天然气脱水医学宣教专家讲座

第一节天然气水合物一、天然气饱和含水量二、天然气水合物天然气脱水医学宣教专家讲座第1页一、天然气饱和含水量天然气饱和水含量大小取决于温度、压力和气体组成。确定天然气饱和水含量方法有三类：图解法、试验法和状态方程法。依据气体内是否含有酸气，天然气饱和含水量与压力、温度关系分为两类：一类为不含酸气(或酸气含量较少)称甜气图，另一类为含酸性气体称酸气图。天然气脱水医学宣教专家讲座第2页1、甜气图

如图，天然气饱和水含量随压力、温度改变关系。可见，压力越高、温度越低，饱和水含量越小。在一定压力下与天然气饱和水含量相对应温度称为天然气水露点。在某一压力下，水露点愈低，饱和含水量愈小。当气体实际温度高于水露点时，气体处于未饱和状态，无液态水析出；当气体实际温度低于水露点时，气体过饱和，有液态水析出。

天然气脱水医学宣教专家讲座第3页当日然气相对密度>0.6时，气体饱和水含量降低，可乘以相对密度修正系数进行修正。天然气与含盐水接触也会降低天然气饱和水含量，可乘以含盐修正系数进行修正。天然气脱水医学宣教专家讲座第4页

——水中含盐量，g/L；——气体相对密度；——气体温度，℃。天然气脱水医学宣教专家讲座第5页2、酸气图当压力小于2.0MPa时，酸气浓度对天然气含水量影响不大，能够按甜气图查得。高压时，天然气饱和含水量随酸气浓度增大而增大。压力大于2.0MPa时，可用Campbell法求酸性天然气含水量。Campbell法：

——按甜气查得天然气中水质量浓度，mg/m3；——CO2中水质量浓度，mg/m3；——H2S中水质量浓度，mg/m3；——气体组分摩尔分数。天然气脱水医学宣教专家讲座第6页天然气内饱和CO2有效水含量天然气内饱和H2S有效水含量

天然气脱水医学宣教专家讲座第7页3、饱和含水量测试方法有各种气体含水量测定方法，常见有露点法、吸收质量法和Karl．Fischer（卡尔-费希尔）法。

1)露点法：在恒定压力下，气体以一定流量流经露点仪，仪器测量腔室内有抛光金属镜面，其温度可人为控制准确调整并准确测定。伴随镜面温度逐步降低，气体被水饱和时镜面上开始结露，此时镜面温度即为水露点。由水露点查表可得气体饱和含水量。2)吸收法：气体经过充满P2O5吸收管，吸收剂P2O5吸收气体内水分，准确测定P2O5质量增加值和经过吸收管气体量，即可求得气体内含水量。3)Karl-Fischer法：利用卡尔-费希尔试剂吸收天然气中水分，测出中和卡尔-费希尔试剂所需天然气量即可求得气体含水量。卡尔-费希尔试剂配制：8mol吡啶+2mol二氧化硫+15mol甲醇+1mol碘天然气脱水医学宣教专家讲座第8页二、天然气水合物在一定温度和压力条件下、天然气一些组分与液态水生成一个外形像冰、但晶体结构与冰不一样笼形化合物称为天然气水合物。1、物理性质①白色固体结晶，外观类似压实冰雪；②轻于水、重于液烃

，相对密度为0.96

0.98；③半稳定性，在大气环境下很快分解。天然气脱水医学宣教专家讲座第9页2、结构采取X射线衍射法对水合物进行结构测定发觉，气体水合物是由多个填充气体分子笼状晶格组成晶体，晶体结构有三种类型：I、II、H型。

1）I型晶体结构：体心立方结构，由46个水分子组成，共有8个笼状晶格，可容纳8个气体分子。其中6个大（12个正五边形、2个正六边形组成十四面体，平均自由直径0.59纳米）、2个小（正五边形组成十二面体，平均自由直径0.52纳米）。分子式为S2L6·46H20

天然气脱水医学宣教专家讲座第10页2）II型晶体结构：金刚石晶体立方结构，由136个水分子组成，共有24个笼状晶格，可容纳24个气体分子。其中8个大（12个正五边形、4个正六边形组成十六面体，平均自由直径0.69纳米）、16个小（正五边形组成十二面体，平均自由直径0.48纳米）。分子式为S16L8·136H20

12个正五边形、2个正六边形正五边形12个正五边形、4个正六边形天然气脱水医学宣教专家讲座第11页3）H型晶体结构：对H型水合物尚处于研究中，知之甚少，H型水合物由34个水分子组成，共有6个笼状晶格，可容纳6个气体分子。其中1个大（12个正五边形、8个正六边形组成二十面体）、2个中（3个正四边形、6个正五边形、3个正六边形组成十二面体）、3个小（正五边形组成十二面体）。分子式为S3S

