天然气工程-天然气预处理及轻烃回收

1、第十章第十章 天然气预处理及轻烃回收天然气预处理及轻烃回收 1 1 节流的基本概念节流的基本概念 （1 1）、井场工艺中的基本概念）、井场工艺中的基本概念 1）节流概述及能量方程 2）微分节流效应 3）积分节流效应 1）节流概述及能量方程）节流概述及能量方程 u特点：节流前后体系焓值相等。 由稳定流动方程 截面截面1 截面截面2 节流膨节流膨 胀示意胀示意 F WQZ g u H 2 2 两截面焓差两截面焓差 动能动能 截面高差截面高差 吸热吸热 对气体作功对气体作功 2）微分节流效应 u 等焓节流时，微小压力变化所引起的温度变化称微分 节流效应。 u微分节流效应系数： u利用麦克斯韦关系式：

2、 u无能量供给第一项小于零，第二项由于是压力降低也 小于零。 HH p T )( ) )( ()( 1 TT p H p pV p E C 内能随压力的变化内能随压力的变化 移动功随压力的变化移动功随压力的变化 H0 温度降低温度降低 u实际节流时，压降为一有限值 u有限压力变化所引起的温度变化为积分节流效应。 u在实际工作中，由于节流前后为有限压降，故温降也为 一有限值。 u对于不同的天然气体系，在相同有限压降下，温降会有 差异。 2 1 12 p p H dpTTT 3）积分节流效应 1）计量分级 u一级计量：气田外输干气与天然气销售公司的交接计 量，综合误差要求3%； u二级计量：气田内

3、部干气的生产计量，综合误差要求 5%； u三级计量：气田内部湿气的生产计量，综合误差要求 7%。 （2）、天然气计量 u一级和二级计量我国主要采用孔板压差流量计。 u计算方法（参见SYL04-83) u三级计量采用涡轮流量计（由于孔板流量计存在节流 效应而不适宜湿气） 2）计量仪表 LPG（C2,C3,C4） 脱杂质 分馏塔 脱水及酸气 轻烃回收 外输天然气 天然气油 凝析油 残渣 排污排污及硫磺 回收液 原料气 2、地面简要流程 在现场上常根据不同的要求进行安装在现场上常根据不同的要求进行安装 脱杂质 分馏塔 脱水及酸气 轻烃回收 外输天然气 天然气油 凝析油 残渣 排污排污回收液 原料气

4、脱杂质 分馏塔 脱水及酸气 轻烃回收 外输天然气 天然气油 凝析油 残渣 排污排污及硫磺 回收液 原料气 脱杂质 分馏塔 脱水及酸气 轻烃回收 外输天然气 天然气油 凝析油 残渣 排污排污及硫磺 回收液 原料气 3、脱杂质和排污、脱杂质和排污 u现场用的两种分离器现场用的两种分离器 立式分离器立式分离器 卧式分离器卧式分离器 u分离方式分离方式 主要采用的是离心式分离方法主要采用的是离心式分离方法 使用切线入口或内管造成入口气体的螺旋转动形成离心力使用切线入口或内管造成入口气体的螺旋转动形成离心力 现在主要采用内管式现在主要采用内管式 目前在第一级的脱杂质分离阶段主要采用立式分离器，主要目前在

5、第一级的脱杂质分离阶段主要采用立式分离器，主要 是解决高速流动时，卧式分离的长度问题是解决高速流动时，卧式分离的长度问题 4、天然气净化 脱杂质 分馏塔 脱水及酸气 轻烃回收 外输天然气 天然气油 凝析油 残渣 排污排污及硫磺 回收液 原料气 （1）脱水的原因）脱水的原因 u防止在低温设备中发生冻堵防止在低温设备中发生冻堵 u降低设备腐蚀降低设备腐蚀 u降低输送过程中的水露点降低输送过程中的水露点 u气质标准要求气质标准要求 1）防止在低温设备中发生冻堵）防止在低温设备中发生冻堵 u主要原因是天然气中的小分子组分（如甲烷、乙烷，以至于丙丁烷等）主要原因是天然气中的小分子组分（如甲烷、乙烷，以至

