《《化工工艺学》第6章天然气化工.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《化工工艺学》第6章天然气化工.ppt（120页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、1第第6章章 天然气化工天然气化工Chemical engineering of natural gas授课教师：蔡永伟授课教师：蔡永伟2n6.1 天然气的组成与加工利用天然气的组成与加工利用n6.2 天然气的分离与净化天然气的分离与净化n6.3 天然气提氦天然气提氦n6.4 天然气制炭黑天然气制炭黑(自学自学)n6.5 天然气转化合成甲醇天然气转化合成甲醇n6.6 天然气氧化加工天然气氧化加工 n6.7 天然气的氯化加工天然气的氯化加工n6.8 天然气的其它直接化学加工天然气的其它直接化学加工(自学自学)主要内容主要内容化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工36.1 天然气的组
2、成与加工利用天然气的组成与加工利用The components of natural gas and its applicationn6.1.1 天然气的组成与分类天然气的组成与分类n组成组成n主要成份：烷烃主要成份：烷烃 CH4，C2H6，C3H8n次要成份：非烃气体次要成份：非烃气体 CO2，H2S，H2，Hen微量成份：烯烃、环烷烃、芳香烃微量成份：烯烃、环烷烃、芳香烃n有害成份：硫化氢等。有害成份：硫化氢等。化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工4化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工n据据美国能源信息署美国能源信息署(EIA)网站的最新数据显示，截止网站的
3、最新数据显示，截止2010年年1月月1日全球探明天然气储量大国日全球探明天然气储量大国n俄罗斯俄罗斯(1680万亿立方英尺，下同万亿立方英尺，下同)、伊朗、伊朗(1045.7)、卡塔、卡塔尔尔(899.3)、沙特、沙特(263)、美国、美国(244.7)、阿联酋、阿联酋(214.4)、尼日利亚尼日利亚(185.3)、委内瑞拉、委内瑞拉(176)、阿尔及利亚、阿尔及利亚(159)。n截止截止2009年，亚太地域探明自然气年，亚太地域探明自然气(NG)储量国排名如下：储量国排名如下：印度尼西亚印度尼西亚(110),马来西亚马来西亚(85),中国中国(80)。n重庆地处能源储量丰富的重庆地处能源储量
4、丰富的川东天然气气田川东天然气气田，重庆气矿年产，重庆气矿年产天然气占全国年总产量的天然气占全国年总产量的14，占整个西南油气田年总，占整个西南油气田年总产量的产量的60%以上。以上。5(2)按组成分类按组成分类化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工天然气的分类天然气的分类按每按每Nm3井口流出物中，井口流出物中，含含C5以上重烃液体量以上重烃液体量(1)根据矿藏特点，是根据矿藏特点，是否含否含原油伴气来划分原油伴气来划分非伴生气非伴生气原油伴生气原油伴生气 干气干气 湿气湿气贫气贫气富气富气13.5cm3 13.5cm3 按每按每Nm3井口流出物中，井口流出物中，含含C3以上烃
5、类液体量以上烃类液体量94cm3 94cm3 按是否显著含有按是否显著含有H2S，CO2等酸性气体来划分等酸性气体来划分酸性气酸性气 洁气洁气6n6.1.2 天然气的物理化学性质天然气的物理化学性质化工工艺学化工工艺学第第6章章 天然气化工天然气化工7化工工艺学化工工艺学第第6章章 天然气化工天然气化工86.1.3 天然气的加工利用途径天然气的加工利用途径化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工96.2 天然气的分离与净化天然气的分离与净化Separation and purification of natural gasn6.2.1 采出气的分离采出气的分离n分离目的：分离采出气
6、中的液体、固体杂质。分离目的：分离采出气中的液体、固体杂质。n 重力分离法重力分离法n分离方法：分离方法：旋风分离法旋风分离法n 其它分离法其它分离法n6.2.1.1.重力分离重力分离n重力分离器工作重力分离器工作3个主要步骤：个主要步骤：n(1)沿切线进入分离器时有部分液、固体由沿切线进入分离器时有部分液、固体由于离心力作用可进行于离心力作用可进行初步离心分离初步离心分离。化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工10n(2)由于重力作用进行由于重力作用进行沉降分沉降分离离(主要分离阶段主要分离阶段)。n(3)除雾除雾(上部设除雾器除去雾上部设除雾器除去雾滴滴)。n除雾器主要形式：
