天然气的脱水三甘醇专家讲座

基本要求了解天然气脱水必要性、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原理、工艺流程和工艺计算。1天然气的脱水三甘醇专家讲座第1页第一节概述水危害（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、影响集输生产正常进行。对于含有CO2、H2S等酸性气体天然气，因为液相水存在，会造成设备、管道腐蚀。2天然气的脱水三甘醇专家讲座第2页天然气脱水深度要求☆满足用户要求；☆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5～10℃；☆对天然气凝液回收装置，水露点应低于最低制冷温度5～10℃3天然气的脱水三甘醇专家讲座第3页

1．低温冷凝法

2．溶剂吸收脱水法3．固体吸附脱水法

有时采取2、3两种方式相结合两步脱水法：第一步用溶剂吸附法使天然气到达一定露点降；第二步用固体吸附法来到达深度脱水目标。天然气脱水方法：4天然气的脱水三甘醇专家讲座第4页第二节溶剂吸收法脱水

一、甘醇脱水基本原理和物理性质1、甘醇脱水基本原理

甘醇是直链二元醇，其通用化学式是CnH2n(OH)2。

5天然气的脱水三甘醇专家讲座第5页从分子结构看，每个甘醇分子中都有两个羟基（ＯＨ）。羟基在结构上与水相同，能够形成氢键，氢键特点是能和电负性较大原子相连，包含同一分子或另一分子中电负性较大原子，所以甘醇与水能够完全互溶，并表现出很强吸水性。所以甘醇水溶液可将天然气中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。6天然气的脱水三甘醇专家讲座第6页2、甘醇物理性质7天然气的脱水三甘醇专家讲座第7页一甘醇（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。8天然气的脱水三甘醇专家讲座第8页三甘醇（TEG）优点是：(1)沸点较高(285.5℃)，比二甘醇（244.8℃）约高40℃，可在较高温度下再生，即使在常压下再生贫液浓度也可达98.5～98.7%以上，因而露点降比二甘醇多8～22℃左右。(2)蒸气压较低。27℃时，仅为二甘醇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℃。9天然气的脱水三甘醇专家讲座第9页二、三甘醇吸收脱水原理流程

7-510天然气的脱水三甘醇专家讲座第10页11天然气的脱水三甘醇专家讲座第11页图7-6所表示为一经典板式吸收塔。脱水吸收塔通常有6~12个塔盘。12天然气的脱水三甘醇专家讲座第12页流程中各设备作用是：入口分离器

除去自由水、液烃和盐水，以防止因为溶液发泡而造成溶剂损失和塔效率下降；雾液分离器分离干气携带ＴＥＧ吸

收

塔

是气流传质场所，使气相中水分转入ＴＥＧ中；13天然气的脱水三甘醇专家讲座第13页泵

输送设备；贫液冷却器

冷却贫甘醇以到达需要温度；闪

蒸

器

使富液闪蒸除去进入富液中轻组分，降低再生塔再生负荷；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；流程中各设备作用是：14天然气的脱水三甘醇专家讲座第14页流程中各设备作用是：再

生塔

提浓富液场所（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，降低溶液发泡可能性。

15天然气的脱水三甘醇专家讲座第15页问题：影响三甘醇脱水关键原因是什么？三甘醇贫液浓度16天然气的脱水三甘醇专家讲座第16页提升三甘醇贫液浓度方法

(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，限制了该法应用。(2)气体汽提

经典流程见图7-7。

气体汽提是将甘醇溶液同热汽提气接触，以降低溶液表面水蒸气分压，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再生方法。17天然气的脱水三甘醇专家讲座第17页7-718天然气的脱水三甘醇专家讲座第18页(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。共沸剂最惯用是异辛烷。可将甘醇溶液提浓至99.99%(质)，干气露点可低达-73℃。19天然气的脱水三甘醇专家讲座第19页7-820天然气的脱水三甘醇专家讲座第20页三、三甘醇法脱水工艺参数选取标准

影响脱水效果原因包含：贫三甘醇浓度、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其它原因。

21天然气的脱水三甘醇专家讲座第21页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，入口气体含水量增加。也就是说，在较高温度下，甘醇不得不去除更多水量才能符合要求。（2）气体温度升高，会造成所需吸收塔塔径增加。这是因为温度升高实际上增大了气流速度所致。

