天然气脱水Word文档格式.docx

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50年代以后，由于三甘醇的贫液浓浓度可达98～99％，露点降大，逐渐用三甘醇（TEG）代替二甘醇作为吸收剂。

◆三甘醇吸收剂的特点

◆沸点较高（287.4℃），贫液浓度可达98～99%以上，露点降为33～47℃。

◆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。

◆三、三甘醇脱水流程和设备

三甘醇脱水工艺流程如图1所示。

脱水装置主要包括两大部分：

Ø

天然气在吸收塔的脱水系统；

富TEG溶液的再生系统（提浓）。

图1三甘醇脱水工艺流程

如图1所示，三甘醇脱水工艺中主要设备有原料气分离器、吸收塔、闪蒸罐、过滤器、贫/富液换热器、再生塔和重沸器等。

◆2.原料气分离器

其功能是分离出原料气中烃类夹带的固体或液滴，如砂子、管线腐蚀产物、水、油等。

常用卧式或立式的重力分离器，内装金属网除沫器。

如原料气中夹带有很多细小的固体粒子或液滴，应考虑采用过滤式分离器或水洗式旋风分离器。

◆3.吸收塔

吸收塔可采用填料塔或板式塔，塔顶应设置除沫器。

虽泡罩塔型的效率略低于浮阀型，但三甘醇溶液比较粘稠，塔内的液/气比较低，故采用泡罩塔盘更为适宜，实际塔板数为4～10块。

塔径小于300mm时应采用填料塔，常用的填料有瓷质鞍型填料和不锈钢环。

◆4.闪蒸罐

三甘醇装置中有一定量的烃类气体会溶解在三甘醇溶液中，烃类的溶解量与压力有关，压力愈高，则溶解量愈大（图2），闪蒸罐的功能是将溶解在三甘醇溶液中的烃类闪蒸出来，防止溶液发泡。

◆5.过滤器

过滤器的功能是除去三甘醇溶液中的固体粒子和溶解性杂质。

常用的有固体过滤器和活性炭过滤器两种。

◆6.贫/富换热器

贫/富换热器是用来进控制闪蒸罐和过滤器的富液温度，回收贫液的热量，使富液升温到148℃左右再进再生塔，以减轻重沸器的热负荷。

最常用的是管壳式换热器。

◆7．再生塔

主要由再生塔和再沸器组成再生系统，其功能是蒸出富三甘醇中的水，使之提浓。

由于三甘醇和水的沸点相差甚大，且不生成共沸物，较易分离，故再生塔只需2～3块理论塔板即可，其中1块即为再沸器。

◆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。

◆1.进气温度

一般入塔气体的质量流量大于塔内三甘醇溶液的质量流量，可以认为吸收塔的操作温度大致与进气温度相当，而且吸收塔内各点的温度差不会超过2℃。

进气温度对脱水效果的影响表现在以下方面：

◆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（图3）。

◆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15～48℃。

◆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20MPa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2.5~10MPa的脱水压力是较经济的。

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6~8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610mm。

◆3.三甘醇浓度和温度

图3所示曲线是不同操作温度下天然气与各种不同浓度三甘醇溶液接触的水露点平衡曲线。

从图中可以看出，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10～30℃），且三甘醇进塔温度宜低于60℃。

◆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1kg水需16.7L的甘醇，而最常用的范围是吸收1kg水需25~60L三甘醇溶液。