7、除雾器主要形式：n折流式和网状式折流式和网状式n折流式除雾器工作原理折流式除雾器工作原理n改变流体流动方向，由于惯性改变流体流动方向，由于惯性作用使液滴被作用使液滴被折流板吸附折流板吸附，再，再沿板面流入搜集器中。沿板面流入搜集器中。n网状式除雾器工作原理网状式除雾器工作原理n主要使液滴在流动中与主要使液滴在流动中与网碰撞网碰撞接触接触后凝结。后凝结。化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工11化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工矿井的采出气也可采用旋风分离器进行分离矿井的采出气也可采用旋风分离器进行分离12气流干燥器气流干燥器湿物料湿物料干燥管干燥管干物料干物料旋
8、风分离器旋风分离器蒸汽蒸汽冷凝水冷凝水冷空气冷空气热空气热空气板式换热器板式换热器废气废气风机风机化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工干燥设备干燥设备中的旋风分离器中的旋风分离器13沸腾床干燥器（流化床干燥器）沸腾床干燥器（流化床干燥器）a.单室流化床单室流化床 b.多室流化床多室流化床 化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工补充知识：补充知识：14干物料干物料废气废气风机风机旋风分离器旋风分离器喷动床干燥器喷动床干燥器化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工15喷雾干燥器（喷雾干燥器（spray dryer）废废气气干物料干物料旋风分离器旋风分离器蒸
9、汽蒸汽冷凝水冷凝水冷空气冷空气热空气热空气板式换热器板式换热器化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工16离心式喷雾器离心式喷雾器压力式喷雾器压力式喷雾器气流式喷雾器气流式喷雾器化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工176.2.2 天然气的脱水天然气的脱水n开采出的天然气经分离后仍然含有水分开采出的天然气经分离后仍然含有水分(操作温度下的饱操作温度下的饱和蒸汽压决定和蒸汽压决定)。当后续操作降温时，水汽就可凝结产。当后续操作降温时，水汽就可凝结产生不利影响。因此，要进行脱水操作。生不利影响。因此，要进行脱水操作。n天然气含水量的表示天然气含水量的表示n绝对含水量绝对含
10、水量：单位体积气中所含水分质量。：单位体积气中所含水分质量。n露点温度露点温度：压力一定时，天然气中水蒸气开始凝结的温：压力一定时，天然气中水蒸气开始凝结的温度。度。(间接表示间接表示)n天然气脱水主要方法：天然气脱水主要方法：n溶剂吸收法、固体吸附法溶剂吸收法、固体吸附法、直接冷却法和化学反应法。、直接冷却法和化学反应法。化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工18溶剂吸收法溶剂吸收法n该法使用较普遍，关键是选择该法使用较普遍，关键是选择脱水剂脱水剂。n天然气脱水深度天然气脱水深度(程度程度)一般用一般用露点降露点降表示。表示。n露点降即脱水装置露点降即脱水装置操作温度操作温度与
11、脱水后与脱水后干气露点温度干气露点温度之之差。一般用它来差。一般用它来评价脱水剂的脱水效率评价脱水剂的脱水效率。n常用的溶剂有：常用的溶剂有：n甘醇溶液和金属氯化物溶液甘醇溶液和金属氯化物溶液。n不同脱水剂的效果和适用性不同，具体情况见表不同脱水剂的效果和适用性不同，具体情况见表6.5.化工工艺学化工工艺学第第6章章 天然气化工天然气化工19表表 6.5 不同脱水剂的比较不同脱水剂的比较 化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工甘醇脱甘醇脱水使用水使用最多最多20(1)甘醇脱水工艺流程甘醇脱水工艺流程n三甘醇溶液使用更广泛，其露点降较大，但粘度大，吸三甘醇溶液使用更广泛，其露点降较
12、大，但粘度大，吸收塔的操作温度不宜低于收塔的操作温度不宜低于10 C.n流程由流程由吸收和再生吸收和再生两部分构成。两部分构成。n再生方法主要有再生方法主要有蒸馏蒸馏和和汽提汽提。n汽提原理在前面化学肥料一章中已讲。汽提原理在前面化学肥料一章中已讲。(化学平衡移动原化学平衡移动原理理)n工艺过程如图工艺过程如图6.10。化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工21图图 6.10 处理量较大的天然气三甘醇脱水装置流程处理量较大的天然气三甘醇脱水装置流程 化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工吸收工段吸收工段再生工段再生工段贫贫液液富液富液富富液液贫液贫液22(2)吸收塔
