甘醇类气体脱水及水合物抑制剂系统译文

1、1壳牌公司设计与工程实践手册DEP 20.04.10.10-Gen1994.12甘醇类气体脱水及水合物抑制系统（抑制水合物工艺介绍；水合物抑制系统设计准则；水合物抑制系统改进等摘译）20050928 译）0026抑制水合物工艺介绍有不少低温天然气工艺需要注入水合物抑制剂，包括：膨胀阀制冷；机械制冷；透平膨胀机制冷；湿气管道输送。MEG、DEG、TEG和MeOH均已用作水合物抑制剂。在甘醇类中，MEG由于其价格、粘度和在液烃中溶解度较低，因而应用最广。MeOH粘度比甘醇低，故易于通过管道泵输。注入后，相当多的 MeOH以 气相分散在气体中，因而可以到达系统中（尤其是在管道中）甘醇不能到达的那 些

2、部位。然而，相当一部分 MeOH仍保持气相并且不会冷凝。 其量是水相中的 2-3倍并造成MeOH连续损失。MeOH易燃且毒性大于甘醇，故需要更高的安全预防措施。甘醇在常温下不 自燃，其优点是蒸气压很低，几乎可完全回收并可再生后重复使用。当不采用计算机程序预测所需的水合物抑制剂量时，也可用Hammerschmidt 公式估计：,x 1300w二 t100M-Mw式中t二气体水合物形成温度降低值，C；M=水合物抑制剂的摩尔质量，kg/kmol ；w=水合物抑制剂在液相中的质量百分数。FIGURE 6.1IIIKefnHratkjrs； of aqueouis,电呼亡创 aiuisions-.Rel

3、. Union Carbidfl -50Wi % GJyul In Aauecus SoLiLionCrysEalliflB zani ifihylena 命Trielhylene003g. .： ii niKka450005000星cnLLr 若_uqn-osOUA57DEG $0%(3)- 50% HeptaneEG 70%樽)-30% Heptane有些文献建议在上式中根据所用的抑制剂采用不同的常数。此处不予考虑且对所有甘醇和甲醇均采用1300。如果系统最低温度低于0C,应满足图6.1中的要求。该图表示了甘醇水溶 液的结晶温度。温度一定时，甘醇浓度应保持在非结晶区中的任一质量百分数值 内

4、。此值和溶液粘度通常将 MEG、DEG和TEG的使用温度分别限制在最低为 -30C、-20r和 0C。工艺温度高于-20C，在选择MEG或DEG时应考虑下述因素：为满足所要求的水合物形成温度降，MEG的注入量少于DEG;MEG的露点降较大，尽管其值仍有点小；MEG可在较高的浓度下再生而不结晶；MEG相应的循环量及泵排量、在分离器中的甘醇残余量及换热器负荷均 较低；DEG在换热器中的传热性质较差于 MEG ;在典型的60C和60%浓度的分离器条件下，MEG和DEG二者无论是粘度（分别是1.6与2.3cP）或密度（分别是1050与1060kg/m3）没有明显差别；MEG需要较高的再生温度（约高8C

5、 ）以达到典型的贫液浓度；MEG重沸器负荷所需的总显热量较低；二者离开精馏柱的水蒸气量相同，但 MEG需要更多的回流来控制气相损 失,因而导致重沸器总热负荷较高；FIGURE 6.5 Solubility of glycols in hydrocarbons10001020304050femperature. C(1)Martiriz j針 Me MunayJohnson & Francis50% DEG - 70% Be盟MS-X% Heptane .5烃类在 MEG 中的溶解度较低，故在重沸器和精馏柱中由于烃类蒸发引起 的甘醇损失和 BTEX 散发量较小；(11)MEG在凝液中的溶解度较小

6、，故甘醇在凝液物流中损失较小，见图 6.5 推荐采用实验室测定的凝液试样估计更可靠的 MEG 和 DEG 溶解度损失，特别 是当芳烃 /酸性气体含量高时；(12)MEG的蒸发损失高于DEG;(13)DEG在湿气管道中的内腐蚀率较小；(14)DEG通常比MEG更贵一些。6.1 采用膨胀阀的 LTS 工艺流程图图6.2为采用膨胀阀的低温分离(LTS)工艺甘醇注入和回收的示意流程图。 其安排和操作条件是典型的，但也可能有很多变化。原料气首先进入入口分离器除去游离凝液和水。 这会降低甘醇再生设备的负 荷，如果游离水含盐那就更加重要。贫甘醇(甘醇溶液的质量浓度为 70%-80%)注在气 /气换热器上游由

