天然氣脫水

1、第八章 天然氣脫水,第一節(jié) 天然氣水合物第二節(jié) 甘醇脫水第三節(jié) 固體干燥劑脫水第四節(jié) 脫水方法選擇,第一節(jié) 天然氣水合物,一、天然氣飽和含水量二、天然氣水合物,一、天然氣飽和含水量,天然氣飽和水含量的大小取決于天然氣的溫度、壓力和氣體組成。確定天然氣飽和水含量的方法有三類：圖解法、實(shí)驗(yàn)法和狀態(tài)方程法。 根據(jù)氣體內(nèi)是否含有酸氣，天然氣飽和含水量與壓力、溫度的關(guān)系分為兩類：一類為不含酸氣(或含量較少)的稱甜氣圖，另一類

2、為含酸性氣體的稱酸氣圖。,1、甜氣圖 如圖，天然氣飽和水含量隨壓力、溫度的變化關(guān)系?？梢?，壓力越高、溫度越低，飽和水含量越小。 在一定壓力下與天然氣飽和水含量相對(duì)應(yīng)的溫度稱為天然氣水露點(diǎn)。 在某一壓力下，水露點(diǎn)愈低，飽和含水量愈小。當(dāng)氣體實(shí)際溫度高于水露點(diǎn)時(shí)，氣體處于未飽和狀態(tài)，無液態(tài)水析出；當(dāng)氣體實(shí)際溫度低于水露點(diǎn)時(shí)，氣體過飽和，有液態(tài)水析出。,如圖,水合物生成線

3、。溫度低于水合物生成溫度時(shí)，物系內(nèi)是氣體和水合物(溫度低于水冰點(diǎn)時(shí)，為氣體、冰、水合物)之間的平衡；溫度高于水合物生成溫度時(shí)，是氣體和液態(tài)水之間的平衡。 當(dāng)天然氣相對(duì)密度>0.6時(shí)，會(huì)使氣體飽和水含量降低，可乘以相對(duì)密度修正系數(shù)進(jìn)行修正。 天然氣與含鹽水接觸也會(huì)降低天然氣的飽和水含量，可乘以含鹽修正系數(shù)進(jìn)行修正。,,——水中含鹽量，g/L；,——?dú)怏w相對(duì)密度；,——?dú)怏w溫度，℃。,,2、酸氣圖

4、 當(dāng)壓力小于2.0MPa時(shí)，酸氣濃度對(duì)天然氣含水量的影響不大，可以按甜氣圖查得。 高壓時(shí)，天然氣飽和含水量隨酸氣濃度的增高而增大。壓力大于2.0 MPa時(shí)常用Robinson酸氣圖或Campbell圖求酸性天然氣含水量。 Campbell法：,——按甜氣查得的天然氣中水的質(zhì)量濃度，mg/m3；,——CO2中水的質(zhì)量濃度，mg/m3；,——H2S中水的質(zhì)量濃度，mg/m3；,——?dú)怏w組分摩爾分?jǐn)?shù)。,天然氣內(nèi)飽和CO

5、2的有效水含量 天然氣內(nèi)飽和H2S的有效水含量,3、飽和含水量的測(cè)試方法 有多種氣體含水量測(cè)定方法，常見的有露點(diǎn)法、吸收質(zhì)量法和Karl．Fischer（卡爾-費(fèi)希爾）法。 1)露點(diǎn)法：在恒定壓力下，氣體以一定流量流經(jīng)露點(diǎn)儀，儀器的測(cè)量腔室內(nèi)有拋光金屬鏡面，其溫度可人為控制精確調(diào)節(jié)并準(zhǔn)確測(cè)定。隨著鏡面溫度逐步降低，氣體被水飽和時(shí)鏡面上開始結(jié)露，此時(shí)的鏡面溫度即為水露點(diǎn)。由水露點(diǎn)查表可得氣體飽和含水量。2)吸收法：氣

6、體通過充滿P2O5的吸收管，吸收劑P2O5吸收氣體內(nèi)的水分，精確測(cè)定P2O5的質(zhì)量增加值和通過吸收管的氣體量，即可求得氣體內(nèi)的含水量。3)Karl-Fischer法：利用卡爾-費(fèi)希爾試劑吸收天然氣中的水分，測(cè)出中和卡爾-費(fèi)希爾試劑所需的天然氣量即可求得氣體的含水量?？?費(fèi)希爾試劑的配制： 8 mol吡啶+2 mol二氧化硫+15 mol甲醇+1 mol碘,二、天然氣水合物,在一定溫度和壓力條件下、天然氣的某些組分與

7、液態(tài)水生成的一種外形像冰、但晶體結(jié)構(gòu)與冰不同的籠形化合物稱為天然氣水合物。1、物理性質(zhì) ①白色固體結(jié)晶，外觀類似壓實(shí)的冰雪； ②輕于水、重于液烴 ，相對(duì)密度為0.96?0.98； ③半穩(wěn)定性，在大氣環(huán)境下很快分解。,2、結(jié)構(gòu) 采用X射線衍射法對(duì)水合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)測(cè)定發(fā)現(xiàn)，氣體水合物是由多個(gè)填充氣體分子的籠狀晶格構(gòu)成的晶體，晶體結(jié)構(gòu)有三種類型：I、II、H型。 1）I型晶體結(jié)構(gòu)：體心立方結(jié)構(gòu)，由46個(gè)水

8、分子構(gòu)成，共有8個(gè)籠狀晶格，可容納8個(gè)氣體分子。其中6個(gè)大的（ 12個(gè)正五邊形、2個(gè)正六邊形組成的十四面體，平均自由直徑0.59納米）、2個(gè)小的（正五邊形組成的十二面體，平均自由直徑0.52納米）。 分子式為S2L6·46H20,2）II型晶體結(jié)構(gòu)：金剛石晶體立方結(jié)構(gòu)，由136個(gè)水分子構(gòu)成，共有24個(gè)籠狀晶格，可容納24個(gè)氣體分子。其中8個(gè)大的（ 12個(gè)正五邊形、4個(gè)正六邊形組成的十六面體，平均自由

