第7章__天然气的脱水三甘醇

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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5 10 对天然气凝液回收装置 水露点应低于最低

2、制冷温度5 10 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 并表现出很强的吸水性 因此甘醇水溶液可将天然气中的水蒸气萃取

3、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 5 98 7 以上 因而露点降比二甘醇多8 22 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

4、6 12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 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

5、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

6、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 最低的气体入口温度应高于水合物形成的温度并应总是高于10 C 若低于10 C 甘醇会变稠 低于15 21 C 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48 C将导致三

7、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26 43 C之间 26 2 塔内压力认为3 45 8 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10 C 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 节约燃料也愈多 通常多数塔板都定为6 8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

8、5 5 8 3 C 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204 C一般比较流行的作法是 把再沸器的温度限制在188 199 C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

9、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25 60L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 tr te t 7 1 一般可取 t 8 11 C 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

10、Nm3 h y 进入吸收塔的天然气含水汽量 g重 Nm3y 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0 025 0 06m3 40 3 吸收塔塔板数的确定 其中L 三甘醇溶液循环量 mol hV 原料天然气流量 mol hK 气相中水汽和三甘醇水溶液中液相水之间的平衡常数 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

11、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 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25 40 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

12、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 h m2 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 m3C 常数 可由表7 3或图7 18查得 48 泡罩塔塔径计算 续 49 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

13、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206 C 因而重沸器的温度不应高于此值 通常为191 193 C 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

14、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 5 C 水为100 C 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204 C以前是稳定的气体 现场常用压力为294 588kPa 表压 的干天然气 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

15、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 325k

16、Pa 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K3X 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 减压和汽提再生查图步骤 64 2 再生设备尺寸确定 1 三甘醇重沸器的选型及计算1 选型三甘醇再生重沸器的加热方式有 火管加热 蒸汽加热 国外还有热载体加热及燃气轮机废气加热等 井场快装式脱水装置几乎都是采用天然气直接火管加热 天然气净化厂的脱水装置通常采用2 5 3 9MPa 表 的蒸汽或天然气直接火管加热 65 2 重沸器热负荷 q 557435L式中q 重沸器的总热负荷 J h L 甘醇循环量 L h 66 2 重沸器热负荷 式中 q1 水蒸汽带走的热量 kJ h q2 回流所耗热量 kJ h q3 汽提气加热所耗热量 kJ h q4 贫液带出的热量 kJ h q5 富液带入的热量 kJ h 67 3 重沸器的供热量 热流强度 热效率 供热量重沸器供热量取决于贫 富甘醇换热情况和换热效率 一般选单位体积