第5章-天然氣脫水第3節(jié)分析課件

1、第三節(jié) 溶劑吸收脫水甘醇脫水的基本原理甘醇的物理性質(zhì)三甘醇脫水流程和設(shè)備影響三甘醇脫水效果的參數(shù)三甘醇富液再生方法及工藝參數(shù)三甘醇脫水裝置的工藝計(jì)算降低三甘醇損耗量的措施1一、甘醇脫水的基本原理 甘醇是直鏈的二元醇，其通用化學(xué)式是CnH2n(OH)2。二甘醇(DEG)和三甘醇(TEG)的分子結(jié)構(gòu)如下：2 從分子結(jié)構(gòu)看，每個(gè)甘醇分子中都有兩個(gè)羥基（）。羥基在結(jié)構(gòu)上與水相似，可以形成氫鍵，氫鍵的特點(diǎn)是能和電負(fù)性較大的原子相連，包括同一分子或另一分子中電負(fù)性較大的原子，所以甘醇與水能夠完全互溶，并表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸水性。 甘醇水溶液將天然氣中的水蒸氣萃取出來(lái)形成甘醇稀溶液，使天然氣中水汽量大幅度下降。一

2、、甘醇脫水的基本原理3二、甘醇的物理性質(zhì)4三甘醇吸收劑的特點(diǎn)沸點(diǎn)較高(287.4)，貧液濃度可達(dá)9899%以上，露點(diǎn)降為40以上。蒸氣壓較低。27時(shí)，僅為二甘醇的20%，攜帶損失小。熱力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。理論熱分解溫度(207)約比二甘醇高40。脫水操作費(fèi)用比二甘醇法低。5三、三甘醇脫水流程和設(shè)備 三甘醇脫水工藝流程主要包括兩大部分： 天然氣在吸收塔的脫水系統(tǒng)； 富TEG溶液的再生系統(tǒng)（提濃）。6三甘醇脫水原理流程圖三、三甘醇脫水流程和設(shè)備7三、三甘醇脫水流程和設(shè)備 三甘醇脫水工藝中主要設(shè)備有: 原料氣分離器 吸收塔 閃蒸罐 過濾器 貧/富液換熱器 再生塔等。8 天然氣在甘醇溶液中的溶解度 指101

3、.325kPa，20的氣體體積 9四、影響三甘醇脫水效果的參數(shù) 三甘醇脫水是基于吸收原理而實(shí)現(xiàn)的。影響脫水效果的主要參數(shù)有：進(jìn)氣溫度；吸收塔的操作壓力和塔板數(shù)；三甘醇貧液濃度和溫度；三甘醇循環(huán)量。 10進(jìn)氣溫度較高將增加裝置的脫水負(fù)荷和增大甘醇的氣化損失量。在三甘醇濃度不變時(shí)，出塔氣體平衡露點(diǎn)隨進(jìn)氣溫度的下降而降低。因低溫下，三甘醇變得非常粘稠導(dǎo)致塔效率降低、壓降增大和攜帶損失。 進(jìn)塔的天然氣溫度應(yīng)維持在1548。1. 進(jìn)氣溫度11與不同濃度三甘醇相平衡的氣體水露點(diǎn)（壓力10010000kPa）122. 吸收塔的操作壓力和塔板數(shù)實(shí)踐證明，吸收塔的操作壓力低于20MPa時(shí)，出塔干氣露點(diǎn)溫度基本上

