天然气甘醇脱水设计计算书（含再生）

天然气甘醇脱水设计计算书（含三甘醇再生系统）项目名称××气田天然气处理厂甘醇脱水装置装置规模30×10⁴Nm³/d设计阶段初步设计文件类型工艺设计计算书文件编号TEG-DES-CAL-2026-001版本号V1.0角色姓名日期签字编制校核审核批准二〇二六年九月

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1概述 概述1.1设计依据本计算书依据下列现行标准、规范及项目基础设计文件编制：（1）SY/T0076—2023《天然气脱水设计规范》；（2）SY/T0602—2005《甘醇型天然气脱水装置规范》；（3）GB50251—2015《输气管道工程设计规范》；（4）GB55009—2021《燃气工程项目规范》；（5）GB50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》；（6）GB150.1～150.4—2011《压力容器》；（7）GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》；（8）项目可行性研究报告及业主提供的原料气分析数据。1.2设计范围本计算书涵盖三甘醇（TEG）吸收法天然气脱水装置的吸收系统与再生系统全流程工艺计算，具体包括：原料气预处理、甘醇吸收塔、富液闪蒸、贫富液换热、甘醇再生塔、重沸器、回流冷凝、贫液冷却及甘醇循环泵等主要工艺设备的工艺尺寸与操作参数计算，并对装置的安全裕量、能耗水平及工程适应性进行核验与分析。1.3工艺原理简述三甘醇脱水属于溶剂吸收法脱水。三甘醇（TriethyleneGlycol，TEG）分子式为C₆H₁₄O₄，具有极强的亲水性，其沸点为285℃，常压下分解温度约206℃。湿天然气从吸收塔底部进入，与从塔顶喷淋而下的高浓度贫三甘醇溶液在塔内逆流接触，气相中的水蒸气扩散进入液相，被三甘醇吸收；脱水后的干气从塔顶流出，吸收水分后的富三甘醇溶液从塔底排出，经闪蒸、换热后进入再生系统，在重沸器中加热至约198℃，使水分汽化并从甘醇中分离，再生后的贫甘醇经冷却后循环使用。2设计基础数据2.1原料气参数本装置设计处理量及原料气组成如下表所示。原料气经上游分离器脱除游离水和机械杂质后进入脱水装置，入塔温度控制在15～48℃范围内，符合SY/T0076—2023的规定。表2-1原料气主要设计参数序号项目数值单位备注1标准体积流量30×10⁴Nm³/d设计规模2操作压力6.0MPa(G)吸收塔操作压力3入塔温度35℃设计值4相对密度0.62—空气=15摩尔质量17.92kg/kmol按组成计算6压缩因子0.88—操作条件下7饱和含水量约1800mg/Nm³35℃、6.0MPa下表2-2原料气摩尔组成（干基）组分摩尔分数（%）组分摩尔分数（%）甲烷CH₄95.20异丁烷i-C₄H₁₀0.35乙烷C₂H₆2.80正丁烷n-C₄H₁₀0.25丙烷C₃H₈0.85戊烷及以上C₅⁺0.15氮气N₂0.20二氧化碳CO₂0.202.2产品气指标根据GB50251—2015第3.1.2条规定，进入输气管道的天然气水露点应比输送条件下最低环境温度低5℃。本项目输送管线沿线最低环境温度为-5℃，因此要求产品气在输送压力下的水露点不高于-10℃。产品气主要质量指标如下表。表2-3产品气质量指标序号项目指标要求单位标准依据1水露点（6.0MPa下）≤-10℃GB50251—20152对应含水量≤120mg/Nm³查图/计算3烃露点低于最低环境温度℃GB50251—20154硫化氢含量≤20mg/Nm³GB50251—20155机械杂质无游离水和固体—GB55009—20212.3吸收剂性质本装置选用三甘醇（TEG）作为吸收剂。