13、工艺计算（吸收塔工艺计算（略略）n进塔贫液甘醇浓度的确定进塔贫液甘醇浓度的确定n压力影响一般可忽略。压力影响一般可忽略。n由于气体流量远大于甘醇流量，所以由于气体流量远大于甘醇流量，所以取气相操作温度取气相操作温度为有效吸收温度为有效吸收温度。n同时由于出塔气体不可能达到平衡，所以根据经验选同时由于出塔气体不可能达到平衡，所以根据经验选取它与平衡温度的差值为取它与平衡温度的差值为8 11 C,由此算出平衡温由此算出平衡温度，再查图度，再查图6.11得出得出所需甘醇溶液的浓度所需甘醇溶液的浓度。化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工te=t-t平衡温度平衡温度气体真实温度气体真实温
14、度平衡温距平衡温距23图图 6.11 吸收塔操作温度吸收塔操作温度(横轴横轴)，进塔贫三甘醇浓度，进塔贫三甘醇浓度(斜线斜线)和和流出的干天然气的平衡水露点流出的干天然气的平衡水露点(纵轴纵轴)的关系的关系 化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工入塔入塔t(横轴横轴)出塔出塔tte进塔贫三进塔贫三甘醇浓度甘醇浓度24理论塔板数和贫液循环量的确定理论塔板数和贫液循环量的确定n增加塔板数和加大循环量都有利于吸收，使吸收过程露增加塔板数和加大循环量都有利于吸收，使吸收过程露点降增大。点降增大。n理论塔板数理论塔板数的计算方法在化工原理中已讲。对三甘醇溶的计算方法在化工原理中已讲。对三甘
15、醇溶液吸收天然气中的水可用液吸收天然气中的水可用Kremser-Brown公式公式求：求：n式中下标式中下标0,1分别表示进、出塔天然气物料；分别表示进、出塔天然气物料；ye表示与表示与出塔天然气与进塔贫液呈平衡的气相水浓度出塔天然气与进塔贫液呈平衡的气相水浓度;n为理论塔为理论塔板数。板数。n吸收因子吸收因子 A=L/(KV)n 溶液循环量溶液循环量 进塔天然气流量进塔天然气流量 mol/s化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工25n吸收因子吸收因子A可以查图可以查图6.12,也可以按下法估算。也可以按下法估算。n在通常操作条件下，液气比为常数。且一般可用下式在通常操作条件下，
16、液气比为常数。且一般可用下式估算估算汽液平衡常数汽液平衡常数K。n K=y*n活度系数活度系数可查图可查图6.13.n得出得出K后便可计算吸收因子后便可计算吸收因子A=L/KVn在工程实际中用水的质量浓度表示较方便，计算时可在工程实际中用水的质量浓度表示较方便，计算时可用下式换算为摩尔浓度。用下式换算为摩尔浓度。n W=803000yny为水汽质量含量，为水汽质量含量，mg/Nm3。化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工26图图 6.12 克莱姆瑟克莱姆瑟-勃朗吸收因子图勃朗吸收因子图化工工艺学化工工艺学第第6章章 天然气化工天然气化工27图图 6.13 三甘醇三甘醇-水溶液中水
17、的活度系数水溶液中水的活度系数 化工工艺学化工工艺学第第6章章 天然气化工天然气化工28吸收塔选型和塔径计算吸收塔选型和塔径计算n大流量多选大流量多选板式塔板式塔。且多采用。且多采用泡罩塔和浮阀塔泡罩塔和浮阀塔来提高传来提高传质系数。质系数。n塔板数一般塔板数一般4 10块，板效率范围约为块，板效率范围约为0.25 0.40.n先计算先计算最大空塔质量流速最大空塔质量流速n nGa:最大空塔质量流速，最大空塔质量流速，kg/(h.m2)n再由它计算塔径再由它计算塔径化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工29再生系统工艺条件再生系统工艺条件n方式：方式：一般再沸器再生或汽提再生。一
18、般再沸器再生或汽提再生。n再沸器操作温度通常为再沸器操作温度通常为191 193 C,最高不超过最高不超过204 C，因为三甘醇热分解温度为，因为三甘醇热分解温度为206 C。n汽提再生时，温度也应低于汽提再生时，温度也应低于204 C。要求汽提汽不溶于。要求汽提汽不溶于水，常用干天然气或三甘醇富液的蒸汽作水，常用干天然气或三甘醇富液的蒸汽作汽提剂汽提剂。n共沸蒸馏再生：共沸蒸馏再生：适用于温度低，要求甘醇浓度很高时。共适用于温度低，要求甘醇浓度很高时。共沸剂常有异辛烷、苯、甲苯、二甲苯、丁酸乙酯等。沸剂常有异辛烷、苯、甲苯、二甲苯、丁酸乙酯等。n共沸剂与水一同蒸出后再冷凝分离循环。共沸剂与水
