天然气MDEA脱硫吸收塔设计计算书

天然气MDEA脱硫吸收塔设计计算书——100×10⁴Nm³/d天然气净化装置——项目名称××天然气净化厂脱硫装置工程装置规模100×10⁴Nm³/d设计阶段初步设计设计类型工艺设备设计计算文件编号MDEA-DES-2026-001版本Rev.A编制：_______________日期：_______________校核：_______________日期：_______________审核：_______________日期：_______________批准：_______________日期：_______________

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1设计依据与标准规范 设计依据与标准规范本设计计算书依据国家现行有关标准、规范及工程设计惯例编制，主要引用标准及规范如下：序号标准编号标准名称实施年份1GB/T51248-2017天然气净化厂设计规范20182GB50251-2015输气管道工程设计规范20153GB50183-2004石油天然气工程设计防火规范20054GB50187-2012工业企业总平面设计规范20125HG/T20570化工系统工程设计规范现行6SH/T3096-2013高含硫天然气净化厂工艺设计规范20137GB17820-2018天然气20188TSG21-2016固定式压力容器安全技术监察规程2016本计算书还参考了《化工原理》（夏清、陈常贵主编）、《天然气处理与加工》（王淑华主编）以及GPSAEngineeringDataBook中的相关设计方法和经验数据。2设计基础条件2.1原料天然气条件本装置处理某气田来原料天然气，设计处理规模为100×10⁴Nm³/d，操作压力5.0MPa（绝压），操作温度40℃。原料气组成及参数见表2-1。表2-1原料天然气组成及设计参数表序号组分摩尔分数yᵢ（%）分子量Mᵢ体积分数（%）1CH₄94.016.0494.02C₂H₆3.030.073.03C₃H₈0.544.100.54H₂S1.534.081.55CO₂1.044.011.0合计—100.0—100.02.2净化气质量要求根据GB17820-2018《天然气》及下游输气管道要求，净化天然气质量指标如下：项目指标要求备注H₂S含量≤4mg/m³（标态）一类气指标总硫（以硫计）≤20mg/m³（标态）—CO₂含量≤2.0mol%—水露点≤-13℃（输压下）脱水单元保证烃露点≤-20℃—2.3吸收剂选择及性质鉴于原料气中CO₂/H₂S摩尔比约为0.67，且需要选择性脱除H₂S以满足净化气指标，选用甲基二乙醇胺（MDEA）水溶液作为吸收剂。MDEA为叔胺，对H₂S具有良好的选择性吸收能力，且再生能耗低、腐蚀性小、溶剂稳定性好。MDEA水溶液主要物性参数见表2-2。表2-2MDEA水溶液主要物性参数（45wt%，40℃）参数名称数值单位备注MDEA质量分数45wt%工业常用浓度溶液密度ρ_L1030kg/m³40℃溶液黏度μ_L2.5mPa·s40℃表面张力σ0.062N/m—MDEA分子量119.16g/molC₅H₁₃NO₂贫液酸气负载α_lean0.02mol/mol进塔富液酸气负载α_rich0.40mol/mol出塔3工艺流程简述本装置采用典型的醇胺法选择性脱硫工艺，主要由吸收系统和再生系统两部分组成。含原料气从吸收塔底部进入，与塔顶喷淋而下的贫MDEA溶液逆流接触，H₂S（部分CO₂）被胺液选择性吸收。净化后的天然气从塔顶流出，经塔顶出口分离器捕集雾沫后送至下游脱水单元。吸收了酸气的富胺液自塔底排出，经贫富液换热器升温后进入再生塔上部。在再生塔内，酸气从胺液中解吸出来，塔顶酸气经冷凝分液后送至硫磺回收装置（或灼烧炉）。再生后的贫胺液经贫富液换热器、贫液冷却器冷却至40℃后，由贫液泵送回吸收塔顶部循环使用。本计算书重点对吸收塔进行工艺设计计算。4物料衡算4.1原料气摩尔流量原料天然气在标准状态（0℃，101.325kPa）下体积流量为：Vg标准状态下理想气体摩尔体积V_m=22.414Nm³/kmol，则原料气摩尔流量为：ng4.2气体平均分子量及密度原料气平均分子量：MgM操作条件下（P=5.0MPa，T=313.15K）气体密度按理想气体状态方程计算：ρg4.3H₂S脱除量计算进塔原料气中H₂S摩尔流量：nH₂S,in净化气H₂S含量要求≤4mg/m³（标态），换算为摩尔分数：yH₂S,out出塔净化气中H₂S摩尔流量（近似认为气体总量不变）：nH₂S,outH₂S脱除量：Δn4.4CO₂选择性脱除量MDEA对H₂S具有选择性吸收作用。