4、與吸收塔操作壓力無(wú)關(guān)。維持較高壓力，氣體含水量較少，并能減少塔徑，但增大了塔的壁厚。通常認(rèn)為2.510MPa的脫水壓力是較經(jīng)濟(jì)的。13 在甘醇循環(huán)率和貧甘醇濃度恒定情況下，塔板數(shù)越多，露點(diǎn)降越大。通常多數(shù)塔板都定為68塊。 在各級(jí)塔板上，甘醇并沒有都達(dá)到平衡狀態(tài)。通常用25%的塔板效率作設(shè)計(jì)。在泡罩式塔內(nèi)，相鄰塔板的間隔一般為610mm。2. 吸收塔的操作壓力和塔板數(shù)143. 三甘醇濃度和溫度氣體露點(diǎn)隨三甘醇濃度增加有顯著的下降。因此，降低出塔干氣露點(diǎn)的主要途徑是提高三甘醇貧液濃度。三甘醇與氣流中水蒸汽的平衡條件受溫度影響，溫度高氣流中水汽含量高，同時(shí)增加了甘醇損失，但甘醇溫度低使烴類在塔中冷

5、凝而引起甘醇發(fā)泡。多數(shù)設(shè)計(jì)要求三甘醇的溫度略高于氣流溫度10（API推薦1030），且三甘醇進(jìn)塔溫度宜低于60 。154. 三甘醇循環(huán)量 甘醇的濃度主要影響干氣的露點(diǎn);甘醇循環(huán)率僅控制著總的被清除的水量。能夠保證甘醇與氣體接觸較好的最小循環(huán)率大約是脫除每1kg水需16.7L的甘醇;而最常用的范圍是吸收1kg水需2560L 三甘醇溶液。16三甘醇循環(huán)量與露點(diǎn)降關(guān)系圖(a) 17甘醇循環(huán)量與露點(diǎn)降關(guān)系圖(b)18甘醇循環(huán)量與露點(diǎn)降關(guān)系圖(c)19循環(huán)量和塔板數(shù)固定時(shí)，三甘醇濃度愈高則露點(diǎn)降愈大；循環(huán)量和三甘醇濃度固定時(shí)，塔板數(shù)愈多則露點(diǎn)降愈大，但一般都不超過10塊實(shí)際塔板；塔板數(shù)和三甘醇濃度固定時(shí)

6、，循環(huán)量愈大則露點(diǎn)降愈大，但循環(huán)量升到一定程度后，露點(diǎn)降的增加值明顯減少，而且循環(huán)量過大會(huì)導(dǎo)致重沸器超負(fù)荷，動(dòng)力消耗過大，故最高不應(yīng)超過33L/kg水。循環(huán)量、濃度與塔板數(shù)的相互關(guān)系20五、三甘醇富液再生方法及工藝參數(shù) 目前三甘醇富液的再生方法有三種： 減壓再生氣體汽提 共沸蒸餾再生211. 氣體汽提再生氣體汽提是將甘醇溶液同熱的汽提氣接觸，以降低溶液表面的水蒸氣分壓，使甘醇溶液得以提濃到99.995%(質(zhì))，干氣露點(diǎn)可降至-70。此法是現(xiàn)行三甘醇脫水裝置中應(yīng)用較多的再生方法。其典型流程如下圖所示。22三甘醇溶液汽提法再生示意圖23 汽提氣量對(duì)三甘醇濃度的影響242. 汽提氣使用的氣源 汽提氣

7、應(yīng)使用不溶于水且比較穩(wěn)定的氣體，工業(yè)裝置常用脫水后的干天然氣或來(lái)自閃蒸罐的閃蒸氣，壓力為0.30.6MPa。253. 工藝參數(shù)對(duì)再生效果的影響 影響三甘醇溶液再生的參數(shù)主要有：再沸器的壓力和溫度；再生塔頂部溫度；汽提氣的流量。26（1）再沸器的壓力 再沸器的壓力較高時(shí)，增加脫水難度和能耗。再沸器的壓力較低時(shí)，富甘醇/水的混合物的沸騰溫度會(huì)降低，在同樣的再沸器溫度下，可得到比較高的貧甘醇濃度，但一般不在負(fù)壓狀態(tài)工作。再沸器的壓力一般保持常壓。27（2）再沸器的溫度再沸器的溫度可控制水在貧甘醇中的濃度。溫度越高，貧甘醇濃度越大。通常再沸器的溫度限制在204（TEG熱分解溫度）以下，一般再沸器的溫度