22天然气的脱水三甘醇专家讲座第22页（3）最低气体入口温度应高于水合物形成温度并应总是高于10

C。若低于10

C，甘醇会变稠。低于15~21

C，甘醇会同气体中液体烃类形成稳定乳化液，并在塔内造成发泡。入口气温度超出48

C将造成三甘醇损失增大。1．入口气体温度23天然气的脱水三甘醇专家讲座第23页通常所设计三甘醇装置入口气体温度都在26~43

C之间。

24天然气的脱水三甘醇专家讲座第24页2．塔内压力认为3.45~8.27MPa脱水压力是最经济。为何？25天然气的脱水三甘醇专家讲座第25页3．贫甘醇温度多数设计要求贫甘醇温度较吸收塔出口气体温度高10

C。为何？

26天然气的脱水三甘醇专家讲座第26页4．吸收塔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。因为再沸器热负荷与甘醇循环率有直接关系，故所用塔板数愈多，节约燃料也愈多。通常多数塔板都定为6~8块。

27天然气的脱水三甘醇专家讲座第27页5．甘醇浓度在给定了甘醇循环率和塔板数情况下，贫甘醇浓度越高，露点降就越大。28天然气的脱水三甘醇专家讲座第28页7-9离开吸收塔气体实际露点，普通较平衡露点高5.5~8.3

C。书中改错29天然气的脱水三甘醇专家讲座第29页对于露点降，增加贫甘醇浓度较增加循环率更有效。

7-1030天然气的脱水三甘醇专家讲座第30页6．甘醇再（重）沸器温度

再沸器温度可控制水在贫甘醇中浓度，温度越高，贫甘醇浓度也越大。通常把三甘醇再沸器温度限制为204

C普通比较流行作法是，把再沸器温度限制在188~199

C之间，这么可将甘醇降解减至最小，从而有效地将甘醇浓度限制在98.2%~98.5%之间

31天然气的脱水三甘醇专家讲座第31页甘醇同汽提气接触能降低离开再沸器贫甘醇中水浓度。在常温常压下，常使用被水蒸气饱和湿气作为汽提气。

7．汽提气

32天然气的脱水三甘醇专家讲座第32页8．甘醇循环率能够确保甘醇与气体接触很好最小循环率大约是脱除每1kg水需16.7L甘醇；确保最大循环率为去除1kg水需58.4L甘醇；而最惯用范围是吸收1kg水需25~60L三甘醇溶液。

33天然气的脱水三甘醇专家讲座第33页７．２．４三甘醇脱水装置工艺计算

一．吸收塔工艺计算

吸收塔工艺计算包含：确定吸收剂浓度、循环量、塔板数以及塔径等吸收塔尺寸。

34天然气的脱水三甘醇专家讲座第34页一．吸收塔工艺计算1.进塔贫甘醇溶液浓度确实定依据图7-9可确定在一定操作温度下，欲到达干气平衡露点所必须贫三甘醇溶液最低浓度。出塔干气真实水露点温度比平衡水露点温度高，tr=te+

t(7-1)普通可取

t=8~11

C35天然气的脱水三甘醇专家讲座第35页7-936天然气的脱水三甘醇专家讲座第36页2、吸收剂贫三甘醇溶液用量确实定

G——脱出水量，kg/d(或kg/h)；V——进入吸收塔天然气量，Nm3/d(或Nm3/h)；y——进入吸收塔天然气含水汽量，g重/Nm3y

——离开吸收塔干气含水汽量，g重/Nm3

37天然气的脱水三甘醇专家讲座第37页2、吸收剂贫三甘醇溶液用量确实定（续）则三甘醇贫液用量V

为

式中a——由天然气中每吸收1千克水所需要三甘醇溶液量，m3，普通a取为0.025~0.06m3。

38天然气的脱水三甘醇专家讲座第38页3、吸收塔塔板数确实定其中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平衡常数。A——吸收因子

