天然气脱水系统的计算

1 天然气脱水系统的计算1.1 吸附计算1.1.1 吸附器直径计算1. 分子筛脱水工艺参数：吸附周期：24 小时分子筛有效吸附容量：取 10kgH2o/100kg 分子筛原料气在 25MPa、45校正后的饱和含水量查图得 600mg/m3，换算到20， 101.325kPa 条件下为 590.88mg/m3，按全部脱去考虑，需水量：0.37kg/h2. 操作周期 24 小时，总共脱水：8.88kg 。3. 原料气在 25MPa、45：Pc=0.97724.491+0.016284.727+0.000054.256+0.000053.54+0.000043.5+7.1490.0053+8.7150.00056+1.70.00107=4.51 MPaTc=0.9772*191+0.01628*305.45+0.00005*368.85+0.00005*407.15+0.00004*425.15+304*0.0053+373.54*0.00056+65*0.00107=193.56 K视对比压力 =5.543crp视对比温度 1.643 crT查图得天然气的压缩系数 Z=0.88。天然气摩尔质量：M=0.977216+0.006230+0.0000544+0.0000558+0.0000458+0.005344+0.0010728+0.0100934=16.43 g/moL将气体处理量换算到 0、101325pa 条件下：V=1.5*104*273/293=1.4*104m3/d则操作条件下气体量： smQ/1072.693810256*25 34气体质量流量 skg/8.423.6041原料气在 25MPa、45的密度： 3/79.1602.8mkgg操作条件下气体体积流 sQ/1072.6938102536*245 344. 吸附器直径：取决于适宜的空塔流速，适宜的直径比。实践证明采用雷督克斯的半经验公式得到一个空塔流速，然后用转效点积核式可行的，半经验公式如下： 5.0)(pgbDCG式中 G允许的气体质量流速， ；sm/k2C系速，气体自上向下流动，取 0.250.32；自下向上流动，取0.167；分子筛的堆密度，kg/ ；b3气体在操作条件下的密度，kg/ ；g 3m分子筛的平均直径（球形）或当量直径（条形），m。pD已知 ， ，C 取 0.29, 则：3/650kbp032. )/(3.10)2.0791659()( 25.5.0 smkgCGgb 吸附塔的截面积: 2.3.8mF直径： D1.075.4根据标准系列， D 取 0.3m.1.1.2 吸附器高径比计算分子筛有效吸附容量取 10kg（水）/100kg （分子筛）。一个周期内所需分子筛的质量： 0.3724/0.1=88.8kg吸附器需装分子筛的体积： 316.058mV吸附塔的截面积：F=0.785 0.32=0.07065m2气体流速 u=0.57m/min床层高： FH93.10765.高径比： 4391D1.1.3 吸附器安全阀的计算 1. 安全阀的泄放量安全阀的泄放量应根据具体工艺过程来确定。本设计安全阀的泄放量均认为单位时间内流过设备的气体质量流量，即： hkgG/68.4272. 安全阀的泄放压力（定压）安全阀开始起跳时的进口压力称为安全阀的泄放压力或定压。它应等于或小于受压设备或管道的设计压力。可按下面的方法确定：当 1.8MPa 0.18MPa PP0当 1.8MPa7.5MPa =1.05 0式中 P 被保护设备或管道操作绝对压力， MPa；安全阀泄放绝对压力，MPa。0脱水塔操作压力 P=25MPa，由于 P7.5MPa，则： MPa25.60.15.03. 聚积压力安全阀开至最大并达到最大泄放量时的进口压力与泄放压力之间的差值称为聚积压力，用 表示。对于安装在无火压力容器上的安全阀：aPMPaa5.21.04. 最高泄放压力安全阀达到最大泄放量能力时的进口压力，称为最高泄放压力。