19、一同蒸出后再冷凝分离循环。化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工略略30n再沸器加热方式可再沸器加热方式可直接或间接加热直接或间接加热，因天然气为燃料，因天然气为燃料，通常用天然气燃烧通常用天然气燃烧直接直接加热。加热。n再沸器流出的甘醇溶液温度很高，必须通过换热冷却后再沸器流出的甘醇溶液温度很高，必须通过换热冷却后才能进入吸收塔吸收。才能进入吸收塔吸收。n在吸收塔内烃类物质也可被甘醇吸收，但压力降低后它在吸收塔内烃类物质也可被甘醇吸收，但压力降低后它们就会逃逸出来腐蚀管道。所以富液进入再生塔前设一们就会逃逸出来腐蚀管道。所以富液进入再生塔前设一闪蒸器，先将烃类气体释放出来，防止
20、腐蚀。闪蒸器，先将烃类气体释放出来，防止腐蚀。n酸性天然气脱水工艺中，在富液进入再生塔前加一个酸性天然气脱水工艺中，在富液进入再生塔前加一个酸酸气汽提塔气汽提塔，以除去其中的，以除去其中的H2S。化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工31图图 6.14 三甘醇溶液三甘醇溶液汽提再生汽提再生示意图示意图化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工略略32CaCl2溶液脱水工艺溶液脱水工艺(自学自学)n氯化钙溶液脱水工艺十分简单，只用一个塔就行。塔氯化钙溶液脱水工艺十分简单，只用一个塔就行。塔上部为氯化钙床层，中部为氯化钙溶液，下部为空塔。上部为氯化钙床层，中部为氯化钙溶液，
21、下部为空塔。n天然气天然气先经先经空塔空塔分离水滴，再到分离水滴，再到中部与氯化钙溶液接中部与氯化钙溶液接触触脱去部分水，然后到脱去部分水，然后到上部经氯化钙床层上部经氯化钙床层时脱除剩余时脱除剩余水分。水溶解氯化钙后作为补充溶液下降。所以操作水分。水溶解氯化钙后作为补充溶液下降。所以操作中要不断补充氯化钙固体。中要不断补充氯化钙固体。化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工33图图 6.15 氯化钙脱水塔氯化钙脱水塔化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工上部：吸附床上部：吸附床中部：吸收段中部：吸收段下部：分离段，下部：分离段，空塔体空塔体342.固体吸附法固体吸附
22、法n(1)吸附过程和常用吸附剂吸附过程和常用吸附剂n吸附基本过程：多用半连续操作的吸附基本过程：多用半连续操作的固定床吸附塔固定床吸附塔。n塔内一般为塔内一般为三段三段，上段上段为饱和吸附层，气体从塔顶进入为饱和吸附层，气体从塔顶进入后在此被大量吸附；后在此被大量吸附；中段中段为吸附传质层，未吸附的水分为吸附传质层，未吸附的水分在此进一步被吸附；在此进一步被吸附；下段下段吸附量微小吸附量微小,称未吸附段，用以称未吸附段，用以保证出塔气体达到规定的脱水要求。保证出塔气体达到规定的脱水要求。n操作中饱和吸附段和传质吸附段的下边界会操作中饱和吸附段和传质吸附段的下边界会逐步下移逐步下移。n当当吸附传
23、质段吸附传质段下边界移至床层下端时，未吸附段消失。下边界移至床层下端时，未吸附段消失。n出口气中水分将迅速增加，此时刻被称为吸附过程的出口气中水分将迅速增加，此时刻被称为吸附过程的转转效点效点。通常此时就需对吸附床进行。通常此时就需对吸附床进行再生再生。n当当饱和吸附段饱和吸附段移至床层下端时，称床层吸附达到饱和点。移至床层下端时，称床层吸附达到饱和点。化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工35n常用吸附剂：常用吸附剂：活性铝土矿、硅胶、活性氧化铝、分子筛活性铝土矿、硅胶、活性氧化铝、分子筛等。等。n特性见表特性见表6.6(教材教材P265)。n要求吸附剂表面积大、选择性好、传质
24、速率高、寿命长能再生、孔要求吸附剂表面积大、选择性好、传质速率高、寿命长能再生、孔隙率大等。隙率大等。图图 6.16 吸附剂床和在出床层气体中吸附剂床和在出床层气体中被吸附物质被吸附物质水水的的浓度随时间的变换浓度随时间的变换化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工36A型分子筛的晶体结构型分子筛的晶体结构4A(NaA)型：型：Na2OAl2O32SiO29/2H2O孔径孔径0.4nm左右左右分子筛简介分子筛简介化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工37化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工X型，型，Y型，高硅型，高硅ZSM型分子筛晶体结构型分子筛晶体结
