定（续）,则三甘醇贫液用量V为,式中 a由天然气中每吸收1公斤水所需要的三甘醇溶液量，m3，一般a取为0.0250.06m3。,40,3、吸收塔塔板数的确定,其中 L三甘醇溶液循环量，mol/h V原料天然气流量，mol/h K气相中水汽和三甘醇水溶液中液相水之

11、间的平衡常数。 A吸收因子,吸收因子的计算：,（7-5）,41,3、吸收塔塔板数的确定（续）,Kremser-Brown方程,式中 yN+1进吸收塔湿原料气中水的摩尔分数 y1离开吸收塔干气中水的摩尔分数 y0当离塔干气与进塔贫三甘醇溶液处于平衡时，干气中水的摩尔分数 N吸收塔理论塔板数 A吸收因子,吸收因子A,42,3、吸收塔塔板数的确定（续）,平衡常数 式中y气相中水的摩尔分数； x与气相平衡的三甘醇溶液中水的摩尔分数。,43,3、吸收塔塔板数的确定（续）,式中 W0操作条件下与纯液相水呈平衡状态的饱和水汽含量，kg水汽/百万Nm3天然气。 r三甘醇水溶液水的活度系数。可由图7-15查得。

12、,（7-11）,44,图7-16 克列姆塞尔吸收因子图,45,3、吸收塔塔板数的确定（续）,塔板效率,Np实际板数。 N理论板数。 效率一般可取为2540%,46,4甘醇吸收塔的选型和塔径计算,小直径三甘醇吸收塔可选用填料塔型；直径较大时，则应选用板式塔。由于三甘醇溶液循环量很小，为有利于气-液传质，保证塔板液封，增加操作弹性，多采用园泡罩塔板，也有采用浮阀塔板。,47,泡罩塔塔径计算,式中 Ga气体的最大允许质量速度，kg/hm2（空塔气体质量流速Ga ） l吸收塔中液相密度，kg/m3 g吸收塔中气相密度，kg/m3 C常数，可由表7-3或图7-18查得。,48,泡罩塔塔径计算（续）,49

13、,50,设计气体质量流量,泡罩塔塔径计算（续）,51,式中 G被处理气体的质量流量，kg/h，按下式计算 G=0.05Q （7-18） 或 G=0.00173QMn （7-19） 其中 Q被处理气体的体积流量，基米3/天， 天然气相对密度（空气相对密度为1.0） Mn被处理气体的分子量,泡罩塔塔径计算（续）,52,二三甘醇再生系统的计算,1再生系统操作条件的确定 (1)再生温度和压力 再生温度和压力 一般采用常压再生。 常压下，三甘醇的热分解温度约为206C。因而重沸器的温度不应高于此值，通常为191193C，最高不应超过204。,53,1再生系统操作条件的确定,在罐式重沸器中，气液两相可认为

14、达到平衡，此汽一液两相平衡系统的温度和压力关系如图7-19所示。已知重沸器压力（甘醇蒸汽和水蒸汽分压之和）和要求达到的三甘醇溶液浓度，则由图7-19可以查出相应的重沸器温度，如有惰性气体存在时，则应由重沸器压力中扣除惰性气体分压后，再由图查出相应的温度。,54,55,1再生系统操作条件的确定,（2）再生塔回流比 由于三甘醇和水的沸点相差较大（三甘醇沸点为285.5C，水为100C），较易分离，一般采用回流比约为1:1。,56,1再生系统操作条件的确定,（3)汽提气及其用量 利用汽提气进行再生时，所用汽提气应不溶于水，且在204C以前是稳定的气体。现场常用压力为294588kPa（表压）的干天然

15、气，或者三甘醇富液的闪蒸气作为再生汽提气。,57,1再生系统操作条件的确定,随汽提气用量增加，再生贫三甘醇溶液浓度增加。但是，汽提量增加到一定值后，三甘醇溶液浓度增加缓慢。因此应适当使用汽提量，并控制勿使汽提柱发生液泛。可利用图7-21计算汽提气用量。,58,图7-21 确定汽提气用量的计算图,59,图7-21a 常压和汽提再生查图方法,B,T,K1,A,X,K2,（3）汽提气用量,60,常压和汽提再生查图步骤,由顶部三甘醇贫液浓度浓度线上确定B点，由B点作垂线直接与再沸器操作温度的等温线交于K1，然后由K1作水平线K1X。 由底部三甘醇富液浓度线确定A点，由A点作垂线与K1X相交于K2点，由K2点即可读出应注入再生系统的汽提量，如图7-21a）。,61,减压和汽提再生查图方法,62,（1）如图所示，由所需要达到的贫三甘醇溶液浓度，在顶部贫甘醇浓度线上确定B点，由B点作垂线交与重沸器操作压力对应的等压线于K1点，再由K1点作水平线交101.325kPa（760mmHg）等压线于K2点；由K2点作垂线交与再沸器操作温度对应的等温线于K3点，由K3作水平线K 3X。,减压和汽提再生查图步骤,63,（2）根据进再生塔的富液浓度，由底部富三甘醇溶液浓度线上确定A点；由A点作垂线交K3X线于K4点，由K4点即可读出应注入再生系统的汽提气量。,减压