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1、第四章 吸收法脱水本讲稿第一页，共三十九页v 水的危害 在天然气管道输送过程中，天然气中的水分在低温下冷凝成液体，会减少管道截面积，增加输送过程阻力和能耗。在天然气加工过程中，天然气中的水分会在操作条件下（高压、低温）和烃类或二氧化碳生成固体水合物，堵塞管道及设备，影响生产的正常进行。天然气中的水会加速硫化物（H2S、COS等）对设备的腐蚀。v 常用脱水方法 冷冻、加压法；液体吸收法；固体吸附法。目前普遍采用吸收法和吸附法脱水。前 言本讲稿第二页，共三十九页 天然气的绝对含水量 每标准立方米天然气的实际含水量,g-H2O/Nm3,用e表示。天然气的饱和含水量 在一定条件(T、P）下，天然气与液
2、态水达到平衡时气体的绝对含水量，g-H2O/Nm3，用es表示。天然气的相对湿度 天然气中实际含水量与饱和含水量之比，称为天然气的相对湿度，用表示。天然气的水露点 在一定压力下，与天然气饱和含水量相对应的温度，称为天然气的水露点。或在一定压力下，天然气中水蒸汽开始冷凝的温度。v 名词解释本讲稿第三页，共三十九页v 压力、温度对天然气饱和含水的影响本讲稿第四页，共三十九页n冷却脱水法n吸收法n吸附法第一节 天然气脱水的方法本讲稿第五页，共三十九页一、冷却脱水法一、冷却脱水法 冷却脱水法可分为直接冷却法、加压冷却法、膨胀制冷法三种方法。1.1.直接冷却法直接冷却法 由于天然气的含水量随着温度的降低
3、而减少，所以直接冷却降低天然气温度可以减少天然气的含水量，但此法效率太低，难以达到气体露点要求，只能作为辅助手段。2.2.加压冷却法加压冷却法 因为天然气含水量随压力的升高而减少，所以，增加天然气压力可以降低天然气的含水量，加压与冷却联合，可提高天然气的脱水效率。但天然气加工中的加压、冷却并不是以脱水为目的，而是工艺需要。本讲稿第六页，共三十九页 当井口气的压力较高时，可以利用气体高压膨胀获得的低温使天然气冷却脱水，当膨胀后的气体温度较低时，开始用注入乙二醇或二甘醇抑制剂的方法，以抑制水合物的形成。3.3.膨胀制冷冷却法膨胀制冷冷却法 膨胀制冷法即可以从井口高压流物中脱除较多的水，又能比常温分
4、离法分离更多的的烃类，故一些高压凝析气井口经常使用。本讲稿第七页，共三十九页 1.常用脱水吸收剂 天然气吸收脱水就是利用对天然气中的水蒸汽具有很强亲和能力的吸收剂与天然气逆流接触来脱除天然气中的水份。常用的脱水剂是甘醇类化合物和氯化钙水溶液。目前广泛采用的甘醇类化合物是二甘醇和三甘醇。2.甘醇法脱水的优缺点 甘醇法脱水与固体吸附剂法脱水是目前普遍采用的两种天然气脱水方法。对于甘醇法脱水来讲，由于三甘醇脱水露点降大、成本低和运行可靠，在各种甘醇化合物中其经济效益最好，因而在国外广为采用。在我国，由于二甘醇及三甘醇的产量及价格等因素，二甘醇和三甘醇均有采用。甘醇法脱水与吸附法脱水相比，其优点是：二