图4～图6为三甘醇循环量与气体露点降的关系图。

◆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33L/kg水。

◆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

◆

（1）减压再生

减压再生是降低再生塔的操作压力，以提高甘醇溶液的浓度。

此法可将三甘醇提浓至98.2%（质）或更高。

但减压系统比较复杂，限制了减压再生的应用。

◆

（2）气体汽提

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-73.3℃。

此法是现行三甘醇脱水装置中应用较多的再生方法。

其典型流程见图7所示。

◆（3）共沸蒸馏再生

共沸蒸馏再生是70年代初由美国杜邦公司提出的，该法采用的共沸剂是不溶于水和三甘醇，与水能形成低沸点共沸物，并具有无毒，蒸发损失小等性质，如异辛烷、甲苯。

共沸蒸馏再生流程见图9。

异辛烷用量对三甘醇溶液再生的影响见表2。

◆表2异辛烷用量对三甘醇溶液再生的影响

◆共沸蒸馏再生的特点

◆可将甘醇溶液提浓至99.99%（质），干气露点达-73℃；

◆共沸剂可循环使用，损失量很小，无大气污染问题；

◆系统仅提供共沸剂汽化所需的热量、共沸剂分离器及循环泵。

◆2.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。

◆

（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。

◆

（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188～199℃间，甘醇浓度在98.2％～98.5％之间。

◆（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。

◆（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98.2％～98.5％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。