2L1·34H20

天然气脱水医学宣教专家讲座第12页

因为晶格空腔有大有小，所以不一样直径气体分子会形成不一样类型气体水合物。天然气中CH4、C2H6、C02、H2S可形成稳定I型水合物。每个气体分子周围有6

8个水分子，即：

CH4·6H2OC2H6·8H2OH2S·6H2O

C02·6H2O大分子量组分C3H8和i-C4H10(异丁烷)仅能进入II型水合物内大腔室，形成II型水合物。每个气体分子周围有17个水分子，即：C3H8·17H2O

i-C4H10·17H2O。气体分子填满腔室程度取决于外部压力和温度，腔室内充满气体分子程度愈高、水合物愈稳定。腔室未被气体分子占据时，结构处于亚稳定状态，称为β相；气体分子占有腔室后形成稳定结构，称H相。

天然气脱水医学宣教专家讲座第13页3、生成条件（1）气体处于水蒸汽过饱和状态或者有液态水，即气体和液态水共存；（2）一定压力温度条件——高压、低温；（3）气体处于紊流脉动状态，如：压力波动或流向突变产生搅动，或有晶种(固体腐蚀产物、水垢等)存在都会促进产生水合物。所以，在孔板、弯头、阀门、管线上计量气体温度温度计井等处极易产生水合物。天然气脱水医学宣教专家讲座第14页4、图解法预测水合物生成即当水分条件满足时，预测生成水合物压力、温度条件。惯用图解法有两种，一个是只考虑气体相对密度相对密度法，另一个是考虑相对密度和酸气含量酸性气体图。（1）相对密度法曲线左上方为水合物存在区。右下方为水合物不可能存在区。

已知气体相对密度，由图可查一定温度下生成水合物压力，或在一定压力下生成水合物温度。回归相关式：天然气脱水医学宣教专家讲座第15页（2）酸性气体图若天然气中同时含有CO2和H2S时，将CO2折算成H2S含量，折算关系为1molH2S=0.75molCO2，求得H2S总含量。依据气体压力、H2S含量、气体相对密度，能够查图得到水合物生成温度。

C3含量校正：依据H2S含量、气体内C3含量、气体压力可查得修正值。C3含量高时修正值为正，低时为负。天然气脱水医学宣教专家讲座第16页5、预防水合物生成方法破坏水合物生成条件即可预防水合物生成。主要有三种方法（1）加热气流，使气体温度高于气体水露点；（2）对天然气进行干燥剂脱水，使其露点降至操作温度以下；（3）向气流中注入抑制剂。当前广泛采取抑制剂是水合物抑制剂，90年代以后开发动力学抑制剂和防聚剂也日益受到重视和使用。动力学抑制剂和防聚剂共同特点是不改变生成水合物压力、温度条件，而是经过延缓水合物成核和晶体生长或阻止水合物聚结和生长，从而预防水合物堵塞管道。1）长距离输气管线水合物预防办法对于长距离输气管线要预防水合物生成能够采取以下方法：①天然气脱水，降低气体内水含量和水露点

；②提升输送温度，使气体温度高于气体水露点；③注入水合物抑制剂。天然气脱水是长距离输气管线预防水合物生成最有效和最彻底方法。天然气脱水医学宣教专家讲座第17页2）矿场采气管线和集气管线水合物预防办法采气管线上：气体经过控制阀或孔板时，气体压力降低，同时发生J-T效应，气体膨胀降温，使节流件下游易生成水合物而堵塞管线。集气管线：管线热损失使气体温度降低，使下游易生成水合物而堵塞管线。

矿场采气管线和集气管线，预防水合物生成方法：①加热；②注入抑制剂。惯用加热设备是蒸汽逆流式套管换热器和水套炉。

6、水合物抑制剂一些盐和醇类溶解于水中，吸引水分子，改变水合物相化学位，降低气体水合物生成温度和／或提升水合物生成压力，从而预防生成水合物。这类物质称水合物抑制剂或热力学抑制剂，俗称防冻剂。天然气脱水医学宣教专家讲座第18页水合物抑制剂主要有两大类：氯化物和醇类。氯化物抑制剂多数氯化物，如NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2和AlCl3等都能用作水合物抑制剂，其防冻效果为：Al3+>Mg2+>Ca2+>Na+>K+。

缺点：①有腐蚀性并易在金属表面沉积；②只适合用于处理小流量、露点要求不高场所。所以，在实践中极少采取。醇类抑制剂

用作水合物抑制剂醇类主要有：甲醇(MeOH)、乙二醇(EG)或二甘醇(DEG)，三者对比：①甲醇使水合物生成温度降幅最大，抑制效果最好，乙二醇次之，二甘醇最小。②甲醇凝点远低于乙二醇和二甘醇，因而甲醇适合用于任何气体温度，而乙二醇不得用于温度低于-9℃、二甘醇不得用于低于-6℃场所。天然气脱水医学宣教专家讲座第19页③甲醇蒸气压最高，轻易汽化，可直接注入（普通不回收）；乙二醇与二甘醇蒸气压低，必需经喷雾头将甘醇雾化成小液滴分散于气流内才能有效地抑制水合物生成，乙二醇与二甘醇气相损失小，需建回收装置回收、再生后循环使用。④甲醇投资低、但操作费用高（惯用于气量小、断续注人、预防季节性生成水合物和暂时性管线和设备防冻）；乙二醇和二甘醇投资高、但操作费用低（惯用于气量大、需连续注入抑制剂场所）。⑤甲醇对已形成水合物有一定解冻作用。⑥甲醇含有中等毒性，需采取对应防护办法。⑦甘醇类抑制剂与液态烃分离困难,造成一部分甘醇损失,因而甘醇抑制剂适合用于温度较高场所。⑧与乙二醇相比，二甘醇蒸气压低、气相损失小，但防冻效果不如乙二醇。

