三甘醇脱水工艺探讨

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1、三甘醇脱水工艺探讨三甘醇脱水工艺探讨郝蕴(中海石油研究中心开发设计院)摘要以东方1-1气Etl项目基本设计中的三甘醇脱水装置为例，探讨三甘醇脱水工艺的一般流 程、主要设备的性能、工艺计算步骤及主要工艺参数的选择和确定。关键词：天然气脱三甘醇x自地下储集层中采出的天然气及脱硫后的天然气中一般都含有饱和水蒸气，水蒸气的存 在会对天然气的输送和加工造成困难。为了使天然气在管道输送和加工过程中符合一定的质 量要求(如符合水露点或水含量指标等)，必须对其进行脱水处理。天然气脱水就是脱除天然气 中的水蒸气，使其露点达到一定的要求。脱水前含水天然气与脱水后干气的露点差称为露点 降，一般用露点降来表示天然气的

2、脱水深度。 目前常用的天然气脱水方法主要有4种：冷冻分离法、溶剂吸收法、固体干燥剂吸附法和 化学反应法，其中普遍采用的是溶剂吸收法和固体干燥剂吸附法。用溶剂吸收法脱水时，常使 用甘醇类化合物，即乙二醇、二甘醇和三甘醇。相对于前两者，三甘醇溶液具有热稳定性好、易 于再生、吸湿性很高、蒸气压低、携带损失量小、运行可靠、达到的露点降大、浓溶液不会固化等 优点，因而在国外得到了广泛的应用；据统计，仅在美国投入使用的溶剂吸收法中，三甘醇溶液 使用量就占到85。在我国，因考虑各类甘醇的产量及价格等因素，二甘醇和三甘醇均有采 用，而海洋石油工业现选用的天然气脱水溶剂都是三甘醇溶液。下面以正在进行的东方11项

3、 目基本设计中的三甘醇脱水装置为例，对三甘醇脱水工艺的般流程、主要设备性能、工艺计 算步骤及主要工艺参数的选择确定等做一简要介绍。1工艺流程特点11三甘醇溶液特性 三甘醇(TEG)学名三乙二醇醚，分子式为HO(CH：)：O(CH。)。O (CH。)。OH，是环氧乙烷水合制乙二醇的副产品，也可由环氧乙烷和乙二醇作用而得，其主 要物理特性见表1。从其分子结构可以看出，三甘醇的亲水性之所以较好是因为含有3个游离 的氧原子，能够与水中的氧原子形成氢键。除此而外，三甘醇热稳定性好，其黏度和在液烃中的 溶解度较低等因素，也促使它成为最为广泛使用的天然气脱水溶剂。表1三甘醇常见的物理特性12 一般工艺流程

4、常见的三甘醇脱水装置主要分为吸收和再生两部分，分别应用了吸45一一2000年度中海石油研究中心科技创新宣讲论文集收、分离、气液接触、传质、传热和抽提等原理，露点降通常可以达到3060 C，最高可达85 C。 东方11项目采用了2套并联的三甘醇脱水装置，每套装置的设计处理能力为整个处理能力 的50。装置最大进气流量为371万ITI 3d，湿天然气进吸收塔的最高压力为76 MPa，最高温 度为348 C，所用贫甘醇溶液的质量分数为985，天然气达到的露点降为30 C。图1为东 方ll气田项目三甘醇脱水装置吸收部分的工艺流程；图2为该项目再生部分的工艺流程。该项目主要流程是：湿天然气首先进入吸收部分

5、的过滤分离器，以除去游离液体和固体杂 质，随后进入吸收塔的底部，由下向上与压力和温度分别为795MPa、42 C的985的贫三 甘醇溶液逆向接触，使气体中的水蒸气被三甘醇溶液所吸收。离开吸收塔顶部的于气流经气体 三甘醇换热器，以冷却由再生部分进入吸收塔的三甘醇贫液，随后进入管道外输。经气体三 甘醇换热器冷却后的贫三甘醇溶液温度降至42 C后进入吸收塔顶部。在吸收了天然气中的水 蒸气后三甘醇富液(质量分数为909)从吸收塔底部流出进入再生部分，在贫富三甘醇换 热器(冷)中与再生好的热三甘醇贫液换热至60 C后进入闪蒸分离器中；在这里分离出被三甘 醇溶液吸收的烃类气体经上部出口排空，而由闪蒸分离器

