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1、天然气脱水,第一节 天然气脱水的必要性 第二节 溶剂吸收法脱水 第三节 固体吸附法脱水,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。,第一节 天然气脱水的必要性,天然气脱水的必要性； 天然气脱水方法； 天然气脱水深度。,水的析出将降低输气量，增加动力消耗 ； 水的存在将加速H2S或CO2对管线和设备的腐蚀； 导致生成水合物，使管线和设备堵塞。 因上述三方面原因，所以有必要对天然气进行脱水处理。,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57； 对天然气凝液回收装置，水露点应低于最低制冷温度
2、57。,低温法脱水； 溶剂吸收法脱水； 固体吸附法脱水； 应用膜分离技术脱水,天然气脱水方法,低温法脱水； 溶剂吸收法脱水； 固体吸附法脱水； 应用膜分离技术脱水。,第二节 溶剂吸收法脱水,一、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。二甘醇(DEG)和三甘醇(TEG)的分子结构如下：,甘醇水溶液将天然气中的水蒸气萃取出来形成甘醇稀溶液（又称富液），使天然气中水汽量大幅度下降。,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
3、溶，并表现出很强的吸水性。,二、甘醇的物理性质,常用甘醇脱水剂的物理性质如下表所示。在天然气开发初期，脱水采用二甘醇，由于其再生温度的限制，其贫液浓度一般为95左右，露点降仅约2530。50年代以后，由于三甘醇的贫液浓浓度可达 9899，露点降大，逐渐用三甘醇（TEG）代替二甘醇作为吸收剂。,表常用甘醇的物理性质,三甘醇吸收剂的特点,沸点较高(287.4)，贫液浓度可达9899%以上，露点降为3347。 蒸气压较低。27时，仅为二甘醇的20%，携带损失小。 热力学性质稳定。理论热分解温度(207)约比二甘醇高40。 脱水操作费用比二甘醇法低。,三、三甘醇脱水流程和设备,三甘醇脱水工艺流程如图1
4、所示。脱水装置主要包括两大部分： 天然气在吸收塔的脱水系统； 富TEG溶液的再生系统（提浓）。,1. 工艺流程,图1 三甘醇脱水工艺流程,如上图所示， 三甘醇脱水工艺中主要设备有原料气分离器、吸收塔、闪蒸罐、过滤器、贫/富液换热器、再生塔和重沸器等。,1. 工艺流程,2. 原料气分离器,其功能是分离出原料气中烃类夹带的固体或液滴，如砂子、管线腐蚀产物、水、油等。常用卧式或立式的重力分离器，内装金属网除沫器。如原料气中夹带有很多细小的固体粒子或液滴，应考虑采用过滤式分离器或水洗式旋风分离器。,3. 吸收塔,吸收塔可采用填料塔或板式塔，塔顶应设置除沫器。虽泡罩塔型的效率略低于浮阀型，但三甘醇溶液比
5、较粘稠，塔内的液/气比较低，故采用泡罩塔盘更为适宜，实际塔板数为410块。塔径小于300mm时应采用填料塔，常用的填料有瓷质鞍型填料和不锈钢环。,4. 闪蒸罐,三甘醇装置中有一定量的烃类气体会溶解在三甘醇溶液中，烃类的溶解量与压力有关，压力愈高，则溶解量愈大（图2），闪蒸罐的功能是将溶解在三甘醇溶液中的烃类闪蒸出来，防止溶液发泡。,15,图2 天然气在甘醇溶液中的溶解度 指101.325kPa，20的气体体积,5. 过滤器,过滤器的功能是除去三甘醇溶液中的固体粒子和溶解性杂质。常用的有固体过滤器和活性炭过滤器两种。,6. 贫/富换热器,贫/富换热器是用来进控制闪蒸罐和过滤器的富液温度，回收贫液