吸收因子计算：（7-5）

39天然气的脱水三甘醇专家讲座第39页3、吸收塔塔板数确实定（续）

Kremser-Brown方程

式中yN+1——进吸收塔湿原料气中水摩尔分数y1——离开吸收塔干气中水摩尔分数

y0——当离塔干气与进塔贫三甘醇溶液处于平衡时，干气中水摩尔分数N——吸收塔理论塔板数A——吸收因子

吸收因子A40天然气的脱水三甘醇专家讲座第40页3、吸收塔塔板数确实定（续）平衡常数式中y——气相中水摩尔分数；x——与气相平衡三甘醇溶液中水摩尔分数。

41天然气的脱水三甘醇专家讲座第41页3、吸收塔塔板数确实定（续）式中W0——操作条件下与纯液相水呈平衡状态饱和水汽含量，kg水汽/百万Nm3天然气。r——三甘醇水溶液水活度系数。可由图7-15查得。

（7-11）

42天然气的脱水三甘醇专家讲座第42页图7-16克列姆塞尔吸收因子图43天然气的脱水三甘醇专家讲座第43页3、吸收塔塔板数确实定（续）塔板效率

Np—实际板数。N—理论板数。效率

普通可取为25

40%44天然气的脱水三甘醇专家讲座第44页4．甘醇吸收塔选型和塔径计算

小直径三甘醇吸收塔可选取填料塔型；直径较大时，则应选取板式塔。因为三甘醇溶液循环量很小，为有利于气-液传质，确保塔板液封，增加操作弹性，多采取园泡罩塔板，也有采取浮阀塔板。

45天然气的脱水三甘醇专家讲座第45页泡罩塔塔径计算式中Ga——气体最大允许质量速度，kg/h·m2（空塔气体质量流速Ga）

l——吸收塔中液相密度，kg/m3

g——吸收塔中气相密度，kg/m3C——常数，可由表7-3或图7-18查得。

46天然气的脱水三甘醇专家讲座第46页泡罩塔塔径计算（续）47天然气的脱水三甘醇专家讲座第47页48天然气的脱水三甘醇专家讲座第48页设计气体质量流量

泡罩塔塔径计算（续）49天然气的脱水三甘醇专家讲座第49页式中G——被处理气体质量流量，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——被处理气体分子量

泡罩塔塔径计算（续）50天然气的脱水三甘醇专家讲座第50页二．三甘醇再生系统计算1．再生系统操作条件确实定

(1)再生温度和压力再生温度和压力

普通采取常压再生。常压下，三甘醇热分解温度约为206

C。因而重沸器温度不应高于此值，通常为191~193

C，最高不应超出204

。

51天然气的脱水三甘醇专家讲座第51页1．再生系统操作条件确实定在罐式重沸器中，气液两相可认为到达平衡，此汽一液两相平衡系统温度和压力关系如图7-19所表示。已知重沸器压力（甘醇蒸汽和水蒸汽分压之和）和要求到达三甘醇溶液浓度，则由图7-19能够查出对应重沸器温度，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，再由图查出对应温度。

52天然气的脱水三甘醇专家讲座第52页53天然气的脱水三甘醇专家讲座第53页1．再生系统操作条件确实定（2）再生塔回流比

因为三甘醇和水沸点相差较大（三甘醇沸点为285.5

C，水为100

C），较易分离，普通采取回流比约为1:1。54天然气的脱水三甘醇专家讲座第54页1．再生系统操作条件确实定（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204

C以前是稳定气体。现场惯用压力为294~588kPa（表压）干天然气，或者三甘醇富液闪蒸气作为再生汽提气。55天然气的脱水三甘醇专家讲座第55页1．再生系统操作条件确实定随汽提气用量增加，再生贫三甘醇溶液浓度增加。不过，汽提量增加到一定值后，三甘醇溶液浓度增加迟缓。所以应适当使用汽提量，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。56天然气的脱水三甘醇专家讲座第56页图7-21确定汽提气用量计算图57天然气的脱水三甘醇专家讲座第57页图7-21a常压和汽提再生查图方法BTK1AXK2（3）汽提气用量58天然气的脱水三甘醇专家讲座第58页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汽提量，如图7-21a）。59天然气的脱水三甘醇专家讲座第59页减压和汽提再生查图方法60天然气的脱水三甘醇专家讲座第60页（1）如图所表示，由所需要到达贫三甘醇溶液浓度，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等温线于K3点，由K3作水平线K3X。减压和汽提再生查图步骤61天然气的脱水三甘醇专家讲座第61页（2）依据进再生塔富液浓度，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汽提气量。减压和汽提再生查图步骤62天然气的脱水三甘醇专家讲座第62页2．