乙二醇和甲醇是最惯用水合物抑制剂。

天然气脱水医学宣教专家讲座第20页甘醇水溶液凝点（粘稠糊状）与其在水溶液中质量浓度相关。从图中能够看出，质量浓度60％～75％时凝点最低，流动性最好。所以，在实践中惯用该浓度范围甘醇水溶液作为抑制剂。

天然气脱水医学宣教专家讲座第21页第二节甘醇脱水

一、甘醇二、甘醇脱水原理流程三、三甘醇脱水经典流程四、甘醇再生方法五、甘醇脱水主要设备六、甘醇污染和质量要求天然气脱水医学宣教专家讲座第22页天然气脱水能够采取方法有：甘醇吸收脱水、固体干燥剂吸附脱水、冷凝脱水以及国内外正在研发膜分离脱水等。其中甘醇脱水和固体干燥剂脱水是油气田最惯用天然气脱水方法。脱水深度用露点降表示，是指进入脱水装置前气体露点与脱水后气体露点之差。天然气脱水医学宣教专家讲座第23页一、甘醇1、甘醇甘醇有很强吸水性能。甘醇是乙二醇缩聚物，称为多缩乙二醇，俗称甘醇。其化学通式为CnH2n(OH)2。2个乙二醇缩聚生成一个二甘醇和一个水，二甘醇和乙二醇再缩聚能够生成一个三甘醇和一个水。2、与二甘醇相比，三甘醇脱水优点沸点高，所以能够在较高温度下再生，再生贫液浓度高，气体露点降高。蒸气压低，因而三甘醇蒸发和被气体携带损失小。分解温度高，热稳定性好，不易受热变质，对再生有利。脱水操作费用低。

所以，三甘醇脱水应用较为广泛。天然气脱水医学宣教专家讲座第24页二、甘醇脱水原理流程

甘醇脱水工艺主要由甘醇高压吸收和常压加热再生两部分组成。（少许甘醇蒸气）天然气脱水医学宣教专家讲座第25页三、三甘醇脱水经典流程1一吸收塔；2一气／贫甘醇换热器；3一分流阀；4一冷却盘管；5一再生塔；6一重沸器；7一甘醇缓冲罐；8一贫富甘醇换热器；9一富甘醇预热换热器；10-闪蒸分离器；11一织物过滤器；12一活性炭过滤器；13一甘醇泵；14-涤气段底部涤气段天然气脱水医学宣教专家讲座第26页四、甘醇再生方法1、降压再生：甘醇再生在常压下进行，降低重沸器压力至真空状态，在相同重沸温度下能提升甘醇溶液浓度。2、汽提再生：以湿气或干气作为汽提气，在再生塔高温下其为不饱和气体，在与甘醇富液接触中能够降低溶液表面水蒸汽分压，从甘醇内吸收大量水汽，从而提升甘醇贫液浓度。汽提气可直接注入重沸器，也可经汽提柱注入，后者提浓效果更加好。

1一再生塔；2一重沸器；3一贫液汽提柱；4-甘醇换热器。

天然气脱水医学宣教专家讲座第27页3、共沸再生：在重沸器内，共沸剂与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，经冷却冷凝进入分离器分出水后，共沸剂用泵打回重沸器循环使用。采取共沸剂应含有不溶于水和三甘醇，与水能形成低沸点共沸物，无毒，蒸发损失小等性质。惯用共沸剂是异辛烷。1一重沸器；2一再生塔；3一冷却器；4-共沸物分离器；5一循环泵；6一甘醇换热器。天然气脱水医学宣教专家讲座第28页五、甘醇脱水主要设备1、入口分离器入口分离器作用是分出进料湿天然气内液体和固体杂质，如：游离水、液烃、泥沙和铁锈等固体杂质以及流程上游采气、集气过程中加人气流内各种化学剂等。进料湿天然气内液体和固体杂质存在会带来以下几个方面危害：①液烃及固体杂质使塔内甘醇轻易发泡、堵塞塔板，降低甘醇脱水能力；②游离水增加了甘醇循环量、重沸器热负荷、热耗，以及甘醇损失量增多。③盐水可使钢材腐蚀，以及重沸器火管表面局部过热和结焦等。所以，为确保脱水质量并延长装置使用寿命，必须在吸收操作之前进行液、固杂质分离。

天然气脱水医学宣教专家讲座第29页2、吸收塔1）组成吸收塔组成包含四部分：①底部涤气段：与入口分离器组成两级涤气，以减小气体杂质对甘醇污染；②中部吸收段；③顶部气／贫甘醇冷却盘管：控制贫甘醇溶液与气体有适当温差；④捕雾器。2）类型吸收塔可采取板式塔或填料塔