三甘醇具有沸点高、挥发性低、吸水能力强、热稳定性好等优点，是目前天然气脱水领域应用最广泛的吸收剂。其主要物理性质如下表。表2-4三甘醇主要物理性质序号项目数值单位1分子式C₆H₁₄O₄—2摩尔质量150.17kg/kmol3沸点（常压）285℃4密度（25℃）1125kg/m³5比热容（25℃）2.20kJ/(kg·℃)6汽化潜热（沸点）约580kJ/kg7热分解温度约206℃8贫液设计浓度99.0wt%9富液设计浓度96.5wt%2.4环境与公用工程条件装置所在地海拔约800m，极端最低气温-18℃，极端最高气温38℃，年平均气温9.5℃。公用工程条件：低压蒸汽0.4MPa（饱和温度143.5℃），循环冷却水进水32℃/出水42℃，仪表风0.6～0.8MPa（露点≤-40℃），供电380V/50Hz三相交流。3物料衡算3.1原料气含水量计算原料气在操作压力6.0MPa、温度35℃下处于饱和状态，其含水量可由天然气含水量图（McKetta-Wehe图）查得，或采用经验关联式计算。本设计采用Bukacek关联式进行计算，并以查图值校核。原料气标准体积流量换算为摩尔流量：n式中：n_g为天然气摩尔流量，kmol/h；V_N为标准体积流量，Nm³/d；22.4为标准状态下气体摩尔体积，Nm³/kmol。在35℃、6.0MPa条件下，查天然气含水量图得饱和含水量约为1800mg/Nm³。则原料气中水蒸气质量流量为：G式中：G_w,in为原料气带入水蒸气质量流量，kg/h；y_in为原料气饱和含水量，mg/Nm³。3.2产品气允许含水量产品气要求水露点≤-10℃（6.0MPa下）。查天然气含水量图，在6.0MPa、-10℃条件下，对应饱和含水量约为120mg/Nm³。则产品气中残余水蒸气质量流量为：G3.3脱水量计算装置每小时需要从天然气中脱除的水量为原料气带入水量与产品气残余水量之差：G年操作时间按8000h计，则年脱水量约为1680t/a。3.4甘醇循环量计算甘醇循环量由吸收塔的物料衡算确定。贫三甘醇浓度为99.0wt%（含水量1.0wt%），富三甘醇浓度为96.5wt%（含水量3.5wt%），则每千克纯三甘醇吸收的水量为：Δ所需纯三甘醇循环量为：L折算为99.0wt%贫三甘醇溶液的体积循环量：Q式中：ρ_TEG为三甘醇密度，取1125kg/m³。校核甘醇循环比：每脱除1kg水所需三甘醇溶液量为7.54×1125/210≈40.4L/kg水，折合约3.4gal/lb水，处于SY/T0076—2023推荐的2～6gal/lb水范围内，设计合理。表3-1物料衡算汇总表物流流量温度（℃）压力（MPa）水含量原料气（湿）12500Nm³/h356.01800mg/Nm³产品气（干）12500Nm³/h约335.9≤120mg/Nm³贫TEG入塔7.54m³/h约406.21.0wt%富TEG出塔约7.73m³/h约346.03.5wt%脱除水量210kg/h———4吸收塔工艺计算4.1塔径计算吸收塔塔径采用Souders-Brown公式计算，该公式是板式塔和填料塔泛点气速估算的经典方法，SY/T0076—2023附录C和SY/T0602—2005均推荐采用此方法。最大允许空塔气速计算公式为：u式中：u_max为最大允许空塔气速，m/s；K为经验常数，与塔板间距有关；ρ_L为液相密度，kg/m³；ρ_G为气相密度，kg/m³。