6、于丙丁烷等） 与水在一定的温度和压力条件下形成水合物；与水在一定的温度和压力条件下形成水合物； u天然气水合物（天然气水合物（Gas hydrates） 是在石油和天然气开采、加工和运输是在石油和天然气开采、加工和运输 过程中在一定温度和压力下天然气中的某些烃组分与液态水形成的冰过程中在一定温度和压力下天然气中的某些烃组分与液态水形成的冰 雪状物质；雪状物质； u当条件适合时天然气水合物会逐渐以结晶增长方式沉积在地层或管道当条件适合时天然气水合物会逐渐以结晶增长方式沉积在地层或管道 中，严重时会堵塞井筒、油咀、线、阀门和设备，从而影响天然气的中，严重时会堵塞井筒、油咀、线、阀门和设备，从而影响

7、天然气的 开采、集输加工过程的安全运行。开采、集输加工过程的安全运行。 （2）天然气脱水方法）天然气脱水方法 u固体吸附法固体吸附法 u液体吸收法液体吸收法 u冷却法冷却法 1）固体吸附法脱水）固体吸附法脱水 选用特定的高效固体吸附剂，选择固体吸附剂通常应满足下列要求： 有强的选择性吸附水分子能力； 能再生和多次重复使用； 机械强度高，化学稳定性好； 资源广泛，价格低廉。 常用的固体吸购剂主要有铝土矿、活性氧化铝、硅胶、各种分子筛。采用固体 吸附剂脱水已形成成熟工艺技术。 u各种固体干燥剂的吸附和再生过程基本上是一样的，设备和工艺各种固体干燥剂的吸附和再生过程基本上是一样的，设备和工艺 流程也

8、相同；流程也相同； u天然气工业中主要采用固定床吸附塔，一般采用天然气工业中主要采用固定床吸附塔，一般采用24个吸附塔，个吸附塔， 切换使用；切换使用； u分脱水、再生和冷却分脱水、再生和冷却3个过程个过程 u典型的双塔流程（典型的双塔流程（p365） u属于深度脱水属于深度脱水 固体吸附法脱水基本流程固体吸附法脱水基本流程 天然气脱水常用的液体吸收剂有乙二醇、二甘醇、三甘醇和四甘醇等。如天然气脱水常用的液体吸收剂有乙二醇、二甘醇、三甘醇和四甘醇等。如 果要求脱水后气体露点降到果要求脱水后气体露点降到-20到到-40时，选用三甘醇脱水为好，四川气时，选用三甘醇脱水为好，四川气 田几十年的生产实

9、践证明，使用乙二醇和二甘醇时损失较大，而三甘醇以田几十年的生产实践证明，使用乙二醇和二甘醇时损失较大，而三甘醇以 其较大的露点降低，技术上的可靠性和经济上的合理性而在天然气脱水中其较大的露点降低，技术上的可靠性和经济上的合理性而在天然气脱水中 得到普遍使用，如四川卧龙河气田引进的脱硫装置中就带有配套的三甘醇得到普遍使用，如四川卧龙河气田引进的脱硫装置中就带有配套的三甘醇 脱水装置。脱水装置。 2） 液体吸收法 溶剂吸收法的适用范围 用于大型天然气液化装置中脱出大部分水分； 露点降仅为-22-28。 露点降：在同一压力下，被水汽饱和的天然气露点温度与经过脱水装置后 同一气流的露点温度之差。 溶剂

10、吸收法基本流程 闪蒸罐闪蒸罐 缓冲罐缓冲罐 游离液体 泵 过滤器 富甘醇 贫甘醇 蒸馏塔 甘醇吸收塔 水蒸气 闪蒸气 干气 原料气 重沸器重沸器 三甘醇脱水装置工艺计算内容三甘醇脱水装置工艺计算内容 （360360363363页）页） u确定进塔贫甘醇浓度 u确定吸收剂贫甘醇用量 u确定吸收塔塔板数 u确定吸收塔型号和塔径 u干气的平衡露点干气的平衡露点 当吸收塔顶的气体与进塔的贫三甘醇充分接触并达到平衡时，离塔干气当吸收塔顶的气体与进塔的贫三甘醇充分接触并达到平衡时，离塔干气 的可能达到的最低露点；的可能达到的最低露点； u塔顶饱和含水汽量塔顶饱和含水汽量 塔顶吸收温度和压力条件下可能达到的