8、在188199間，甘醇濃度在98.298.5之間。28（3）再生塔頂溫度 較高的蒸餾柱頂溫度會(huì)增加甘醇的蒸發(fā)損失。若溫度太低，有更多的水冷凝，增加了再沸器的熱負(fù)荷。蒸餾柱頂?shù)慕ㄗh溫度近似為107。當(dāng)溫度超過121時(shí)，甘醇就顯著地蒸發(fā)損失。 為了能控制汽提蒸餾柱溫度，一般在多數(shù)回流盤管上都設(shè)有旁通。29（4）汽提氣的流量甘醇同汽提氣接觸能降低離開再沸器的貧甘醇濃度。一般都希望使貧甘醇濃度在98.298.5以上時(shí)才用汽提氣。使用時(shí)注意控制用量，不致使汽提柱發(fā)生液泛而沖塔。30六、三甘醇脫水裝置的工藝計(jì)算吸收系統(tǒng)工藝計(jì)算再生系統(tǒng)工藝計(jì)算311. 吸收系統(tǒng)工藝計(jì)算 在給定原料氣組成、流量、進(jìn)料狀態(tài)及吸

9、收后干氣含水量或水露點(diǎn)要求的情況下，吸收塔系統(tǒng)工藝計(jì)算主要確定：吸收劑的濃度三甘醇循環(huán)量吸收塔塔板數(shù)和塔徑32（1）進(jìn)塔貧甘醇溶液濃度 在一定操作溫度和壓力下，欲達(dá)到干氣平衡露點(diǎn)所需貧三甘醇溶液的最低濃度。由于吸收塔頂氣一液兩相的接觸時(shí)間不足以達(dá)到平衡，出塔干氣不能達(dá)到平衡水露點(diǎn)。出塔干氣的真實(shí)水露點(diǎn)溫度比平衡水露點(diǎn)溫度高。33tr出吸收塔干氣真實(shí)水露點(diǎn)溫度(實(shí)際控制水露點(diǎn)）， ；te出吸收塔干氣的平衡水露點(diǎn)溫度， ；t偏差值，其大小取決于貧三甘醇溶液的循環(huán)量、塔徑、塔結(jié)構(gòu)等影響氣、液兩相接觸時(shí)間的因素。一般可取t=811C。（1）進(jìn)塔貧甘醇溶液濃度 34 甘醇溶液用量超過某一值后曲線趨于平緩

10、，再增加三甘醇溶液用量，獲得的露點(diǎn)降變化不大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每吸收1kg水所需三甘醇為0.0250.06m3。天然氣脫水設(shè)計(jì)規(guī)范（SY/T00762003）推薦為每吸收1kg水所需甘醇量，三甘醇為0.020.03m3；二甘醇為0.040.1m3。（2）貧甘醇溶液用量 35甘醇貧液用量V(m3/h) a每吸收1kg水所需要的三甘醇量，m3/kg； Q進(jìn)入吸收塔的天然氣量，m3/h； y1進(jìn)入吸收塔的天然氣含水汽量，g/m3； y2離開吸收塔的干氣含水汽量，g/m3。36（3）吸收塔塔板數(shù)的確定三甘醇脫水裝置是一典型的多組分逆流吸收過程，利用相平衡關(guān)系，并通過逐板作物料衡算導(dǎo)出如下克列姆塞爾方程：37

