第5章-天然气脱水第3节.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三节 溶剂吸收脱水,甘醇脱水的基本原理,甘醇的物理性质,三甘醇脱水流程和设备,影响三甘醇脱水效果的参数,三甘醇富液再生方法及工艺参数,三甘醇脱水装置的工艺计算,降低三甘醇损耗量的措施,1,一、甘醇脱水的基本原理,甘醇是直链的二元醇，其通用化学式是,C,n,H,2n,(OH),2,。,二甘醇(,DEG),和三甘醇(,TEG),的分子结构如下：,2,从分子结构看，每个甘醇分子中都有两个羟基（）。羟基在结构上与水相似，可以形成氢键，氢键的特点是能和电负性较大的原子相连，包括同一分子或另一分子中电负性较大的原子，所以甘醇与水能够完全互溶，并表现出很强的吸水性。,甘醇水溶液将天然气中的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。,一、甘醇脱水的基本原理,3,二、甘醇的物理性质,4,三甘醇吸收剂的特点,沸点较高(287.4)，贫液浓度可达9899%以上，露点降为,40,以上。,蒸气压较低。27时，仅为二甘醇的20%，携带损失小。,热力学性质稳定。理论热分解温度(207)约比二甘醇高40。,脱水操作费用比二甘醇法低。,5,三、三甘醇脱水流程和设备,三甘醇脱水工艺流程主要包括两大部分：,天然气在吸收塔的脱水系统；,富,TEG,溶液的再生系统（提浓）。,6,天然气在甘醇溶液中的溶解度 指101.325,kPa，20,的气体体积,9,四、影响三甘醇脱水效果的参数,三甘醇脱水是基于吸收原理而实现的。影响脱水效果的主要参数有：,进气温度；,吸收塔的操作压力和塔板数；,三甘醇贫液浓度和温度；,三甘醇循环量。,10,进气温度较高将增加装置的脱水负荷和增大甘醇的气化损失量。,在三甘醇浓度不变时，出塔气体平衡露点随进气温度的下降而降低。,因低温下，三甘醇变得非常粘稠导致塔效率降低、压降增大和携带损失。,进塔的天然气温度应维持在1548。,1.进气温度,11,与不同浓度三甘醇相平衡的气体水露点（压力10010000,kPa）,12,2.吸收塔的操作压力和塔板数,实践证明，吸收塔的操作压力低于20,MPa,时，出塔干气露点温度基本上与吸收塔操作压力无关。,维持较高压力，气体含水量较少，并能减少塔径，但增大了塔的壁厚。,通常认为2.510,MPa,的脱水压力是较经济的。,13,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。通常多数塔板都定为68块。,在各级塔板上，甘醇并没有都达到平衡状态。通常用25%的塔板效率作设计。在泡罩式塔内，相邻塔板的间隔一般为610,mm。,2.吸收塔的操作压力和塔板数,14,3.三甘醇浓度和温度,气体露点随三甘醇浓度增加有显著的下降。因此，降低出塔干气露点的主要途径是,提高三甘醇贫液浓度。,三甘醇与气流中水蒸汽的平衡条件受温度影响，温度高气流中水汽含量高，同时增加了甘醇损失，但甘醇温度低使烃类在塔中冷凝而引起甘醇发泡。,多数设计要求三甘醇的温度略高于气流温度10（,API,推荐1030），且三甘醇进塔温度宜低于60。,15,4.三甘醇循环量,甘醇的浓度主要影响干气的露点,;,甘醇循环率仅控制着总的被清除的水量。能够保证甘醇与气体接触较好的最小循环率大约是脱除每1,kg,水需16.7,L,的甘醇,;,而最常用的范围是吸收1,kg,水需2560,L,三甘醇溶液。