11、最低含水汽量；塔顶吸收温度和压力条件下可能达到的最低含水汽量； u进塔贫三甘醇的浓度为达到最低干气露点所必须得浓度进塔贫三甘醇的浓度为达到最低干气露点所必须得浓度 u实践证明：当吸收塔的操作压力小于实践证明：当吸收塔的操作压力小于16.454MPa时，吸收塔顶出时，吸收塔顶出 口干气的露点温度基本上与操作压力无关口干气的露点温度基本上与操作压力无关 在实际工作中，操作压力远低于该值。在实际工作中，操作压力远低于该值。 确定进塔贫甘醇浓度确定进塔贫甘醇浓度 u出塔干气的真实水露点温度出塔干气的真实水露点温度Ta一般比出塔一般比出塔 干气的平衡水露点温度干气的平衡水露点温度Te高：高： 即：即：

12、一般为一般为810 u已知某天然气站已知某天然气站TEGTEG脱水装置进料压力为脱水装置进料压力为 3.0MPa3.0MPa、温度为、温度为3535，由于该天然气处理，由于该天然气处理 后直接收入一大型工厂，根据合同要求进后直接收入一大型工厂，根据合同要求进 厂干气的露点要达到厂干气的露点要达到-3-3。请问在进行实。请问在进行实 际操作时，需要的进塔贫际操作时，需要的进塔贫TEGTEG溶液的最低浓溶液的最低浓 度是多少？度是多少？ u若温度偏差取若温度偏差取10 uTe Ta1013 TTeTa T u贫三甘醇溶液的浓度、用量及吸收塔理论接触段数与露点降是密切贫三甘醇溶液的浓度、用量及吸收塔

13、理论接触段数与露点降是密切 关联的参数。关联的参数。 u吸收装置单位时间所需要的三甘醇贫液用量可根据给定的工艺参数，吸收装置单位时间所需要的三甘醇贫液用量可根据给定的工艺参数， 先计算出单位时间的脱水量先计算出单位时间的脱水量G G，kg/d(kg/d(或或kg/h),kg/h),再确定三甘醇溶液用再确定三甘醇溶液用 量。量。 GG脱出的水量，脱出的水量，kg/dkg/d VV进入吸收塔的天然气，进入吸收塔的天然气，m m3 3/d/d yy进入吸收塔的天然气含水汽量，进入吸收塔的天然气含水汽量，g/mg/m3 3 yy离开吸收塔的干气含水汽量，离开吸收塔的干气含水汽量，g/mg/m3 3 u

14、则三甘醇贫液用量为则三甘醇贫液用量为 由天然气中每吸收由天然气中每吸收1 1公斤水气需要的三甘醇溶液，公斤水气需要的三甘醇溶液，m m3 3，一般，一般取取 为为0.0250.0250.06 m0.06 m3 3。 1000/ )( yyVG dmGV/, 3 吸收剂贫甘醇溶剂用量的确定吸收剂贫甘醇溶剂用量的确定 吸收塔塔板板数的确定吸收塔塔板板数的确定 u三甘醇脱水装置为典型的吸收三甘醇脱水装置为典型的吸收解吸收过程，可用标准的解吸收过程，可用标准的 KremserBrown吸收因子方法。利用相平衡关系，并通过吸收因子方法。利用相平衡关系，并通过 逐板作物料平衡计算逐板作物料平衡计算： u一

15、般情况下，大多数工业三甘醇吸收塔中最常用的理论计一般情况下，大多数工业三甘醇吸收塔中最常用的理论计 算塔板设为算塔板设为11.5板。最多不超过板。最多不超过2块理论板；三甘醇塔的块理论板；三甘醇塔的 效率效率2540%。相应的可算得塔内最多塔板数不超过。相应的可算得塔内最多塔板数不超过8板。板。 1 1 1 0 1 1 N N i A AA yy yy N N 塔径的计算塔径的计算 C 值 设备和介质板间距46厘米板间距61厘米板间距76厘米 油吸收塔700800850 甘醇吸收塔500550 醇胺吸收塔350395 精镏塔和蒸镏釜440540600 D G C lgg . ( . ) ()