6、底部排出的富三甘醇则依次经过纤 维过滤器和活性炭过滤器，以除去其在吸收塔中吸收与携带过来的少量固体、液烃、化学剂及 其他杂质。随后，富三甘醇溶液经贫富三甘醇换热器(热)预热至108 C，进入重沸器上部的精 馏柱中；在这里富三甘醇向下流入重沸器，与由重沸器中气化上升的热三甘醇蒸气和水蒸气 接触，进行传热与传质；重沸器在常压下操作，操作温度为191 C。重沸器内由富三甘醇中气化 的水蒸气经精馏柱顶部排至大气，再生好的贫三甘醇溶液由此流出后经贫富三甘醇换热器 (冷)冷却至122 C，然后经三甘醇泵加压至803 MPa后去气体三甘醇换热器进一步冷却，最 后进入吸收塔顶部循环使用。 目前在三甘醇脱水的各

7、类工艺流程中，吸收部分大致与上面介绍的图1相同，再生部分 与图2相比则有些不同。由于上述再生提浓方法采用的是常压加热法，只能靠加热来提浓三甘 醇溶液受到其热分解温度的影响，一般只能提浓到985，可使露点降达35 C左右。一些三 甘醇吸收脱水装景为保证再生后的贫三甘醇的质量分数在99以上通常还采用另外3种再 生提浓方法：第1种是减压再生法，这种方法与炼油厂的减压蒸馏原理是一样的，即在一定的 温度和压力下从三甘醇溶液中蒸馏出更多的水分，从而达到提浓的目的；虽然效果不错，但此 法系统较为复杂，操作费用高。第2种是气体汽提法，即向重沸器中通入由燃料气引出的汽提 气，用以搅动三甘醇溶液，使滞留在高浓度三

8、甘醇溶液中的水蒸气逸出同时也降低了水蒸气 的分压，使更多的水蒸气从重沸器和精馏柱中脱除，从而将贫三甘醇溶液的浓度进一步提高； 这种方法汽提气用量很少，成本低，操作简便，贫三甘醇的质量分数可达995，虽然略有污 染，但符合环保标准。第3种是共沸再生法，这是20世纪70年代由美国杜邦公司提出并发展 起来的方法，称为Drizo法。所采用的共沸剂应具有不溶于水和三甘醇、与水能形成低沸点共 沸物且无毒、蒸发损失小等特点，最常用的是异辛烷。此法能将三甘醇溶液提浓到9999露 点降达7585 C，共沸剂损失量很小，但此法最大的缺点是增加了设备和汽化共沸物的能耗。 根据目前国内外的使用情况看，绝大多数三甘醇脱

9、水装置都采用气体汽提的再生方法。海洋石 油工业的三甘醇脱水装置由于需要达到的露点降相对不高，因而其再生工艺主要以常压加热 法为主，间或采用气体汽提法。 13东方l一1气田项目三甘醇脱水装置工艺特点 东方11气田项目三甘醇脱水装置除 采用常压加热的再生提浓方法外，其工艺流程还有以下特点：46郝蕴：三甘醇脱水工艺探讨方终端图1 东方11气田项目基本设计阶段三甘醇脱水装置吸收部分的工艺流程图至大气三甘醇泵图2东方1l气田项目基本设计阶段三甘醇脱水装置再生部分的工艺流程图(1)吸收塔采用规整填料塔代替传统的板式泡罩塔，从而节省了大量的费用与空间。 (2)由 闪蒸分离器出来的富三甘醇溶液分别采用“满流型

10、套管过滤器和活性炭过滤器进472000年度中海石油研究中心科技创新宣讲论文集行过滤，以减少富三甘醇起泡并除去其中携带的重烃与杂质。 (3)由吸收塔底出来的富三甘醇在经贫富三甘醇换热器(冷)预热时换热温度定为60 C；这一温度足以降低富三甘醇的黏度并有利于闪蒸分离器中液烃与三甘醇的分离(此时若 过量加热会导致三甘醇汽化而损失，而加热温度过低则不会降低富三甘醇溶液的黏度，反而增 加了活性炭过滤器和重沸器的负荷)。2主要设备21 吸收部分主要设备 211过滤分离器 过滤分离器是湿天然气所接触的第1个设备，只要湿天然气中含有液 态 水、烃及固体杂质(石蜡、沙子、钻井泥浆)等物质中的任何一种，就会造成以

