天然氣三甘醇脫水的參數(shù)分析畢業(yè)論文外文翻譯

1、天然氣三甘醇脫水的參數(shù)分析P. GANDHIDASAN機(jī)械工程學(xué)系法赫德重點石油礦產(chǎn)大學(xué)達(dá)蘭，沙特阿拉伯 為了防止液體水的凝結(jié)，確保管道設(shè)備安全無故障運(yùn)行，天然氣通過管道長距離輸送之前必須進(jìn)行脫水。本文分析每天用液體除濕法對一百萬立方米標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣脫水，即泡罩塔盤上的吸收劑三甘醇的脫水方法。這篇文章中用公式在不同的氣體流量下獲得的結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)相當(dāng)?shù)奈呛?。影響操作參?shù)的因素是多樣的，本文就壓力，溫度和三甘醇的循環(huán)量，對設(shè)計單元的影響進(jìn)行簡要討論。關(guān)鍵詞：脫水 液體干燥劑 氣體含水量 天然氣 托盤塔簡介 天然氣是初級能源的重要來源，是發(fā)現(xiàn)于油田的一種天然燃料。大型天然氣田的發(fā)現(xiàn)于20

2、世紀(jì)80年代和90年代，尋找到更多儲量天然氣的前景很廣闊。過去25年在世界總的初級能源需求中天然氣的需求來出現(xiàn)了顯著增長。這種增長的驅(qū)動力已經(jīng)普及到了能源供應(yīng)多樣化以及改善能源供應(yīng)的政策， 經(jīng)濟(jì)的增長需要一個更清潔的環(huán)境，并深入開發(fā)利用本地能源資源。天然氣的生產(chǎn)通常伴隨有原油和水，因此要在生產(chǎn)的地方對天然氣進(jìn)行初級分離。在油氣田被分離的氣體中含有凝結(jié)水和碳?xì)浠衔铮缫彝楹椭靥細(xì)浠衔铮–6+）。為了確保無故障運(yùn)行的天然氣輸送系統(tǒng)，除水以防止冷凝液體水和碳?xì)浠衔锏男纬墒欠浅１匾?。除了形成水合物的風(fēng)險，液體還會減少系統(tǒng)的體積容量，對壓力調(diào)節(jié)器和過濾器操作造成干擾。凝結(jié)的液體累積在管道內(nèi)，會造

3、成工作壓力增加以及傳輸液體會對設(shè)備造成潛在的危害。很多天然氣輸送公司對所接受輸送的天然氣的質(zhì)量有嚴(yán)格的限制，如水露點、烴露點，以減少輸送過程中遇到的問題。對天然氣脫水，就是要將天然氣中有關(guān)的氣態(tài)水清除。防止管道和設(shè)備的腐蝕或侵蝕是非常有必要的，特別是當(dāng)天然氣中含有CO2和H2S時。對天然氣除水后水露點的要求要滿足銷售要求及管道輸送條件。鑒于這些原因就必須指定一個水露點和天然氣烴露點上限。陸上天然氣處理過程采用了脫水工藝控制水露點和制冷機(jī)控制天然氣的烴露點。本文要說明的是如何控制水露點。天然氣處理過程 廣義天然氣處理過程的原理圖（Lane and Huey，1995年）如圖1所示。天然氣進(jìn)入設(shè)備

4、，被壓力壓縮到輸送管道，并通過脫水流程對水露點控制。脫水后的天然氣通過一系列的3個熱交換器使氣流冷卻下來，這樣不僅脫出了凝結(jié)為液體的烴，而且使烴的露點得到了必要的控制。然后進(jìn)入低溫分離器，在那里進(jìn)行殘留氣體（主要是甲烷）和液相的分離。脫水后的氣體通過氣/氣換熱器（H.E.1）后流進(jìn)低溫分離器，殘留氣體從低溫分離器出來經(jīng)氣/氣換熱器（H.E.1）后離開。熱交換增加了殘留氣體的溫度，降低了進(jìn)入低溫分離器氣流的溫度。制冷設(shè)備的冷卻劑循環(huán)時通過氣/冷卻劑換熱器（H.E.2）由于熱量被制冷劑吸收，使入口氣流進(jìn)一步冷卻。來自低溫分離器冷卻氣體與分離出來的液體產(chǎn)物在通過氣/液產(chǎn)物余熱交換器（H.E.3）之前