5、、吸收法二、吸收法本讲稿第八页，共三十九页 压降较小。甘醇法脱水的压降为3570kPa，而固体吸附剂法脱水的压降为70200kPa。甘醇法脱水为连续操作，而固体吸附剂法为间歇操作。采用甘醇法脱水时补充甘醇比较容易，而采用固体吸附剂法脱水时从吸附塔（干燥器器)中更换固体吸附剂费时较长。甘醇脱水装置的甘醇富液再生时，脱除1kg水分所需的热量较少。有些杂质会使固体吸附剂堵塞，但对甘醇脱水装置操作影响甚小。甘醇脱水装置可将天然气中的水含量降低到8mgm3。如果有贫液汽提柱,利用汽提气进行再生，天然气中的水含量甚至可降低降低到4mg/m3。投资较低。据报道，建设一座处理能力为28x104m3d天然气的固
6、体吸附剂脱水装置，比三甘醇脱水装置投资高50。本讲稿第九页，共三十九页 天然气的露点要求低于-32时，需要采用汽提法进行再生。甘醇受污染或分解后具有腐蚀性。吸收法脱水主要用于使天然气露点符合管输要求的场合，一般建在集中处理站、输气首站内或天然气净化脱硫装置的下游。三、吸附法脱水三、吸附法脱水 吸附法是利用某些多孔性固体吸附剂对天然气中的水蒸汽的特殊吸附力来吸附脱除天然气中的水份。固体吸附剂脱水装置的投资和操作费用比甘醇脱水装置要高，故般是在甘醇法脱水满足不了天然气露点要求时才采用吸附法脱水。甘醇法脱水与吸附法脱水相比，其缺点是：本讲稿第十页，共三十九页 脱水后的干气露点可低至-100，相当于水
7、含量为0.8mgm3。对进料气压力、温度及流量的变化不敏感。无严重的腐蚀及起泡。吸附法的缺点是：需要两个或两个以上吸附器切换操作，故其投资及操作费用较高。压降较大。天然气中的重烃、H2S和CO2等可使固体吸附剂污染。固体吸附剂颗粒在使用中易产生机械性破损。再生时消耗的热量较多，在小流量操作时更为显著，吸附法的优点是：本讲稿第十一页，共三十九页 天然气脱水的目的是为了符合管道输送要求，但又不宜采用甘醇法脱水的场合。例如，在海上平台由于波浪起伏会影响吸收塔内甘醇溶液的正常流动，或天然气是酸气等。高压(超临界状态)含二氧化碳较多天然气脱水。因为此时二氧化碳在三甘醇溶液中溶解度很大。用于冷冻温度低于-
8、34时的天然气加工时的脱水。同时脱水和烃类以符合水露点和烃露点的要求。从贫气中回收天然气液，此时往往需要采用制冷的方法时。吸附法脱水主要用于天然气凝液回收、天然气液化装置中的天然气深度脱水，防止天然气在低温系统中产生水合物堵塞设备和管道。在下列情况之一时，可优先选择吸附法：本讲稿第十二页，共三十九页n甘醇的一般物理性质n甘醇脱水工艺流程n甘醇脱水工艺主要设备n甘醇脱水工艺参数第二节 甘醇脱水工艺及设备本讲稿第十三页，共三十九页 二甘醇（DEG）、三甘醇（TEG）均为乙二醇的缩合物，反应式为：二甘醇 三甘醇 二甘醇：沸点：245.0；分解温度：164.4 三甘醇：沸点：287.4；分解温度：20
9、6.7 因为三甘醇沸点高，蒸汽压低，吸收脱水过程蒸发损失少，且分解温度高，所以脱水过程广泛应用的是三甘醇一、甘醇的一般性质一、甘醇的一般性质本讲稿第十四页，共三十九页二、甘醇脱水的工艺流程二、甘醇脱水的工艺流程 本讲稿第十五页，共三十九页本讲稿第十六页，共三十九页三、主要设备三、主要设备 1.高压吸收系统主要设备 （1）吸收塔 可以是板式塔或填料塔。板式塔适用于粘性液体或低液气比的场合；由于甘醇易起泡，所以板式塔的板间距应当加大，应大于0.45m,最好0.60.75m；塔顶设有捕雾器，减少干气在气相中的损失。（2）进口气涤器 除掉进塔气体中的液体或固体杂质。这些杂质对三甘醇脱水的影响是：游离水