7、于温度 降低可能形成水合物之前。 当气体温度降低而且水从气相析出时， 气体与甘醇溶 液连续混合是很必要的。 足够量的甘醇在此处注入， 而且也给下游膨胀阀提供了 水合物抑制剂。从此工艺和其它LTS工艺得到的产品气露点不仅取决于低温分离器的温度， 而且也取决于所注入的甘醇量和浓度。 倘若在温度降低前使注入的甘醇与气流得 到充分接触，就可假定分离器内处于平衡状态并可据此估计气体的露点。离开低温分离器的液体在低温下很难分离， 需要在甘醇 /凝液分离器中加热 至30-60C进行充分分离。分离器也应具有甘醇脱气的能力。6.2采用机械制冷的 LTS 工艺流程图此工艺中采用一个冷剂换热器或冷冻器代替膨胀阀。贫

8、甘醇注在气 /气和冷 剂换热器二者的上游，其量和操作温度和水量有关。6.3采用透平膨胀机的 LTS 工艺流程图典型的透平膨胀机工厂流程见图 6.3。需要有两个甘醇注入点：一处是气 / 气换热器， 另一处是透平膨胀机。 从透平膨胀机入口分离器和低温分离器分出的 液体通常在甘醇 /凝液分离器进料加热器上游混合。开工时气体经过透平膨胀机 旁路并联的膨胀阀直至系统干净和稳定。6.4 湿气管道流程图 在典型的湿气管道系统中注水合物抑制剂的工艺流程示意图见图 6.4。 入口分离器可以显著降低管道内的 CO2腐蚀并具有在6.1节LTS工艺中介绍 过的优点。贫甘醇一般应直接注到入口分离器下游的气体出口管线中。

9、 开工时管线温度 很低，这样就可起到抑制水合物的作用。 低温开工时 甘醇不应注到入口分离器的 上游来抑制水合物的形成， 因为它会受到盐分的污染 ，并且在正常情况下不能回 收。间断注入甲醇更为有利， 因为环境影响并不明显， 而且抑制水合物的效果更6PE4T LMfwUEhdMHfrHfr厂*$E=mg15151 14 43-e自 -8gcnD 京v3B_ln!IE.I3dwl晶“弓冷如上-SDZ好。气体进入管道时的水含量接近饱和。随着气体在管道中流动，主要与外界换 热而被冷却。高流率时，还有膨胀制冷的作用，这就导致在管道中流过一段很长 距离后其出口温度低于环境温度。从段塞液捕集器分出的液体可加热

10、到60C以使甘醇/凝液得以有效分离。FIGURE 6.2 Simplified process scheme for LTS unit with MEG or DEG injection同一甘醇用于湿气输送和低温分离时可以采用共同的再生设备。然而，对于LTS工艺过程可能需要提供或调配一个局中的甘醇浓度，见图6.1。5-BED/SB67?rQ专Ke 一82000X1 口量 6电vlccMualpucosESUaPUOQ6.5甘醇再生工艺流程图 富甘醇再生与甘醇脱水时的工艺流程相同，但有许多重要差异：LTS工艺过程采用的贫甘醇浓度（70%-80%）明显低于湿气管道采用的浓 度（约90%）；FIGU

11、RE 6.3 Simplified process scheme for LTS unit with turbo-expander and MEG or DEG injections-s*_s-s*_ U.SOU.SO二 UQ? -009-009aTEg-15u.2TSllLra!uiuo0 p=p s 巴2兰曲音35enr$ 诃 e討eN8HJLL.吏5g5gJJeQflHJJeQflH-GHt-GHt- -11o o意ndsndsEI.EI.FIGURE 6.4 Simplified flow scheme for wet gas pipehne with MEG oDEG glycol

12、injection最咼重沸器温度远低于最低降解温度（MEG为163C, DEG为162C）；IaIa盘1 空 d1i -9LTS工艺的重沸器温度甚至还低，对于80%（质量）的MEG通常为125C； 富甘醇进料温度很低，通常为-40C至U 10C，而甘醇脱水为20C到50C； 精馏柱的回流量一般较高（约 50%）;因有地层水存在，湿气管道的甘醇中更可能有盐分的聚积；湿气管道中的腐蚀产物使甘醇污染。7水合物抑制系统设计准则7.1注入系统通常设置一些喷嘴使甘醇在气流中形成细雾。布置喷嘴时应考虑气流使锥形 喷雾面的收缩，以保证覆盖整个气流截面。喷嘴一般应安装在距降温点上游的最 小距离处，以防甘醇液滴聚