9、直徑0.69納米）、16個(gè)小的（正五邊形組成的十二面體，平均自由直徑0.48納米）。 分子式為S16L8·136H20,12個(gè)正五邊形、2個(gè)正六邊形,正五邊形,12個(gè)正五邊形、4個(gè)正六邊形,3）H型晶體結(jié)構(gòu)：對(duì)H型水合物尚處于研究中，知之甚少， H型水合物由34個(gè)水分子構(gòu)成，共有6個(gè)籠狀晶格，可容納6個(gè)氣體分子。其中1個(gè)大的（ 12個(gè)正五邊形、8個(gè)正六邊形組成的二十面體）、 2個(gè)中的（ 3個(gè)正四邊形

10、、6個(gè)正五邊形、3個(gè)正六邊形組成的十二面體）、3個(gè)小的（正五邊形組成的十二面體）。 分子式為S3S?2L1·34H20 已證明在合適的溫度、壓力條件下，凝析油、原油中常見的烴分子和甲烷能形成這種新的水合物結(jié)構(gòu)。,由于晶格空腔有大有小，因此不同直徑的氣體分子會(huì)形成不同類型的氣體水合物。 天然氣中CH4、C2H6、C02、H2S可形成穩(wěn)定的I型水合物。每個(gè)氣體分子周

11、圍有6?8個(gè)水分子，即： CH4·6H2O C2H6·8H2O H2S·6H2O C02·6H2O 大分子量組分C3H8和i-C4H10(異丁烷)僅能進(jìn)入II型水合物內(nèi)的大腔室，形成II型水合物。每個(gè)氣體分子周圍有17個(gè)水分子，即： C3H8·17H2O i-C4H10·17H

12、2O。 氣體分子填滿腔室的程度取決于外部壓力和溫度，腔室內(nèi)充滿氣體分子程度愈高、水合物愈穩(wěn)定。腔室未被氣體分子占據(jù)時(shí)，結(jié)構(gòu)處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，稱為β相；氣體分子占有腔室后形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，稱H相。,3、生成條件（1）氣體處于水蒸汽的過飽和狀態(tài)或者有液態(tài)水，即氣體和液態(tài)水共存；（2）一定的壓力溫度條件——高壓、低溫；（3）氣體處于紊流脈動(dòng)狀態(tài)，如：壓力波動(dòng)或流向突變產(chǎn)生攪動(dòng)，或有晶種(固體腐蝕產(chǎn)物、水垢等)存在都會(huì)促進(jìn)產(chǎn)生

13、水合物。 因此，在孔板、彎頭、閥門、管線上計(jì)量氣體溫度的溫度計(jì)井等處極易產(chǎn)生水合物。,4、生成預(yù)測(cè)方法： 當(dāng)水分條件滿足時(shí)，預(yù)測(cè)生成水合物壓力、溫度條件的方法主要有圖解法、平衡常數(shù)法和熱力學(xué)模型法。1）圖解法 常用的圖解法有兩種，一種是只考慮氣體相對(duì)密度的相對(duì)密度法，另一種是考慮相對(duì)密度和酸氣含量的酸性氣體圖。,（1）相對(duì)密度法 曲線左上方為水合物存在區(qū)。右下方為水合物不可能存在區(qū)。

14、 已知?dú)怏w相對(duì)密度，由圖可查一定溫度下生成水合物的壓力，或在一定壓力下生成水合物的溫度。 回歸相關(guān)式：,（2）酸性氣體圖 根據(jù)氣體壓力、H2S含量、氣體相對(duì)密度，可以查圖得到水合物生成溫度。 若天然氣中同時(shí)含有CO2和H2S時(shí)，將CO2折算成H2S含量，折算關(guān)系為1 mol H2S=0.75 mol CO2，求得H2S總含量。

15、 C3含量校正：根據(jù)H2S含量、氣體內(nèi)C3含量、氣體壓力可查得修正值。C3含量高時(shí)修正值為正，低時(shí)為負(fù)。,2）平衡常數(shù)法 Katz認(rèn)為：水合物可看作氣體溶于晶狀固體內(nèi)的溶液，因而與氣液平衡露點(diǎn)計(jì)算相似，水合物生成條件計(jì)算可采用平衡常數(shù)法。 露點(diǎn)方程,3）熱力學(xué)模型法（1）純烴水合物的相特性 線1、2、3、4為水合物生成曲線，在線的左上方為水合物生成區(qū)。

16、 線5為烴的蒸氣壓曲線，線上方為液態(tài)，下方為氣態(tài)。 線6為水的冰點(diǎn)線。 點(diǎn)2稱低四相點(diǎn)，在該點(diǎn)的狀態(tài)下可同時(shí)存在水合物、冰、液態(tài)水以及烴蒸氣。 點(diǎn)3稱高四相點(diǎn)，可同時(shí)存在水合物、液態(tài)水、液態(tài)烴及氣態(tài)烴。線34近似等溫線，因而將點(diǎn)3的溫度也稱為該烴水合物生成的臨界溫度，超過臨界溫度不能生成水合物。,（2）水-烴系統(tǒng)相圖（a）正常情況：在

17、高壓下冷卻氣體時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)先出現(xiàn)液態(tài)水，進(jìn)一步冷卻，當(dāng)溫度低于水合物生成曲線時(shí)系統(tǒng)內(nèi)生成水合物；在低壓下冷卻氣體時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)先出現(xiàn)液態(tài)烴，進(jìn)一步冷卻，當(dāng)溫度低于水露點(diǎn)線時(shí)系統(tǒng)內(nèi)有液態(tài)水析出，當(dāng)溫度低于水合物生成曲線時(shí)系統(tǒng)內(nèi)生成水合物。（b）含水較多情況：水露點(diǎn)線右移，在恒壓下冷卻氣體時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)先出現(xiàn)液態(tài)水，進(jìn)一步冷卻進(jìn)去烴類相包絡(luò)線內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)液態(tài)烴，當(dāng)溫度低于水合物生成曲線時(shí)系統(tǒng)內(nèi)生成水合物。,（3）熱力學(xué)模型

