第7章__天然气的脱水三甘醇.ppt

1,第七章天然气的脱水内容提要,第一节概述,第二节溶剂吸收法脱水,基本原理、设计计算,第三节固体吸附法脱水,基本原理、设计计算,2,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。,3,第一节概述水的危害（为何要脱水？）：天然气中液相水存在时，在一定条件下会形成水合物，堵塞管路、设备、影响集输生产的正常进行。对于含有CO2、H2S等酸性气体的天然气，由于液相水的存在，会造成设备、管道的腐蚀。,4,天然气脱水深度要求,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510；对天然气凝液回收装置，水露点应低于最低制冷温度510,5,1低温冷凝法2溶剂吸收脱水法3固体吸附脱水法有时采用2、3两种方式相结合的两步脱水法：第一步用溶剂吸附法使天然气达到一定的露点降；第二步用固体吸附法来达到深度脱水的目的。,天然气的脱水方法：,6,第二节溶剂吸收法脱水,一、甘醇脱水的基本原理和物理性质1、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。,7,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溶，并表现出很强的吸水性。因此甘醇水溶液可将天然气中的水蒸气萃取出来形成甘醇稀溶液，使天然气中水汽量大幅度下降。,8,2、甘醇的物理性质,9,一甘醇（乙二醇）、二甘醇、三甘醇、四甘醇,分子量增大、粘度增大、脱水露点降变小。,10,三甘醇（TEG）的优点是：(1)沸点较高(285.5)，比二甘醇（244.8）约高40，可在较高的温度下再生，即使在常压下再生贫液浓度也可达98.598.7%以上，因而露点降比二甘醇多822左右。(2)蒸气压较低。27时，仅为二甘醇的20%，因而损耗小。(3)热力学性质稳定。理论热分解温度(206.7)约比二甘醇（164.4）高40。,11,二、三甘醇吸收脱水的原理流程,7-5,12,13,图7-6所示为一典型的板式吸收塔。脱水吸收塔通常有612个塔盘。,14,流程中各设备的作用是：入口分离器除去自由水、液烃和盐水，以避免由于溶液发泡而造成的溶剂损失和塔效率的下降；雾液分离器分离干气携带的吸收塔是气流传质的场所，使气相中的水分转入中；,15,泵输送设备；贫液冷却器冷却贫甘醇以达到需要的温度；闪蒸器使富液闪蒸除去进入富液中的轻组分，减少再生塔的再生负荷；贫富液热交换器使贫液温度下降，富液温度升高，充分利用热能；,流程中各设备的作用是：,16,流程中各设备的作用是：,再生塔提浓富液的场所（精馏原理）；缓冲罐缓冲、贮存、补充液体；过滤器过滤溶液，除去腐蚀产物及其它杂质，减少溶液发泡的可能性。,17,问题：,影响三甘醇脱水关键因素是什么？,三甘醇贫液浓度,18,提高三甘醇贫液浓度的方法(1)减压再生可将三甘醇提浓至98.5%（质）以上。但减压系统比较复杂，限制了该法的应用。(2)气体汽提典型流程见图7-7。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，使甘醇溶液得以提浓到98.5%(质)以上。此法是现行三甘醇脱水装置中应用较多的再生方法。,19,7-7,20,(3)共沸再生共沸再生流程见图7-8。共沸剂与三甘醇溶液中的残留水形成低沸点共沸物汽化，从再生塔顶流出，经冷凝冷却后，进入共沸物分离器，分去水后，共沸剂用泵再打回重沸器。共沸剂最常用的是异辛烷。可将甘醇溶液提浓至99.99%(质)，干气露点可低达-73。