11、下影响：(1)降低 甘醇溶液的脱水能力，使甘醇溶液起泡；(2)引起甘醇较高的损失；(3)增加甘醇溶液的循环 量，降低吸收塔的吸收效率，增加吸收塔的维修量。过滤分离器的作用就是在湿天然气脱水之前将这些液态和固态的杂质分离出来。过滤分 离器通常分为卧式和立式2种类型，海洋平台一般采用卧式两相或三相双桶分离器，因为它与 立式分离器相比易使液液得到较好的分离，且内部构造较为简单。气体处理量可根据修改的 Stokes定律来确定，液体处理量则主要取决于液体在容器中的停留时间。 212吸收塔 吸收塔(接触塔)是三甘醇脱水装置最主要的设备，通常由底部的进口气涤 器(洗涤器)、中部的吸收段和顶部的捕雾器3部分组

12、成。由于液体流量小，同时又不是塔尺寸 计算的一个决定性因素，吸收塔的直径主要由气体流速与空塔速度决定；塔内的塔板数和所占 空间则决定了吸收塔的高度(在海洋平台设计时要考虑到平台的净空高度)。吸收塔分为板式塔和填料塔2种类型。前者通常采用泡罩(帽)塔板在确定了进料气所要 求的露点降、吸收塔的温度和压力等参数后，可根据贫三甘醇浓度、三甘醇循环量和露点降之 间的关系，来选择合适的贫三甘醇浓度和吸收塔塔板数。实践证明，任何泡罩式甘醇吸收塔至 少要有4块实际塔板数才能有良好的脱水效果，一般采用412块。填料塔主要采用瓷质鞍形 填料和不锈钢环，一般根据填料效率和填料系数选择填料的尺寸。表2列出了2种不同形

13、式吸 收塔的优缺点对比。表2板式吸收塔和填料式吸收塔优缺点对比鉴于板式塔技术发展成熟，且一直存在这样的看法，即填料塔直径不宜超过600mm，直径 大了其造价比板式塔高，因而海洋石油工业所用的三甘醇脱水装置均采用板式吸收塔。但近年 来，随着新型高效开孔填料的开发，上述看法值得商榷，采用新型填料塔代替泡罩板式塔做为48一一2000年度中海石油研究中心科技创新宣讲论文集失量。当三甘醇溶液所吸收的重烃中含有芳香烃时，应将放空气引至地面，使其在罐中冷凝，排 放的冷凝物应符合笨的排放规定；对于含硫化氢的放空气，可采用灼烧的方法进行处理e 精馏柱的直径可根据其底部所需的气、液负荷来确定，也可按下述的经验公式

14、心3来估算：72D一2477qLl 式中：D为精馏柱直径，mm；gL为三甘醇溶液循环量，ITl3h。 225再生塔及重沸器 三甘醇脱水装置的再生系统主要由再生塔和重沸器组成，其中重 沸 器的作用是用来提供热量将富三甘醇加热至一定温度，使富三甘醇中所吸收的水分汽化并 从 精馏柱顶排放，同时提供回流热负荷及补充散热损失，再生塔的作用是使三甘醇溶液在此得 到提浓。 由于三甘醇溶液和水的沸点相差很大，且不生成共沸物，较易分离，再生塔只需2至3块 理论塔板即可。重沸器通常为卧式容器，采用釜式结构，一般采用火管直接加热、水蒸气或热油 间接加热、电加热以及废气加热等4种加热的形式，其各自的特点见表4。当采用

15、赢火式加热 时，要注意将重沸器安装在平台下风向的一个安全的地方；当采用水蒸气或热油作热源时，热 流密度由热源温度控制，热源温度的推荐值为232C，有时也可用260C。不论采用何种热源， 重沸器内三甘醇溶液液位应比顶部传热管高150 mm。重沸器的热负荷可根据脱水量由下述经验公式23估算： QR；2171+27488 LG式中：Qn为脱除l kg水所需的重沸器热负荷，kJkg；LG为三甘醇循环量，Lkg。 需要说明 的是，由上式估算出的重沸器热负荷既未考虑汽提气的影响，也未考虑火管式的燃烧效率。表4 t沸器不同加热形式的特点形式特点火管直接加热 具有很大的灵活性I控制简单；在海上环境下较易进行锅炉的清洗 水蒸气或热油加热减小了直接加热潜在的危险I装置造价比直火加热高15“电加热 最大限度地减少了火灾的发生；简化了区域分类，装置造价比直火加热高15；装置的热 交换速率较低废气加热 有效利用了平台上大型透平机及往复式发动机的废气3工艺计算步骤在进行三甘醇脱水装置工艺计算时，首先需要确定5个基础数据：(1)进料气流量；(2)进 料气温度；(3)吸收塔操作压力l(4)进料气组成和相对密度；(5)要求的露点降或出吸收塔干气 的露点