在工艺流程中，最高泄放压力可按下式确定： PaPam78.21式中 安全阀最高泄放压力，MPa；mP安全阀泄放绝对压力， MPa；1安全阀聚积压力，MPa。a5.背压（出口压力）安全阀开启前泄压总管的压力与安全阀开启后介质流动所产生的流动阻力之和。背压一般应小于气体的临界流动压力值。气体临界压缩比可按下式计算： 12kc式中 气体临界压缩比；ck 气体绝热指数，可取 1.21.4。代入数据得： 5.0127.2.7c6. 安全阀通道截面积安全阀通道截面积按下式计算： 1197.0ZTMCKPGA式中 A 安全阀通道截面积， ;2cmG 安全阀的最大泄放量，kg/h；安全阀达到最大泄放量时的进口绝对压力，MPa；1PK 流量系数，一般取 0.90.97；M 气体摩尔分子量，kg/kmol；安全阀进口处绝对温度，K；1TZ 气体压缩系数；C 气体特性系数， 3.2571287138712387 87. kC其中，k 是气体绝热指数。 1kYi式中 第 i 组分的气体摩尔分数；iY第 i 组分的气体绝热指数。ik 287.11ikY21 105.238.041678.293.02579.064197.0 cmZTMCKPGA 7.安全阀直径： mcAD78.1.015.242根据油气田常用阀门手册选用 A42Y-40 型弹簧封闭全启式安全阀，公称通径 DN2，公称压力 29MPa。选用 A42Y-40 型弹簧封闭全启式安全阀，公称通径 DN，公称压力 xxxMPa。1.2 再生计算 1.2.1 再生热负荷计算用贫干气加热，M=16.4kg/kmol，进吸附塔温度 260，分子筛床层吸附终了后温度 50，再生加热气出吸附器温度 200，床层再生温度是。预先计算在 230时，分子筛比热 ，钢230)260(1 )/(96.0CkgJ材比热 ，瓷球比热 。吸附器筒体是压力容器，预)/(5.CkgJ )/(8.0CkgJ先估计其包括器内附属设备的质量约重 1320kg，床层上下各铺 150mm 瓷球，瓷球堆密度 ，共重约 46.86kg。3/20mkg再生加热所需的热量为 Q，则： 4321Q式中 Q 加热分子筛的热量，kJ ；1Q 加热吸附器本身（钢材）的热量，kJ；2Q 脱附吸附水的热量，kJ3Q 加热铺垫的瓷球的热量,kJ4算出 Q 后，加 10%的热损失，设吸附后床层温度是 ，50;热再生气进出1t口平均温度为 230, 则：2t kJtcmP 4121 053.8096.8)( tQ4122 1.1.3kJcP33 068084.)( tm412414 172.1.6 kJQQ 444444321 1082.0.068.08.5. 加 10%的热损失，得出的 Q: 16.3104kJ式中 、 、 、 分别是分子筛的质量，吸附器筒体及附件等钢材的1234质量、吸附水的质量和铺垫的瓷球的质量。4186.8 是水的脱附热， 、 、1Pc2分别为上述各种物质的定压比热。4Pc设再生加热时间 3 小时，每小时加热量是：16.310 4kJ/3=5.43104kJ/h 1.2.2 再生气量计算设 是再生加热结束时的气体出口温度， 为再生气进吸附器的温度，2t 3t再生气温降为： 135)205(6)(1123 tt每千克再生气放出热量（kJ）： kgJtcqPH/9.4.总共需再生气量： QG8/43./.1.2.3 冷却气量计冷却吸附塔需移去的热量： kJQ 4444421 10.1072.108.53.1 吸附器由加热的平均温度 冷却到 ,即2t1t平均温度： 设干气初温是 ，45，每千克干气移去的热量at总共需冷却气量冷却时间是 3 小时，74.93kg/h，床层温度自 230降到 45，则冷却热负荷：4.7110 4KJ/h 1.2.4 气体通过床层的压力降计算GPSA 工程手册（1987 版）推荐用公式计算。