18、 根據(jù)相平衡準(zhǔn)則，在天然氣系統(tǒng)內(nèi)形成水合物時(shí)，氣體、水、水合物各相內(nèi)水的壓力、溫度及化學(xué)位相等，即式中 ——水合物H相內(nèi)水的化學(xué)位； ——在其他平衡共存含水相 (液態(tài)水或氣體)內(nèi)水的化學(xué)位。,5、防止水合物生成的方法 破壞水合物的生成條件即可防止水合物的生成。主要有三種方法：加熱氣流，使氣體溫度高于氣體水露點(diǎn)；利用液體（如三甘醇）或固體（

19、如分子篩）干燥劑脫水，使其露點(diǎn)降至操作溫度以下；向氣流注入抑制劑。目前廣泛采用的抑制劑是水合物抑制劑，90年代以后開發(fā)的動(dòng)力學(xué)抑制劑和防聚劑也日益受到重視和使用。動(dòng)力學(xué)抑制劑和防聚劑的共同特點(diǎn)是不改變生成水合物的壓力、溫度條件，而是通過延緩水合物成核和晶體生長或阻止水合物聚結(jié)和生長，從而防止水合物堵塞管道。 1）長距離輸氣管線水合物的預(yù)防措施 對(duì)于長距離輸氣管線要防止水合物的生成可以采用如下方

20、法： ①天然氣脫水，降低氣體內(nèi)水含量和露點(diǎn) ； ②提高輸送溫度，使氣體溫度高于氣體水露點(diǎn)； ③注入水合物抑制劑。 天然氣脫水是長距離輸氣管線防止水合物生成的最有效和最徹底的方法。,2）礦場(chǎng)采氣管線和集氣管線水合物的預(yù)防措施 采氣管線上：氣體通過控制閥或孔板時(shí)，氣體壓力降低，同時(shí)發(fā)生J-T效應(yīng)，氣體膨脹降溫，使節(jié)流件下游易生成水合物而堵塞管線。 集氣

21、管線：管線的熱損失使氣體溫度降低，使下游易生成水合物而堵塞管線。 礦場(chǎng)采氣管線和集氣管線，防止水合物生成的方法：①加熱；②注入抑制劑。 常用的加熱設(shè)備是蒸汽逆流式套管換熱器和水套爐。 氣體溫度降低的程度是確定加熱設(shè)備熱負(fù)荷和水合物抑制劑用量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。,氣體通過節(jié)流件發(fā)生J-T效應(yīng)，氣體膨脹降溫，因此可以利用J-T系數(shù)計(jì)算采氣管線節(jié)流前后的溫降，也可以通過查圖獲

22、得：①Katz提供的不同氣體相對(duì)密度、節(jié)流上下游壓力與不生成水合物最低溫度關(guān)系圖；②美國氣體加工、供應(yīng)商協(xié)會(huì)(GPSA)推薦的節(jié)流前壓力、節(jié)流壓降與節(jié)流前后氣體溫降關(guān)系圖。,6、水合物抑制劑 某些鹽和醇類溶解于水中，吸引水分子，改變水合物相的化學(xué)位，降低氣體水合物生成溫度和／或提高水合物生成壓力，從而防止生成水合物。這類物質(zhì)稱水合物抑制劑或熱力學(xué)抑制劑，俗稱防凍劑。,1）水合物抑制劑的種類

23、 主要有兩大類：氯化物和醇類。氯化物抑制劑 多數(shù)氯化物，如NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2和AlCl3等都能用作水合物抑制劑，其防凍效果為： Al3+>Mg2+>Ca2+>Na+>K+。 缺點(diǎn)：①有腐蝕性并易在金屬表面沉積；②只適用于處理小流量、露點(diǎn)要求不高的場(chǎng)合。因此，在實(shí)踐中很少采用。醇類抑制劑 用作水合物抑制劑的

24、醇類主要有：甲醇(MeOH)、乙二醇(EG)或二甘醇(DEG)，三者對(duì)比：①甲醇使水合物生成溫度的降幅最大，抑制效果最好，乙二醇次之，二甘醇最小。②甲醇的凝點(diǎn)遠(yuǎn)低于乙二醇和二甘醇，因而甲醇適用于任何氣體溫度，而乙二醇不得用于溫度低于-9℃、二甘醇不得用于低于-6℃的場(chǎng)合。,③甲醇的蒸氣壓最高，容易汽化，可直接注入，一般不回收甲醇；乙二醇與二甘醇的蒸氣壓低，必需經(jīng)噴霧頭將甘醇霧化成小液滴分散于氣流內(nèi)才能有效地抑制水合物的生成，乙二醇與

25、二甘醇的氣相損失小，需建回收裝置回收、再生后循環(huán)使用。④甲醇的投資低、但操作費(fèi)用高，常用于氣量小、斷續(xù)注人、防止季節(jié)性生成水合物和臨時(shí)性管線和設(shè)備的防凍；乙二醇或二甘醇投資高、但操作費(fèi)用低，常用于氣量大、需連續(xù)注入抑制劑的場(chǎng)合。 ⑤甲醇對(duì)已形成的水合物有一定解凍作用，而甘醇類抑制劑無此性能。 ⑥甲醇具有中等毒性，需采取相應(yīng)的防護(hù)措施。⑦甘醇類抑制劑與液態(tài)烴的分離困難,造成一部分甘醇損失,因而甘醇抑制劑適用于溫度較高的場(chǎng)合。⑧與

26、乙二醇相比，二甘醇的蒸氣壓低、氣相損失小，但防凍效果不如乙二醇。 乙二醇和甲醇是最常用的水合物抑制劑。,2）抑制劑濃度 甘醇水溶液的凝點(diǎn)與其在水溶液中的質(zhì)量濃度有關(guān)。 當(dāng)系統(tǒng)溫度低于-7℃時(shí)，需根據(jù)右圖判斷甘醇類抑制劑水溶液在此濃度和操作溫度下有無“凝固”的可能。當(dāng)然這并不是說真正凍成固體，而是變成粘稠糊狀體。