,16,三甘醇循环量与露点降关系图(,a),17,甘醇循环量与露点降关系图(,b),18,甘醇循环量与露点降关系图(,c),19,循环量和塔板数固定时，三甘醇浓度愈高则露点降愈大；,循环量和三甘醇浓度固定时，塔板数愈多则露点降愈大，但一般都不超过10块实际塔板；,塔板数和三甘醇浓度固定时，循环量愈大则露点降愈大，但循环量升到一定程度后，露点降的增加值明显减少，而且循环量过大会导致重沸器超负荷，动力消耗过大，故最高不应超过33,L/kg,水。,循环量、浓度与塔板数的相互关系,20,五、三甘醇富液再生方法及工艺参数,目前三甘醇富液的再生方法有三种：,减压再生,气体汽提,共沸蒸馏再生,21,1.气体汽提再生,气体汽提是将甘醇溶液同热的汽提气接触，以降低溶液表面的水蒸气分压，,使甘醇溶液得以提浓到99.995%(质)，干气露点可降至-7,0,。此法是现行三甘醇脱水装置中应用较多的再生方法。其典型流程如下图所示。,22,三甘醇溶液汽提法再生示意图,23,汽提气量对三甘醇浓度的影响,24,2.汽提气使用的气源,汽提气应使用不溶于水且比较稳定的气体，工业装置常用脱水后的干天然气或来自闪蒸罐的闪蒸气，压力为0.30.6,MPa。,25,3.,工艺参数对再生效果的影响,影响三甘醇溶液再生的参数主要有：,再沸器的压力和温度；,再生塔顶部温度；,汽提气的流量,。,26,（1）再沸器的压力,再沸器的压力较高时，增加脱水难度和能耗。再沸器的压力较低时，富甘醇/水的混合物的沸腾温度会降低，在同样的再沸器温度下，可得到比较高的贫甘醇浓度，但一般不在负压状态工作。,再沸器的压力一般保持常压。,27,（2）再沸器的温度,再沸器的温度可控制水在贫甘醇中的浓度。温度越高，贫甘醇浓度越大。通常再沸器的温度限制在204（,TEG,热分解温度）以下，,一般再沸器的温度在188199间，甘醇浓度在98.298.5之间,。,28,（3）再生塔顶温度,较高的蒸馏柱顶温度会增加甘醇的蒸发损失。若温度太低，有更多的水冷凝，增加了再沸器的热负荷,。蒸馏柱顶的建议温度近似为107,。当温度超过121时，甘醇就显著地蒸发损失。,为了能控制汽提蒸馏柱温度，一般在多数回流盘管上都设有旁通。,29,（4）汽提气的流量,甘醇同汽提气接触能降低离开再沸器的贫甘醇浓度。一般都希望使贫甘醇浓度在98.298.5以上时才用汽提气。,使用时注意控制用量，不致使汽提柱发生液泛而冲塔。,30,六、三甘醇脱水装置的工艺计算,吸收系统工艺计算,再生系统工艺计算,31,1.吸收系统工艺计算,在给定原料气组成、流量、进料状态及吸收后干气含水量或水露点要求的情况下，吸收塔系统工艺计算主要确定：,吸收剂的浓度,三甘醇循环量,吸收塔塔板数和塔径,32,（1）进塔贫甘醇溶液浓度,在一定操作温度和压力下，欲达到干气平衡露点所需贫三甘醇溶液的最低浓度。,由于吸收塔顶气一液两相的接触时间不足以达到平衡，出塔干气不能达到平衡水露点。出塔干气的真实水露点温度比平衡水露点温度高。,33,t,r,出吸收塔干气真实水露点温度(实际控制水露点），；,t,e,出吸收塔干气的平衡水露点温度，；,t,偏差值，其大小取决于贫三甘醇溶液的循环量、塔径、塔结构等影响气、液两相接触时间的因素。一般可取,t,=811,C。,（1）进塔贫甘醇溶液浓度,34,甘醇溶液用量超过某一值后曲线趋于平缓，再增加三甘醇溶液用量，获得的露点降变化不大。根据经验，每吸收1,kg,水所需三甘醇为0.0250.06,m,3,。,天然气脱水设计规范（,SY/T00762003）,推荐为每吸收1,kg,水所需甘醇量，三甘醇为0.020.03,m,3,；,二甘醇为0.040.1,m,3,。,（2）贫甘醇溶液用量,35,甘醇贫液用量,V,(m,3,/h),a,每吸收1,kg,水所需要的三甘醇量，,m,3,/kg；,Q,进入吸收塔的天然气量，,m,3,/h；,y,1,进入吸收塔的天然气含水汽量，,g/m,3,；,y,2,离开吸收塔的干气含水汽量，,g/m,3,。