6、的热量，使富液升温到148左右再进再生塔，以减轻重沸器的热负荷。最常用的是管壳式换热器。,7再生塔,主要由再生塔和再沸器组成再生系统，其功能是蒸出富三甘醇中的水，使之提浓。由于三甘醇和水的沸点相差甚大，且不生成共沸物，较易分离，故再生塔只需23块理论塔板即可，其中1块即为再沸器。,四、影响三甘醇脱水效果的参数,三甘醇脱水是基于吸收原理而实现的。影响脱水效果的主要参数有： 进气温度； 吸收塔的操作压力和塔板数； 三甘醇贫液浓度和温度； 三甘醇循环量。,1. 进气温度,一般入塔气体的质量流量大于塔内三甘醇溶液的质量流量，可以认为吸收塔的操作温度大致与进气温度相当，而且吸收塔内各点的温度差不会超过2
7、。,进气温度对脱水效果的影响表现在以下几方面：,进气温度较高将增加装置的脱水负荷和增大甘醇的气化损失量。 在三甘醇浓度不变时，出塔气体平衡露点随进气温度的下降而降低（图3）。 因低温下，三甘醇变得非常粘稠导致塔效率降低、压降增大和携带损失。 进塔的天然气温度应维持在1548。,21,图3 与不同浓度三甘醇相平衡的气体水露点（压力10010000kPa）,2. 吸收塔的操作压力和塔板数,实践证明，吸收塔的操作压力低于20MPa时，出塔干气露点温度基本上与吸收塔操作压力无关。 维持较高压力，气体含水量较少，并能减少塔径，但增大了塔的壁厚。通常认为2.510MPa的脱水压力是较经济的。,在甘醇循环率
8、和贫甘醇浓度恒定情况下，塔板数越多，露点降越大。通常多数塔板都定为68块。 在各级塔板上，甘醇并没有都达到平衡状态。通常用25%的塔板效率作设计。在泡罩式塔内，相邻塔板的间隔一般为610mm。,2. 吸收塔的操作压力和塔板数,3. 三甘醇浓度和温度,图3所示曲线是不同操作温度下天然气与各种不同浓度三甘醇溶液接触的水露点平衡曲线。从图中可以看出，气体露点随三甘醇浓度增加有显著的下降。因此，降低出塔干气露点的主要途径是提高三甘醇贫液浓度。,三甘醇与气流中水蒸汽的平衡条件受温度影响，温度高气流中水汽含量高，同时增加了甘醇损失，但甘醇温度低使烃类在塔中冷凝而引起甘醇发泡。多数设计要求三甘醇的温度略高于
9、气流温度10（API推荐1030），且三甘醇进塔温度宜低于60 。,3. 三甘醇浓度和温度,4. 三甘醇循环量,甘醇的浓度主要影响干气的露点，甘醇循环率仅控制着总的被清除的水量。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，而最常用的范围是吸收1kg水需2560L 三甘醇溶液。图4图6为三甘醇循环量与气体露点降的关系图。,27,图4 三甘醇循环量与露点降关系图(a),28,图5 甘醇循环量与露点降关系图(b),29,图6 甘醇循环量与露点降关系图(c),循环量和塔板数固定时，三甘醇浓度愈高则露点降愈大； 循环量和三甘醇浓度固定时，塔板数愈多则露点降愈大，但一般都
10、不超过10块实际塔板；,循环量、浓度与塔板数的相互关系,塔板数和三甘醇浓度固定时，循环量愈大则露点降愈大，但循环量升到一定程度后，露点降的增加值明显减少，而且循环量过大会导致重沸器超负荷，动力消耗过大，故最高不应超过33L/kg水。,循环量、浓度与塔板数的相互关系,五、三甘醇富液再生方法及工艺参数,1. 三甘醇富液再生方法 减压再生 气体汽提 共沸蒸馏再生,（1）减压再生,减压再生是降低再生塔的操作压力，以提高甘醇溶液的浓度。此法可将三甘醇提浓至98.2%（质）或更高。但减压系统比较复杂，限制了减压再生的应用。,（2）气体汽提,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，
11、使甘醇溶液得以提浓到99.995%(质)，干气露点可降至-73.3。此法是现行三甘醇脱水装置中应用较多的再生方法。其典型流程见图7所示。,35,图7 三甘醇溶液汽提法再生示意图,a. 汽提气进入方式,由再沸器分布管进入再生系统 由缓冲罐直接进入再生系统； 由再沸器预热后经贫液汽提柱进入。,由再沸器预热后经贫液汽提柱进入系统的汽提效果更佳，可以减少汽提气用量。,b. 汽提效果比较,贫液汽提柱是个填料塔，图8说明，汽提气经汽提柱中进入再沸器的汽提效果比汽提气直接进入再沸器时好。在再沸器温度为204时，同样对每升三甘醇使用0.04m3汽提气，前者可使三甘醇提浓到99.95%，而后者仅为99.6%。,