25、构n天然气采用分子筛吸附脱水的变温变压吸附原天然气采用分子筛吸附脱水的变温变压吸附原理理n分子水脱水是根据吸附原理，利用分子水脱水是根据吸附原理，利用分子筛的多孔性分子筛的多孔性吸吸附天然气中的水蒸气。附天然气中的水蒸气。n变温变压吸附技术是以吸附剂表面对气体分子的吸附变温变压吸附技术是以吸附剂表面对气体分子的吸附为基础，利用为基础，利用分子筛吸附剂对不同气体组份有选择性分子筛吸附剂对不同气体组份有选择性的特点，在过程的的特点，在过程的较低温度、较高压力下吸附较低温度、较高压力下吸附混合气混合气中的某些组份，未被吸附组份通过吸附器层流出；在中的某些组份，未被吸附组份通过吸附器层流出；在过程的过
26、程的较高温度、较低压力下脱附较高温度、较低压力下脱附这些被吸附的组份，这些被吸附的组份，以进行下一次吸附步骤。以进行下一次吸附步骤。n采用采用多个吸附塔多个吸附塔轮流操作。轮流操作。38化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工39(2)吸附脱水工艺流程吸附脱水工艺流程n吸附脱水流程有二塔、多塔流程。吸附脱水流程有二塔、多塔流程。n二塔流程时，一塔脱水，一塔再生。二塔流程时，一塔脱水，一塔再生。n三塔流程时，一塔脱水，一塔再生，另一塔冷却。三塔流程时，一塔脱水，一塔再生，另一塔冷却。n一典型一典型双塔双塔流程如图流程如图6.17.化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工4
27、0图图 6.17 典型高压天然气典型高压天然气双塔吸附双塔吸附脱水流程图脱水流程图化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工特点：双塔轮流脱水和再生特点：双塔轮流脱水和再生脱水脱水再生再生41n操作条件：操作条件：n 温度温度 38 50 Cn 压力压力 输气管线压力，注意稳定。输气管线压力，注意稳定。n 寿命寿命 1 3an 操作周期操作周期 通常通常8h，也可，也可16和和24hn n 加热方式加热方式 加热湿天然气再生加热湿天然气再生n 再生温度再生温度 175 260 C，因吸附剂而异。，因吸附剂而异。n 再生气流量再生气流量 5 15n 再生时间再生时间 总时间的总时间的6
28、5 75用以加热，用以加热，n 25 35冷却。冷却。n冷却器：流量与再生气流量同，冷却后温度为冷却器：流量与再生气流量同，冷却后温度为40 55 C。吸吸附附再再生生化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工42(3)工艺计算工艺计算n吸附剂的湿容量吸附剂的湿容量n式中式中nx吸附剂吸附剂有效有效湿容量湿容量,kgH2O/100kg吸附剂；吸附剂；nxs吸附剂的吸附剂的动态平衡饱和动态平衡饱和湿容量湿容量,kg H2O/100kg 吸附剂；吸附剂；nhT 饱和段与传质段饱和段与传质段床层高度床层高度,m；nhZ 传质段传质段床层高度床层高度,m.n其中其中传质段传质段床层高度用下式
29、计算床层高度用下式计算化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工略略43n式中式中nq吸附剂床层的吸附剂床层的水负荷水负荷,kg/(m2.h);nug空塔线速空塔线速，m/min;n 进口气相对湿度，；进口气相对湿度，；nA吸附剂常数；吸附剂常数；nP、T、Z分别表示压力、温度和压缩系数，分别表示压力、温度和压缩系数，n下标下标f 表示表示操作条件操作条件下的值，下的值，P的单位为的单位为MPa；nQ湿原料气标准体积流量，湿原料气标准体积流量，m3/h;nW湿原料气含水量，湿原料气含水量，kg/m3;nD吸附床直径，吸附床直径，m；nZf湿原料气在湿原料气在Pf和和Tf下的压缩系数。
30、下的压缩系数。化工工艺学化工工艺学第第6章章 天然气化工天然气化工44n计算出有效湿容量后应与相对湿度达计算出有效湿容量后应与相对湿度达100时该吸附剂时该吸附剂的的设计湿容量设计湿容量(可查表得到可查表得到)比较。比较。n一些一些吸附剂设计湿容量吸附剂设计湿容量：n硅胶硅胶7 9kgH2O/100kg;n活性氧化铝活性氧化铝 4 7kgH2O/100kg;nA型分子筛型分子筛9 12kgH2O/100kg。n吸附剂的再生一般用吸附剂的再生一般用高温气体反吹高温气体反吹进行。再生气反吹温进行。再生气反吹温度通常度通常175 260 C,用分子筛深度脱水时，反吹温度用分子筛深度脱水时，反吹温度可
31、高些可高些260 371 C。吸附剂再生一般为常压操作吸附剂再生一般为常压操作。化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工45吸附塔的计算吸附塔的计算n吸附剂装填体积吸附剂装填体积n n 吸附剂操作周期，吸附剂操作周期，hn n空塔线速度空塔线速度n式中式中 S以空气比重为以空气比重为1的气体相对比重；的气体相对比重；n C常数，常用值常数，常用值0.25 0.32;n dP平均粒径，平均粒径，m;n Zf湿原料气在湿原料气在Pf和和Tf下的压缩系数。下的压缩系数。n ug的单位为的单位为m/min.化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工x吸附剂吸附剂有效有效湿容量湿容