◆第三节固体吸附法脱水

◆吸附脱水原理和工艺过程；

◆常用固体吸附剂的性质；

◆吸附脱水工艺流程及主要参数；

◆吸附脱水工艺计算。

◆一、吸附脱水原理和工艺过程

吸附是用多孔性的固体吸附剂处理气体混合物，使其中一种或多种组分吸附于固体表面上，其他的不吸附，从而达到分离操作。

水是一种强极性分子，分子直径（2.76Å

～3.2Å

）很小。

不同的多孔性固体的孔径是不同的，孔径大于3.2Å

的，都可以吸附水。

吸附能力的大小与多种因素有关，主要是固体的表面力。

◆2.吸附类型

根据表面力的性质可将吸附分为两大类型：

物理吸附

化学吸附

◆

（1）物理吸附

物理吸附是指流体中被吸附的分子与吸附剂表面分子间为分子间吸引力—范德华力所造成，其吸附速度快，吸附过程类似于气体凝聚过程。

物理吸附当气体压力降低或系统温度升高时，被吸附的气体可以容易地从固体表面逸出，而不改变气体原来的性质，这种现象称为脱附。

吸附和脱附为可逆过程，工业上利用这种可逆性，借以改变操作条件，使吸附的物质脱附，达到使吸附剂再生、回收或分离吸附质的目的。

化学吸附类似于化学反应。

吸附时，吸附剂表面的未饱和化学键与吸附质之间发生电子的转移及重新分布，在吸附剂的表面形成一个单分子层的表面化合物。

吸附中将放生的吸附热。

化学吸附具有选择性，它仅发生在吸附剂表面，且吸附速度较慢，是不可逆的过程。

要很高的温度才能把吸附分子释放出来，并且释放出来的气体常已发生化学变化，不复呈原有的性质。

为了提高化学吸附的速度，常常采用升高温度的办法。

在实际过程中，有时物理吸附与化学吸附可相伴发生，同一物质在低温时以物理吸附为主，在高温时又以化学吸附占优势。

在通常的吸附操作中，主要是物理吸附。

◆3.吸附的操作方式

吸附剂与吸附物互相接触的操作（气-固吸附），一般可分为三种方式：

（1）间歇操作：

即将气体与吸附剂同时置于一容器内，使之充分接触而进行吸附，然后将吸附和气体分离。

这种吸附操作主要用于实验室或小规模工业生产中。

（2）半连续操作：

使被处理的气体通过固定的床层进行吸附，经一定时间后，停止进料，然后进行再生（解吸）。

再生后重新进行吸附，依此循环。

（3）连续操作：

将吸附剂和气体连续地逆流或并流送入吸附器，使之互相接触而进行吸附，处理后的气体和吸附剂连续流出设备。

◆脱水吸附操作方式

连续操作的设备效率高，但设备结构复杂，故在天然气脱水装置大多是采用半连续操作，即固定床吸附。

◆4.吸附的传质过程

图1所示为只有单一可吸附物质（水汽）的气体混合物在固定床上的基本吸附过程。

其中图1（a）图是流出吸附剂床层的气体中吸附物浓度随时间变化的情况（又称转效点曲线）。

C0—进料气的浓度；

tB—吸附过程的转效点，CB—转效点浓度。

图1（b）是吸附剂床层示意图，图中阴影部分上吸附传质段，其长度用hz表示；

在吸附传质段上部的吸附剂床层已吸附物所饱和，称为饱和吸附段，其长度用hs表示；

在吸附传质下部的吸附剂则尚未吸附物质，称为未吸附段，其长度用hb表示；

当AA线到达床层出口端时，达到了吸附的转效点，出口气流中吸附物浓度迅速上升，床层必须进行再生。

◆5.再生方法

对固定床气—固吸附而言，主要有三种再生方法：

（1）温度转换再生法：

升高吸附剂床层温度进行再生，然后降温冷却，再重新吸附。

加热方式有两种：

一种是利用热再生气通入吸附剂床层直接加热，同时带走被解吸的吸附物；

另一种是床层内部装加热盘管进行间接加热，如图2所示。

加热再生完全后，吸附剂需要冷却，然后重新开始吸附操作。

冷却过程可以采用放置自然冷却的方式，但通常都通冷气流进行冷却，冷气流的吹入方向最好与吸附时的气流方向相反，而且冷气流中应不含吸附物。

（2）压力转换再生法：

其原理是使吸附剂床层在较高的压力下进行吸附，然后降低压力而使吸附物解吸。

此类再生工艺主要用于产品提纯。

在天然气脱水基本不用。

（3）冲洗解吸再生法：

其原理是用某种合适的气体冲洗吸附剂床层，达到解吸而再生的目的，升高温度或降低压力均有利于冲洗解吸。

◆二、常用固体吸附剂的性质

◆宏大的比表面积；

◆传热速度快；

◆很强的选择性；

◆能简便和经济地再生；

◆较高的机械强度和稳定的化学性质。

◆2.常用的吸附剂