：①塔径小于0．35m时，用常规填料塔。

②大型脱水装置往往采取板式塔或规整填料塔。在相同气体处理量下，规整填料塔塔径小，塔高比板式塔小。

天然气脱水医学宣教专家讲座第30页3）塔板数量塔板数量、甘醇贫液浓度和循环量是影响气体露点降原因。塔板数愈多、甘醇贫液浓度愈高、循环量愈大则气体露点降愈大。其中塔板数量对气体露点降影响最大。依据脱水目标和对干气露点要求，吸收塔塔板数普通为4～12块。若为满足管输气脱水要求，普通为6～8块。因为甘醇溶液轻易发泡，塔板间必须有足够间距，常为0.6m。顶层塔板与捕雾器间距为1.5倍塔板间距。

天然气脱水医学宣教专家讲座第31页已知：塔压、塔温、甘醇溶液进出塔器浓度、进出塔气体水含量。求：理论平衡塔板数和实际塔板数。吸收塔塔板数确定步骤：①查出一定塔温下，不一样甘醇浓度所对应气体平衡露点。

天然气脱水医学宣教专家讲座第32页②查出一定塔压下，不一样平衡露点温度所对应气体平衡水含量。

③由此得到一定压力、温度条件下，不一样甘醇浓度下所对应气体平衡水含量。作出曲线ODB。天然气脱水医学宣教专家讲座第33页④作出操作线F点表示塔顶甘醇浓度和气体平衡水含量，A点表示塔底甘醇浓度和气体平衡水含量，连线AF表示塔内气体含水量改变情况，称操作线。天然气脱水医学宣教专家讲座第34页⑤作图确定理论塔板数由点A作垂线交ODB线于B点，说明进入塔底湿气与甘醇富液接触、到达平衡状态时，气体到达B点所对应水含量，即一块理论塔板到达脱水效果；B点水平线交AF线于C点，C点垂直线交ODB线于D点，说明到达塔顶要求气体水含量所需塔板数为CE／CD

。理论塔板数=1+CE／CD天然气脱水医学宣教专家讲座第35页每块理论塔板按4块实际塔板计，则：实际塔板数=理论塔板数

4

若采取填料塔，填料高度确实定：处理低露点气体时，每块理论塔板相当于2.4m高填料，处理中等露点气体时，每块理论塔板相当于1.2m高填料。4）塔径按气体处理量确定塔径：①按能够分出120～150μm甘醇液滴粒径确定气体允许流速②

天然气脱水医学宣教专家讲座第36页5）操作参数（1）塔压塔压确实定应考虑这么几个方面：①塔压对吸收效果影响：高压低温有利于吸收，当塔压小于20MPa时，操作压力对气体露点降影响极小。②塔压对处理量影响：塔压增大，使原料气饱和水含量降低，需要脱出水量降低，可增大气体处理量。③塔压对设备尺寸和壁厚影响：塔压增大，在一定气体处理量下，塔内气体流速减小，可减小塔径，但壁厚增大。④塔压大小受原料气压力制约。因而，在考虑原料气压力基础上，吸收塔压力和塔制造费用、操作成本间存在寻优问题。普通，塔压在3.4～8.3MPa间经济性很好。天然气脱水医学宣教专家讲座第37页（2）塔温吸收塔内液相负荷很小，塔温度与原料气温度靠近。

原料气温度确实定应考虑这么几个方面：①对吸收效果影响：首先，温度愈低，气体与甘醇接触后气体平衡露点愈低，脱水效果愈好；另首先，温度太低使得甘醇粘度太大影响有效脱水，并轻易和气体内液烃生成稳定乳状液产生泡沫，因而要求不低于22℃

。

气体平衡露点与温度关系天然气脱水医学宣教专家讲座第38页②对处理量影响：温度降低，原料气饱和含水量减小，需要脱出水量降低，可增大气体处理量。③对设备尺寸影响：温度降低，在一定气体处理量下，塔内气体流速减小，可减小塔径。④水合物问题：原料气温度应大于水合物生成温度。⑤蒸发损失问题：温度愈高，蒸发损失愈大。塔温普通要求不得高于49℃，不然将造成甘醇蒸发损失过大。⑥冷凝负荷和设备投资问题：假如原料气温度过高，应经冷却后进塔。

所以应综合考虑冷凝能耗、设备投资、脱水效果和费用，从中寻找平衡，据此确定吸收塔温。推荐吸收塔温为27～38℃。天然气脱水医学宣教专家讲座第39页（3）甘醇贫液进塔温度

甘醇贫液进塔温度确实定应考虑这么两个方面：①蒸发损失问题：贫液温度过高，甘醇蒸发损失增大，会被流出吸收塔气体带走，为到达要求气体露点降不得不增大甘醇循环量。

②发泡问题：贫液温度也不能低于出塔气体温度，不然气液接触时气体骤冷会析出液烃，造成甘醇发泡。甘醇贫液进塔温度普通高于出塔气体温度5℃左右。

天然气脱水医学宣教专家讲座第40页（4）甘醇浓度

①贫液浓度：直接影响干气露点，在甘醇循环量和吸收塔塔板数一定前提下，贫液浓度愈高，干气露点愈低。②富液浓度：塔底富液浓度对吸收塔底部几层塔板脱水效果有影响，所以不能过低，而且富液浓度过低会增大重沸器热负荷。普通控制贫、富液浓度差小于6%。