10、增加了甘醇溶液循环量、重沸器热负荷及燃料用量；溶于甘醇溶液中的液烃或油(芳香烃或沥育胶质)可降低甘醇溶液的脱水能力，并使甘醇溶液起泡。本讲稿第十七页，共三十九页 井下化学剂诸如缓蚀剂、酸化及压裂液等均可使甘醇溶液起泡，并具有腐蚀性。如果沉积在重沸器火管表面上，也可使火管表面产生热斑。固体杂质诸如泥沙及铁锈或FeS等腐蚀产物,他们可促使甘醇溶液起泡，使阀门及泵受到侵蚀并可堵塞塔板或填料。由此可见，进口气涤器是甘醇脱水装置的一个十分重要的设备。很多处理量较大的甘醇脱水装置都在吸收塔之前设有气涤器甚至还有过滤分离器。携带的盐水随天然气一起采出的地层水)中溶解有很多盐类。盐水溶于甘醇后可使碳钢，尤其可
11、使不锈钢产生腐蚀。盐沉积在重沸器火管表面上，还可使火管表面产生热斑（或局部过热）甚至烧穿。本讲稿第十八页，共三十九页 （1）闪蒸分离器 低压下分出富甘醇中所吸收的重烃类气体，以防重烃使甘醇乳化及减少再生系统精馏柱顶的气体和甘醇损失量。为使闪蒸气不经压缩即可用作燃料气，并保证闪蒸分离后的富甘醇有足够的压力流过过滤器及贫富甘醇换热器等设备，闪蒸分离器的压力最好在0.350.52MPa。（2）再生精馏塔 由吸收塔来的富甘醇在再生塔精馏柱和重沸器内进行再生。再生塔可用板式塔或填料塔。精馏柱顶部设有冷却盘管，可使部分水蒸气冷凝，成为精馏柱顶的回流，从而使柱顶温度得到控制并可减少甘醇损失量。无汽提气时，塔
12、顶温度控制在99；有汽提气时，塔顶温度控制在88。当回流量约为水蒸气排放量的30时，由柱顶排放的水蒸气中甘醇损失量非常小。2.再生系统主要设备本讲稿第十九页，共三十九页 （3）重釜器 重沸器的作用是用来提供热量将富甘醇加热至一定温度，使富甘醇中所吸收的水分汽化并从精榴柱顶排放。除此以外，重沸器还要提供回流热负荷以及补充散热损失。甘醇脱水装置是通过重釜器温度来控制再生深度和贫甘醇浓度。重釜器温度和贫三甘醇浓度的关系见右图。由右图可知，釜温越高，贫甘醇浓度越高；若要求贫甘醇浓度更高，可采用汽提法、负压法或共沸法。本讲稿第二十页，共三十九页四、工艺参数的选择四、工艺参数的选择 影响脱水效果的主要因素
13、有：甘醇贫液的浓度；甘醇吸收剂循环量；吸收操作的温度和压力；吸收塔和再生塔的塔板数等。1.1.温度、压力条件温度、压力条件 根据吸收过程原理，温度越低越有利于吸收。但温度过低（21）甘醇溶液粘度过大，起泡增多，使塔板效率下降；吸收温度过高，进料器中水含量太高，同时也不利于吸收，使甘醇溶液的脱水能力下降。一般吸收操作温度为2738。压力对吸收过程影响较少，故对压力无特殊要求。贫甘醇溶液的进塔温度应比塔内气体温度高3 8。如果贫甘醇温度比气体低，就会使气体中的一部分重烃冷凝，促使甘醇溶液气泡。反之，如果贫甘醇温度高于气体温度8，三甘醇损失和出塔干气的露点就会不必要地增加很多。本讲稿第二十一页，共三