再生设备尺寸确定（1）三甘醇重沸器选型及计算1）选型三甘醇再生重沸器加热方式有：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取天然气直接火管加热，天然气净化厂脱水装置通常采取2.5~3.9MPa（表）蒸汽或天然气直接火管加热。

63天然气的脱水三甘醇专家讲座第63页2）重沸器热负荷

q=557435L式中q——重沸器总热负荷，J/h；L——甘醇循环量，L/h

64天然气的脱水三甘醇专家讲座第64页2）重沸器热负荷式中：q1——水蒸汽带走热量，kJ/h；q2——回流所耗热量，kJ/h；q3——汽提气加热所耗热量，kJ/h；q4——贫液带出热量，kJ/h；q5——富液带入热量，kJ/h。

65天然气的脱水三甘醇专家讲座第65页3）重沸器供热量、热流强度、热效率①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，普通选单位体积甘醇所需热量418076~780409kJ/m3下限值。

式中：L贫——贫甘醇体积流量。依据q有效值，可预计重沸器及贫、富液换热器及准确柱尺寸。

66天然气的脱水三甘醇专家讲座第66页3）重沸器供热量、热流强度、热效率据国外经验，重沸器热负荷低于837360kJ/h小型装置宜采取同径U型管布置形式，假如重沸器热负荷高于837360kJ/h，普通采取变径火管布置。

67天然气的脱水三甘醇专家讲座第67页68天然气的脱水三甘醇专家讲座第68页3）重沸器供热量、热流强度、热效率②热流强度

热流强度推荐用66989~83736kJ/(h·m2)。若火管金属表面温度高，甘醇会很快分解，因为这个原因，要决定最小表面温度，采取适宜火管设计型式，以提供足够表面积。为此，采取火管加热方式中，热流强度不能超出79549kJ/(h·m2)。低热流强度是有益，可预防火管壁温升高。当用蒸汽作重沸器热源时，应限制热流强度为79496kJ/(h·m2)69天然气的脱水三甘醇专家讲座第69页火管传热面积

式中：q有效——重沸器供热量，kJ/h；q选——所选热流强度，普通取q选=66989kJ/(h·m2)3）重沸器供热量、热流强度、热效率70天然气的脱水三甘醇专家讲座第70页③热效率

推荐直接火加热型式热效率

=70%重沸器燃料用量

式中：H低——燃料低热值，kJ/Nm3；

Nm3/h3）重沸器供热量、热流强度、热效率71天然气的脱水三甘醇专家讲座第71页烟囱直径取与火管直径一致，烟囱高度普通推荐在3~15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）重沸器供热量、热流强度、热效率72天然气的脱水三甘醇专家讲座第72页（1）甘醇换热罐选型及换热面积计算贫甘醇-富甘醇溶液换热器多采取罐式，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、富液热交换，同时三甘醇贫液在此起沉降作用，并确保三甘醇循环泵净吸入压头。

73天然气的脱水三甘醇专家讲座第73页（1）甘醇换热罐选型及换热面积计算为了尽可能降低三甘醇贫液出口温度，换热罐可不用保温，只要求考虑防烫设施。普通采取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。不保温时热损失是保温时热损失20倍，测得某引进装置不保温时热损失为34.9%（保温时，壳程流体热损失为5%）。

74天然气的脱水三甘醇专家讲座第74页（1）甘醇换热罐选型及换热面积计算1）作物料平衡依据贫、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）时流率及水流率。2）作热平衡求换热罐热负荷q换热罐热负荷由贫甘醇侧来决定，因为贫甘醇侧无相变，其比热数据适累计算。若取换热罐热损为35%，则75天然气的脱水三甘醇专家讲座第75页（1）甘醇换热罐选型及换热面积计算式中：q1、q2——分别为贫甘醇带入和带出热量，kJ/h；q3、q4——分别为富甘醇带入和带出热量，kJ/h。

76天然气的脱水三甘醇专家讲座第76页（1）甘醇换热罐选型及换热面积计算1）甘醇换热罐换热面积F77天然气的脱水三甘醇专家讲座第77页（3）贫、富液精馏柱精馏原理