气体平衡露点与甘醇浓度关系天然气脱水医学宣教专家讲座第41页（5）甘醇循环量

常以从气体中脱出单位质量水所需要甘醇体积数来表示甘醇循环量。循环量大小会影响到两方面：

① 气体露点降：在吸收塔塔板数和甘醇贫液浓度一定条件下，甘醇循环量愈大，气体露点降就愈大

。

②重沸器热负荷：甘醇循环量正比于重沸器热负荷。即甘醇循环量愈大，重沸器热负荷愈大。所以，在满足所需脱水深度前提下，循环量应愈小愈好。近代大型脱水装置循环量已降低到17L／kg，小型装置多数为25L／kg，最大不应超出59L／kg。

天然气脱水医学宣教专家讲座第42页3、闪蒸分离器闪蒸分离器作用是从甘醇富液内分出烃蒸气和凝析油。甘醇中含烃带来问题：含烃甘醇直接进入低压再生塔内将闪蒸出大量烃蒸气，增大再生过程甘醇损失，甚至破坏陶瓷填料。闪蒸分离器操作压力大多为0.24~0.34MPa，操作温度为75.93℃，甘醇停留时间为15～30min。

天然气脱水医学宣教专家讲座第43页4、过滤器甘醇溶液往往采取织物过滤器和活性炭过滤器进行过滤。

织物过滤器由布、纸、或玻璃纤维织物为过滤介质，用来除去甘醇溶液内大于5μm固体颗粒，以预防甘醇泵磨损、甘醇发泡、吸收塔和再生塔污染、重沸器火管产生局部过热点、金属腐蚀等问题。

活性炭过滤器主要是用于去除甘醇溶液内含有液烃、泵、压缩机等增压设备润滑油以及流程上游注入各种化学剂等杂质。天然气脱水医学宣教专家讲座第44页5、再生塔1）类型再生塔大多采取填料塔，充填1.2～2.4m高陶瓷或不锈钢填料，甘醇循环量愈大、热负荷愈大则需要填料高度愈大。大型装置有时也采取板式塔。2）组成再生塔由再生段和顶部冷却盘管两部分组成。顶部冷却盘管以甘醇富液为冷剂，使升至塔顶部分水蒸汽和甘醇蒸气冷凝，作为再生塔塔顶回流。3）塔径再生塔塔径与甘醇流量相关，甘醇流量愈大、塔径愈大。经验公式为：

单位：m单位：L/min天然气脱水医学宣教专家讲座第45页4）温度再生塔富液进塔温度普通控制在95～149℃之间。进塔温度愈高，再生效果愈好，而且重沸器热负荷愈小。

用塔顶冷却盘管中甘醇富液流量能够控制塔顶温度和回流量。塔顶温度过高使甘醇蒸发损失增大；温度过低则回流量过大，塔温降低，影响贫液浓度并增加重沸器负荷。普通，塔顶温度控制在98～99℃，有汽提气时塔顶温度可降至88℃左右。

天然气脱水医学宣教专家讲座第46页6、重沸器重沸器热负荷由四部分组成：①富液加热至再生温度所需热量；②富液内水蒸发所需热量；③塔顶回流再蒸发所需热量；④塔散热损失。塔热损失和塔大小相关，通常为5．3～21MJ／h。为降低热损失塔下半部分应有保温层；为产生塔顶回流，塔上半部分常裸露。

重沸器加热方式有两种：直接式加热或以油、过热蒸汽为热媒间接式加热。重沸器温度确实定应考虑两个方面：①重沸器温度对甘醇浓度影响：温度愈高，甘醇浓度愈大。②甘醇热稳定性：重沸器温度必须低于甘醇分解温度。重沸器温度普通控制在187～199℃之间。天然气脱水医学宣教专家讲座第47页7、甘醇泵甘醇泵作用是为甘醇贫液提供压能产生甘醇循环。甘醇泵可采取用气体驱动、富甘醇驱动、或电机驱动多缸往复泵。小型装置惯用塔底流出富甘醇为动力，将贫甘醇增压后送入吸收塔。每套天然气脱水装置需要设置两台甘醇泵，一台运行、一台备用。条件允许时，两台甘醇泵可采取不一样动力源，以确保装置连续运行。

天然气脱水医学宣教专家讲座第48页六、甘醇污染和质量要求

使甘醇变质原因有：①热降解：所以再生温度不能太高。②盐污染：盐起源于采出水，甘醇再生时盐残留于甘醇内，使甘醇盐含量愈来愈多，降低再生质量，而且盐会在重沸器火管上沉积，缩短重沸器寿命。③液烃污染：产生液烃原因有：a)湿气涤气效果差；b)进塔甘醇贫液温度低于干气温度；c)闪蒸分离器和活性炭过滤器效果差；d)在严寒气候下吸收塔塔身温度过低造成近壁处气体冷凝；e)气体与甘醇接触中有部分烃类溶解于甘醇中。④油泥积聚：气体内携带固体杂质和液烃结合，会形成一个粘稠黑色胶状物质，称为油泥。⑤发泡⑥氧化⑦腐蚀