,36,（3）吸收塔塔板数的确定,三甘醇脱水装置是一典型的多组分逆流吸收过程，利用相平衡关系，并通过逐板作物料衡算导出如下克列姆塞尔方程：,37,y,N,+1,进吸收塔湿原料气中水的摩尔分数；,y,1,离开吸收塔干气中水的摩尔分数；,y,0,当离塔干气与进塔贫三甘醇溶液处于平衡时，干气中水的摩尔分数；,N,吸收塔理论塔板数；,A,吸收因子。,（3）吸收塔塔板数的确定,38,L,三甘醇溶液循环量，,mol/h；,V,原料天然气流量，,mol/h；,K,气相中水汽和三甘醇水溶液中液相水之间的平衡常数，其定义式为：,（3）吸收塔塔板数的确定,39,y,气相中水的摩尔分数；,x,与气相平衡三甘醇溶液中水的摩尔分数。,（3）吸收塔塔板数的确定,40,甘醇-水-天然气系统中的液相是一非理想液体体系。预测气液间平衡关系要求使用活度系数。按下式预测水在气相和三甘醇溶液的相平衡常数,K,：,y,0,与纯液相水呈平衡状态的，含饱和水汽的气体中水汽的摩尔分数。,三甘醇水溶液水的活度系数。,（3）吸收塔塔板数的确定,41,三甘醇水溶液中水的活度系数,42,在三甘醇吸收塔中由于从气相中脱除的水量很小，沿塔气体摩尔流率近于常数，与脱去的水相比，三甘醇循环量很大，且由于三甘醇的分子量大于水的分子量，故三甘醇溶液的摩尔流量亦趋于恒定。,可以认为，吸收塔中,L,/,V,为一常数。,（3）吸收塔塔板数的确定,43,若已知吸收塔操作条件、原料气及干气含水量、贫三甘醇溶液浓度和循环量，则可方便地求得所需理论板数；反之，如果已知塔内理论板数，也可利用该图求得吸收剂的循环量。,（3）吸收塔塔板数的确定,44,一般天然气中水汽含量常用单位体积气体内水汽的质量表示，如,kg,水汽/百万,m,3,(101.325kPa，0),天然气；,甘醇溶液中水含量常用含水重量百分数表示。计算中需要将其换算为摩尔分数浓度。可用以下换算公式和换算图。,（3）吸收塔塔板数的确定,45,W,天然气中水汽含量，,kg,水汽/百万,m,3,天然气；,y,天然气中水汽含量，水汽的摩尔分数。,M,h,水的摩尔质量，,kg/kmol；,V,m,天然气的摩尔体积，,m,3,/kmol；,（3）吸收塔塔板数的确定,46,G,w,三甘醇溶液中水的质量百分数；,x,三甘醇溶液中水的摩尔分数。,（3）吸收塔塔板数的确定,47,（3）吸收塔塔板数的确定,W,N,+1,进吸收塔湿原料气中含水汽量，,kg,水汽/百万,m,3,天然气；,W,1,离开吸收塔干气中含水汽量，,kg,水汽/百万,m,3,天然气；,W,0,离开吸收塔干气与进塔贫三甘醇溶液处于平衡状态时干气的含水汽量，,kg,水汽/百万,m,3,天然气。,48,（3）吸收塔塔板数的确定,W,0,操作条件下与纯液相水呈平衡状态的饱和水汽含量，,kg,水汽/百万,m3,天然气；,x,0,与出塔干气平衡的贫三甘醇溶液中水的摩尔分数。,49,求得的是塔的理论板数,N,，,在三甘醇吸收塔的实际操作中，由于塔内气液两相接触时间有限，每块板上都不会达到平衡状态。实际板数,N,p,与理论板数,N,之间的关系为：,对于吸收塔，可取塔板效率,为25,40%。,（3）吸收塔塔板数的确定,50,（4）甘醇吸收塔的选型和塔径计算,小直径三甘醇吸收塔可选用填料塔型；直径较大时，则应选用板式塔。,由于三甘醇溶液循环量很小，为有利于气-液传质保证塔板液封，增加操作弹性，多采用园泡罩塔板，也有采用浮阀塔板。