78天然气的脱水三甘醇专家讲座第78页79天然气的脱水三甘醇专家讲座第79页精馏原理实现精馏过程必要条件是：

①

每一块塔板上要有汽液两相亲密接触。②

汽液两相间组分应有浓度差。以确保有一定传质推进力，使传质过程得以连续进行。③

汽液两相间应有温度差。才能确保传热过程进行。80天然气的脱水三甘醇专家讲座第80页2）贫、富液精馏柱直径及高度

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（普通为0.6~0.8）作为操作速度，再依据富液精馏柱中气相流率（m3/h）即可算出塔径。

81天然气的脱水三甘醇专家讲座第81页

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，因填料形式不一样而异，对拉西环A=0.022，对弧鞍型填料A=0.26，对丝网填料中

网环A=0.20；

L——液相粘度，m(Pa

s)；WF——泛点空塔气速，m/s；q——重力加速度，9.81m/s2；L——液相流量，kg/hG——气相流量，kg/h；

L、

G——液相及气相密度，kg/m3。

82天然气的脱水三甘醇专家讲座第82页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（5.1~12.7m3/(h·m2)）计算，普通靠近上限值选取，（推荐值为10.35m3/(h·m2)）。

Ln——三甘醇富液流率，kg/h；

L——三甘醇富液密度，kg/m3。

83天然气的脱水三甘醇专家讲座第83页②贫液精馏柱直径贫液精馏柱直径比富液精馏柱直径要小，普通取贫液精馏柱截面积为富液精馏柱截面积57%，即贫液精馏柱直径为0.76倍富液精馏柱直径84天然气的脱水三甘醇专家讲座第84页③贫、富液精馏柱高度在富液精馏柱中分离实际是水—甘醇二元精馏分离，所需理论板数可采取逐板计算法或图解法求得。普通需要2或3块理论板即可到达要求，其中一块板为重沸器。85天然气的脱水三甘醇专家讲座第85页富液精馏柱填料层高度对于填料塔，填料层高度计算有两种方法：传质单元法(参考化工原理）；等板高度法。86天然气的脱水三甘醇专家讲座第86页填料层高度Z（m）按等板高度法计算填料层高度：NT—理论板数；HT—填料等板高度，m。87天然气的脱水三甘醇专家讲座第87页贫液精馏柱填料高度贫液精馏柱填料高度普通取为1.2~1.6m。该精馏柱下部插入换热罐溶液中。88天然气的脱水三甘醇专家讲座第88页（6）其它设备选取甘醇溶液闪蒸罐换热设备甘醇富液过滤器甘醇循环泵89天然气的脱水三甘醇专家讲座第89页①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甘醇溶液中，溶解烃类气体随吸收塔操作压力增加而增加，溶解气量。甘醇闪蒸分离器压力宜为0.17～0.52MPa，操作温度为60～93℃。90天然气的脱水三甘醇专家讲座第90页闪蒸罐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。闪蒸罐停留时间，由溶解烃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20～30分钟。V—闪蒸罐沉降容积，m3。①甘醇溶液闪蒸罐91天然气的脱水三甘醇专家讲座第91页②换热设备在TEG脱水工艺中采取冷换设备有贫/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，详细使用换热器型式各不相同。92天然气的脱水三甘醇专家讲座第92页换热器面积计算：q—热负荷，kW；K—传热系数，kW/(m2·℃)；Δt—冷热流体温差，℃。②换热设备93天然气的脱水三甘醇专家讲座第93页贫/富甘醇换热器因其壳程流速很低，故其传热系数K值很小。工业装置上求得传热系数K=116～175W/(m2·K)，而理论计算K值更小，比如，某引进装置换热罐传热系数值为31.4W/(m2·K)。②换热设备94天然气的脱水三甘醇专家讲座第94页③甘醇富液过滤器甘醇富液过滤器惯用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。95天然气的脱水三甘醇专家讲座第95页活性炭过滤器主要用来脱除三甘醇溶液中重烃、酸碱性物质（即降解产物）及5微米以下固体物质以防甘醇溶液起泡和腐蚀设备。

③甘醇富液过滤器96天然气的脱水三甘醇专家讲座第96