27、 從圖中可以看出，質(zhì)量濃度60％～75％時(shí)凝點(diǎn)最低，流動(dòng)性最好。 因此，在實(shí)踐中常用該濃度范圍的甘醇水溶液作為抑制劑。,3）抑制劑用量 抑制劑用量由三部分組成：水相內(nèi)所需的抑制劑量；氣相損失量；液烴內(nèi)的溶解損失量。 ①水相用量 水相內(nèi)抑制劑濃度是防止水合物生成的關(guān)鍵。設(shè)要求水合物生成溫度降低△t，水相內(nèi)所需抑制劑最低質(zhì)量濃度可根據(jù)Haremerschmidt(193

28、9)提出的半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,——抑制劑最低質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；,——抑制劑相對(duì)分子質(zhì)量；,——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，與抑制劑的種類有關(guān)。,根據(jù)物料平衡，氣體中脫出水量應(yīng)等于抑制劑濃度稀釋所需的水量，即,——?dú)怏w內(nèi)脫出水量，mg/m3；,——進(jìn)入系統(tǒng)的抑制劑用量；,——流出系統(tǒng)的抑制劑用量；,——純抑制劑用量，mg/m3。,若使流出系統(tǒng)的抑制劑濃度等于抑制劑最低濃度，即 則

29、有 若向系統(tǒng)內(nèi)注入純抑制劑，即Cin=100 則氣體內(nèi)脫出水量 在抑制劑水相用量計(jì)算中要注意兩個(gè)問題：流出系統(tǒng)的抑制劑濃度Cout應(yīng)大于水相內(nèi)所需抑制劑最低濃度Cm；使用甘醇溶液作抑制劑時(shí)，注入管線系統(tǒng)的抑制劑濃度Cin盡量在60％～75％范圍內(nèi)。,②氣相損失量 乙二醇與二甘醇的蒸氣壓低，氣相損失小，在抑制劑用量計(jì)算中常可忽略。而

30、甲醇的蒸氣壓高，在氣相中的蒸發(fā)損失較大，可以用圖估算。,橫坐標(biāo)為：,壓力、溫度條件指系統(tǒng)出口處參數(shù)。,③液烴內(nèi)損失量 甘醇在烴液內(nèi)的溶解量和甘醇分子量、溫度、甘醇溶液濃度有關(guān)：甘醇分子量愈大，溶解量愈多；溫度愈高，溶解量愈多；甘醇溶液濃度愈大，溶解量愈多。 甘醇在烴液內(nèi)的溶解度常在10-2～10-3 ％范圍內(nèi)。 甲醇在烴液內(nèi)的溶解量比甘醇類抑制劑高得多，可按液烴質(zhì)

31、量的0．5％估算。,7、注入抑制劑的低溫分離法工藝流程 如圖為注入乙二醇抑制劑的低溫分離（LTS ）法工藝流程圖。,低溫分離法工藝流程圖,1—游離水分離器；2—低溫分離器；3—蒸氣發(fā)生器； 4—乙二醇再生器；5—醇—油分離器,第二節(jié) 甘醇脫水,,一、甘醇二、甘醇脫水原理流程三、三甘醇脫水典型流程四、甘醇再生方法五、甘醇脫水的主要設(shè)備六、甘醇污染和質(zhì)量要求七、甘醇脫水設(shè)計(jì)計(jì)算,天然

32、氣脫水可以采用的方法有：甘醇吸收脫水、固體干燥劑吸附脫水、冷凝脫水以及國內(nèi)外正在研發(fā)的膜分離脫水等。其中甘醇脫水和固體干燥劑脫水是油氣田最常用的天然氣脫水方法。 脫水深度用露點(diǎn)降表示，是指進(jìn)入脫水裝置前氣體露點(diǎn)與脫水后氣體露點(diǎn)之差。,一、甘醇,1、甘醇 甘醇是乙二醇的縮聚物，稱為多縮乙二醇，俗稱甘醇。其化學(xué)通式為CnH2n(OH)2。 2個(gè)乙二醇

33、縮聚生成一個(gè)二甘醇和一個(gè)水，二甘醇和乙二醇再縮聚可以生成一個(gè)三甘醇和一個(gè)水。因此甘醇有很強(qiáng)的吸水性能。2、與二甘醇相比，三甘醇脫水的優(yōu)點(diǎn)：沸點(diǎn)高，因此可以在較高溫度下再生，再生貧液濃度高，氣體露點(diǎn)降高。蒸氣壓低，因而三甘醇的蒸發(fā)和被氣體的攜帶損失小。分解溫度高，熱穩(wěn)定性好，不易受熱變質(zhì)，對(duì)再生有利。脫水操作費(fèi)用低。 因此，三甘醇脫水應(yīng)用較為廣泛。,二、甘醇脫水原理流程,甘醇脫水工藝主要由甘醇高壓吸收和

34、常壓加熱再生兩部分組成。,（少量甘醇蒸氣）,三、三甘醇脫水典型流程,1一吸收塔；2一氣／貧甘醇換熱器；3一分流閥；4一冷卻盤管；5一再生塔；6一重沸器；7一甘醇緩沖罐；8一貧富甘醇換熱器；9一富甘醇預(yù)熱換熱器；10-閃蒸分離器；1 1一織物過濾器；12一活性炭過濾器；13一甘醇泵；14-滌氣段,底部的滌氣段,四、甘醇再生方法,1、降壓再生：甘醇再生在常壓下進(jìn)行，降低重沸器壓力至真空狀態(tài)，在相同重沸溫度下能提高甘醇溶液濃度。,2、汽提再生

35、：以濕氣或干氣作為汽提氣，在再生塔的高溫下其為不飽和氣體，在與甘醇富液接觸中能夠降低溶液表面的水蒸汽分壓，從甘醇內(nèi)吸收大量水汽，從而提高甘醇貧液濃度。汽提氣可直接注入重沸器，也可經(jīng)汽提柱注入，后者提濃效果更好。,1一再生塔；2一重沸器；3一貧液汽提柱；4-甘醇換熱器。,3、共沸再生：在重沸器內(nèi)，共沸劑與甘醇溶液中的殘留水形成低沸點(diǎn)共沸物汽化，從再生塔頂流出，經(jīng)冷卻冷凝進(jìn)入分離器分出水后，共沸劑用泵打回重沸器循環(huán)使用。