,21,7-8,22,三、三甘醇法脱水的工艺参数选取原则,影响脱水效果的因素包括：贫三甘醇的浓度、三甘醇循环速率、处理量、操作压力和温度以及影响平衡过程的其它因素。,23,1入口气体温度（1）在恒定压力条件下，当入口气体温度升高时，入口气体的含水量增加。也就是说，在较高的温度下，甘醇不得不清除更多的水量才能符合要求。（2）气体温度的升高，会导致所需的吸收塔塔径的增加。这是由于温度升高实际上增大了气流的速度所致。,24,（3）最低的气体入口温度应高于水合物形成的温度并应总是高于10C。若低于10C，甘醇会变稠。低于1521C，甘醇会同气体中的液体烃类形成稳定的乳化液，并在塔内导致发泡。入口气温度超过48C将导致三甘醇的损失增大。,1入口气体温度,25,通常所设计的三甘醇装置的入口气体温度都在2643C之间。,26,2塔内压力认为3.458.27MPa的脱水压力是最经济的。为什么？,27,3贫甘醇的温度多数设计要求贫甘醇温度较吸收塔的出口气体温度高10C。为什么？,28,4吸收塔的塔板数在甘醇循环率和贫甘醇浓度恒定情况下，塔板数越多，露点降越大。由于再沸器的热负荷与甘醇循环率有直接的关系，故所用的塔板数愈多，节约燃料也愈多。通常多数塔板都定为68块。,29,5甘醇的浓度在给定了甘醇循环率和塔板数的情况下，贫甘醇的浓度越高，露点降就越大。,30,7-9,离开吸收塔的气体的实际露点，一般较平衡露点高5.58.3C。,书中改错,31,对于露点降，增加贫甘醇浓度较增加循环率更有效。,7-10,32,6甘醇再（重）沸器温度,再沸器的温度可控制水在贫甘醇中的浓度，温度越高，贫甘醇浓度也越大。通常把三甘醇再沸器的温度限制为204C一般比较流行的作法是，把再沸器的温度限制在188199C之间，这样可将甘醇的降解减至最小，从而有效地将甘醇浓度限制在98.2%98.5%之间,33,甘醇同汽提气的接触能降低离开再沸器的贫甘醇中水的浓度。在常温常压下，常使用被水蒸气饱和的湿气作为汽提气。,7汽提气,34,8甘醇循环率,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；保证最大的循环率为清除1kg水需58.4L甘醇；而最常用的范围是吸收1kg水需2560L三甘醇溶液。,35,三甘醇脱水装置的工艺计算,一吸收塔的工艺计算吸收塔的工艺计算包括：确定吸收剂的浓度、循环量、塔板数以及塔径等吸收塔的尺寸。,36,一吸收塔的工艺计算,1.进塔贫甘醇溶液浓度的确定根据图7-9可确定在一定操作温度下，欲达到干气平衡露点所必须的贫三甘醇溶液的最低浓度。出塔干气的真实水露点温度比平衡水露点温度高，tr=te+t(7-1)一般可取t=811C,37,7-9,38,2、吸收剂贫三甘醇溶液用量的确定,G脱出的水量，kg/d(或kg/h)；V进入吸收塔的天然气量，Nm3/d(或Nm3/h)；y进入吸收塔的天然气含水汽量，g重/Nm3y离开吸收塔的干气含水汽量，g重/Nm3,39,2、吸收剂贫三甘醇溶液用量的确定（续）,则三甘醇贫液用量V为,式中a由天然气中每吸收1公斤水所需要的三甘醇溶液量，m3，一般a取为0.0250.06m3。,40,3、吸收塔塔板数的确定,其中L三甘醇溶液循环量，mol/hV原料天然气流量，mol/hK气相中水汽和三甘醇水溶液中液相水之间的平衡常数。A吸收因子,吸收因子的计算：,（7-5）,41,3、吸收塔塔板数的确定（续）,Kremser-Brown方程,式中yN+1进吸收塔湿原料气中水的摩尔分数y1离开吸收塔干气中水的摩尔分数y0当离塔干气与进塔贫三甘醇溶液处于平衡时，干气中水的摩尔分数N吸收塔理论塔板数A吸收因子,吸收因子A,42,3、吸收塔塔板数的确定（续）,平衡常数式中y气相中水的摩尔分数；x与气相平衡的三甘醇溶液中水的摩尔分数。