计算式如下： 2ggCBLp式中 压降，kPapL 床层高度， m气体粘度，sPa气体流速， m/ming气体操作状态下的密度，kg/3分子筛选用 3.2mm 直径球形，则 B=4.155,C=0.00135，45 时，查图得C0=0.01135 ,相对密度为 0.5886, 则：0smPaK， MPa6.1905817693cT 641.05836.85.4cP=5.39 1.62crp641.25crT6.1938查图得 82.1025MP，45 时： 021.84.1035.0 smPa= = =p2ggCBLp 257.09635.7.491 =0.246 kPa 1.2.5 转效点（Break point）计算其数学表达式为：式中 到达转效点时间，hB选用的分子筛有效吸附容量，%x整个床层长度，mTq 床层截面积的水负荷，kg/(m 2*h)1.2.6 吸附传质区长度（ ）计算ZhmqAhZ 26.1057.36041.41. 264.6.7895.26.05.789 式中 吸附传质区长度，m；ZA系数，分子筛 A =0.6，硅胶 A =1，活性氧化铝 A =0.8；q 床层截面积的水负荷， ；)hm/(kg2空塔线速， m/min；g进吸附器气体相对湿度， %。1.3 分子筛吸附塔的壁厚计算根据压力容器手册，选用合金钢 ，合金钢的最大)150(18GBMnoNbR许用应力 。设计压力取 ，则操作压力MPa197Pa250P5.2.0吸附塔的壁厚计算公式如下： 213.2CPDSc式中 吸附塔的壁厚，mm；Sc气体的操作压力，MPa；27.5MPaP吸附塔管外径， mm；D合金钢的最大许用应力，MPa；197焊缝系数，无缝钢管取 0.9，焊接钢管取 0.8；取 0.8钢板负偏差，取 0.8mm；1C吸附塔腐蚀裕量，取 1mm。2代入数据， ，计算得吸 8.1527.0193.2)(573.1 ScCPDSc附塔的壁厚：2.18mm2 缓冲罐的工艺计算缓冲罐的作用是减弱压缩机排气的周期性气流脉动，同时稳定压缩天然气管道中的压力。本设计取缓冲罐操作压力 2.5MPa，温度 25，按能维持 10s 进气量来确定。2.1 缓冲罐容积计算将 P=0.5MPa，T=273+25=298K ，代入式和，得：Pc=0.97724.491+0.016284.727+0.000054.256+0.000053.54+0.000043.5+7.1490.0053+8.7150.00056+1.70.00107=4.51 MPaTc=0.9772*191+0.01628*305.45+0.00005*368.85+0.00005*407.15+0.00004*425.15+304*0.0053+373.54*0.00056+65*0.00107=193.56 K视对比压力 108.5.4crp视对比温度 .6.932crT根据 、 值查图得：Z= 0.983 rp气体流量： smQ/1046.31025.8.3624532容积 ： 3.mtV取高径比为 2.1，则直径 D=0.6m,高 H=1.26m2.2 缓冲罐壁厚计算缓冲罐壁选用 16MnR 低合金钢，低合金钢的最大许用应力 。MPa170缓冲罐的壁厚计算公式如下： 213.2CPDSc式中 缓冲罐的壁厚，mm；Sc气体的操作压力，MPa；0.5P缓冲罐管外径， mm；(600+Sc)D低合金钢的最大许用应力，MPa；焊缝系数，无缝钢管取 0.9，焊接钢管取 0.8；取 0.8钢板负偏差，取 0.8mm；1C缓冲罐腐蚀裕量，取 1mm。2C缓冲罐的壁厚：Sc=2.8mm2.3 缓冲罐安全阀的计算1. 安全阀的泄放量安全阀的泄放量应根据具体工艺过程来确定。本设计安全阀的泄放量均认为单位时间内流过设备的气体质量流量，即： hkgG/68.4272. 安全阀的泄放压力（定压）安全阀开始起跳时的进口压力称为安全阀的泄放压力或定压。它应等于或小于受压设备或管道的设计压力。可按下面的方法确定：当 1.8MPa 0.18MPa PP0当 1.8MPa7.5MPa =1.05 0式中 P 被保护设备或管道操作绝对压力， MPa；安全阀泄放绝对压力，MPa。0缓冲罐操作压力 P=0.5MPa，则： MPaP68.01.03. 