32、量,Q湿原料气标湿原料气标准体积流量准体积流量W湿原料湿原料气含水量气含水量堆密度，堆密度，kg/m3略略46n塔径的计算塔径的计算n n上述各式中压缩因子可查图上述各式中压缩因子可查图6.18得出。得出。图图 6.18 低分子量天然气的压缩系数低分子量天然气的压缩系数化工工艺学化工工艺学第第6章章 天然气化工天然气化工Zp/MPa47(4)其它吸附净化过程其它吸附净化过程(自学自学)n可以采用抗酸分子筛同时脱除可以采用抗酸分子筛同时脱除H2S，CO2等。其典型流等。其典型流程如图程如图6.19 EFCO流程流程。n吸附时重烃类容易与水一起被吸附，再生气经冷凝将其吸附时重烃类容易与水一起被吸附
33、，再生气经冷凝将其中重烃和水冷凝后再分离。这种流程需要较长的再生冷中重烃和水冷凝后再分离。这种流程需要较长的再生冷却时间，通常却时间，通常三塔操作三塔操作。化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工48图图 6.19 EFCO过程流程图过程流程图化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工496.2.3 天然气脱硫与硫磺回收天然气脱硫与硫磺回收n天然气的脱硫方法在合成氨一章中已讲述。请同学们自天然气的脱硫方法在合成氨一章中已讲述。请同学们自己复习。本节己复习。本节主要讨论硫磺回收主要讨论硫磺回收。n硫磺的回收硫磺的回收n脱硫后的含硫气体通常用克劳斯脱硫后的含硫气体通常用克劳斯
34、(Claus)法即法即催化氧化催化氧化法回收硫磺法回收硫磺。n(1)Claus法原理法原理n含硫气体在燃烧炉中发生如下反应含硫气体在燃烧炉中发生如下反应n H2S+1.5O2 H2O+SO2 (燃烧燃烧)n H=-519.16kJ/mol化工工艺学化工工艺学第第6章章 天然气化工天然气化工50n 2H2S+SO2 2H2O+(3/x)Sx (转化转化)nx=2 H=51.71kJ/molnx=6 H=-84.99kJ/molnx=8 H=-100.65kJ/moln硫蒸汽的形态硫蒸汽的形态n常温下常温下 S6,S8n900 C S2n1700 C Sn操作条件不同，可得出不同单质硫形态。操作条
35、件不同，可得出不同单质硫形态。n含硫气中少量其它组分可发生一些含硫气中少量其它组分可发生一些副反应副反应：nCH4+2O2 CO2+2H2On2C2H6+7O2 4CO2+6H2O化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工51n各种形态的各种形态的S也有相互转化的反应：也有相互转化的反应：n 3S2 S6n 4S2 S8n 4S6 3S8n反应十分复杂，但主要反应还是燃烧和转化反应。反应十分复杂，但主要反应还是燃烧和转化反应。n按化学需氧量计算，主要反应的理论平衡曲线如图按化学需氧量计算，主要反应的理论平衡曲线如图6.20.n图中可分两个区域：图中可分两个区域：n 900K 热反应区
36、热反应区n 900K 催化反应区催化反应区(需催化剂速度才可观需催化剂速度才可观)化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工52800-900K 区域平衡转化率区域平衡转化率最低最低，应，应避免避免在此条件下操作。在此条件下操作。图图 6.20 纯纯H2S制硫的理论平衡转化率制硫的理论平衡转化率化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工热反应区热反应区催化反应区催化反应区53n(2)硫磺回收的催化剂硫磺回收的催化剂n活性氧化铝活性氧化铝：由氧化铝水合物脱水得到。：由氧化铝水合物脱水得到。n控制温度在控制温度在600 C以下可得所需活性氧化铝。以下可得所需活性氧化铝。n 60
37、0 C生成高温氧化铝，无活性。生成高温氧化铝，无活性。n目前目前较多应用铝土矿较多应用铝土矿催化剂，主要成分是氧化铝水合催化剂，主要成分是氧化铝水合物。通常将其制成物。通常将其制成块状或条状块状或条状以降低床层阻力，脱水以降低床层阻力，脱水活化温度控制在活化温度控制在400 500 C.n使用过程中，催化剂可能结构转型而降低活性。或者使用过程中，催化剂可能结构转型而降低活性。或者因表面粘上硫、焦油或生成硫酸铝都可使催化剂活性因表面粘上硫、焦油或生成硫酸铝都可使催化剂活性降低。使用一定时期后要进行降低。使用一定时期后要进行活化再生活化再生以恢复活性。以恢复活性。使用较长时期，再生次数多后应更换催