操作条件下气相密度计算：ρ式中：P为绝对压力，取6.101MPa；M为天然气摩尔质量，17.92kg/kmol；Z为压缩因子，0.88；R为通用气体常数，8.314kJ/(kmol·K)；T为绝对温度，308.15K。液相（富三甘醇）密度取约1110kg/m³。塔板间距取600mm，查SY/T0076—2023附录C表C.1，得K=0.0488m/s（塔板间距600mm时）。代入得：u设计空塔气速取最大允许气速的70%～80%，本设计取75%：u=0.75×操作条件下天然气体积流量：V塔径计算：D=圆整至标准塔径，取吸收塔内径D=700mm。校核实际空塔气速：u=4×0.0573/(π×0.7²)=0.149m/s，为最大允许气速的65.4%，处于合理范围（60%～80%），可有效避免雾沫夹带并保证传质效率。4.2塔板数计算吸收塔理论塔板数采用图解法（McCabe-Thiele法）或解析法计算。对于三甘醇脱水体系，平衡关系近似为线性，可采用传质单元数法估算。本设计采用经验法结合规范推荐值确定塔板数。根据SY/T0602—2005，三甘醇吸收塔的理论塔板数通常为2～4块，总塔板效率取25%～35%。本设计要求露点降约45℃（从35℃对应的饱和露点降至-10℃），属于中等深度脱水，选取理论塔板数N_t=3块，总塔板效率η=30%，则实际塔板数为：N考虑操作弹性和安全裕量，实际取12块浮阀塔板。塔板间距600mm，符合SY/T0602—2005规定的最小塔板间距457.2mm（18in）要求。4.3塔高与附属空间确定吸收塔总高度由塔板段高度、顶部气相分离空间、底部液相缓冲空间及底部富液储液段组成：表4-1吸收塔高度组成序号组成部分高度（mm）说明1顶部气相分离空间1200除雾器上方，减少雾沫夹带2除雾器安装空间300丝网除雾器3塔板段高度660011个板间距×600mm（12块板）4进料分布空间600最下层塔板下方5底部液相缓冲段1500富液储存，约10min停留合计塔筒体切线高度10200约10.2m吸收塔设计压力6.4MPa（G），设计温度50℃，筒体材质选用Q345R，腐蚀裕量2mm。塔内件包括：12块F1型浮阀塔板、塔顶丝网除雾器、进料分布器、甘醇喷淋装置等。5再生系统工艺计算5.1再生塔计算再生塔的作用是通过精馏方式将富三甘醇中的水分脱除，使贫三甘醇浓度达到99.0wt%以上。再生塔通常采用填料塔，常压操作，塔顶设回流冷却器，塔底与重沸器相连。再生塔操作压力为常压（0.1013MPa绝对压力）。富三甘醇经贫富液换热器预热至约140℃后从再生塔中部进入，塔顶操作温度约100～105℃（水的沸点附近），塔底重沸器温度控制在198℃（不超过三甘醇热分解温度206℃，符合SY/T0076—2023规定的三甘醇重沸器温度不超过204℃的要求）。再生塔直径计算。再生塔内气相主要为水蒸气，操作条件下（塔顶约102℃、常压）水蒸气密度为：ρ再生塔顶气相负荷主要为脱除的水蒸气（210kg/h）加上回流汽化量。取回流比R=1.5（回流量/产品水量），则塔顶总气相质量流量为：G折算体积流量：V_s=525/(3600×0.585)=0.249m³/s。采用Souders-Brown公式，填料塔取K=0.06m/s（25mm鲍尔环填料），液相密度取1100kg/m³：u设计气速取60%泛点气速：u=0.6×2.60=1.56m/s。塔径：D=圆整取再生塔内径D=500mm。填料选用25mm不锈钢鲍尔环，填料层总高度约3.0m（分两段，每段1.5m，中间设液体再分布器）。再生塔设计压力0.3MPa（G），设计温度220℃，材质Q345R。5.2重沸器热负荷计算重沸器是再生系统的核心设备，其热负荷由以下三部分组成：（1）将富三甘醇从进料温度加热至重沸器温度的显热；（2）脱除水分的汽化潜热；（3）回流所需的汽化热。