聚积压力安全阀开至最大并达到最大泄放量时的进口压力与泄放压力之间的差值称为聚积压力，用 表示。对于安装在无火压力容器上的安全阀：a MPaPa05.1.4. 最高泄放压力安全阀达到最大泄放量能力时的进口压力，称为最高泄放压力。在工艺流程中，最高泄放压力可按下式确定： PaPam73.05.68.01式中 安全阀最高泄放压力，MPa；mP安全阀泄放绝对压力， MPa；1P安全阀聚积压力，MPa。a5. 背压（出口压力）安全阀开启前泄压总管的压力与安全阀开启后介质流动所产生的流动阻力之和。背压一般应小于气体的临界流动压力值。气体临界压缩比可按下式计算： 12kc式中 气体临界压缩比；ck 气体绝热指数，可取 1.21.4。代入数据得： 5.0127.2.7c6. 安全阀通道截面积安全阀通道截面积按下式计算： 1197.0ZTMCKPGA式中 A 安全阀通道截面积， ;2cmG 安全阀的最大泄放量，kg/h；安全阀达到最大泄放量时的进口绝对压力，MPa；1PK 流量系数，一般取 0.90.97；M 气体摩尔分子量，kg/kmol；安全阀进口处绝对温度，K；1TZ 气体压缩系数；C 气体特性系数， 3.2571287138712387 87. kC其中，k 是气体绝热指数。 1kYi式中 第 i 组分的气体摩尔分数；iY第 i 组分的气体绝热指数。ik 287.11ikY21 06.138.0468.930.2579.04197.0 cmZTMCKPGA 7.安全阀直径： cmAD35.126.04根据油气田常用阀门手册选用 A42Y-40 型弹簧封闭全启式安全阀，公称通径 DNxx，公称压力 xxMPa。3 分离器的工艺计算本设计采用立式分离器，设计计算方法如下：3.1 分离器直径和高度计算 DgLCw)(342式中 水力阻力系数 ，而 ：nDaCReg颗粒（液滴）沉降速度， ；ws/m和 分别为操作条件下颗粒和介质的密度， ；取 1000Lg 3m/kg和 18.23m/k3/k操作条件下介质的粘度， 或 ；1.205910 -5)s/(kg)Pa()s/(g颗粒（液滴）直径， 。Dm6108当颗粒直径不大于 ，且 时，n=1，a=24，则:)802(62ResmgwL /2837.01059.).(1522 由理想气体状态方程 有 ： TnZRpVmTZP0气体计算速度： smw/218.37.50式中 V 气体计算速度， ；s/颗粒（液滴）沉降速度， ；ws/系数，取 。8.075.则有 smV/213气体在操作条件下的流量： 2104.3295.085.03864293105.864 TZPQg分离器直径 D 可用下式计算： mV45.0218.75.0785.0 式中 Q 气体在操作条件下的流量， ；s/3V 气体计算速度， 。s/m3.2 分离器进口管、出口管的计算分离器进口管和出口管的直径 和 可用下式计算：1D2mVQ5.3785.043785.0.0.11 D.61 5.02.22 式中 Q 气体在操作条件下的流量， ；s/m3、 分别为气体的进口和出口速度， 。1V2 /4 储气井安全阀的工艺计算1. 安全阀的泄放量： hkgG/86.427压缩机操作压力 P=20MPa，由于 P7.5MPa,2. 则有安全阀的泄放压力： Ma2105.3. 安全阀的聚积压力： a.4. 安全阀的最高泄放压力： PPam315. 背压： 5.0278.1278.kc式中 气体临界压缩比；ck 气体绝热指数，可取 1.21.4。MPaPc48.251.0气体特性系数： 3.25773712387 187.kC其中，k 是气体绝热指数。视对比压力 450crp视对比温度 .16.9328crT根据 、 值查图得：Z=0.8 rpT6. 安全阀通道截面积： 21 1038.298.04163.2579.04197.0 cmZTMCKPGA 7.安全阀直径： mcAD074.2.0138.42根据油气田常用阀门手册选用 AY42H-250 型弹簧封闭全启式安全溢流阀，公称通径 DN2，公称压力 23MPa。