36、 采用的共沸劑應(yīng)具有不溶于水和三甘醇，與水能形成低沸點(diǎn)共沸物，無毒，蒸發(fā)損失小等性質(zhì)。常用的共沸劑是異辛烷。,1一重沸器；2一再生塔；3一冷卻器；4-共沸物分離器；5一循環(huán)泵；6一甘醇換熱器。,五、甘醇脫水的主要設(shè)備,1、入口分離器 入口分離器的作用是分出進(jìn)料濕天然氣內(nèi)的液體和固體雜質(zhì)，如：游離水、液烴、泥沙和鐵銹等固體雜質(zhì)以及流程上游采氣、集氣過程中加人氣流內(nèi)的各種化學(xué)劑等。

37、 進(jìn)料濕天然氣內(nèi)液體和固體雜質(zhì)的存在會(huì)帶來以下幾個(gè)方面的危害： ①液烴及固體雜質(zhì)使塔內(nèi)甘醇容易發(fā)泡、堵塞塔板，降低甘醇脫水能力； ②游離水增加了甘醇循環(huán)量、重沸器熱負(fù)荷、熱耗，以及甘醇損失量增多。 ③鹽水可使鋼材腐蝕，以及重沸器火管表面局部過熱和結(jié)焦等。 因此，為保證脫水質(zhì)量并延長裝置的使用壽命，必須在吸收操作之前進(jìn)行雜質(zhì)的分離。,2、吸收塔1）組成

38、 吸收塔的組成包括四部分：①底部的滌氣段：與入口分離器構(gòu)成兩級(jí)滌氣，以減小氣體雜質(zhì)對(duì)甘醇的污染；②中部吸收段；③頂部的氣／貧甘醇冷卻盤管：控制貧甘醇溶液與氣體有合適的溫差；④捕霧器。2）類型 吸收塔可采用板式塔或填料塔 ：①塔徑小于0．35 m時(shí)，用常規(guī)填料塔。 ②大型脫水裝置往往采用板式塔或規(guī)整填料塔。在相同氣體處理量下，規(guī)整填料塔的塔徑小，塔高比板式塔小。,3）塔板數(shù)量 塔板數(shù)量

39、、甘醇貧液濃度和循環(huán)量是影響氣體露點(diǎn)降的因素。塔板數(shù)愈多、甘醇貧液濃度愈高、循環(huán)量愈大則氣體露點(diǎn)降愈大。其中塔板數(shù)量對(duì)氣體露點(diǎn)降的影響最大。 根據(jù)脫水目的和對(duì)干氣露點(diǎn)要求，吸收塔塔板數(shù)一般為4～12塊。若為滿足管輸氣的脫水要求，一般為6～8塊。由于甘醇溶液容易發(fā)泡，塔板間必須有足夠的間距，常為0.6 m。頂層塔板與捕霧器間距為1.5倍的塔板間距。,4）操作參數(shù)（1）塔壓 塔壓的確定應(yīng)考慮這樣

40、幾個(gè)方面：①塔壓對(duì)吸收效果的影響：高壓低溫有利于吸收，當(dāng)塔壓小于20 MPa時(shí)，操作壓力對(duì)氣體露點(diǎn)降影響極小。②塔壓對(duì)處理量的影響：塔壓增大，使原料氣的飽和水含量降低，需要脫出的水量減少，可增大氣體處理量。③塔壓對(duì)設(shè)備尺寸和壁厚的影響：塔壓增大，在一定氣體處理量下，塔內(nèi)氣體流速減小，可減小塔徑，但壁厚增大。④塔壓的大小受原料氣壓力的制約。 因而，在考慮原料氣壓力的基礎(chǔ)上，吸收塔壓力和塔制造費(fèi)用、操作成本

41、間存在尋優(yōu)問題。一般，塔壓在3.4～8.3 MPa間的經(jīng)濟(jì)性較好。,（2）塔溫 吸收塔內(nèi)液相負(fù)荷很小，塔的溫度與原料氣溫度接近。 原料氣溫度的確定應(yīng)考慮這樣幾個(gè)方面：①對(duì)吸收效果的影響：一方面，溫度愈低，氣體與甘醇接觸后的氣體平衡露點(diǎn)愈低，脫水效果愈好；另一方面，溫度太低使得甘醇粘度太大影響有效脫水，并容易和氣體內(nèi)的液烴生成穩(wěn)定乳狀液產(chǎn)生泡沫，因而要求不低于22℃ 。,氣體平衡露點(diǎn)與

42、溫度的關(guān)系,②對(duì)處理量的影響：溫度降低，原料氣飽和含水量減小，需要脫出的水量減少，可增大氣體處理量。③對(duì)設(shè)備尺寸的影響：溫度降低，在一定氣體處理量下，塔內(nèi)氣體流速減小，可減小塔徑。④水合物問題：原料氣溫度應(yīng)大于水合物生成溫度。⑤蒸發(fā)損失問題：溫度愈高，蒸發(fā)損失愈大。塔溫一般要求不得高于49℃，否則將導(dǎo)致甘醇蒸發(fā)損失過大。 ⑥冷凝負(fù)荷和設(shè)備的投資問題：如果原料氣溫度過高，應(yīng)經(jīng)冷卻后進(jìn)塔。 因此應(yīng)綜合考慮冷凝

43、能耗、設(shè)備投資、脫水效果和費(fèi)用，從中尋找平衡，據(jù)此確定吸收塔溫。推薦吸收塔溫為27～38℃。,（3）甘醇貧液進(jìn)塔溫度 甘醇貧液進(jìn)塔溫度的確定應(yīng)考慮這樣兩個(gè)方面：①蒸發(fā)損失問題：貧液溫度過高，甘醇蒸發(fā)損失增大，會(huì)被流出吸收塔的氣體帶走，為達(dá)到要求的氣體露點(diǎn)降不得不增大甘醇循環(huán)量。 ②發(fā)泡問題：貧液溫度也不能低于出塔氣體溫度，否則氣液接觸時(shí)氣體驟冷會(huì)析出液烴，造成甘醇發(fā)泡。 甘醇貧液進(jìn)塔溫度一