13、结。甘醇不应以液滴形式注入，这样会受重力作用下 沉。由于雾状甘醇分散欠佳故 注入量经常需要大于理论量 以进行修正。没有弹性 的甘醇泵也要求比理论量更多的注入量。喷嘴的配置和泵的特性应尽可能匹配。LTS工艺的注醇系统在设计时应考虑下述因素：在最低甘醇操作流率下经过喷嘴的最小压降应为700kPa；注入甘醇的最低温度应为27C；注入甘醇的浓度应使低温操作点在图6.1非结晶区内。推荐此浓度有 5%的操作裕量。经常需要对喷嘴在线测试和重新配置以使其运行情况最佳。因此，应采用可更换的插入式喷嘴或类似类型，除非脱水装置可以停工以调整喷嘴。应设置一个排液阀，以便在它们堵塞时允许液体返回。 排液阀的上游应设置

14、一个止回阀以防止气体返至甘醇系统中。 在需要注甲醇除去水合物的情况下也要 考虑预防措施。7.1.1气/气换热器甘醇应注到原料气/干气换热器的管板上。喷嘴应设计成完全、均匀地覆盖 管板而不明显冲击管箱挡板或其它面积。对整个甘醇注入和回收/再生系统设计 时应考虑到注醇量约高到理论需要量的 300%。这样就会保证使换热器的管板完 全变湿。为降低在列管中形成水合物的风险， 推荐 V的最小值为600-650kg/（m.W），此处:2( PP t)3原料气密度=2Ljn辺，kg/m3:in :outV=管内平均流速，m/s。为降低乳化和/或起泡的风险，推荐管内的最高流速为6 m/s。甘醇和凝液会在管内某一

15、长度后聚结。为降低这种会导致水合物沉积的风 险，推荐对于16和25mm直径的管子最大长度分别为12和24m。管径在其间管 子长度可以进行内插。停工后，很重要的是将积液从管内排出以防止再开工时堵塞和气流分配不均 匀。因此，推荐安装换热器时使其向原料气出口处有1.5%的坡度，以促使液体排放至低温分离器。7.1.2膨胀阀10在上游相对高的流速和膨胀阀中的湍流降低了分散欠佳的影响。在工艺过程 中， 膨胀阀设在气 /气换热器的下游，在这两个设备之间不需要单独注入甘醇。 当上游没有气 /气换热器时，应考虑甘醇注入量约是理论需要量的 150%。7.1.3 机械制冷 机械制冷换热器（例如，丙烷冷冻器）气体侧的

16、流动条件与 7.1.1节中的气 /气换热器类似。因此， 在有关设计注醇裕量、流速、管长和坡度方面也应遵循同 样的建议。冷冻器的管子常常串联和立即连在气 /气换热器的下游， 仅用一个短管分开。 然而， 甘醇应单独注到冷冻器的管板上。7.1.4 透平膨胀机设计时应考虑 甘醇注入量约是理论需要量的 300%。 但是为防止透平损坏， 最高甘醇注入量不应大于总进料量的 1% （重）最大液滴尺寸不应超过100卩m。（透平中冷凝的最大液体分率可大于 20%-30%）。滤尘器和临时过滤器应设置在 喷嘴上游以防止它们起聚结剂作用。7.1.5 湿气管道 气体在管道中以比较慢的速率冷却时可使相态接近平衡。 即使在层

17、状三相流 时也真的会产生凝液层， 这在一定程度上抑制管子底部甘醇液体和顶部气体的传 质。因而，注入的甘醇量不需要显著高于所需的理论值。 推荐甘醇的注入量与最 苛刻的压力/温度结合条件的理论量相对应。应包括-5C的安全裕量以覆盖与操 作条件和水合物抑制预测有关的不确定性。 水合物最可能沉积的操作条件不是最 大或最小流率时的出口，就是在具有最低环境温度的管段中在沉积压力下停工。和 LTS 工艺过程不同， 甘醇可采用一个标准的三通注入管道 。而且， 允许 贫甘醇的浓度不必局限于图 6.1 中所要求的防止结晶区内 。其优点是可使甘醇再 生到很高的浓度， 以降低在一定水合物抑制要求时所需要的注入量。 剩