12、38,图8 汽提气量对三甘醇浓度的影响,c. 汽提气使用的气源,汽提气应使用不溶于水且比较稳定的气体，工业装置常用脱水后的干天然气或来自闪蒸罐的闪蒸气，压力为0.30.6MPa。,（3）共沸蒸馏再生,共沸蒸馏再生是70年代初由美国杜邦公司提出的，该法采用的共沸剂是不溶于水和三甘醇，与水能形成低沸点共沸物，并具有无毒，蒸发损失小等性质，如异辛烷、甲苯。共沸蒸馏再生流程见图9。异辛烷用量对三甘醇溶液再生的影响见表2。,41,图9 三甘醇溶液共沸蒸馏再生示意图,表2 异辛烷用量对三甘醇溶液再生的影响,共沸蒸馏再生的特点,可将甘醇溶液提浓至99.99%(质)，干气露点达-73； 共沸剂可循环使用，损失
13、量很小，无大气污染问题； 系统仅提供共沸剂汽化所需的热量、共沸剂分离器及循环泵。,2. 工艺参数对再生效果的影响,影响三甘醇溶液再生的参数主要有： 再沸器的压力和温度； 再生塔顶部温度； 汽提气的流量。,（1）再沸器的压力,再沸器的压力较高时，增加脱水难度和能耗。再沸器的压力较低时，富甘醇/水的混合物的沸腾温度会降低，在同样的再沸器温度下，可得到比较高的贫甘醇浓度，但一般不在负压状态工作。再沸器的压力一般保持常压。,（2）再沸器的温度,再沸器的温度可控制水在贫甘醇中的浓度。温度越高，贫甘醇浓度越大。通常再沸器的温度限制在204（TEG热分解温度）以下。,一般再沸器的温度在188199间，甘醇浓
14、度在98.298.5之间。,（3）再生塔顶温度,较高的蒸馏柱顶温度会增加甘醇的蒸发损失。若温度太低，有更多的水冷凝，增加了再沸器的热负荷。蒸馏柱顶的建议温度近似为107。当温度超过121时，甘醇就显著地蒸发损失。 为了能控制汽提蒸馏柱温度，一般在多数回流盘管上都设有旁通。,（4）汽提气的流量,甘醇同汽提气接触能降低离开再沸器的贫甘醇浓度。一般都希望使贫甘醇浓度在98.298.5以上时才用汽提气。,使用时注意控制用量，不致使汽提柱发生液泛而冲塔。,六、三甘醇脱水装置的工艺计算,吸收系统工艺计算； 再生系统工艺计算。,在给定原料气组成、流量、进料状态及吸收后干气含水量或水露点要求的情况下，吸收塔系
15、统工艺计算主要确定：吸收剂的浓度、循环量、塔板数以及塔径等。,1.再生系统操作条件的确定： 压力、温度； 回流比； 汽提气用量。 2.再生设备的尺寸设计,1. 吸收系统工艺计算,吸收塔系统工艺计算主要确定： 1、吸收剂的浓度； 2、循环量； 3、塔板数以及塔径等。,（1）进塔贫甘醇溶液浓度,根据图3可确定在一定操作温度下，欲达到干气平衡露点所需贫三甘醇溶液的最低浓度。 由于吸收塔顶气一液两相的接触时间不足以达到平衡，出塔干气不能达到平衡水露点。出塔干气的真实水露点温度比平衡水露点温度高。,tr出吸收塔干气真实水露点温度(实际控制水露点） ； te出吸收塔干气的平衡水露点温度，； t偏差值，其大
16、小取决于贫三甘醇溶液的循环量、 塔径、 塔结构等影响气、液两相接触时间的因素。 一般可取t=811C。,(7-1),（1）进塔贫甘醇溶液浓度,例5-1已知条件,【例5-1】某三甘醇脱水装置操作时吸收塔天然气进料压力为549.2kPa（绝），温度为35。要求吸收后干气露点温度达到-3 时，试求进塔贫三甘醇溶液最低浓度为多少？,例5-1求解,解：tr=-3 ，取t=10 ,查图3，得贫三甘醇溶液最低浓度为98.5%（质）。,（2）贫甘醇溶液用量,研究表明，贫甘醇用量必须考虑吸收塔进口处甘醇浓度、塔板数和要求的露点降。实验测得：当实际塔板数给定和操作温度恒定时，露点降与三甘醇溶液浓度和用量的关系分别如图10所示。,56,图10 三甘醇溶液循环量、贫甘醇溶液浓度和露点降的关系,由图可见，三甘醇溶液用量超过某一值后曲线趋于平缓，再增加三甘醇溶液用量，获得的露点降变化不大。根据经验，每吸收1kg水所需三甘醇为0.0250.06m3。天然气脱水设