44、般高于出塔氣體溫度5℃左右。,（4）甘醇濃度 ①貧液濃度：直接影響干氣露點(diǎn)，在甘醇循環(huán)量和吸收塔塔板數(shù)一定的前提下，貧液濃度愈高，干氣露點(diǎn)愈低。②富液濃度：塔底富液濃度對(duì)吸收塔底部幾層塔板的脫水效果有影響，所以不能過低，而且富液濃度過低會(huì)增大重沸器熱負(fù)荷。 一般控制貧、富液濃度差小于6%。,氣體平衡露點(diǎn)與甘醇濃度的關(guān)系,（5）甘醇循環(huán)量 常以從氣體中脫出單位質(zhì)量水所需要的甘醇體積數(shù)來表示

45、甘醇循環(huán)量。循環(huán)量的大小會(huì)影響到兩方面： ①氣體的露點(diǎn)降：在吸收塔塔板數(shù)和甘醇貧液濃度一定的條件下，甘醇循環(huán)量愈大，氣體的露點(diǎn)降就愈大 。 ②重沸器的熱負(fù)荷：甘醇循環(huán)量正比于重沸器的熱負(fù)荷。即甘醇循環(huán)量愈大，重沸器的熱負(fù)荷愈大。 因此，在滿足所需脫水深度的前提下，循環(huán)量應(yīng)愈小愈好。近代大型脫水裝置的循環(huán)量已減少到17 L／kg，小型裝置多數(shù)為25 L／kg，最大不應(yīng)超過59 L／kg。,3、閃蒸分離器

46、 閃蒸分離器的作用是從甘醇富液內(nèi)分出烴蒸氣和凝析油。 甘醇中含烴帶來的問題：含烴甘醇直接進(jìn)入低壓再生塔內(nèi)將閃蒸出大量烴蒸氣，增大再生過程的甘醇損失，甚至破壞陶瓷填料。 閃蒸分離器的操作壓力大多為0.24~0.34 MPa，操作溫度為75.93 ℃，甘醇停留時(shí)間為15～30 min。,4、過濾器 甘醇溶液往往采用織物過濾器和活性炭過濾器進(jìn)行過濾。

47、 織物過濾器由布、紙、或玻璃纖維織物為過濾介質(zhì)，用來除去甘醇溶液內(nèi)大于5μm的固體顆粒，以防止甘醇泵磨損、甘醇發(fā)泡、吸收塔和再生塔污染、重沸器火管產(chǎn)生局部過熱點(diǎn)、金屬腐蝕等問題。 活性炭過濾器主要是用于清除甘醇溶液內(nèi)含有的液烴、泵、壓縮機(jī)等增壓設(shè)備的潤滑油以及流程上游注入的各種化學(xué)劑等雜質(zhì)。,5、再生塔 再生塔大多采用填料塔，充填1.2～2.4 m高的陶瓷或不銹鋼填料，

48、大型裝置有時(shí)也采用板式塔。 再生塔由再生段和頂部冷卻盤管兩部分組成。頂部冷卻盤管以甘醇富液為冷劑，使升至塔頂?shù)牟糠炙羝透蚀颊魵饫淠鳛樵偕敾亓鳌?再生塔的富液進(jìn)塔溫度一般控制在95～149 ℃之間。進(jìn)塔溫度愈高，再生效果愈好，而且重沸器熱負(fù)荷愈小。 用塔頂冷卻盤管中甘醇富液流量可以控制塔頂溫度和回流量。塔頂溫度過高使甘醇蒸發(fā)損失增大；溫度過低則回流量過大，

49、塔溫降低，影響貧液濃度并增加重沸器負(fù)荷。一般，塔頂溫度控制在98～99℃，有汽提氣時(shí)塔頂溫度可降至88℃左右。,6、重沸器 重沸器的作用是提供從甘醇富液中蒸出水分所需的熱量。 重沸器的加熱方式有兩種：直接式加熱或以油、過熱蒸汽為熱媒的間接式加熱。 重沸器溫度的確定應(yīng)考慮兩個(gè)方面： ①重沸器溫度對(duì)甘醇濃度的影響：溫度愈高，甘醇濃度愈大。 ②甘醇熱穩(wěn)定性：重

50、沸器溫度必須低于甘醇的分解溫度。 重沸器溫度一般控制在187～199 ℃之間。,7、甘醇泵 甘醇泵的作用是為甘醇貧液提供壓能產(chǎn)生甘醇循環(huán)。 甘醇泵可采用用氣體驅(qū)動(dòng)、富甘醇驅(qū)動(dòng)、或電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多缸往復(fù)泵。 小型裝置常用塔底流出的富甘醇為動(dòng)力，將貧甘醇增壓后送入吸收塔。 每套天然氣脫水裝置需要設(shè)置兩臺(tái)甘醇泵，一臺(tái)運(yùn)行、一臺(tái)備

51、用。條件容許時(shí)，兩臺(tái)甘醇泵可采用不同的動(dòng)力源，以保證裝置的連續(xù)運(yùn)行。,六、甘醇污染和質(zhì)量要求,使甘醇變質(zhì)的因素有：①熱降解：因此再生溫度不能太高。②鹽污染：鹽來源于采出水，甘醇再生時(shí)鹽殘留于甘醇內(nèi)，使甘醇鹽含量愈來愈多，降低再生質(zhì)量，而且鹽會(huì)在重沸器火管上沉積，縮短重沸器壽命。③液烴污染：產(chǎn)生液烴的原因有：a)濕氣滌氣效果差；b)進(jìn)塔甘醇貧液溫度低于干氣溫度；c)閃蒸分離器和活性炭過濾器效果差；d)在寒冷氣候下吸收塔塔身溫度過低導(dǎo)