16、. 4175 0708 050 25 冷却法可分先压缩后冷却和预先对气体进行深度冷冻两种。采用的 冷却措施有氨循环制冷，节流膨胀，膨胀机致冷等。对高温、高压 天然气，使用冷却法脱水比较经济。冷却法脱水也常作为其它脱水 方法中的辅助措施，尤其对天然气脱水的粗分离是非常适用的。如 四川卧尤河和川西北矿区所建的低温站，都采用节流膨胀获得低温 天然气，既可回收凝折油，又可起冷却脱水的作用。 3） 冷却法 （3） 天然气脱酸天然气脱酸 u天然气常常含有硫化氢、二氧化碳和有机硫化物。由于水的存在，天然气常常含有硫化氢、二氧化碳和有机硫化物。由于水的存在， 这些气体组分将生成酸或酸溶液，造成输气管道和设备的

17、严重腐蚀。这些气体组分将生成酸或酸溶液，造成输气管道和设备的严重腐蚀。 u国内外现有的脱硫方法很多，按不同的分类有不同的提法，若以脱国内外现有的脱硫方法很多，按不同的分类有不同的提法，若以脱 硫剂的状态划分则可分为干法和湿法两大类。硫剂的状态划分则可分为干法和湿法两大类。 u干法干法采用固体脱硫吸附剂脱硫。这类吸附剂包括天然泡沸石，分采用固体脱硫吸附剂脱硫。这类吸附剂包括天然泡沸石，分 子筛和海棉状氧化铁等。目前用于井站自用气和小量生活用气脱硫子筛和海棉状氧化铁等。目前用于井站自用气和小量生活用气脱硫 有有C784B固体脱硫剂固体脱硫剂 u湿法湿法采用各种液体溶液脱硫剂脱硫。多用于高压天然气中

18、酸性气采用各种液体溶液脱硫剂脱硫。多用于高压天然气中酸性气 含量较高的情况。湿法本身按其吸收方条件又可分为：化学吸收法、含量较高的情况。湿法本身按其吸收方条件又可分为：化学吸收法、 物理吸收法、复合法和直接氧化法。物理吸收法、复合法和直接氧化法。 4、轻烃回收 u主要方法及回收率概述 u节流膨胀基本工艺 u透平膨胀基本工艺 u二级低温分离基本工艺简介 (1）主要方法及回收率概述 方方 法法 产品回收率（产品回收率（%） C2C3C4C5+ 常温油吸收常温油吸收5407587 低温油吸收低温油吸收15559095 简单冷冻简单冷冻25759397 阶式冷冻阶式冷冻708595100 JT阀节流阀

19、节流709097100 透平膨胀透平膨胀8597100100 （2）节流膨胀制冷分离基本工艺 低温分离器 分离器 稳定塔 甘醇提浓塔 甘醇泵 换热 去油罐 闪蒸气 针形阀 旁通 换热 混合室 进气 干气 1）节流膨胀轻烃回收流程工艺计算基本单元）节流膨胀轻烃回收流程工艺计算基本单元 u节流低温分离器 节流膨胀致冷低温原理 节流膨胀模拟计算方法 节流膨胀最佳操作条件分析 u稳定塔 稳定塔计算原理 模拟计算方法 （a）节流膨胀致冷低温原理）节流膨胀致冷低温原理 u特点：节流前后体系焓值相等。 由稳定流动方程 截面截面1 截面截面2 节流膨节流膨 胀示意胀示意 F WQZ g u H 2 2 两截面

20、焓差两截面焓差 动能动能 截面高差截面高差 吸热吸热 对气体作功对气体作功 u 等焓节流时，微小压力变化所引起的温度变化称微分 节流效应。 u微分节流效应系数： u利用麦克斯韦关系式： u无能量供给第一项小于零，第二项由于是压力降低也 小于零。 HH p T )( ) )( ()( 1 TT p H p pV p E C 内能随压力的变化内能随压力的变化 移动功随压力的变化移动功随压力的变化 H0 温度降低温度降低 参见参见P228P228页第一节页第一节 节流调压节流调压 （c）节流膨胀致冷低温原理-积分节流效应 u实际节流时，压降为一有限值 u有限压力变化所引起的温度变化为积分节流效应。 u在实际工作中，由于节流前后为有限压降，故温降也 为一有限值。 u对于不同的天然气体系，在相同有限压降下，温降会 有差异。 (d)(d)节流膨胀基本流程 三相分离 混合室 进料 低温分离器 提浓塔 稳定塔 甘醇泵 干线气 油罐 JT阀 基础数据 入口条件下的焓 H1计算 给定出口压力P2 和温度初值T2 平