38、化剂。使用较长时期，再生次数多后应更换催化剂。化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工54(3)回收工艺流程回收工艺流程n单流法单流法流程如图流程如图6.21.n流程特点：流程特点：n处理处理H2S含量含量高于高于25%,回收率可达回收率可达95%。n为满足转化反应中为满足转化反应中H2S:SO2=2:1的化学计量比，控的化学计量比，控制进氧量使燃烧炉中制进氧量使燃烧炉中烃类全部反应烃类全部反应而而H2S只反应只反应1/3，以便生成的，以便生成的SO2与剩下的与剩下的2/3的的H2S反应生成单质反应生成单质S。n燃烧炉中已有燃烧炉中已有60-70%H2S转化为单质转化为单质S。n燃
39、烧气体经热能回收、燃烧气体经热能回收、冷凝分硫冷凝分硫后进转化器。后进转化器。n因为总反应为放热反应，转化器一般分因为总反应为放热反应，转化器一般分二级二级，一级转化，一级转化冷却后再进入二级。末级冷凝器温度应足够低，以保证冷却后再进入二级。末级冷凝器温度应足够低，以保证平衡收率。平衡收率。化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工55n单流法流程图。单流法流程图。图图 6.21 单流法单流法工艺流程图工艺流程图 化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工H2S只反只反应应1/3S56n分流法流程分流法流程n特点：特点：n处理处理H2S含量含量低于低于25%,回收率可达回收
40、率可达92%。n控制酸性气体控制酸性气体1/3量入燃烧炉量入燃烧炉，使烃类全部反应，使烃类全部反应，H2S全部生成全部生成SO2。n其余其余2/3酸性气体与燃烧炉中反应后的气体汇合后进酸性气体与燃烧炉中反应后的气体汇合后进入转化器。入转化器。n以下操作与单流法相同。以下操作与单流法相同。n由于有由于有2/3的酸性气体不经燃烧炉，因此分流法要求的酸性气体不经燃烧炉，因此分流法要求气体中气体中不含重烃类和其他有机物不含重烃类和其他有机物，否则可引起催化剂，否则可引起催化剂的结炭和结焦，影响成品的结炭和结焦，影响成品S的质量。的质量。化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工57n分流法流
41、程图分流法流程图6-22.图图 6.22 分流法工艺流程图分流法工艺流程图化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工1/32/3与单硫法相同与单硫法相同58n阿莫科流程阿莫科流程(自学自学)n流程如图流程如图6.23。流程特点：。流程特点：n若若H2S含量含量15，不能用分流法回收不能用分流法回收S，只能选择，只能选择阿阿莫科法回收莫科法回收，其回收率一般不高，约，其回收率一般不高，约90。n酸性气与空气混合加热后再进入特殊设计的燃烧炉，且炉酸性气与空气混合加热后再进入特殊设计的燃烧炉，且炉内补充部分燃料气以维持温度。内补充部分燃料气以维持温度。n后续操作与前面流程相同。后续操作与前
42、面流程相同。化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工59图图 6.23 阿莫科硫磺回收工艺流程图阿莫科硫磺回收工艺流程图化工工艺学化工工艺学第第6章章 天然气化工天然气化工60(4)影响硫磺影响硫磺回收率回收率的因素的因素(自学，略自学，略)n克劳斯法回收克劳斯法回收S的影响因素较多，主要有的影响因素较多，主要有四点四点：n 转化级数和操作温度转化级数和操作温度n一般用二、三级转化，转化反应温度不宜过高，但温度一般用二、三级转化，转化反应温度不宜过高，但温度又不能太低，若接近露点很危险。又不能太低，若接近露点很危险。n从较低温度的主要反应、反应热及平衡来分析。从较低温度的主要反应、
43、反应热及平衡来分析。n 配风比配风比n理论上是氧完全耗尽，烃完全反应，理论上是氧完全耗尽，烃完全反应，H2S只反应只反应1/3。但实际操作不可能达到。必须随时监测进入转化器的但实际操作不可能达到。必须随时监测进入转化器的H2S/SO2=2?n根据测定值随时调节空气量。根据测定值随时调节空气量。化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工61n 有机硫损失有机硫损失n燃烧时可生成燃烧时可生成COS(硫化羟硫化羟)，CS2，若不处理则随尾气，若不处理则随尾气排出造成排出造成S损失。采取的措施是：提高一级转化反应温度损失。采取的措施是：提高一级转化反应温度至至371 C，使发生下列反应，使发
44、生下列反应n COS+H2O H2S+CO2n CS2+2H2O 2H2S+CO2n 转化气的冷凝和液硫雾滴的捕集转化气的冷凝和液硫雾滴的捕集n末级冷凝器出口温度应尽可能低，一般为末级冷凝器出口温度应尽可能低，一般为127 C,一定一定要安装除雾器。该部分操作能否将硫较完全回收是影响要安装除雾器。该部分操作能否将硫较完全回收是影响转化率的关键。也是转化率的关键。也是S损失的主要部位。损失的主要部位。化工工艺学化工工艺学第第6章章 天然气化工天然气化工62n硫磺回收的尾气处理硫磺回收的尾气处理n克劳斯法回收硫磺后，尾气中仍含克劳斯法回收硫磺后，尾气中仍含3 7%的硫化物，必的硫化物，必须处理后才