5 输气管线工艺计算5.1 原料天然气管线工艺计算根据天然气工程手册准则：输气管线最大流速 ，最小流s/m3.18Vax速 。设计压力 P =0.65MPa，设计温度 T =273+20=293K。s/m43Vin1. 压缩系数 Z 的确定：15.69.10avPZ式中： 输气管平均压力，MPa。avP取 =P =0.3MPa，则： 9.03.691015Z2. 输气管管径的确定： gQPdTZV23.式中 V 输气管气体流速，m/s； 输气管气体流量，m 3/d； gQT 输气管中的气体温度，K；P 输气管中的气体压力，MPa；Z 气体压缩系数；d 输气管管径,mm。 PVTZQdg310.5进口管线管径： mm4.515.0.92.3 出口管线管径： mm.6.0.1.543d3. 输气管管壁厚的确定： CKFPdts2式中 输气管管壁厚， mm；P 输气管设计压力，MPa；d 输气管管径,mm；管子的最低屈服强度，MPa；sF 设计因素，取 0.6；管子的纵向焊缝系数，对于无缝钢管， =1.00 管子强度的温度减弱系数，当气体温度在 123下时， =1；tK tKC 腐蚀裕量， 微腐蚀：C=1mm则进口管线： mm ,选用壁厚为 2.0mm 的无15.0.162548.缝钢管。出口管线： mm ,选用壁厚为 2.0mm 的无缝80.钢管。进气管线选用 DN68 的无缝钢管，出气管线选用 DN80 的无缝钢管。5.2 压缩机进气管线工艺计算根据天然气工程手册准则：输气管线最大流速 ，最小流s/m3.18Vax速 。设计压力 P =0.5MPa，设计温度 T =293K。s/m43Vin1. 压缩系数 Z 的确定：将 P0.5MPa，T=293K，代入下式得：视对比压力： =crp1.05924.视对比温度： crT163根据 、 值查图得：Z=0.98rp2. 输气管管径的确定：压缩机进气管线的管径与分离器的出口管线管径相同，选用 DN80 的无缝钢管。3. 输气管管壁厚的确定：压缩机进气管线的壁厚与分离器的出口管线壁厚相同，选用壁厚为 1.4mm的无缝钢管。5.3 压缩机出气管线工艺计算根据天然气工程手册准则：输气管线最大流速 ，最小流s/m3.18Vax速 。设计压力 P =25MPa，设计温度 T =273+45=318K。s/m43Vin1. 压缩系数 Z 的确定：将 P=25MPa，T=318K，代入下式得：视对比压力： =crp39.524.视对比温度： crT6.1.8根据 、 值查图得：Z=0.866rp2. 输气管管径的确定：m=17mm5.0minmax78.VQD017.378.165.4m=6.8mm5.0axin. 68.15.043. 输气管管壁厚的确定： mm73.210.6257取壁厚为 3.5mm 的无缝钢管，则外径为 29mm,选用 DN35mm 的无缝钢管。5.4 储气井管道工艺计算根据天然气工程手册准则：输气管线最大流速 ，最小流s/m3.18Vax速 。设计压力 P =20MPa，设计温度 T =273+40=313K。s/m43Vin1. 压缩系数 Z 的确定：将 P=25MPa，T=313K，代入下式得：视对比压力： =crp36.4592.0视对比温度： crT.1.根据 、 值查图得：Z=0.825rp2. 输气管管径的确定：m=18mm5.0minmax78.VQD018.378.15.43. 输气管管壁厚的确定： mm46.210.625取壁厚为 3.5mm 的无缝钢管，则外径为 31mm,选用 DN35mm 的无缝钢管。6 输油管道的工艺计算6.1 输送汽油管道1. 管径的确定： Qd4式中 d 输送汽油管道管径，mm；Q 汽油输送量，m 3/s；v 汽油的经济流速，m/s。取卸油管道：v=1.3 m/s,供油管道：v=2.0 m/s,汽油密度：0.75 g/m3。根据汽车加油加气站设计与施工规范（GB501562002），加油流量不大于 60L/min,取最大值计