天然气脱水医学宣教专家讲座第49页天然气脱水医学宣教专家讲座第50页第三节固体干燥剂脱水

一、吸附过程二、吸附剂种类三、吸附剂再生四、吸附塔内部结构五、吸附脱水原理流程六、吸附脱水设计七、吸附脱水操作和参数天然气脱水医学宣教专家讲座第51页

固体干燥剂脱水属于固体吸附法。固体表面对临近气体（或液体）分子存在吸附力，在固体表面可捕捉临近气液分子，这种现象称吸附。其含有吸附平衡性和吸附热效应。气体与固体吸附剂接触时，有一定量气体被吸附。被吸附气体，因为热运动又会发生脱附，脱附速度随固体表面被吸附气体量增加而增大。最终在一定温度和压力下，脱附速度和吸附速度相等，便到达了吸附平衡。在平衡条件下，单位质量吸附剂吸附物质多少，称平衡吸附量，简称吸附量。

天然气脱水医学宣教专家讲座第52页吸附量大小与温度和压力相关。如图，CO2在木炭上等温吸附线。可见，吸附量随温度升高而减小，随吸附质在气相中分压增大而增大。吸附剂这种性质表明，高压、低温有利于吸附。

天然气脱水医学宣教专家讲座第53页在气体脱水工业中，吸附量大小以湿容量表示，是指每100g吸附剂吸附水蒸汽克数。

湿容量又分为静态平衡湿容量和动态平衡湿容量。处于静止条件下测定吸附剂吸附量称静态平衡湿容量；处于流动条件下测定吸附剂吸附量称动态平衡湿容量。动态湿容量约为静态湿容量40～60％。

吸附剂湿容量随使用时间延长而降低，开始时湿容量降低很快，之后降低迟缓，最终降低至某一很低水平上，失去脱水能力而更换。因而，吸附剂脱水设计中不可能以动态平衡湿容量确定所需吸附剂用量，普通约取70％动态平衡湿容量为设计湿容量，或称有效湿容量。

天然气脱水医学宣教专家讲座第54页依据吸附力不一样，吸附分为化学吸附和物理吸附两种。

若气体和固体原子间以某种化学键结合、形成新物质并以单层分子形式附着于固体表面上，称化学吸附，多数为不可逆过程。若气体和固体间依靠范德华力，使固体表面形成多层被吸附气体分子，称物理吸附，是可逆过程。逆过程称为再生、活化或脱附。

固体干燥剂脱水属于物理吸附。天然气脱水医学宣教专家讲座第55页一、吸附过程

吸附装置为固定床吸附塔，即在立式圆柱筒体内充填多孔性固体吸附剂。塔顶为湿气进口，塔底为干气出口。

1、单组分吸附过程

如图，流出吸附床气体水浓度随时间而改变。开始水浓度极低，tB时刻水浓度开始增加，最终床出口气体水浓度与进口相等。tB称为吸附过程转效点，对应水浓度CB为转效点浓度，浓度随时间改变曲线称转效曲线。

天然气脱水医学宣教专家讲座第56页

如图为吸附床示意图

。吸附床层从开始吸附到停顿使用而再生，在吸附过程不一样时期，吸附床层吸附情况是不一样。图中阴影部分为吸附传质段，吸附剂依然有吸附脱水作用；在吸附传质段后边线BB上方吸附剂已被水饱和，称饱和吸附段；在吸附传质段前边线AA下方，吸附剂还未吸附水汽，称未吸附段。随含水气体不停经过吸附床，吸附传质段不停向下移动，当传质段前边线AA到达床层出口端，即吸附过程转效点到达出口端时，流出床层气体中，水浓度开始快速上升。

天然气脱水医学宣教专家讲座第57页2、多组分吸附过程吸附剂在吸水同时也吸附甲醇、硫化氢和硫醇、二氧化碳和烃类。依据吸附质和吸附剂亲和力强弱，优先吸附次序为：水、甲醇、硫化氢和硫醇、二氧化碳，之后为烃类。烃类按分子量大小排序，由重到轻。按吸附次序各组分转效曲线沿床长分布如图所表示。

天然气脱水医学宣教专家讲座第58页二、吸附剂种类

用于天然气脱水吸附剂主要有三种：硅胶、活性氧化铝和分子筛。1、硅胶主要成份为SiO2，含微量Al2O3和水。用于脱水硅胶有粉状、圆柱条状和球状三种，并有细孔（20～40Å，600～700m2／g）和粗孔（80～100Å，300～500m2／g）之分。缺点：①与液态水接触易炸裂，所以除尽可能预防液态水外，通常需要在气体进口处加一层不易为液态水破坏吸附剂。②若气流内存在防腐剂，因为硅胶再生温度不足以使防腐剂脱附，造成防腐剂在硅胶上结焦，影响脱水效果。③易于为液态烃堵塞。

天然气脱水医学宣教专家讲座第59页2、活性氧化铝主要成份为Al2O3，并含有少许其它金属化合物（Na2O、Fe2O3等）和水。活性氧化铝也有细孔（约72Å）和粗孔（120～130Å）之分，商用活性氧化铝做成粒径3～7mm球状和圆柱条状。活性氧化铝比表面积210～350m2／g。缺点：①处理酸性天然气时，氧化铝能促使H2S与气体生成COS。吸附剂加热再生时，吸附床内残留固态硫，造成堵塞，影响正常脱水。②易于为液态烃堵塞。