,51,对于板式塔型的三甘醇脱水吸收塔，计算塔径时，可先按勃朗-桑德（,Brown-Souder）,公式算出允许的单位面积最大空塔气体质量流速,G,a,，,再根据,G,a,计算塔径，计算公式如下,:,（4）甘醇吸收塔的选型和塔径计算,G,a,气体的最大允许质量速度，,kg/(hm,2,)；,l,吸收塔中液相密度，,kg/m,3,；,g,吸收塔中气相密度，,kg/m,3,；,C,常数,;,52,C,值与吸收介质、板间距有关,53,按最大允许质量流速的0.70.8倍计算塔径。即设计气体质量流量为：,G,被处理气体的质量流量，,kg/h；,D,吸收塔直径，,m。,（4）甘醇吸收塔的选型和塔径计算,54,吸收塔直径可按下式计算：,（4）甘醇吸收塔的选型和塔径计算,55,2.再生系统工艺计算,再生压力和温度；,再生塔回流比；,汽提气用量；,三甘醇再沸器选型及计算；,贫、富液精馏柱的直径及高度；,其它设备的选用。,56,（1）再生压力和温度,再生压力采用常压；,常压下，三甘醇的热分解温度约为206。因而再沸器的温度不应高于此值，通常为19,0,200,，最高不应超过204 。,57,（2）再生塔回流比,甘醇溶液的再生过程，实际上是三甘醇和水二元混合物的分离过程。由于三甘醇和水的沸点相差较大（三甘醇沸点为285.5 ，水为100 较易分离，一般采用回流比约为11。,58,（3）汽提气用量,利用汽提气进行再生时，所用汽提气应不溶于水，且在204 以前是稳定的气体。现场常用压力为294588,kPa（,表压）的干天然气，或者三甘醇富液的闪蒸气作为再生汽提气。,59,随汽提气用量增加，再生贫三甘醇溶液浓度增加。但是，汽提量增加到一定值后，三甘醇溶液浓度增加缓慢。因此应适当使用汽提量，并控制勿使汽提柱发生液泛。可利用下图计算汽提气用量。,（3）汽提气用量,60,确定汽提气用量的计算图,61,常压和汽提再生查图方法,B,T,K,1,A,X,K,2,（3）汽提气用量,62,（4）三甘醇再沸器选型及计算,三甘醇再沸器的加热方式有火管加热、蒸汽加热、导热油加热等；,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用天然气直接火管加热，天然气净化厂的脱水装置通常采用2.53.9,MPa（,表）的蒸汽或天然气直接火管加热。,63,再沸器的热负荷,q,由甘醇溶液加热之显热、水的汽化潜热、回流负荷(一般为水分汽化潜热的25%)和热损失组成的，若取热损失为10%，则,（4）三甘醇再沸器选型及计算,64,上式符号意义,q,1,水蒸汽带走的热量，,kJ/h；,q,2,回流所耗热量，,kJ/h；,q,3,汽提气加热所耗热量，,kJ/h；,q,4,贫液带出的热量，,kJ/h；,q,5,富液带入的热量，,kJ/h。65,火管表面积,F,(m,2,)：,火管传热效率，推荐直接火加热型式的热效率为70%。,（4）三甘醇再沸器选型及计算,采用用三甘醇脱水时，再沸器火管散热表面的热流密度的正常范围为1825,kW/m2，,最大不超过31,kW/m2。,66,（5）贫、富液精馏柱直径及高度,再沸器上的精馏柱为富液精馏柱，当直径大于610,mm,时，一般用4块泡帽塔板；直径小于610,mm,时，一般用填料塔型。,当富液精馏柱的直径大于406,mm,时，一般在精馏柱内设置冷却盘管取走回流热，当直径小于406,mm,时，采用外翅片冷却盘管，靠大气散热取走热量。,67,富液精馏柱直径计算,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（一般为0.60.8）作为操作速度，再根据富液精馏柱中气相流率（,m,3,/h）,即可算出塔径。