5、，在一個加壓罐中穩(wěn)定和儲存。穩(wěn)定器塔頂氣體通過管道輸送回壓縮機(jī)入口然后再由壓縮機(jī)吸入。殘留氣體從入口氣體吸收熱量（H.E.1）在它進(jìn)入銷售類管道之前，對氣流熱值進(jìn)氣計量和取樣。圖1天然氣處理過程示意圖 目前使用兩種類型的脫水設(shè)備：通過固體干燥劑吸收，為固體干燥劑脫水，通過液體干燥劑吸，為液體干燥劑脫水。2001年Gandhidasan等，討論了這兩種脫水方法的利弊。本文所述的是用液體干燥劑脫水，使天然氣的水露點滿足輸送合同要求，其范圍從32.8117 kg/106Nm3。液體干燥劑脫水 天然氣通過與液體干燥劑逆流接觸水蒸汽可以被脫去，如氯化鈣，氯化鋰，乙二醇，氯化鋅液體干燥劑等，在選擇一個合適

6、的干燥劑脫水時，一般要考慮的因素如下：·氣體溶解度·揮發(fā)性·粘度·腐蝕性·成本和可用性 用于天然氣脫水的液體干燥劑必須具有很強(qiáng)的吸水性、低蒸氣壓、低溶解度、低粘度、高沸點、熱穩(wěn)定性好和不容易化學(xué)分解，而且必須便宜和容易獲得。雖然氯化鈣是脫水最早使用使用的液體干燥劑之一，但是目前一般優(yōu)先考慮甘醇，因為他們已經(jīng)相當(dāng)接近以上所說的所有條件。其中乙二醇，二甘醇和三甘醇是主要的天然氣脫水干燥劑。這些干燥劑的簡單的的物理性質(zhì)（格羅索，1978年）見表1。在選擇甘醇作為天然氣脫水干燥劑時，必須重視低流量下甘醇粘度、起泡傾向。二甘醇比較便宜，但比起三甘醇，二甘

7、醇在循環(huán)中的損失較大，其路露點降也低，再生成為高濃度難度更大。鑒于這些原因，三甘醇被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)的選擇，幾乎所有甘醇脫水干燥劑都選三甘醇。表1 甘醇簡單物理性質(zhì)項目二甘醇三甘醇分質(zhì)量106.12150.1725下的蒸汽壓，mm Hg0.0020.000425下的密度，g/ml1.1131.11925時的動力粘度，cp28.237.325時的表面張力，dyne/cm444525時的比熱，kJ/kg2.3032.21925時的反光指數(shù)，1.4461.454在760毫米汞柱汽化，kJ/kg539.63404.72在760毫米汞柱沸騰點，245.8288結(jié)冰點，7.87.2閃點，137.8160燃點，

8、143.3165.6初始分解溫度，164.4206.7三甘醇脫水工藝 脫水設(shè)備的分類大致根據(jù)其主要的作用是否要分散氣體或干燥劑。在氣體分散類設(shè)備中，托盤塔使用較為廣泛，而在液體分散類設(shè)備中，填料塔則應(yīng)用的較為廣泛。當(dāng)操作壓力和甘醇循環(huán)量很高時，托盤塔通常更有利，當(dāng)塔直徑很小時，填料塔更受青睞。雖然隨機(jī)填料塔也可用于天然氣脫水，但是可能會遇到由液體引起的問題，如果發(fā)泡嚴(yán)重時，在低于正常氣體流量的情況下塔內(nèi)甘醇就可能會溢流，從而導(dǎo)致過多的甘醇損失。因此，塔盤是目前的研究對象。兩種可供使用的傳統(tǒng)塔盤的類型是浮閥塔盤和泡罩塔盤。浮閥塔盤在設(shè)計性能上更有效，但在低流量下甘醇的“滲漏可能導(dǎo)致水露點不合格。