天然气脱水医学宣教专家讲座第60页3、分子筛

分子筛是一个人工合成碱金属或碱土金属硅铝酸盐晶体。其分子式通式为：SiO2分子数与Al2O3分子数之比称为硅铝比，在数值上等于x。1）分子筛类型依据硅铝比不一样，分子筛分为三种类型：A型（硅铝比为2），X型（硅铝比为2.5）和Y型（硅铝比为3~6）。对于相同类型（即硅铝比相同），形成份子筛金属离子不一样，分子筛孔径不一样，在几到十几个Å。天然气脱水医学宣教专家讲座第61页2）分子筛吸附特征①选择吸附性：分子筛孔径小于硅胶和活性氧化铝孔径，只有分子直径小于筛孔直径气体分子才能进入筛孔内被吸附，所以分子筛吸附含有很强选择性。②优选吸附性：分子筛表面含有大量较强局部电荷，为极性物质。因而，对于那些能够进入筛孔内分子，其优先吸附其中极性强分子。水是强极性分子，所以分子筛是干燥脱水优良吸附剂。

天然气脱水医学宣教专家讲座第62页③高效吸附性：分子筛高效吸附性主要表现在两个方面：

如图，三种吸附剂湿容量与相对湿度关系。可见，相对湿度愈小，湿容量愈小。但当相对湿度较低时分子筛仍有很好吸附性能。天然气脱水医学宣教专家讲座第63页

如图，三种吸附剂湿容量与温度关系。可见，温度愈高，湿容量愈小；但当温度较高时分子筛仍有很好吸附性能。天然气脱水医学宣教专家讲座第64页4、吸附剂对比和选择吸附剂选择通常主要是考虑价格、工艺条件和脱水要求等方面：①硅胶与分子筛价格相差不多，氧化铝价格约为分子筛二分之一。②相对湿度愈大，湿容量愈大；而且在相对湿度较高时，硅胶和氧化铝湿容量高于分子筛，所以硅胶和氧化铝适合用于气体水含量较大场所

。③分子筛在相对湿度较小时有较高湿容量，所以适合用于气体深度脱水，要求干气露点很低场所。比如天然气冷凝法轻烃回收之前必须用分子筛脱水。④随温度升高，分子筛湿容量降低相对较慢，故必须在较高温度下脱水时，应采取分子筛。

天然气脱水医学宣教专家讲座第65页三、吸附剂再生

吸附剂再生是为了除去吸附质，恢复吸附剂活性。吸附剂再生过程就是吸附剂脱附过程。工业上惯用再生方法是升温脱附，因为温度愈高，湿容量愈小。通常是用脱过水天然气作为再生气体，将其加热到一定高温，从塔底进入，自下而上穿过整个床层，利用再生气所含有高温使吸附剂在吸附过程中所吸附水分汽化，并被再生气携带从顶部出塔。脱附完成后，吸附床层温度很高，不利于吸附。所以需要用冷干气进行冷却，这一过程称为冷吹。冷却后塔方可进行吸附操作。再生气和冷吹气都是从塔底进入，这么能够确保在吸附操作中未吸附脱水床层区域在再生操作中没有含水气流过，使吸附床层底部吸附剂得到完全再生。天然气脱水医学宣教专家讲座第66页四、吸附塔内部结构支撑隔栅：支撑吸附剂和瓷球重量。瓷球：使气流比较均匀分布，再生时顶部瓷球还有压住吸附剂、预防吸附剂被吹跑作用。支撑隔栅上丝网：预防瓷球和吸附剂漏下。吸附剂床层上浮动丝网：预防吸附剂漏出。天然气脱水医学宣教专家讲座第67页五、吸附脱水原理流程

为确保连续生产，流程中必须包含吸附、再生和冷吹三道工序。能够采取两塔流程或三塔流程。如图为两塔流程。再生气量为原料气质量流量5％～10％。普通情况下采取脱过水干气作为再生气。天然气脱水医学宣教专家讲座第68页六、吸附脱水设计1、循环周期吸附周期应依据湿气中含水量、再生能耗、吸附剂寿命等进行综合确定。吸附周期长，意味着再生次数少，吸附剂寿命长，但床层较长，固定投资较高。常见吸附循环为8h，也有用16和24h。若用两塔流程，吸附时间=再生时间+冷却时间，还需要一定切换等辅助操作时间。循环周期还分长周期和短周期。转效点抵达床出口时进行塔切换称长周期；吸附传质段前边线抵达床层长度50～60％时就进行塔切换称短周期。要求干气露点低时应采取短周期。气体处理量一定时，短周期意味着需要较多吸附剂，增大吸附塔高度。

天然气脱水医学宣教专家讲座第69页循环周期8h、分子筛再生塔再生和冷吹过程经典温度改变如图。t0——冷气温度；t1——冷却温度；t2——再生温度；t3——热气温度；38~44℃11~28℃55~65%35~45%天然气脱水医学宣教专家讲座第70页2、吸附塔设计气体压力和处理量一定时，塔径愈大、塔内气流速度愈低、吸附剂吸湿容量愈大、脱水效果愈好，但塔造价增大。因而，设计吸附塔时应在塔径和气流速度间作出某种折中，并应考虑床层高径比。1）气体最大空塔速度气体空塔速度过大轻易扰动床层，并使吸附床压降增大，压碎吸附剂颗粒。气体最大空塔速度经验式为：2）单位床高压降吸附剂装填量一定时，塔径愈大、压降愈小。单位床高压降可用下式表示：