14、十九页 根据吸收平衡的原理，甘醇贫液的浓度越高，干天然气中的水含量越低，即天然气的露点温度越低。图45为甘醇贫液的浓度与干气平衡露点关系图。为提高甘醇贫液的浓度，再生塔的操作应采取下列措施：在甘醇分解温度以下，应尽量提高再生塔重沸器温度。对于三甘醇，重沸器温度一般为177204。用汽提气直接通入重沸器中，贫三甘醇浓度可达99.6；如果加贫液汽提柱，汽提气从贫液汽提柱下方通入，贫三甘醇浓度可达99.9。2.2.甘醇贫液的浓度甘醇贫液的浓度本讲稿第二十二页，共三十九页本讲稿第二十三页，共三十九页 右图为当吸收塔为2.5块理论板时，三甘醇循环量与露点降的关系。由图可知：贫液浓度越高，同一循环量下露点
15、降越大。当循环量达到一定值后，再增加循环量时，露点降变化很小。贫液浓度低时，提前达到循环量影响不大的区间。3.三甘醇循环量本讲稿第二十四页，共三十九页n吸收塔的工艺计算n闪蒸分离器的工艺计算n再生精馏塔的工艺计算n换热设备的工艺计算n工艺计算示例(自学)第三节 甘醇脱水工艺计算本讲稿第二十五页，共三十九页一、吸收塔的工艺计算一、吸收塔的工艺计算 吸收塔的工艺计算主要包括：塔板（填料）型式及塔板数；三甘醇溶液循环量；塔径 1.1.吸收塔脱水量（负荷）的计算吸收塔脱水量（负荷）的计算 本讲稿第二十六页，共三十九页 由要求的干气的含水量，查图27得到干气露点，将此露点值减少36，查图45得到贫三甘醇
16、的浓度。2.2.进塔的贫三甘醇浓度进塔的贫三甘醇浓度 3.3.天然气的实际露点降天然气的实际露点降 当贫甘醇溶液的浓度确定以后，吸收塔的实际露点降还和吸收塔的理论板数及甘醇循环量都有关系，在满足露点降的前题下，选择合适的塔板数和甘醇循环量，使产品总耗能最低。本讲稿第二十七页，共三十九页 4.4.吸收塔的直径吸收塔的直径 板间距，mmK值4500.03665600.04576000.0488先由以下公式求出允许空塔速度，再根据进料气体流量求出塔径。本讲稿第二十八页，共三十九页二、闪蒸分离器的计算二、闪蒸分离器的计算本讲稿第二十九页，共三十九页三、再生塔精馏柱三、再生塔精馏柱 再生精馏柱的理论板数
17、一般为3块，即重釜器、填料段、回流冷凝器各一块。填料柱塔径可根据精馏柱的气液负荷及填料的流体力学性质确定，也可由以下经验公式估算：本讲稿第三十页，共三十九页四、重四、重 釜釜 器器 1.重釜器热负荷 重釜器热负荷可根据脱水量由下式经验公式估算 2.重釜器的尺寸 当重釜器按45.8kW/m2的热流密度计算蒸汽发生面积时，其工艺尺寸可按以下原则确定：长径比5（推荐值）；最小直径457mm；最小长度1067mm。本讲稿第三十一页，共三十九页 3.汽提气的用量 汽提气的用量可由图46来确定。根据要求的贫甘醇纯度，由图查得汽提气的需要量。采用汽提气可高甘醇纯度，但也增加了操作费用，因而只有在必要时才使用
18、，且其用量不应大于0.022m3/L三甘醇。本讲稿第三十二页，共三十九页五、换五、换 热热 设设 备备 甘醇脱水装置的换热换设备包括：精馏柱顶部的回流冷凝器、贫富甘醇换热器及气体贫甘醇换热器。它们的尺寸确定原则如下。1.回流冷凝器回流冷凝器 回流冷凝器热负荷可取甘醇溶液吸收的水在重釜器内全部汽化所需热负荷的2530。2.贫富甘醇换热器贫富甘醇换热器 贫甘醇及富甘醇进口温度通常是已知的。在确定富甘醇出口温度时，一般按贫甘醇进口温度与富甘醇出口温度差在3350为原则，但注意富甘醇的出口温度不能高于149。本讲稿第三十三页，共三十九页 贫甘醇进吸收塔前应先用干气或空气将其冷却到仅比出塔干气高6左右。