18、余的限制 是甘醇的降解和蒸发损失，它们将 贫 MEG 和 DEG 的浓度局限在大约 95%，见 7.4 节。当管道在环境温度为20r或更高，以及在高压水合物区内操作时，如果较 高的浓度或与别的系统共用具有优点时也可考虑采用 TEG。7.2 低温液体加热器为防止生成粘稠乳化液和减少闪蒸气， 低温分离器或段塞液捕集器的液位控 制阀应安装在低温液体加热器的下游。 这样可使加热器有较高的设计压力， 一般 均选用较大的换热器， 这对补偿较低的膜系数是需要的。尽管有上述措施， 凝液/甘醇混合物膜系数对总传热系数仍会有决定性影响， 使二者在进口和出口条件之间有很大变化。 在这种情况下， 由于采用平均膜系数

19、会使换热器的尺寸不合适，故 需要进行一系列的计算。在大多数情况下， 从重沸器来的热贫甘醇是不足于将低温液体预热到所需要 的分离温度，原因是：进料温度远低于脱水温度；重沸器温度较低；低温液体的体积流率可明显地大于与烃液一起的贫甘醇量。 可将两个换热器串联使用 ；第一个换热器介于低温液体物流和由重沸器来并 返回贫甘醇缓冲罐的贫甘醇之间。 如果工厂里有可用的加热流体， 第二个换热器 可单独使用它， 或使用第二个贫甘醇循环回路。 在后一情况下， 应采用一个单独 11的循环泵，因为其出口压力将低于注醇泵的压力，重沸器的负荷也会相应增加。12事主愛 p p -IE-IE -Ou 岂 e s 畫=a=noa

20、=no puln1J?.Spuln1J?.S迥 LuouLuou无论是套管式或管壳式换热器均可用作低温液体换热器。7.3凝液/甘醇分离此分离器可设计成与图3.16的甘醇闪蒸罐相似，但还有很多不同:液体流率常常较咼；凝液分率会高一些，有时高于甘醇，因此凝液收集槽的容积将相应较大；设计界面液位应低到保持凝液和甘醇的有类似的前进速度；应在挡板和凝液收集槽之间设置倾斜的板式内件以改善分离效率。为使分离良好，操作温度或许需高到 60C，尤其是用于下述一种或两种情况:进料中有缓蚀剂；FIGURE 3.16 Glycol flash vesselIJ1Es_=_530530c运英50 Es.u-ua.0.u

21、-ua.0eNWeNW空更 LULU EL -EBJB 量 teuteu %0CMB-xmQ%0CMB-xmQ uoauauoaua 吊WEE 己ornqws活 左涉|-|QI寸CLCLorooro 芒 OJ 二E 1B-U.O|CM13甘醇和凝液混合物经受强烈的混合，例如在高压下经过一个控制阀。分离温度也应根据相应的闪蒸气流率来确定最佳值。根据综合情况，或许需要从富甘醇物流下游分离残余的凝液， 例如在再生系 统甘醇闪蒸罐，或在线的富甘醇储罐。类似地，或许也需要从凝液物流下游分离 残余甘醇。7.3.1入口集液槽为加强分散的甘醇与凝液之间的分离，应在挡板和凝液收集槽之间的入口集 液槽内设置一个板

22、式组合件。板式组合件的尺寸必须使得分散相(无论是甘醇或凝液)的液滴可有足够的 时间上升或下降，以及被携带经过板束时拦截到上面。 为此，板式组合件的尺寸 应满足以下表达式：q x AL A =- cos( ) VT F式中：=板式组合件的倾斜度，水平=0，垂直=90;L=沿流动方向的板长，m；%二液滴的终端速度，m/s；F =0.9(允许在板式组合件初始截面上湍流的系数)； A=板式组合件的横截面积；q =流经整个板式组合件的体积流率， m3/s； =板间距，m。液滴的终端速度可采用Stokes定律由下式确定：V _ _C_!_C _1)3 dT _3式中：九=连续相的密度，kg/m ；讣=分散相的密度，kg/m3；2g=重力加速度，m/s;=动力粘度，Pa/s,kg/(m.s，或 cP/1000;dd=分散的液滴直径，m为保证板间为层流，水平速度 VI应按下式限定:Relc14Re2 Ac q .：IM式中：V =流经板束的速度。流经板束的速度等于总体积流率除以板式组合件面积 A。因此:对于平板，Re 400；对于 corrigate