根据GB/T51248-2017，当需要选择性脱除H₂S时，应控制CO₂共吸收率。本设计取CO₂共吸收率为30%（即70%的CO₂保留在净化气中）。Δn酸气总吸收量：Δn4.5MDEA溶液循环量贫液与富液负载差为：Δα=α所需MDEA纯溶质量：nMDEAMDEA质量流量：mMDEA45wt%MDEA溶液总质量流量：msoln溶液体积流量（ρ_L=1030kg/m³）：VL表4-1物料衡算结果汇总表项目进料（原料气）出料（净化气）吸收（富液）总气量（kmol/h）1858.91825.4—H₂S（kmol/h）27.8840.00527.879CO₂（kmol/h）18.58913.0125.577MDEA溶液（m³/h）——22.635吸收塔工艺计算5.1塔径计算（Souders-Brown法）本设计采用填料塔，填料类型选择不锈钢规整填料。塔径按Souders-Brown半经验公式计算液泛气速，然后取设计系数确定操作气速。液泛气速计算公式为：uf式中：u_f——液泛空塔气速，m/s；C_B——Souders-Brown系数，对于胺液吸收填料塔取C_B=0.070m/s（考虑发泡裕量）；ρ_L——液体密度，1030kg/m³；ρ_g——气体密度，32.95kg/m³。代入数据：ufu设计取操作气速为液泛气速的70%（安全系数0.70）：ud操作条件下气体体积流量：Vg所需塔截面积：AT初算塔径：Dc5.2塔径圆整及实际气速校核按压力容器公称直径系列（DN1000、1200、1400…）圆整，取塔内径D=1200mm。实际塔截面积：AT实际空塔气速：uactual实际气速为液泛气速的百分比：uactual该值处于60%~75%的适宜操作范围内，塔径选择合理。5.3填料选型及理论级数吸收塔填料选用304不锈钢孔板波纹规整填料（250Y型），其比表面积a_t=250m²/m³，空隙率ε=0.973，堆积密度约200kg/m³。该型填料通量大、压降小、传质效率高，特别适合胺液脱硫系统。对于MDEA选择性脱除H₂S，根据工程经验和GB/T51248-2017推荐，所需理论级数为10~15级。本设计取理论级数N_T=12级。250Y型规整填料在胺液体系中的等板高度（HETP）取0.8m（考虑高压、高液泛率下的效率修正）。5.4填料层高度计算填料层总高度：Zpack为保证液体均匀分布、减少壁流效应，填料分为两段，每段高度为：Zsegment两段填料之间设液体再分布器。5.5喷淋密度校核喷淋密度是衡量液体分布均匀性的重要指标，应不低于5m³/(m²·h)。LW喷淋密度为20.0m³/(m²·h)，处于18~50m³/(m²·h)的适宜范围内，可保证填料充分润湿。5.6填料层压降估算规整填料在60%~70%液泛率下，单位压降约为250~350Pa/m。取平均300Pa/m：ΔP=300Pa/m×9.6m=2880Pa≈2.9kPa加上塔顶出口分离器、气体分布器及管口压降，吸收塔总压降约为5~8kPa，满足工艺要求。6吸收塔结构尺寸设计6.1塔体主要尺寸汇总表6-1吸收塔主要结构尺寸表项目符号数值单位备注塔内径D1200mmDN1200填料段数—2段—每段填料高度Z₁4.8m250Y规整填料填料总高度Z9.6m—塔顶气相空间H_top2.5m含除沫器塔底气液分离空间H_bottom3.0m—填料支承板间距—0.3m—液体再分布器空间—0.8m两段之间塔顶液体分布器空间—1.0m—塔直筒段总高H17.2m含所有内件空间塔总高（含封头）H_total约19.0m椭圆形封头6.2内件设计说明（1）液体分布器：塔顶采用槽盘式液体分布器，喷淋点密度≥100点/m²，保证液体均匀分布于填料截面上。（2）液体再分布器：两段填料之间设槽盘式再分布器，收集壁流液体并重新均匀分布。（3）填料支承板：采用格栅式支承板，自由开孔率≥100%，避免液泛提前发生。（4）气体分布装置：塔底设进气分布器，避免进气直接冲击填料层。（5）除沫器：塔顶设丝网除沫器，捕集净化气夹带的胺液雾滴，减少溶剂损失，除沫效率≥98%。