（1）富液升温显热：Q富液质量流量m_rich=8400/0.965+210≈8912kg/h（含吸收的水），富液比热容取2.3kJ/(kg·℃)，重沸器温度198℃，进料温度140℃：Q（2）水分汽化潜热：Q式中：r为水在100℃的汽化潜热，取2257kJ/kg。（3）回流汽化热：Q（4）热损失按总热负荷的5%计：Q重沸器总热负荷：Q考虑15%的设计裕量，重沸器设计热负荷取800kW。加热介质采用0.4MPa饱和蒸汽（汽化潜热2133kJ/kg），蒸汽消耗量为：m5.3回流比与塔顶冷凝量再生塔顶气相经回流冷却器冷却后，部分冷凝作为回流，未冷凝的水蒸气排入大气（或经进一步冷凝回收）。回流比R定义为回流量与塔顶产品水量之比。本设计取R=1.5，回流量为：L塔顶冷凝器热负荷（将气相从102℃冷却至40℃，并冷凝回流部分）：QQ冷凝器采用循环冷却水（32℃/42℃），冷却水量：m5.4贫液浓度校核重沸器操作温度198℃、常压下，三甘醇-水体系的平衡气相中几乎不含三甘醇（三甘醇沸点285℃，远高于操作温度），因此重沸器中液相的三甘醇浓度由气液平衡决定。在198℃下，纯水的饱和蒸气压远大于三甘醇的蒸气压，液相中残余水分极低。根据拉乌尔定律和相对挥发度估算，在198℃、常压下，平衡液相中三甘醇浓度可达99.0wt%以上。本设计要求贫液浓度99.0wt%，通过控制重沸器温度和回流比可以保证。实际运行中可通过在线浓度仪或实验室取样分析监测贫液浓度，当浓度低于98.5wt%时应适当提高重沸器温度或增大回流比。6换热与辅助设备计算6.1贫富甘醇换热器贫富甘醇换热器用于回收热贫液的热量，预热冷富液，降低重沸器热负荷和贫液冷却器负荷。富液从塔底排出时温度约34℃，经闪蒸后进入贫富液换热器，被加热至约140℃；贫液从重沸器流出时温度约198℃，被冷却至约60℃。换热器热负荷：Q对数平均温差（LMTD）计算：热端温差ΔT₁=198−140=58℃，冷端温差ΔT₂=60−34=26℃：LMTD=选取总传热系数K=350W/(m²·℃)（管壳式，甘醇-甘醇换热），考虑1.2倍裕量，所需换热面积：A=选用管壳式换热器，换热面积60m²，公称直径DN400，管程走富液（易结垢侧），壳程走贫液。6.2甘醇泵选型甘醇循环泵将贫三甘醇从再生系统低压侧输送至吸收塔高压侧。泵的扬程需克服吸收塔操作压力（6.0MPa）、管路阻力及位差，取设计扬程7.0MPa（700m水柱）。泵的轴功率计算：P式中：η为泵效率，取45%（高压柱塞泵）。配套电机功率取45kW（含1.25倍裕量）。选用三柱塞高压往复泵，流量8m³/h，扬程700m，一用一备。6.3过滤器与闪蒸罐（1）过滤器：为防止三甘醇溶液中携带的固体颗粒和重烃污染塔板和换热设备，在贫液和富液管线上分别设置过滤器。贫液过滤器精度5μm，富液过滤器精度10μm。过滤器壳体设计压力6.4MPa，滤芯采用聚丙烯喷熔材质。（2）闪蒸罐：富三甘醇从吸收塔排出后溶解有一定量的烃类气体，需经闪蒸罐减压闪蒸脱除，防止烃类进入再生系统造成污染和安全隐患。闪蒸罐操作压力0.4MPa，操作温度34℃，停留时间取5min。闪蒸罐直径按气液分离计算，取DN800，直段高度1.6m，内设丝网除雾器。7安全核验7.1压力与温度安全裕量表7-1主要设备设计参数安全裕量核验设备名称操作压力（MPa）设计压力（MPa）裕量操作温度（℃）设计温度（℃）裕量吸收塔6.06.46.7%355015℃再生塔0.00.3—102/19822022℃重沸器0.00.3—19822022℃贫富液换热器6.0/0.46.4/0.66.7%140/6020060℃闪蒸罐0.40.650%345016℃重沸器操作温度198℃，低于三甘醇热分解温度206℃，也低于SY/T0076—2023规定的三甘醇重沸器温度上限204℃，安全裕量为6℃。