11、 yN+1進(jìn)吸收塔濕原料氣中水的摩爾分?jǐn)?shù)； y1離開吸收塔干氣中水的摩爾分?jǐn)?shù)； y0當(dāng)離塔干氣與進(jìn)塔貧三甘醇溶液處于平衡時(shí)，干氣中水的摩爾分?jǐn)?shù)； N吸收塔理論塔板數(shù)； A吸收因子。（3）吸收塔塔板數(shù)的確定38 L三甘醇溶液循環(huán)量，mol/h； V原料天然氣流量，mol/h； K氣相中水汽和三甘醇水溶液中液相水之間的平衡常數(shù)，其定義式為：（3）吸收塔塔板數(shù)的確定39 y氣相中水的摩爾分?jǐn)?shù)； x與氣相平衡三甘醇溶液中水的摩爾分?jǐn)?shù)。（3）吸收塔塔板數(shù)的確定40 甘醇-水-天然氣系統(tǒng)中的液相是一非理想液體體系。預(yù)測(cè)氣液間平衡關(guān)系要求使用活度系數(shù)。按下式預(yù)測(cè)水在氣相和三甘醇溶液的相平衡常數(shù)K： y0與純

12、液相水呈平衡狀態(tài)的，含飽和水汽的氣體中水汽的摩爾分?jǐn)?shù)。三甘醇水溶液水的活度系數(shù)。（3）吸收塔塔板數(shù)的確定41三甘醇水溶液中水的活度系數(shù)42 在三甘醇吸收塔中由于從氣相中脫除的水量很小，沿塔氣體摩爾流率近于常數(shù)，與脫去的水相比，三甘醇循環(huán)量很大，且由于三甘醇的分子量大于水的分子量，故三甘醇溶液的摩爾流量亦趨于恒定?？梢哉J(rèn)為，吸收塔中L/V為一常數(shù)。（3）吸收塔塔板數(shù)的確定43 若已知吸收塔操作條件、原料氣及干氣含水量、貧三甘醇溶液濃度和循環(huán)量，則可方便地求得所需理論板數(shù)；反之，如果已知塔內(nèi)理論板數(shù)，也可利用該圖求得吸收劑的循環(huán)量。（3）吸收塔塔板數(shù)的確定44 一般天然氣中水汽含量常用單位體積氣體

13、內(nèi)水汽的質(zhì)量表示，如kg水汽/百萬(wàn)m3(101.325kPa，0)天然氣；甘醇溶液中水含量常用含水重量百分?jǐn)?shù)表示。計(jì)算中需要將其換算為摩爾分?jǐn)?shù)濃度?？捎靡韵?lián)Q算公式和換算圖。（3）吸收塔塔板數(shù)的確定45W天然氣中水汽含量，kg水汽/百萬(wàn)m3天然氣； y天然氣中水汽含量，水汽的摩爾分?jǐn)?shù)。Mh水的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；Vm天然氣的摩爾體積，m3/kmol；（3）吸收塔塔板數(shù)的確定46Gw三甘醇溶液中水的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)； x三甘醇溶液中水的摩爾分?jǐn)?shù)。（3）吸收塔塔板數(shù)的確定47（3）吸收塔塔板數(shù)的確定WN+1進(jìn)吸收塔濕原料氣中含水汽量，kg水汽/百萬(wàn)m3天然氣；W1離開吸收塔干氣中含水汽量，kg水汽

14、/百萬(wàn)m3天然氣；W0離開吸收塔干氣與進(jìn)塔貧三甘醇溶液處于平衡狀態(tài)時(shí)干氣的含水汽量，kg水汽/百萬(wàn)m3天然氣。48（3）吸收塔塔板數(shù)的確定W0操作條件下與純液相水呈平衡狀態(tài)的飽和水汽含量，kg水汽/百萬(wàn)m3天然氣； x0與出塔干氣平衡的貧三甘醇溶液中水的摩爾分?jǐn)?shù) 。49求得的是塔的理論板數(shù)N，在三甘醇吸收塔的實(shí)際操作中，由于塔內(nèi)氣液兩相接觸時(shí)間有限，每塊板上都不會(huì)達(dá)到平衡狀態(tài)。實(shí)際板數(shù)Np與理論板數(shù)N之間的關(guān)系為：對(duì)于吸收塔，可取塔板效率為2540%。 （3）吸收塔塔板數(shù)的確定50（4）甘醇吸收塔的選型和塔徑計(jì)算 小直徑三甘醇吸收塔可選用填料塔型；直徑較大時(shí)，則應(yīng)選用板式塔。由于三甘醇溶液循環(huán)