7辅助设备工艺计算7.1贫液泵选型计算贫液泵需要克服吸收塔静压、管路阻力及贫富液换热器阻力。系统总扬程估算：表7-1贫液泵扬程估算表项目阻力（m液柱）备注吸收塔静压（17.2m填料+内件）约18—贫富液换热器（管程）10—贫富液换热器（壳程）8—贫液冷却器6—管路及阀门管件10当量长度吸收塔顶压力裕量155.0MPa静压合计扬程H约67取70m泵流量为22.63m³/h，考虑1.25倍余量，设计流量Q=28.3m³/h。泵轴功率（液体密度1030kg/m³，效率0.65）：N=选用2台离心泵（1用1备），单台额定流量30m³/h，扬程75m，配电机15kW。7.2贫富液换热器富液出吸收塔温度约45℃，贫液出再生塔温度约115℃。采用贫液与富液换热，将富液预热至90℃，贫液冷却至65℃，再经空冷/水冷至40℃进吸收塔。热负荷（按贫液23.3t/h，比热3.5kJ/(kg·℃)）：Q=23313×3.5×(115-65)=4.08×10⁶kJ/h=1133kW选用固定管板式换热器2台（串联），总传热面积约120m²，总传热系数K≈350W/(m²·K)。8安全校核与操作弹性8.1液泛安全校核实际操作气速0.238m/s为液泛气速的61.8%，处于60%~75%的安全操作区间。考虑以下因素后的安全裕量：（1）气体负荷波动±15%时，最大气速=0.238×1.15=0.274m/s，为液泛气速的71.2%，仍低于75%上限。（2）胺液发泡裕量：设计已预留C_B=0.070m/s（较清洁体系降低约15%），可有效应对发泡倾向。（3）液体负荷波动±20%时，喷淋密度在16~24m³/(m²·h)范围内，均满足最小润湿速率要求。8.2材料选择与腐蚀裕量MDEA溶液腐蚀性较低，但在富液段（吸收塔底部，H₂S富集区）仍存在硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）风险。根据TSG21-2016及NACEMR0175/ISO15156推荐：部位接触介质推荐材料腐蚀裕量吸收塔筒体（上段）贫液+净化气Q345R(R-HIC)3mm吸收塔筒体（下段）富液+酸气Q345R(R-HIC)堆焊304L3mm填料及内件富液/贫液304不锈钢—封头富液+酸气Q345R(R-HIC)堆焊304L3mm管线（富液）富胺液20#无缝钢管+304衬里2mm8.3操作弹性分析本吸收塔设计操作弹性为50%~120%：•最低负荷50%：气量减半，空塔气速0.119m/s，为液泛速度的31%，喷淋密度降至10m³/(m²·h)，仍满足最小润湿要求。•最高负荷120%：气量增加20%，空塔气速0.286m/s，为液泛速度的74.3%，接近但未超过75%安全上限。9结果分析与工程指导意义9.1设计结果汇总表9-1吸收塔设计结果汇总表项目设计值单位塔内径D1200mm塔直筒段高度H17.2m填料类型250Y不锈钢规整填料—填料总高度9.6m（分2段，每段4.8m）理论级数12级HETP0.8m操作空塔气速0.238m/s液泛率61.8%喷淋密度20.0m³/(m²·h)MDEA溶液循环量22.63m³/hH₂S脱除效率99.98%净化气H₂S含量≤4mg/m³（标态）塔压降约2.9kPa（填料段）操作弹性50~120%9.2结果分析（1）塔径合理性：本计算在5.0MPa高压条件下，气体密度高达32.95kg/m³，使得液泛气速较低（0.385m/s），但气体体积流量因高压而大幅缩小（仅968m³/h），最终塔径仅1.2m，与同类工业装置（处理量100万方/日）的实际塔径吻合良好。（2）选择性脱除：MDEA溶液对H₂S的选择性吸收特性使CO₂共吸收率控制在30%，既保证了H₂S达到管输标准（≤4mg/m³），又避免了过度吸收CO₂导致的再生能耗增加。（3）溶液循环量：22.63m³/h的贫液循环量对应液气比约5.4L/m³（标态），处于MDEA脱硫装置1~5L/m³的合理范围上限，这与本设计原料气H₂S含量较高（1.5%）的工况一致。9.3工程指导意义本设计计算书对工程实施具有以下指导意义：（1）填料选型：250Y规整填料比表面积大、压降低，在高压天然气脱硫工况下可有效降低塔高和能耗。实际工程中可根据供货情况选用Mellapak250Y、250Y孔板波纹