45、能达到排放标准。须处理后才能达到排放标准。n处理方法常有两类：处理方法常有两类：斯科特法和克劳斯波尔法斯科特法和克劳斯波尔法。n(1)斯科特法斯科特法n使用较多，技术较成熟。使用较多，技术较成熟。CO240%的尾气都可处理。的尾气都可处理。硫的总回收率可达硫的总回收率可达99.9%。n基本原理：用基本原理：用CoO-MoO3-Al2O3作催化剂作催化剂将尾气中将尾气中SO2等硫化物转化成等硫化物转化成H2S，再用，再用二异丙醇胺溶液吸收二异丙醇胺溶液吸收H2S，然后经再生返回燃烧炉。，然后经再生返回燃烧炉。n流程图如图流程图如图6.24（略略）.化工工艺学化工工艺学第第6章章 天然气化工天然气
46、化工6364n(2)克劳斯波尔法克劳斯波尔法(自学自学)n在在羧酸盐羧酸盐催化剂作用下，低温下用催化剂作用下，低温下用聚乙二醇聚乙二醇等溶剂与尾等溶剂与尾气反应，使气反应，使H2S与与SO2转化成单质硫。然后再分离循环。转化成单质硫。然后再分离循环。实际上是克劳斯法回收硫磺的延续过程，液相反应得到实际上是克劳斯法回收硫磺的延续过程，液相反应得到单质硫。生成的液相产品还可根据市场需要调整。也可单质硫。生成的液相产品还可根据市场需要调整。也可不生成或少生成单质硫，生成硫代硫酸钠等产品。不生成或少生成单质硫，生成硫代硫酸钠等产品。n总回收率可达总回收率可达98.5 99.3%。n但尾气中的有机硫不能
47、回收。但尾气中的有机硫不能回收。n流程图如图流程图如图6.25.n冷床吸附法冷床吸附法化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工65图图图图 6.256.25化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工666.3 天然气提氦天然气提氦Helium picked up from natural gasn6.3.1 氦气的性质、用途及来源氦气的性质、用途及来源n性质性质：稀有惰性气体、扩散性和导热性好，密度和溶解：稀有惰性气体、扩散性和导热性好，密度和溶解度低，蒸发潜热低。度低，蒸发潜热低。n用途用途：高温加工保护剂、低温超导技术的致冷剂、激光：高温加工保护剂、低温超导技术的致冷
48、剂、激光源、火箭和导弹技术中的燃料压送剂、冷式核反应堆的源、火箭和导弹技术中的燃料压送剂、冷式核反应堆的导热剂。导热剂。n氦的氦的来源来源主要有：主要有：n空气分离空气分离n从天然气提取，为重要来源从天然气提取，为重要来源。因为空气中氦含量很少。因为空气中氦含量很少。化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工676.3.2 天然气提氦工艺天然气提氦工艺n1.低温冷凝法提氦工艺低温冷凝法提氦工艺n主要工序：主要工序：加压加压降温降温液化液化分离粗氦分离粗氦精制精制n(1)工艺流程工艺流程n分为提浓部分和精制部分，两部分流程如图分为提浓部分和精制部分，两部分流程如图6.26,6.27.n
49、提浓部分操作过程：提浓部分操作过程：n含氦天然气经分离脱水脱硫脱含氦天然气经分离脱水脱硫脱CO2提氦系统进一步脱提氦系统进一步脱水水 分子筛脱分子筛脱CO2 冷却到冷却到-107-112 C 氦气提氦气提浓塔浓塔 塔顶粗氦塔顶粗氦 塔底蒸发出溶解的氦后作冷源。塔底蒸发出溶解的氦后作冷源。化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工68图图 6.26 化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工脱水脱硫脱水脱硫脱脱CO2进一步进一步脱水脱水分子筛脱分子筛脱CO2冷却到冷却到-107-112 C氦气提浓塔氦气提浓塔塔顶粗氦塔顶粗氦塔底蒸发塔底蒸发出溶解的出溶解的氦后作冷氦后作冷源源
50、69n精制部分操作过程：精制部分操作过程：n先用钯活性氧化铝作催化剂除去粗氦中的氢先用钯活性氧化铝作催化剂除去粗氦中的氢(1)加压到加压到15MPa(5)冷凝除去氮和残余甲烷冷凝除去氮和残余甲烷(11)用活性碳吸附用活性碳吸附残余氦得残余氦得99.99%精氦精氦(12)。图图图图 6.27 6.27 化工工艺学第化工工艺学第6章章 天然气化工天然气化工70(2)主要技术参数主要技术参数n净化部分净化部分：n原料气干燥后水含量原料气干燥后水含量10-5;分子筛吸附净化后分子筛吸附净化后CO2含量含量5 10-6 10-5.n提浓部分提浓部分：n原料气压力原料气压力3.0 3.3MPa;粗氦冷凝分