目前工业上常用的吸附剂有活性氧化铝、硅胶、分子筛和活性炭等。

其中除活性炭外，都可以应用于天然气脱水。

◆3.吸附剂的性能参数

（1）比表面积S

吸附剂是固体颗粒，其内部有许多微孔和孔道与表面相通。

吸附剂颗粒外表面积与颗粒内孔穴的表面积之和称为吸附剂的表面积。

比表面积是单位质量吸附剂具有的表面积，单位可用m2/g表示。

SB-表面积，m2

G-吸附剂质量，g

◆

（2）密度

由于吸附剂是一种多孔道和微孔的固体颗粒，其体积包括孔穴体积和骨架体积两部分；

在实际应用中，颗粒是堆放在吸附器壳体之中的，故人们常用真实密度、颗粒密度和堆积密度三个指标来综合反映吸附剂的密度值。

◆①真实密度ρs（kg/m3）

吸附剂的真实密度是指单位骨架体积所具有的质量，表达式为

◆②颗粒密度ρP（kg/m3）

颗粒密度又称假密度，是指单位体积吸附剂所具有的质量。

表达式为

◆③堆积密度ρb（kg/m3）

堆积密度又称为填充密度。

是指单位吸附床层体积内所填充的吸附剂的质量，表达式为：

◆（3）孔隙率θ（%）

吸附剂的孔穴体积占吸附剂体积的百分率称为吸附剂的孔隙率。

表达式为

◆（4）细孔容积Vx（m3/kg）

细孔容积是指单位质量吸附剂所具有的孔穴体积。

◆（5）孔径

孔径是指固体吸附剂孔穴的直径，单位用埃（Å

）表示，1Å

等于10-10m。

孔径是吸附剂一个比较重要的参数，它表征出了吸附剂能够吸附的颗粒大小，对于孔径均匀的吸附剂，可以通过实验和计算求出孔径值。

◆（6）吸附剂湿容量

每100克吸附剂能从气体中脱除的水汽克数。

吸附剂湿容量有两种表示：

平衡湿容量；

转效点湿容量。

◆平衡湿容量

平衡湿容量是指在给定温度下，吸附剂与一定温度的气体达到平衡状态，每100克吸附剂吸附的水汽克数。

◆转效点湿容量

转效点湿容量是将一定温度的气体通过吸附床层，当达到转效点时平均每100克吸附剂吸附的水汽克数。

吸附剂的湿容量一般与吸附剂的比表面积和其堆积密度的乘积成正比。

◆4.常用吸收剂的性质

在天然气脱水中常用的吸附剂有三种：

¯

活性氧化铝；

硅胶；

分子筛。

其主要物性如表1所示。

◆表1常用吸附剂的物性

◆

（1）活性氧化铝

活性氧化铝是一种多孔、吸附能力较强的吸附剂。

对气体、蒸气和某些液体中的水分有良好的吸附能力，再生温度175～315℃。

国外天然气脱水常用的活性Al2O3有F-1型粒状、H-151型球状和KA-201型球状三种，其化学组成如表2所示。

◆活性氧化铝吸附剂的特点

◆经活性氧化铝吸附脱水后，油田气的露点最高点可达-73℃；

◆但再生时消耗热量多，选择性差，易吸附重烃，呈碱性，不宜处理含酸性气体较多的天然气。

◆

（2）硅胶

硅胶是粉状或颗粒状物质，粒子外观呈透明或乳白色固体。

分子式为mSiO2·

nH2O，它是用硅酸钠与硫酸反应生成水凝胶，然后洗去硫酸钠，将水凝胶干燥制成。

其典型组成如表3所示。

硅胶吸湿量可达到40%左右。

按孔隙大小，分成细孔和粗孔两种。

粗孔硅脱的比表面积（3～5）×

102m2/g，细孔硅胶约为（6～7）×

102m2/g。

天然气脱水用的是细孔硅胶，平均孔径20～30Å

。

硅胶吸附水蒸气的性能特别好，且具有较高的化学和热力稳定性。

但硅胶与液态水接触很易炸裂，产生粉尘，增加压降，降低有效湿容量。

◆（3）分子筛

分子筛是具有骨架结构的碱金属的硅铝酸盐晶体。

是一种高效、高选择性的固体吸附剂。

其分子式如下：

M2/nOAl2O3xSiO2yH2O

M—某些碱金属或碱土金属离子，如Li、Na、Mg、Ca等；

n—M的价数；

x—SiO2的分子数；

y—水的分子数。

分子筛通常分为X型和A型两类。

它们的吸附机理是相同的，区别在于晶体结构的内部特征。

A型分子筛具有与沸石构造类似的结构物质，所有吸附均发生在晶体内部孔腔内。

X型分子筛能吸附所有能被A型分子筛吸附的分子，并且具有稍高的容量。

13X型分子筛中吸附象芳香烃这样的大分子。

各类分子筛的pH值约为10，在pH=5～12范围内是稳定的。

在处理酸性天然气时，若吸附液的pH值小于5，就应采用抗酸分子筛。

分子筛表面具有较强的局部电荷，因而对极性分子和不饱和分子有很高的亲和力，水是强极性分子，分子直径为2.7～3.1Å