,43,3、吸收塔塔板数的确定（续）,式中W0操作条件下与纯液相水呈平衡状态的饱和水汽含量，kg水汽/百万Nm3天然气。r三甘醇水溶液水的活度系数。可由图7-15查得。,（7-11）,44,图7-16克列姆塞尔吸收因子图,45,3、吸收塔塔板数的确定（续）,塔板效率,Np实际板数。N理论板数。效率一般可取为2540%,46,4甘醇吸收塔的选型和塔径计算,小直径三甘醇吸收塔可选用填料塔型；直径较大时，则应选用板式塔。由于三甘醇溶液循环量很小，为有利于气-液传质，保证塔板液封，增加操作弹性，多采用园泡罩塔板，也有采用浮阀塔板。,47,泡罩塔塔径计算,式中Ga气体的最大允许质量速度，kg/hm2（空塔气体质量流速Ga）l吸收塔中液相密度，kg/m3g吸收塔中气相密度，kg/m3C常数，可由表7-3或图7-18查得。,48,泡罩塔塔径计算（续）,49,50,设计气体质量流量,泡罩塔塔径计算（续）,51,式中G被处理气体的质量流量，kg/h，按下式计算G=0.05Q（7-18）或G=0.00173QMn（7-19）其中Q被处理气体的体积流量，基米3/天，天然气相对密度（空气相对密度为1.0）Mn被处理气体的分子量,泡罩塔塔径计算（续）,52,二三甘醇再生系统的计算,1再生系统操作条件的确定(1)再生温度和压力再生温度和压力一般采用常压再生。常压下，三甘醇的热分解温度约为206C。因而重沸器的温度不应高于此值，通常为191193C，最高不应超过204。,53,1再生系统操作条件的确定,在罐式重沸器中，气液两相可认为达到平衡，此汽一液两相平衡系统的温度和压力关系如图7-19所示。已知重沸器压力（甘醇蒸汽和水蒸汽分压之和）和要求达到的三甘醇溶液浓度，则由图7-19可以查出相应的重沸器温度，如有惰性气体存在时，则应由重沸器压力中扣除惰性气体分压后，再由图查出相应的温度。,54,55,1再生系统操作条件的确定,（2）再生塔回流比由于三甘醇和水的沸点相差较大（三甘醇沸点为285.5C，水为100C），较易分离，一般采用回流比约为1:1。,56,1再生系统操作条件的确定,（3)汽提气及其用量利用汽提气进行再生时，所用汽提气应不溶于水，且在204C以前是稳定的气体。现场常用压力为294588kPa（表压）的干天然气，或者三甘醇富液的闪蒸气作为再生汽提气。,57,1再生系统操作条件的确定,随汽提气用量增加，再生贫三甘醇溶液浓度增加。但是，汽提量增加到一定值后，三甘醇溶液浓度增加缓慢。因此应适当使用汽提量，并控制勿使汽提柱发生液泛。可利用图7-21计算汽提气用量。,58,图7-21确定汽提气用量的计算图,59,图7-21a常压和汽提再生查图方法,B,T,K1,A,X,K2,（3）汽提气用量,60,常压和汽提再生查图步骤,由顶部三甘醇贫液浓度浓度线上确定B点，由B点作垂线直接与再沸器操作温度的等温线交于K1，然后由K1作水平线K1X。由底部三甘醇富液浓度线确定A点，由A点作垂线与K1X相交于K2点，由K2点即可读出应注入再生系统的汽提量，如图7-21a）。,61,减压和汽提再生查图方法,62,（1）如图所示，由所需要达到的贫三甘醇溶液浓度，在顶部贫甘醇浓度线上确定B点，由B点作垂线交与重沸器操作压力对应的等压线于K1点，再由K1点作水平线交101.325kPa（760mmHg）等压线于K2点；由K2点作垂线交与再沸器操作温度对应的等温线于K3点，由K3作水平线K3X。,减压和汽提再生查图步骤,63,（2）根据进再生塔的富液浓度，由底部富三甘醇溶液浓度线上确定A点；由A点作垂线交K3X线于K4点，由K4点即可读出应注入再生系统的汽提气量。