,a、,按液泛速度计算,68,甘醇富液精馏柱直径,D,(m),Q,v,甘醇富液精馏柱内气相流量，,m,3,/s；,u,甘醇富液精馏柱操作气速，,m/s,；,u,F,泛点空塔气速，,m/s,。,69,泛点空塔速度,u,F,(m/s),a,/,3,干填料因子，1/,m；,A,系数，瓷拉西环,A=0.022，,瓷弧鞍,A=0.26，CY,型金属丝网波纹,A,=0.30。,70,泛点空塔速度,u,F,(m/s),l,液相的粘度，,mPas；,u,F,泛点空塔气速，,m/s；,g,重力加速度，9.81,m/s,2,；,L,液相的流量，,kg/h；,G,气相的流量，,kg/h；,l,、,g,液相及气相的密度，,kg/m,3,。,71,b.,按富液喷淋密度计算,甘醇富液精馏柱直径可用甘醇喷淋密度计算，甘醇喷淋密度范围为,8.012.0m,3,/（m,2,h）。,72,Q,L,三甘醇富液流率，,kg/h；,l,三甘醇喷淋密度，,m,3,/（m,2,h）；,D,富液精馏柱内径，,m,。,b.,按富液喷淋密度计算,73,贫液精馏柱的直径,贫液精馏柱的直径比富液精馏柱直径要小；一般取贫液精馏柱截面积为富液精馏柱截面积的57%，即贫液精馏柱的直径为0.76倍富液精馏柱的直径。,甘醇贫液精馏柱直径可用甘醇喷淋密度计算，甘醇喷淋密度范围为,10.020.0m,3,/（m,2,h）。,74,贫、富液精馏柱的高度,在富液精馏柱中的分离实际是水甘醇的二元精馏分离，所需理论板数可采用逐板计算法或图解法求得。一般需要2或3块理论板即可达到要求，其中一块板为重沸器。对于填料塔，填料层高度的计算有两种方法：,传质单元法；,等板高度法。,75,富液精馏柱填料层高度,Z,（m）,按等板高度法计算填料层高度：,N,T,理论板数；,H,T,填料的等板高度，,m。,贫液精馏柱的填料高度一般取为1.21.6,m。,该精馏柱的下部插入换热罐溶液中。,76,（6）其它设备的选用,甘醇溶液闪蒸罐,换热设备,甘醇富液过滤器,甘醇循环泵,77,七、降低三甘醇损耗量的措施,三甘醇的价格较贵，应尽可能降低其损失量。对正常运行的脱水装置，三甘醇损耗量宜小于15,mg/m,3,天然气（二甘醇：小于22,mg/m,3,），,超过此范围就应检查三甘醇大量损失的原因。,78,1.三甘醇损耗的原因,溶液污染而引起发泡,;,再沸器温度过高；,原料气和贫三甘醇溶液入塔温度过高。,79,2.降低三甘醇损耗量的措施,各种操作参数中温度对,TEG,损失量影响甚大。吸收塔的温度应保持在2050，超过50后,TEG,的蒸发损失量达大；重沸器的温度不应超过204，超过204后不仅蒸发损失量大，而且会导致,TEG,降解变质。,（,1,）选择合理的操作参数,80,（2）改善分离效果,天然气中夹带有各种固相或液相杂质、如地层水、表面活性物质、重烃、岩屑、金属腐蚀产物等等。这此杂质进入,TEG,溶液，增加发泡倾向和堵塞管线，影响换热设备的传热效果。因此，原料气分离器必须安装，而且应设计合理。,81,（3）保持溶液清洁,保持,TEG,溶液清洁是平衡操作的重要前提。保持溶液清洁的主要措施是两条：,设置过滤器；,用减压蒸馏的方法提纯,TEG,溶液。,82,（4）安装除沫网,在吸收塔和再生塔顶安装除沫网可以减少因雾沫夹带而造成的,TEG,损失。吸收塔顶一般安装两层除沫网，其间距少为150200,mm，,材质为不锈钢。,83,（5）加注消泡剂,当,TEG,溶液被污染而发泡时，塔顶大量雾沫夹带，单靠除沫网和分离器难以回收大量的,TEG，,势必增加,TEG,的损失量，此时可以加注消泡剂。可采用的消泡剂种类甚多，必须通过实验确定其品种和用量，,常用的消泡剂是磷酸三辛酯,。,84,