52、致近壁處氣體的冷凝；e)氣體與甘醇接觸中有部分烴類溶解于甘醇中。④油泥積聚：氣體內(nèi)攜帶的固體雜質(zhì)和液烴結(jié)合，會(huì)形成一種粘稠的黑色膠狀物質(zhì)，稱為油泥。⑤發(fā)泡 ⑥氧化 ⑦腐蝕,七、甘醇脫水設(shè)計(jì)計(jì)算,1、吸收塔計(jì)算1）塔板數(shù)已知：塔壓、塔溫、甘醇溶液進(jìn)出塔器的濃度、所要求的出塔氣體水含量（或水露點(diǎn))。求：理論平衡塔板數(shù)和實(shí)際塔板數(shù)。 吸收塔塔板數(shù)計(jì)算步驟：,①查出一定塔溫下，不同甘醇濃度所對(duì)應(yīng)的氣

53、體平衡露點(diǎn)。,②查出一定塔壓下，不同平衡露點(diǎn)溫度所對(duì)應(yīng)的氣體平衡水含量。,③由此得到一定壓力、溫度條件下，不同甘醇濃度下所對(duì)應(yīng)的氣體平衡水含量。作出曲線ODB。,④作出操作線 F點(diǎn)表示塔頂甘醇濃度和氣體平衡水含量，A點(diǎn)表示塔底甘醇濃度和氣體平衡水含量，連線AF表示塔內(nèi)氣體含水量的變化情況，稱操作線。,⑤作圖確定理論塔板數(shù) 由點(diǎn)A作垂線交ODB線于B點(diǎn)，說明進(jìn)入塔底的濕氣與甘醇富液接觸、達(dá)到平

54、衡狀態(tài)時(shí)，氣體達(dá)到B點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的水含量，即一塊理論塔板達(dá)到的脫水效果；B點(diǎn)的水平線交AF線于C點(diǎn)，C點(diǎn)的垂直線交ODB線于D點(diǎn)，說明達(dá)到塔頂要求的氣體水含量所需塔板數(shù)為CE／CD 。 理論塔板數(shù)=1+ CE／CD,⑥確定實(shí)際塔板數(shù) 每塊理論塔板按4塊實(shí)際塔板計(jì)，則： 實(shí)際塔板數(shù)=理論塔板數(shù)?4 若采用填料塔，填料高度的確定：處理低露點(diǎn)氣體時(shí)，每塊理論塔

55、板相當(dāng)于2.4 m高的填料，處理中等露點(diǎn)氣體時(shí)，每塊理論塔板相當(dāng)于1.2 m高的填料。2）塔徑 塔徑的計(jì)算有兩種方法：①根據(jù)從氣流中分出120～150μm甘醇液滴粒徑所確定的氣體允許流速，按計(jì)算氣液立式分離器直徑的方法確定塔徑。②根據(jù)Vmax和氣體處理量確定塔徑。 塔截面積=氣體處理量?Vma

56、x,2、再生塔計(jì)算 1）塔徑 再生塔塔徑與甘醇流量有關(guān)，甘醇流量愈大、塔徑愈大，經(jīng)驗(yàn)公式為：2）填料高度 填料高度一般在1.2~ 2.4m。甘醇循環(huán)量愈大、熱負(fù)荷愈大則需要的填料高度愈大。熱負(fù)荷大于1000 MJ／h的大裝置，高度應(yīng)取2.4 m。,3、重沸器計(jì)算 1）熱負(fù)荷 重沸器熱負(fù)荷的計(jì)算可以用以下三種方法：（1）重沸器熱負(fù)荷由四部分組成，分別計(jì)算：①富

57、液加熱至再生溫度所需熱量=富液質(zhì)量流量×比熱容×溫差②富液內(nèi)水蒸發(fā)所需的熱量=水質(zhì)量流量×汽化熱③塔頂回流再蒸發(fā)所需的熱量，常按上項(xiàng)熱量的25％計(jì)算④塔的散熱損失 塔的熱損失和塔的大小有關(guān)，通常為5．3～21MJ／h。為減少熱損失塔下半部分應(yīng)有保溫層；為產(chǎn)生塔頂回流，塔上半部分常裸露。,（2） 經(jīng)驗(yàn)公式法 影響重沸器熱負(fù)荷的主要因素是甘醇循環(huán)量和需從氣體

58、內(nèi)脫出的水量。 脫出單位質(zhì)量水所需熱量可以按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： 重沸器熱負(fù)荷=脫出水量×單位質(zhì)量水所需熱量 （3）查表法 脫出單位質(zhì)量水所需熱量可根據(jù)甘醇循環(huán)量查表，所查數(shù)據(jù)乘以1.5。 重沸器熱負(fù)荷=脫出水量×單位質(zhì)量水所需熱量,m——甘醇循環(huán)量,2）火筒式加熱的火筒面積 若重沸器采用火筒式加熱，在我國

59、火筒熱流率為17～22kW／m2，則 火筒面積=重沸器熱負(fù)荷÷火筒熱流率3）氣液界面面積 氣液界面面積=重沸器熱負(fù)荷÷界面熱流率 氣液界面熱流率取40 kW／m2 。 4、換熱器計(jì)算 在甘醇脫水工藝中甘醇富液經(jīng)過兩個(gè)換熱器兩次換熱： ①富甘醇預(yù)熱換熱器 ②貧／富甘醇換熱器

60、 換熱器的熱負(fù)荷=富液質(zhì)量流量×富液比熱容×溫差,5、甘醇溶液相對(duì)密度和比熱容 甘醇溶液相對(duì)密度(與15℃水之比),甘醇溶液比熱容,x——甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。,t——溫度，℃。,第三節(jié) 固體干燥劑脫水,,一、吸附過程二、吸附特性三、吸附劑種類四、吸附劑的再生五、吸附塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)六、吸附脫水原理流程七、吸附脫水設(shè)計(jì)八、吸附脫水操作和參數(shù),固體干燥劑脫水屬于固體吸附法。

61、 固體表面對(duì)臨近氣體（或液體）分子存在吸附力，在固體表面可捕捉臨近的氣液分子，這種現(xiàn)象稱吸附。 根據(jù)吸附力的不同，吸附分為化學(xué)吸附和物理吸附兩種。 若氣體和固體原子間以某種化學(xué)鍵結(jié)合、形成新的物質(zhì)并以單層分子形式附著于固體表面上，稱化學(xué)吸附，多數(shù)為不可逆過程。 若氣體和固體間依靠范德華力，使固體表面形成多層被吸附的氣體分子，稱物理吸附，是可逆過程。逆過程稱為再生、活化或脫附。