,减压和汽提再生查图步骤,64,2再生设备尺寸确定,（1）三甘醇重沸器的选型及计算1）选型三甘醇再生重沸器的加热方式有：火管加热、蒸汽加热；国外还有热载体加热及燃气轮机废气加热等。井场快装式脱水装置几乎都是采用天然气直接火管加热，天然气净化厂的脱水装置通常采用2.53.9MPa（表）的蒸汽或天然气直接火管加热。,65,2）重沸器热负荷,q=557435L式中q重沸器的总热负荷，J/h；L甘醇循环量，L/h,66,2）重沸器热负荷,式中：q1水蒸汽带走的热量，kJ/h；q2回流所耗热量，kJ/h；q3汽提气加热所耗热量，kJ/h；q4贫液带出的热量，kJ/h；q5富液带入的热量，kJ/h。,67,3）重沸器的供热量、热流强度、热效率,供热量重沸器供热量取决于贫、富甘醇换热情况和换热效率，一般选单位体积甘醇所需热量418076780409kJ/m3的下限值。,式中：L贫贫甘醇的体积流量。根据q有效值，可估计重沸器及贫、富液换热器及精确柱的尺寸。,68,3）重沸器的供热量、热流强度、热效率,据国外经验，重沸器的热负荷低于837360kJ/h的小型装置宜采用同径的U型管布置形式，如果重沸器的热负荷高于837360kJ/h，一般采用变径火管布置。,69,70,3）重沸器的供热量、热流强度、热效率,热流强度热流强度推荐用6698983736kJ/(hm2)。若火管金属表面温度高，甘醇会很快分解，由于这个原因，要决定最小表面温度，采用适宜的火管设计型式，以提供足够的表面积。为此，采用火管加热方式中，热流强度不能超过79549kJ/(hm2)。低的热流强度是有益的，可防止火管壁温升高。当用蒸汽作重沸器热源时，应限制热流强度为79496kJ/(hm2),71,火管传热面积,式中：q有效重沸器的供热量，kJ/h；q选所选热流强度，一般取q选=66989kJ/(hm2),3）重沸器的供热量、热流强度、热效率,72,热效率推荐直接火加热型式的热效率=70%重沸器燃料用量,式中：H低燃料的低热值，kJ/Nm3；,Nm3/h,3）重沸器的供热量、热流强度、热效率,73,烟囱直径取与火管直径一致，烟囱高度一般推荐在315米范围，比重沸器火管水平管高出6米左右即可。烟囱阻力为15毫米水柱。,3）重沸器的供热量、热流强度、热效率,74,（1）甘醇换热罐的选型及换热面积计算,贫甘醇-富甘醇溶液换热器多采用罐式，叫甘醇换热罐。它主要作为甘醇循环泵进料缓冲罐。利用缓冲罐内有效空间布置一层或多层换热盘管，进行贫、富液的热交换，同时三甘醇贫液在此起沉降作用，并保证三甘醇循环泵的净吸入压头。,75,（1）甘醇换热罐的选型及换热面积计算,为了尽量降低三甘醇贫液的出口温度，换热罐可不用保温，只要求考虑防烫设施。一般采用金属丝网防烫保护罩。三甘醇贫液凭借热辐射向周围大气散热而被冷却。不保温时的热损失是保温时热损失的20倍，测得某引进装置不保温时热损失为34.9%（保温时，壳程流体的热损失为5%）。,76,（1）甘醇换热罐的选型及换热面积计算,1）作物料平衡根据贫、富液组成和流率作出物料平衡，可得贫、富甘醇溶液浓度为100%（质）时的流率及水的流率。2）作热平衡求换热罐的热负荷q换热罐的热负荷由贫甘醇侧来决定，因为贫甘醇侧无相变，其比热数据适合计算。若取换热罐热损为35%，则,77,（1）甘醇换热罐的选型及换热面积计算,式中：q1、q2分别为贫甘醇带入和带出的热量，kJ/h；q3、q4分别为富甘醇带入和带出的热量，kJ/h。,78,（1）甘醇换热罐的选型及换热面积计算,1）甘醇换热罐的换热面积F,79,（3）贫、富液精馏柱,精馏原理,80,81,精馏原理,实现精馏过程的必要条件是：每一块塔板上要有汽液两相密切接触。汽液两相间的组分应有浓度差。