9、在大范圍的脈動流量下，泡罩塔盤是首選。雖然他們效率低于閥托盤，但是它們在低粘性液體以及甘醇和氣體流量的比值較低時更合適。Treybal（1980）詳細(xì)討論了這些塔。 圖2展示了典型的板式塔脫水過程（薩姆斯，1990）。高壓力天然氣1從部進(jìn)入塔內(nèi)向上流動與托盤接觸通過。溫度相對低的三甘醇貧液（也稱為干液）從7通過塔頂部向下流動，從濕天然氣氣流中吸收水蒸汽流使得氣流與入口氣流水露點不一樣。脫水后的天然氣2從塔出來與進(jìn)入塔內(nèi)的三甘醇貧液6在氣體與甘醇換熱器換熱冷卻。在脫水塔頂安部裝一個合適的除霧器可以減少三甘醇的循環(huán)損失。脫水天然氣經(jīng)調(diào)壓后從3出來，并通過管道輸送到一個天然氣輸送線或進(jìn)一步處理控制以

10、烴露點。 三甘醇富液8（也稱為濕液）離開塔經(jīng)過濾后并用于冷卻從緩沖罐出來的，三甘醇貧液4。在較大的脫水系統(tǒng)中，活性炭過濾器和襪式過濾器用于去除雜質(zhì)。清除固體雜質(zhì)可以減少腐蝕，堵塞，再沸器沉積，并可能減少發(fā)泡損失。甘醇通過5三甘醇/三甘醇換熱器換熱冷卻后經(jīng)泵增壓到塔內(nèi)要求的壓力。再沸器和汽提塔再生出一個給定濃度值下的貧三甘醇溶液。有一定余熱的富甘醇9在大氣壓下進(jìn)入設(shè)置于重沸器上的精餾柱頂部。再沸器10加熱富三甘醇溶液蒸發(fā)汽化從氣流吸收的水。為了達(dá)到這一目的，可以利用熱油，蒸汽，電阻線圈。增加再生三甘醇浴溫或注射汽提氣的純度以得到更高濃度的甘醇。緩沖罐存儲貧三甘醇溶液。在三甘醇對三甘醇換熱器換熱冷

11、卻后，貧三甘醇經(jīng)泵加壓冷卻，由6輸送到脫水塔。圖2 三甘醇脫水過程示意圖分析為了設(shè)計一個適合采用三甘醇作為液體干燥劑的天然氣脫水系統(tǒng)，必須知道天然氣最大流量，操作壓力，進(jìn)氣溫度，進(jìn)氣含水量，以及對出口氣體含水量的要求。從本文的分析可以得出所需貧三甘醇的最低濃度，貧三甘醇的循環(huán)量，以及脫水塔塔徑的一個估計值。一般來說，設(shè)計一個用三甘醇來進(jìn)行天然氣脫水的系統(tǒng)，要用到數(shù)目眾多的圖和表格。本文的觀點是利用文中給出的方程組取代圖和表格，以便寫入電腦程序，進(jìn)行快速計算。下面假設(shè)每天處理1百萬立方米（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）天然氣：1.從底部進(jìn)入脫水器的天然氣飽和濕氣的含水量為100 千克每106標(biāo)準(zhǔn)立方米。2.單位時

12、間內(nèi)進(jìn)入托盤塔底部氣體是1摩爾。這時計算單位時間內(nèi)所需的從塔頂進(jìn)入的貧三甘醇的摩爾數(shù)。3.脫水過程中基本上等溫及氣體體積不變。4.實際水露點約為8比平衡露點高。也就是說，達(dá)到8平衡時所用的甘醇濃度最低。5.三甘醇和氣體的密度假設(shè)分別為1.12和0.0416千克每升。6.水和三甘醇分子質(zhì)量分別為18和150。7.處理含水量為100 千克每106標(biāo)準(zhǔn)立方米的1百萬立方米天然氣，所需三甘醇的摩爾氣數(shù)體在標(biāo)準(zhǔn)壓力（0.1 MPa的絕對壓力）和溫度（15）是1739 千摩爾每小時8.整個泡罩塔的效率為25。9.氣流表面速率是以溢流時速率的80計算。10.天然氣脫水操作壓力范圍為2至10Mpa，氣體的溫度