吸收塔设计压力6.4MPa，为操作压力的1.067倍，符合GB150压力容器设计规范要求。7.2甘醇损耗校核三甘醇损耗主要包括：干气夹带损失、再生塔顶气相夹带损失、机械泄漏损失及降解损失。根据SY/T0076—2023，正常操作期间三甘醇损耗量宜小于15mg/Nm³天然气。本装置设计甘醇损耗量按10mg/Nm³计，则：m年损耗量约0.125×8000=1000kg/a（1t/a）。该值低于规范限值15mg/Nm³，满足要求。实际运行中应通过设置高效除雾器、控制再生塔顶温度、定期检测贫液浓度等措施降低甘醇损耗。7.3防火防爆与防雷本装置处理介质为易燃易爆天然气，按GB50183—2004规定，装置火灾危险性分类为甲类。装置区按2区爆炸危险区域划分，电气设备选用ExdⅡBT4防爆等级。装置设置可燃气体检测报警器，检测点覆盖吸收塔、闪蒸罐、泵区等关键位置，报警设定值为爆炸下限的25%。防雷按GB50057—2010第二类防雷建筑物设计，吸收塔、再生塔等高耸设备设避雷针，接地电阻不大于10Ω。所有金属设备、管道均做防静电接地，接地电阻不大于30Ω。装置区设置消防水系统和干粉灭火器，吸收塔周围设消防水喷淋冷却系统。7.4紧急停车与泄压装置设置紧急停车系统（ESD），当检测到以下情况时触发紧急停车：（1）吸收塔压力超高（≥6.3MPa）；（2）重沸器温度超高（≥204℃）；（3）可燃气体浓度报警（≥爆炸下限的50%）；（4）火灾报警。紧急停车时自动切断原料气进料阀和甘醇泵，打开吸收塔顶紧急放空阀，将塔内天然气泄放至放空总管。吸收塔安全泄压阀整定压力6.3MPa，泄放能力按全量气体泄放计算，泄放管径DN80，泄放介质引至装置区高架放空火炬。再生塔安全泄压阀整定压力0.25MPa，泄放管径DN50。8计算结果汇总与分析8.1主要设备参数汇总表表8-1主要工艺设备参数汇总序号设备名称规格参数材质数量1吸收塔DN700×10200mm（切线高），12块浮阀塔板，设计6.4MPa/50℃Q345R12再生塔DN500×6000mm，25mm鲍尔环填料3m，设计0.3MPa/220℃Q345R13重沸器热负荷800kW，0.4MPa蒸汽加热，U型管式20#/Q345R14贫富液换热器管壳式，60m²，DN400，设计6.4/0.6MPa20#/Q345R15贫液冷却器管壳式，30m²，循环水冷却20#/Q345R16回流冷却器管壳式，250kW，循环水冷却20#/Q345R17甘醇循环泵三柱塞泵，8m³/h，7.0MPa，45kW组合件2（一用一备）8闪蒸罐DN800×1600mm，设计0.6MPa/50℃Q345R19富液过滤器DN50，精度10μmCS/PP滤芯210贫液过滤器DN50，精度5μmCS/PP滤芯211原料气分离器DN600×1800mm，设计6.4MPa/50℃Q345R18.2能耗与经济分析表8-2装置公用工程消耗序号公用工程消耗量单位备注1低压蒸汽（0.4MPa）1350kg/h重沸器加热2循环冷却水约30m³/h含回流冷凝和贫液冷却3电约55kW泵及仪表4三甘醇补充约1t/a正常损耗补充5仪表风约20Nm³/h调节阀及仪表能耗分析：本装置脱水能耗主要为重沸器蒸汽消耗，折合单位脱水量能耗约为800×3600/210≈13714kJ/kg水，处于三甘醇脱水装置常规能耗范围（10000～18000kJ