62、 固體干燥劑脫水屬于物理吸附。,一、吸附過程,吸附裝置為固定床吸附塔，即在立式圓柱筒體內(nèi)充填多孔性固體吸附劑。塔頂為濕氣進(jìn)口，塔底為干氣出口。,1、單組分的吸附過程 如圖，流出吸附床的氣體水濃度隨時(shí)間而變化。開始水濃度極低，tB時(shí)刻水濃度開始增加，最終床出口氣體水濃度與進(jìn)口相等。tB稱為吸附過程的轉(zhuǎn)效點(diǎn)，相應(yīng)的水濃度CB為轉(zhuǎn)效點(diǎn)濃度，濃度隨時(shí)間變化曲線稱轉(zhuǎn)效曲線。,如圖為吸附床示意圖 。吸附床層從開始吸附到停

63、止使用而再生，在吸附過程的不同時(shí)期，吸附床層的吸附情況是不同的。 圖中陰影部分為吸附傳質(zhì)段，吸附劑仍然有吸附脫水作用；在吸附傳質(zhì)段后邊線BB上方的吸附劑已被水飽和，稱飽和吸附段；在吸附傳質(zhì)段前邊線AA下方，吸附劑尚未吸附水汽，稱未吸附段。 隨含水氣體不斷通過吸附床，吸附傳質(zhì)段不斷向下移動(dòng)，當(dāng)傳質(zhì)段前邊線AA達(dá)到床層出口端，即吸附過程轉(zhuǎn)效點(diǎn)達(dá)到出口端時(shí)，流出床層的氣體中，水濃度開始迅速上升。,2、多組分的吸附過

64、程 吸附劑在吸水的同時(shí)也吸附甲醇、硫化氫和硫醇、二氧化碳和烴類。根據(jù)吸附質(zhì)和吸附劑親和力的強(qiáng)弱，優(yōu)先吸附的順序?yàn)椋核?、甲醇、硫化氫和硫醇、二氧化碳，之后為烴類。烴類按分子量大小排序，由重到輕。按吸附順序各組分轉(zhuǎn)效曲線沿床長的分布如圖所示。,二、吸附特性,1、吸附平衡 氣體與固體吸附劑接觸時(shí)，有一定量的氣體被吸附。被吸附的氣體，由于熱運(yùn)動(dòng)又會(huì)發(fā)生脫附，脫附速度隨固體表面被吸附氣體量的增加而增大。最后

65、在一定溫度和壓力下，脫附速度和吸附速度相等，便達(dá)到了吸附平衡。 在平衡條件下，單位質(zhì)量吸附劑吸附物質(zhì)的多少，稱平衡吸附量，簡稱吸附量。,吸附量的大小與溫度和壓力有關(guān)。如圖，CO2在木炭上的等溫吸附線，橫坐標(biāo)為CO2在氣體內(nèi)的分壓。可見，吸附量隨溫度的升高而減少，隨吸附質(zhì)在氣相中分壓的增大而增加。吸附劑的這種性質(zhì)表明，高壓、低溫有利于吸附。,在氣體脫水工業(yè)中，吸附量的大小以濕容量表示，是指每100g吸附劑吸附水蒸

66、汽的克數(shù)。 濕容量又分為靜態(tài)平衡濕容量和動(dòng)態(tài)平衡濕容量。處于靜止條件下測(cè)定的吸附劑的吸附量稱靜態(tài)平衡濕容量；處于流動(dòng)條件下測(cè)定的吸附劑的吸附量稱動(dòng)態(tài)平衡濕容量。動(dòng)態(tài)濕容量約為靜態(tài)濕容量的40～60％。 吸附劑濕容量隨使用時(shí)間延長而降低，開始時(shí)濕容量降低很快，之后降低緩慢，最終降低至某一很低的水平上，失去脫水能力而更換。因而，吸附劑脫水設(shè)計(jì)中不可能以動(dòng)態(tài)平衡濕容量確定所需的吸附劑用量，一般

67、約取70％動(dòng)態(tài)平衡濕容量為設(shè)計(jì)濕容量，或稱有效濕容量。,2、吸附速率 吸附速率取決于外部擴(kuò)散速率、內(nèi)部擴(kuò)散速率及吸附本身的速率。外部擴(kuò)散是指氣流中的吸附質(zhì)擴(kuò)散至氣固界面；內(nèi)部擴(kuò)散是指氣固界面處的吸附質(zhì)沿多孔性固體內(nèi)部的毛細(xì)孔擴(kuò)散至吸附表面。 吸附速率的變化范圍很大，可以從百分之幾秒到幾十小時(shí)。由于吸附速率的影響因素眾多，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，一般依據(jù)經(jīng)驗(yàn)或通過實(shí)驗(yàn)方法來確定。,3、吸附熱

68、 氣體分子被吸附到吸附劑表面時(shí)所放出的熱量稱為吸附熱。不含吸附質(zhì)的新鮮吸附劑從開始吸附到吸附一定量吸附質(zhì)時(shí)放出的全部熱量，稱為積分吸附熱。吸附熱一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 實(shí)際吸附過程中放出的熱量會(huì)使吸附劑和氣流溫度升高，從而降低了吸附劑的吸附量。因此，在設(shè)計(jì)吸附塔時(shí)，必須要考慮吸附熱對(duì)平衡吸附的影響。只有吸附質(zhì)的量很小時(shí)，才可以認(rèn)為是等溫吸附。,三、吸附劑種類,用于天然氣脫水的吸附劑主要有三種

69、：硅膠、活性氧化鋁和分子篩。1、硅膠 主要成分為SiO2，含微量Al2O3和水。用于脫水的硅膠有粉狀、圓柱條狀和球狀三種，并有細(xì)孔（20～40Å，600～700m2／g）和粗孔（80～100 Å ，300～500 m2／g）之分。 缺點(diǎn)：①與液態(tài)水接觸易炸裂，因此除盡量防止液態(tài)水外，通常需要在氣體進(jìn)口處加一層不易為液態(tài)水破壞的吸附劑。②若氣流內(nèi)存在防腐劑，由于硅膠的