13、為20至40。這里主要分析三甘醇循環(huán)量一定時，給定濃度和托盤數(shù)下能夠達(dá)到的露點降。貧三甘醇的最低濃度估算出進(jìn)入脫水塔的貧三甘醇的最低濃度對使頂部出口氣體中含水量滿足規(guī)定很有必要。當(dāng)濕的天然氣與貧三甘醇在壓力和溫度恒定的脫水塔內(nèi)接觸，及時就達(dá)到平衡。由于三甘醇與濕天然氣相比具有較低的含水量，天然氣中的水蒸氣傳輸給三甘醇。在給定的操作條件下，給出了天然氣脫水平衡時的水露點參數(shù)分析 （1）由于天然氣和三甘醇接觸的時間不足以達(dá)到平衡所需時間，因此實際水露點總是比平衡時的水露點高。一個設(shè)計良好的 ，正常使用的脫水系統(tǒng)的實際水露點高于平衡水露點5至10。在這一近似平衡的狀態(tài)下可以使進(jìn)入脫水塔的貧三甘醇濃度

14、最低。在本研究中，假設(shè)8為平衡時脫水塔頂部露，這樣就有 （2）回流的三甘醇必須做處理以便再次利用。通常情況下，加熱可由再沸器直接完成。建議再沸器再生每公升三甘醇的最少熱量約為560千焦（坎貝爾，1984年）。通過控制再沸器的溫度、壓力還有汽提氣，可以在再沸器獲得濃度較高的三甘醇。為了在再沸器獲得理想濃度的三甘醇，在真空度為為一個大氣壓下再沸器的溫度約為204。這個溫度接近三甘醇在空氣中的熱分解溫度，見表1。滿足脫水塔進(jìn)口要求的最低濃度的貧三甘醇濃度范圍通常在98.5-98.8之間?？捎缮鲜鰲l件下的再沸器產(chǎn)生提供 （3）在實際操作中，比這更高的濃度也可使用。因此，上述相關(guān)有效濃度范圍僅僅從95至

15、99。塔盤和三甘醇循環(huán)量為了估計貧三甘醇循環(huán)量，需要采集滿足含水量規(guī)范要求的出口天然氣的含水量，以及在給定的操作條件下進(jìn)入脫水塔的天然氣的飽和含水量必須是已知的。天然氣的飽和含水量為 （4）在用三甘醇溶液脫水平衡后，天然氣的飽和含水率基本上不隨三甘醇濃度變化而變化。這個比例等于水在三甘醇溶液中的溶解度，壓力、溫度并沒有顯著影響其范圍（希克斯和Senules，1991年）。三甘醇中水溶液活性水系數(shù)是由 （5）就目前的研究中，進(jìn)入脫水塔的貧三甘醇濃度估算的最低值由公式（3）給出。鑒于（6）三甘醇溶液中水的摩爾分?jǐn)?shù)可由進(jìn)入脫水塔的貧三甘醇溶液中三甘醇的重量百分比計算出 （6）進(jìn)入脫水塔的貧三甘醇溶液