15、量很小，為有利于氣-液傳質(zhì)，保證塔板液封，增加操作彈性，多采用園泡罩塔板，也有采用浮閥塔板。51對(duì)于板式塔型的三甘醇脫水吸收塔，計(jì)算塔徑時(shí)，可先按勃朗-桑德（Brown-Souder）公式算出允許的單位面積最大空塔氣體質(zhì)量流速Ga，再根據(jù)Ga計(jì)算塔徑，計(jì)算公式如下:（4）甘醇吸收塔的選型和塔徑計(jì)算 Ga氣體的最大允許質(zhì)量速度，kg/(hm2)； l吸收塔中液相密度，kg/m3； g吸收塔中氣相密度，kg/m3； C常數(shù);52C值與吸收介質(zhì)、板間距有關(guān)53 按最大允許質(zhì)量流速的0.70.8倍計(jì)算塔徑。即設(shè)計(jì)氣體質(zhì)量流量為：G被處理氣體的質(zhì)量流量，kg/h；D吸收塔直徑，m。 （4）甘醇吸收塔的選

16、型和塔徑計(jì)算 54吸收塔直徑可按下式計(jì)算 ：（4）甘醇吸收塔的選型和塔徑計(jì)算 552. 再生系統(tǒng)工藝計(jì)算再生壓力和溫度；再生塔回流比；汽提氣用量；三甘醇再沸器選型及計(jì)算；貧、富液精餾柱的直徑及高度；其它設(shè)備的選用。56（1）再生壓力和溫度再生壓力采用常壓；常壓下，三甘醇的熱分解溫度約為206。因而再沸器的溫度不應(yīng)高于此值，通常為190200 ，最高不應(yīng)超過204 。57（2）再生塔回流比甘醇溶液的再生過程，實(shí)際上是三甘醇和水二元混合物的分離過程。由于三甘醇和水的沸點(diǎn)相差較大（三甘醇沸點(diǎn)為285.5 ，水為100 ），較易分離，一般采用回流比約為11。58（3）汽提氣用量 利用汽提氣進(jìn)行再生時(shí)，

17、所用汽提氣應(yīng)不溶于水，且在204 以前是穩(wěn)定的氣體?，F(xiàn)場(chǎng)常用壓力為294588kPa（表壓）的干天然氣，或者三甘醇富液的閃蒸氣作為再生汽提氣。 59 隨汽提氣用量增加，再生貧三甘醇溶液濃度增加。但是，汽提量增加到一定值后，三甘醇溶液濃度增加緩慢。因此應(yīng)適當(dāng)使用汽提量，并控制勿使汽提柱發(fā)生液泛?？衫孟聢D計(jì)算汽提氣用量。（3）汽提氣用量60確定汽提氣用量的計(jì)算圖61常壓和汽提再生查圖方法BTK1AXK2（3）汽提氣用量62（4）三甘醇再沸器選型及計(jì)算三甘醇再沸器的加熱方式有：火管加熱、蒸汽加熱、導(dǎo)熱油加熱等；國(guó)外還有熱載體加熱及燃?xì)廨啓C(jī)廢氣加熱等。井場(chǎng)快裝式脫水裝置幾乎都是采用天然氣直接火管加熱