A——常数，与吸附剂颗粒大小相关。B、C——常数，与颗粒大小和形状相关。天然气脱水医学宣教专家讲座第71页3）床层高度长周期吸附塔床层高度有两部分组成，即饱和区和传质区。饱和区吸附剂用量（质量）=气体脱水量/吸附剂设计湿容量（表8-5可查）饱和区体积=饱和区吸附剂质量/散装密度（表8-5可查）

饱和区高度=饱和区体积/塔截面积

传质区高度按下式确定：

4）床层高径比

床层高径比一定要适当。直径过大，易产生沿塔截面气体流速分布不均；直径太小，则床层高度大，使得床层压降过大。依据文件和实践经验，推荐L/D=2～2.5，脱水效果良好。——系数，与吸附剂颗粒大小相关。天然气脱水医学宣教专家讲座第72页七、吸附脱水操作和参数

吸附脱水系统合理设计和正确操作是延长吸附剂寿命、节约运行能耗和费用关键。主要考虑这么几个方面：1、原料气压力和温度原料气压力和温度应综合考虑脱水系统上下游工艺要求。1）原料气温度确实定要考虑三个方面：①温度愈低，原料气含水量愈小，吸附负荷愈低；②温度愈低，吸附剂湿容量愈大，吸附效果愈好；③温度不能低于水合物形成温度。普通原料气经压缩、冷却后温度控制在38~50℃。多在45℃左右。天然气脱水医学宣教专家讲座第73页2）原料气压力确实定要考虑两个方面：①压力愈高，吸附剂湿容量愈大，吸附效果愈好；②后续工艺所需压力。但压力对湿容量影响比温度小得多。所以，吸附操作压力主要按后续工艺所需压力决定。普通原料气压力控制在3.4～8.3MPa。在操作中应防止原料气压力波动而扰动吸附剂床层。天然气脱水医学宣教专家讲座第74页2、保持脱水系统洁净

系统内出现游离水、液烃、腐蚀产物、化学剂、蜡、泥沙等杂质，将影响吸附剂湿容量和使用寿命。要保持脱水系统洁净，必须做好以下几方面工作：①设置入口分离器或涤气器对原料湿气进行净化，入口分离器或涤气器是保持脱水系统洁净关键设备。②新建系统投产前，应对系统进行干燥处理。③自再生塔塔顶流出热再生气经冷却、分离出凝液后掺入原料气返回脱水流程，要求其与原料气温度应尽可能一致，温差不应大于10℃，预防回掺气骤冷产生冷凝液烃和水。④在确保不生成水合物前提下，应尽可能降低再生分离器温度，尽可能多地从再生气中分出水和液烃等脱附物。⑤经常检验再生分离器排出液体PH值，有利于确定系统腐蚀倾向。

天然气脱水医学宣教专家讲座第75页3、保持吸附剂长期有效

吸附剂长期有效保持，要做到以下几点：

①在吸附剂制造商提供再生温度范围内，使用较高再生温度(普通230~315℃)。尽可能使被吸附水和其它杂质脱附，以免吸附剂内残留吸附质，而影响脱水效率和吸附剂寿命。②用干气进行再生和冷吹操作。这么能够确保在吸附操作中未吸附脱水床层区域在再生操作中没有含水气流过，使吸附床层底部吸附剂得到完全再生。而且温度可冷却至100℃以下、略高于原料气温度。

③吸附塔实际操作压力不应低于设计压力太多。因为在一定气体处理量下，压力愈低则吸附塔内气体流速愈高，可能对吸附剂产生扰动，使吸附剂磨损、破碎。④需要改变吸附塔压力时，应迟缓增压或减压，防止扰动吸附剂床层。压力改变速度普通控制在240kPa／min以下。天然气脱水医学宣教专家讲座第76页4、节能节能办法：①尽可能利用废热再生；②吸附塔采取内保温层；③当前多数吸附脱水装置采取8h循环周期，较大吸附塔最优循环周期应为10～12h。吸附剂湿容量随使用时间而变，不采取定时切换吸附周期，按脱水后干气露点灵活确定吸附周期，吸附床到达最大吸湿负荷时再生将降低再生热耗；④用再生气流量控制阀提取再生气时降低了原料气压力，假如改用压缩机循环再生气，则能够降低能耗；⑤据统计，从吸附塔脱出1kg吸附水需消耗热15～16MJ，若热耗过大应查清原因。天然气脱水医学宣教专家讲座第77页第四节脱水方法选择一、其它脱水方法二、吸收与吸附脱水比较三、天然气脱水方法选择天然气脱水医学宣教专家讲座第78页一、其它脱水方法除上述广泛应用脱水方法外，还能够采取压缩、冷却、CaCl2吸收及膜分离等方法脱除天然气中水分。1、低温分离法因为多组分混合气体中各组分冷凝温度不一样，在冷凝过程中高沸点组分先凝结出来，这么就能够使组分得到一定分离。冷却温度越近，分离程度越高。现在气田上多采取高压天然气节流膨胀制冷后低温分离脱出天然气中一部分