16、的分子量 （7）經(jīng)進(jìn)入脫水塔的貧三甘醇脫水平衡后的干天然氣含水量為 （8）吸收效率的定義是實際吸收的水與最大吸收水量之比的百分?jǐn)?shù)，即 （9）吸收因子定義為吸收效率下的條件為 （10）其中a，b和c是經(jīng)驗常數(shù)。根據(jù)理論的托盤數(shù)量將這些常數(shù)的最優(yōu)范圍列于表2中。許多脫水裝置均設(shè)有4個或6個接觸泡罩托盤，每個托盤的效率通常為25左右，從而使該塔分別相當(dāng)于一個或一個半平衡接觸。值得一提的是，高性能盤被引入市場在90年代，新設(shè)計的托盤的效率超過傳統(tǒng)托盤（布拉沃，1997年）。需要托盤的實際數(shù)量 (11)通常情況下，對于K值已知的水，三甘醇脫水系統(tǒng)體現(xiàn)汽液平衡的條件是含水量的數(shù)值為定值。平衡常數(shù)與水的活動

17、系數(shù)有關(guān) (12)表2 公式（10）中的常數(shù)和數(shù)理論托盤三甘醇循環(huán)量由下式給出其單位為升每小時 (13)每升三甘醇吸收水的質(zhì)量為 (14)脫水塔截面積是氣體表面速度氣體的體積流量之比。在溢流80后的簡化為下式 （15）由脫水塔截面積此可以算出脫水塔的直徑。結(jié)果討論 計算機(jī)程序的編寫是在給定的操作條件下，以早期假設(shè)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計算對1百萬立方米天然氣脫水，使它達(dá)到要求含水量所需的甘醇的循環(huán)量。這種方法還用來估計三甘醇脫水塔的內(nèi)徑和所需托盤數(shù)量。為了解決實際問題，必須使那些在本文中應(yīng)用，并用它作為檢查計算機(jī)程序的方程得到可信的結(jié)果（坎貝爾，1984年），原則上與這種情況相類似，是輸入到程序，得到的

18、結(jié)果在與筆者的解決方案一致。此外，電腦程序通過對文獻(xiàn)中可用的圖表進(jìn)行比較，也可估算壓力恒定在7Mpa時不同的氣體流速下托盤塔直徑（Manning and Wood，1993年），其結(jié)果如圖3所示。兩個結(jié)果之間相差非常小，這些微小的差異可能是由于溢流計算時假設(shè)表面氣流速度造成的。 圖4顯示了在不同溫度下壓力對脫水塔進(jìn)口所需最小甘醇濃度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著工作壓力的增加，在進(jìn)口所需的最低貧甘醇濃度降低，但在操作溫度增加時，不管壓力和托盤數(shù)是多少，所需最小三甘醇濃度都增加。不同的溫度下工作壓力對脫水內(nèi)徑的影響如圖5所示。制造脫水器的材料必須具有耐腐性，如玻璃襯里的金屬和塑料。塔直徑必須足夠大，以滿

19、足處理氣體流量和干燥劑。從圖中可以看出，隨著壓力的增大，塔直徑減小。值得注意的是，天然氣的溫度幾乎沒有在軸向上對脫水塔內(nèi)徑造成影響。增加托盤間距可以使塔直徑減小。托盤間距通常以維修和成本作為選擇的基礎(chǔ)。除了最小直徑的塔外，從清理角度來看50厘米似乎是最佳的托盤間距（Lee and Erekson，1994年）。脫水塔直徑，厘米壓力，Mpa圖3 比較現(xiàn)有研究的數(shù)據(jù)最小三甘醇濃度%壓力，Mpa圖4 壓力及溫度對貧三甘醇最低濃度的影響。 為了設(shè)計一個設(shè)備，使出口氣體的含水量滿足規(guī)范，必須估算出用于脫水的貧三甘醇的循環(huán)量。三甘醇循環(huán)量必須有利于富三甘醇維持其濃度。雖然大循環(huán)量是可行的，但是會使投資增加，所以通常采用可行行下的最低循環(huán)量。圖6給出了各種工作壓力和溫度下對天然氣脫水所需要的最小三甘醇循環(huán)量，以及實際需要的托盤數(shù)量。用于脫水所需要的三甘醇循環(huán)量對于任何給定的壓力，隨著壓力的增大，三甘醇循量減小，溫度也降低。必須指出的是，溫度為40時，實際需要的三甘醇循環(huán)量