18、，天然氣凈化廠的脫水裝置通常采用2.53.9MPa（表）的蒸汽或天然氣直接火管加熱。63 再沸器的熱負(fù)荷q 由甘醇溶液加熱之顯熱、水的汽化潛熱、回流負(fù)荷(一般為水分汽化潛熱的25%)和熱損失組成的，若取熱損失為10%，則（4）三甘醇再沸器選型及計(jì)算64上式符號(hào)意義 q1水蒸汽帶走的熱量，kJ/h； q2回流所耗熱量，kJ/h； q3汽提氣加熱所耗熱量，kJ/h； q4貧液帶出的熱量，kJ/h； q5富液帶入的熱量，kJ/h。65火管表面積F(m2)：火管傳熱效率，推薦直接火加熱型式的熱效率為70%。（4）三甘醇再沸器選型及計(jì)算采用用三甘醇脫水時(shí)，再沸器火管散熱表面的熱流密度的正常范圍為1825

19、kW/m2，最大不超過31kW/m2。66（5）貧、富液精餾柱直徑及高度 再沸器上的精餾柱為富液精餾柱，當(dāng)直徑大于610mm時(shí)，一般用4塊泡帽塔板；直徑小于610mm時(shí)，一般用填料塔型。 當(dāng)富液精餾柱的直徑大于406mm時(shí)，一般在精餾柱內(nèi)設(shè)置冷卻盤管取走回流熱，當(dāng)直徑小于406mm時(shí)，采用外翅片冷卻盤管，靠大氣散熱取走熱量。67 富液精餾柱直徑計(jì)算 富甘醇溶液精餾柱多為填料塔型，其直徑由填料塔泛點(diǎn)速度計(jì)算，設(shè)計(jì)時(shí)，用泛點(diǎn)速度乘以安全系數(shù)（一般為0.60.8）作為操作速度，再根據(jù)富液精餾柱中氣相流率（m3/h）即可算出塔徑。a、按液泛速度計(jì)算68甘醇富液精餾柱直徑D(m)Qv甘醇富液精餾柱內(nèi)氣相

20、流量，m3/s；u甘醇富液精餾柱操作氣速，m/s；uF泛點(diǎn)空塔氣速，m/s。69泛點(diǎn)空塔速度uF(m/s) a/3干填料因子，1/m；A系數(shù)，瓷拉西環(huán)A=0.022，瓷弧鞍A=0.26，CY型金屬絲網(wǎng)波紋A=0.30。70泛點(diǎn)空塔速度uF(m/s)l液相的粘度，mPas；uF泛點(diǎn)空塔氣速，m/s；g重力加速度，9.81m/s2；L液相的流量，kg/h；G氣相的流量，kg/h；l、g液相及氣相的密度，kg/m3。71b. 按富液噴淋密度計(jì)算甘醇富液精餾柱直徑可用甘醇噴淋密度計(jì)算，甘醇噴淋密度范圍為8.012.0m3/（m2h）。72 QL三甘醇富液流率，kg/h； l三甘醇噴淋密度，m3/（m2

21、h）； D富液精餾柱內(nèi)徑，m。b. 按富液噴淋密度計(jì)算73 貧液精餾柱的直徑貧液精餾柱的直徑比富液精餾柱直徑要小；一般取貧液精餾柱截面積為富液精餾柱截面積的57%，即貧液精餾柱的直徑為0.76倍富液精餾柱的直徑。甘醇貧液精餾柱直徑可用甘醇噴淋密度計(jì)算，甘醇噴淋密度范圍為10.020.0m3/（m2h）。74 貧、富液精餾柱的高度 在富液精餾柱中的分離實(shí)際是水甘醇的二元精餾分離，所需理論板數(shù)可采用逐板計(jì)算法或圖解法求得。一般需要2或3塊理論板即可達(dá)到要求，其中一塊板為重沸器。對(duì)于填料塔，填料層高度的計(jì)算有兩種方法：傳質(zhì)單元法；等板高度法。75富液精餾柱填料層高度Z（m）按等板高度法計(jì)算填料層高度：NT理論板數(shù)；HT填料的等板高度，m。貧液精餾柱的填料高度一般取為1.21.6m。該精餾柱