以保证有一定的传质推动力，使传质过程得以持续进行。汽液两相间应有温度差。才能保证传热过程的进行。,82,2）贫、富液精馏柱的直径及高度,富甘醇溶液精馏柱多为填料塔型，其直径由填料塔泛点速度计算，设计时，用泛点速度乘以安全系数（一般为0.60.8）作为操作速度，再根据富液精馏柱中气相流率（m3/h）即可算出塔径。,83,a、按泛点空塔气速计算,式中：干填料因子，a为填料比表面积（m2/m3），为填料空隙率（m3/m3）,1/m；A系数，因填料形式不同而异，对拉西环A=0.022，对弧鞍型填料A=0.26，对丝网填料中的网环A=0.20；L液相的粘度，m(Pas)；WF泛点空塔气速，m/s；q重力加速度，9.81m/s2；L液相的流量，kg/hG气相的流量，kg/h；L、G液相及气相的密度，kg/m3。,84,b.按富液喷淋密度计算,富液精馏柱直径还可用三甘醇喷淋密度（5.112.7m3/(hm2)）计算，一般靠近上限值选取，（推荐值为10.35m3/(hm2)）。,Ln三甘醇富液流率，kg/h；L三甘醇富液密度，kg/m3。,85,贫液精馏柱的直径,贫液精馏柱的直径比富液精馏柱直径要小，一般取贫液精馏柱截面积为富液精馏柱截面积的57%，即贫液精馏柱的直径为0.76倍富液精馏柱的直径,86,贫、富液精馏柱的高度,在富液精馏柱中的分离实际是水甘醇的二元精馏分离，所需理论板数可采用逐板计算法或图解法求得。一般需要2或3块理论板即可达到要求，其中一块板为重沸器。,87,富液精馏柱的填料层高度,对于填料塔，填料层高度的计算有两种方法：传质单元法(参考化工原理）；等板高度法。,88,填料层高度Z（m）,按等板高度法计算填料层高度：,NT理论板数；HT填料的等板高度，m。,89,贫液精馏柱的填料高度,贫液精馏柱的填料高度一般取为1.21.6m。该精馏柱的下部插入换热罐溶液中。,90,（6）其它设备的选用,甘醇溶液闪蒸罐换热设备甘醇富液过滤器甘醇循环泵,91,甘醇溶液闪蒸罐,在高压天然气脱水装置中，有一定量烃类气体溶解于循环的甘醇溶液中，溶解的烃类气体随吸收塔操作压力增加而增加，溶解的气量。甘醇闪蒸分离器的压力宜为0.170.52MPa，操作温度为6093。,92,闪蒸罐的尺寸设计是按流体在闪蒸罐中停留时间t(min)和甘醇循环量VL（m3/h)来确定的。闪蒸罐的停留时间，由溶解烃的种类和起泡程度决定，两相分离器为5分钟，三相分离器取为2030分钟。,V闪蒸罐的沉降容积，m3。,甘醇溶液闪蒸罐,93,换热设备,在TEG脱水工艺中采用的冷换设备有贫/富TEG换热器、贫液冷却器、再生塔顶冷凝器，有时还设置湿气冷却器等，具体使用的换热器型式各不相同。,94,换热器面积计算：,q热负荷，kW；K传热系数，kW/(m2)；t冷热流体的温差，。,换热设备,95,贫/富甘醇换热器因其壳程流速很低，故其传热系数K值很小。工业装置上求得的传热系数K=116175W/(m2K)，而理论计算的K值更小，例如，某引进装置换热罐的传热系数值为31.4W/(m2K)。,换热设备,96,甘醇富液过滤器,甘醇富液过滤器常用的有玻璃纤维过滤器和活性炭过滤器两种，或二者串联组成。玻璃纤维过滤器主要用来脱除三甘醇溶液中5微米以上固体杂质，以防溶液变脏、发泡和堵塞设备。,97,活性炭过滤器主要用来脱除三甘醇溶液中的重烃、酸碱性物质（即降解产物）及5微米以下的固体物质以防甘醇溶液起泡和腐蚀设备。,甘醇富液过滤器,98,根据富液流率及推荐的过滤速度（四川卧引厂玻璃纤维过滤器：2.3m3/(m2h)，活性炭过滤器：40.8L/(m2h)）可计算出过滤器的过滤面积。活性炭过滤器一般是按富液流量的10%进行设计。,甘醇富液过滤器,99,