，比通常使用的分子筛孔径小，所以分子筛是干燥气体和液体的优良吸附剂，常用分子筛的特性见表4。

◆分子筛的主要特点

◆具有很好的选择吸附性。

分子筛能按照物质的分子大小进行选择吸附。

经分子筛干燥后的气体，一般含水量可达到0.1～10ppm，脱水装置中多用4A，5A等分子筛作吸附剂。

◆具有高效吸附特性。

分子筛在低水汽分压、高温、高气体流速等苛刻的条件下仍然保持较高的湿容量。

如图3所示，例如在100℃时，分子筛的湿容量是15%，而活性氧化铝小于3%，硅胶小于1%。

◆5.吸附剂的选用

◆吸附法脱水时，应根据工艺要求作技术经济比较，选择合适的吸附剂；

◆分子筛脱水宜用于要求深度脱水的场合（1ppm以下），分子筛宜采用4A型或5A型。

◆当天然气露点要求不很低时，可采用氧化铝或硅胶脱水。

氧化铝不宜处理酸性天然气。

◆低压气脱水，宜用硅胶（或氧化铝）与分子筛双层联合脱水。

◆三、吸附脱水流程及主要参数

目前用于天然气的吸附脱水装置多为固定床吸附塔。

为保证装置连续操作，至少需要两个吸附塔。

工业上经常采用双塔流程（图3-4）和三塔流程（图3-5）。

◆2.吸附法脱水工艺参数

吸附法脱水工艺主要由吸附操作和再生操作组成，其操作参数应按照原料组成、气体露点要求、吸附工艺特点等予以综合比较确定。

◆

（1）吸附操作温度

为了使吸附剂能保持较高的湿容量，除分子筛外，其它各种吸附剂操作温度不宜超过38℃，最高不能超过50℃，否则应考虑使用分子筛作吸附剂。

进床层的原料气温度不宜过高，最高不超过50℃。

◆

（2）吸附操作压力

压力对吸附剂湿容量影响甚微，因此，吸附操作压力可由工艺系统压力决定，但在操作过程中应注意压力平稳，避免波动。

若吸附塔放空过急，床层截面局部气速过高，会引起床层移动和摩擦，甚至吸附剂颗粒会被气流夹带出塔。

◆（3）吸附操作周期

吸附周期应根据气中含水量、空塔流速、床层高径比（不应小于1.6）、再生能耗、吸附剂寿命作技术经济比较，一般为8h～24h。

对于压力不高，含水量较多的天然气，吸附周期宜小于或等于8h。

确定吸附脱水操作周期应考虑保证吸附塔有足够的再生和冷却时间。

对操作周期为8小时的双塔流程：

加热时间：

4.5小时；

冷却时间为3小时；

备用和切换时间：

0.5小时。

◆（4）再生气源和流量

◆再生气和冷吹气宜用净化后的干天然气。

两者都应回收。

◆大约为总原料湿气体的5%～15%，由具体操作条件而定。

再生气体流量应足以保证在规定时间内将再生吸附提高到规定的温度。

◆（5）再生温度和冷却

◆再生气的入口温度应根据吸附剂类型和脱水深度确定：

分子筛入口温度为232~315℃；

硅胶入口温度：

234~245℃；

氧化铝入口温度介于硅胶与分子筛之间而接近于分子筛。

◆对两塔流程冷却床层的气体一般与再生气流量相同，冷却气出口温度宜在50℃以下。

◆（6）吸附剂的湿容量

静态吸附湿容量在指定温度和湿度条件下的测量，动态吸附容量参考下列数据：

氧化铝：

4～7kgH2O/100kg（吸附剂）

硅胶：

7～9kgH2O/100kg（吸附剂）

分子筛：

9～12kgH2O/100kg（吸附剂）

◆四、吸附脱水工艺计算

对于吸附脱水工艺计算主要是确定：

吸附器直径、吸附剂用量和吸附床层高度、吸附剂的湿容量、吸附操作周期、床层压降、再生负荷和再生气用量等。

◆脱水工艺的选择

◆吸附法脱水的优点：

（1）脱水后，气体中水含量可低于1ppm，露点温度可达-70℃以下

（2）对进料气的温度、压力、流量变化不敏感操作弹性大一些

（3）操作简单，占地面积小

◆吸附法脱水的缺点：

◆

（1）对于大装置，设备投资大，操作费用高

◆

（2）气体压降大于溶剂吸收脱水

◆（3）吸附剂使用寿命短，一般使用3年就更换，增加成本

◆三甘醇吸收脱水的优点：

◆

（1）能耗小，操作费用低

◆

（2）处理量小时，可撬装，紧凑造价低

◆（3）使用寿命长，损失少，成本低

◆（4）脱水后干气露点可达-30左右，能满足浅冷回收轻烃凝液的要求

◆三甘醇吸收脱水的缺点：

◆

（1）干气露点温度高于吸附脱水，不能满足深冷回收轻烃凝液的要求

◆

（2）原料气中携带有轻质油时，易起泡，破坏吸收剂

◆（3）吸收塔的结构要求严格，最好用泡帽塔