19、如果温度过高，会使顶层塔板上甘醇温度增加，导致出塔干气水含量增加。用出塔干气冷却贫甘醇，这样可防止贫甘醇被冷却至低于出塔干气温度。贫甘醇出换热器的温度应比进料气进吸收塔的温度高36。计算热负荷时应加上5 10的富裕量，以考虑污垢热阻和甘醇循环量波动的影响。3.气体贫甘醇换热器气体贫甘醇换热器本讲稿第三十四页，共三十九页n甘醇污染的原因及对策n甘醇质量的最佳值 第四节 甘醇质量对脱水操作的影响本讲稿第三十五页，共三十九页一、甘醇污染的原因及对策清洁一、甘醇污染的原因及对策清洁 防止或减缓甘醇损失过大和设备腐蚀的关键是保持甘醇洁净。实际上，甘醇在使用过程中将会受到各种污染。产生这些污染的原因和解决
20、办法如下：1.氧气串入系统 甘醇易氧化变质，生成腐蚀性有机酸。故应防止氧气串入系统，亦可向脱水系统中注入抗氧化剂，其量为12g/L甘醇。2.高温降解 富甘醇在再生时如果温度过高会降解(热降解)变质。因此，当采用三甘醇脱水时，重沸器温度应低丁204，火管传热表面的热流密度则应小于25kwm2。同时，还应定期对火管传热表面上由于油污和盐址类沉积引起的热斑进行检查并及时清扫。本讲稿第三十六页，共三十九页 当进料气中含有硫化氢和二氧化碳时，会使甘醇溶液呈酸性并具有严重的腐蚀性。可通过加入硼砂、三乙醇胺等碱性化合物中和。4.盐污染 盐沉积在重沸器火管表面可以产生热斑并使火管烧穿。当甘醇中盐含量大于0.0
21、025(w)时,就应将甘醇排放掉并对装置进行清扫。5.液烃 如果系统中有液烃存在，液烃将随富甘醇进入再生系统，使在精榴柱内向下流入重沸器内并迅速汽化，造成大量甘醇被气体从塔顶带出。3.PH值降低本讲稿第三十七页，共三十九页 如果系统中含有固体杂质，这些杂质会与焦油状烃类合在一起，最后会沉淀出来并形成具有磨损性的黑色粘碉状物。它们不仅会使甘醇泵和其它设备受到侵蚀、引起吸收塔塔板及精馏柱的填料堵塞，还会沉积在重沸器火管传热表面产生热斑。因此，不论是富甘醇还是贫甘醇都要进行过滤，以使其中的固体杂质含量小于001(w)。7.起泡 甘醇起泡有物理上的原因和化学上的原因。吸收塔内气体流速过高是甘醇起泡的物
22、理原因，甘醇被固体杂质、盐分、缓蚀剂和液烃污染，则是其起泡的化学原因。可注入消泡剂，常用的消泡剂有含硅的破乳剂、高分子醇类以及乙稀和丙烯的嵌段聚合物。6.淤渣本讲稿第三十八页，共三十九页二、甘醇质量的最佳值二、甘醇质量的最佳值参 数富 甘 醇贫 甘 醇PH，7.08.57.08.5氯化物,mg/L600600烃类,%0.30.3铁离子,mg/L1515水,%3.5 7.51.5固体悬浮物，mg/L200200起泡倾向泡沫高度，1020mL;破沫时间，5S颜色及外观洁净，淡色到浅黄色 正常操作期间，甘醇脱水装置的三甘醇损失量一般不大于15mg/m3天然气，二甘醇损失量一般不大于22mg/m3天然气。本讲稿第三十九页，共三十九页