天然气工程-11

天然气预处理及轻烃回收第十一章第十一章天然气预处理及轻烃回收第一节天然气预处理和轻烃回收的目标第二节天然气净化技术第三节天然气轻烃回收工艺第一节天然气预处理和轻烃回收的目标一、天然气预处理l天然气预处理：天然气脱水、脱H2S和CO2的矿场工艺过程，也是天然气净化过程、矿场初加工的预处理过程。二、轻烃回收◆轻烃回收：回收天然气中C2以上的轻质组分。◆轻烃回收的产品l乙烷l液化石油气(LPG)：为C3～C4的烃类化合物l凝析油：C5+以上（C5+）的烃类天然气凝液（NGL）：分离塔得到的C2+的烃类混合物天然气的初加工工艺过程：主要是天然气凝析液的分离加工三、天然气利用◆天然气利用主要指把天然气及初加工产物经过裂解、气化、分离、抽提、合成、聚合和缩聚等工艺过程获得二次以上产品并增加附加值的工艺过程。◆产品l8大基础原料：乙烯、丙烯、丁烯、乙炔、苯、甲苯、二甲苯和萘l14种有机原料:甲醛、乙醇、乙醚、乙醛、醋酸、环氧乙烷、环氧氯丙烷、甘油、异丙醇、丙酮、丁醇、辛醇、苯酸和苯酐l3大合成材料：塑料、合成橡胶和合成纤维l其它：化肥、农药、合成药物、染料、涂料、溶剂和助剂第二节天然气净化◆天然气净化的目的将天然气中的水、H2S和CO2等成份的含量降至工业和民用商品天然气所要求的指标，且符合环境法规的要求。◆包括四类工艺处理天然气脱水、脱H2S和CO2(酸气)、硫磺回收和废气处理国别英国荷兰法国美国我国企业BritishGas第二组GasNniGazdeFranceAGASY7514–88I(d)IIH2Smg/m35575.7620硫醇硫mg/m36/16(a)1516.911.5––––总硫mg/m3120/125(a)15015022.915027CO2mol%21.53-(c)––O2mol%0.5/3(b)0.50.5-(c)--水露点/含量C/mg/m3管线压力下地面温度-10//55/110无游离水烃露点℃管线压力下地面温度-5/––––––––部分国家天然气气质标准与我国气质标准比较表一、脱水工艺简介◆天然气中水的危害l水可与天然气生成水合物而堵塞设备、管线；l天然气中的酸气溶于水，会增加对设备、管线的腐蚀；l冷凝水和杂质水局部聚集会降低管线输气量；l水的存在会增加不必要的动力消耗。一、脱水工艺简介◆天然气脱水的方法l溶剂吸收法l固体吸附法l直接冷却法l化学反应法天然气工业常用的是溶剂吸收法和固体吸附法1、溶剂吸收法(2)适用范围l大型天然气液化装置中脱出大部分水分；l露点降仅为22～28℃；l露点降：同一压力下，被水汽饱和的天然气水露点温度与经过脱水装置后同一气流的水露点温度之差。(1)脱水原理根据天然气和水在脱水溶剂中的溶解度不同来吸收其中的水份，实现天然气的干燥。(3)用作脱水的吸收溶剂应具备的性能l对水有高的亲合力，具有较高的脱水深度；l对天然气和烃液体具有较低的溶解度；l蒸汽压低，对化学反应和热作用稳定；l容易再生，价格低廉，易于取得；l粘度小，发泡和乳化倾向小。(4)常用的脱水吸收剂甘醇化合物和金属氯化物盐溶液l甘醇化合物二甘醇(DEG)、三甘醇(TEG)、四甘醇(TREG)l金属氯化物盐溶液CaCl2水溶液、氯化锂水溶液在实际工业应用中，三甘醇最普遍(5)溶剂吸收法基本流程闪蒸罐缓冲罐游离液体泵过滤器富甘醇贫甘醇蒸馏塔甘醇吸收塔水蒸气闪蒸气干气原料气重沸器2、固体吸附法(1)脱水原理吸附剂的选择性吸附(2)用作脱水的吸附剂应具有的性质l多孔性的、具有较大吸附表面积；l对被吸附介质具有选择性；l机械强度高，化学稳定性好；l能够不断地重复再生使用，寿命长；l无腐蚀性、无毒、化学惰性，价格低廉。2、固体吸附法(3)常用吸附剂活性铝土矿、活性氧化铝、硅胶、分子筛(4)特点l深度脱水；l水露点可降至-73℃以下。(5)流程（参见272页）一般采用双塔流程，一塔工作，一塔再生和冷却3、直接冷却法l原理经过换热降低天然气的温度，使水汽冷却后，凝析出来。l冷却措施氨循环制冷、节流膨胀、膨胀机制冷◆天然气中酸气的危害l天然气常含有硫化氢、二氧化碳和有机硫化物。由于水的存在，这些气体组分将生成酸或酸溶液，造成输气管道和设备的严重腐蚀；l天然气中的硫化物及其燃烧产物会破坏周围环境，损害人类健康；l二氧化碳的存在会降低天然气的热值。二、脱酸气方法简介二、脱酸气方法简介◆干法和湿法两大类（1）干法l采用固体脱酸吸附剂脱酸l吸附剂：天然泡沸石，分子筛和海棉状氧化铁l适用于井站自用气和小量生活用气脱酸二、脱酸气方法简介（2）湿法（采用各种液体溶液脱酸剂脱酸）◆化学吸收法（氨溶液即醇氨法、碱性盐溶液、氨基酸盐）基于可逆化学反应。吸收剂在吸收塔内与H2S和CO2反应，在解吸塔内用提高温度或降低压力的办法使反应向相反方向进行。◆物理吸收法（N甲基咯烷酮、碳酸丙烯脂、磷酸三丁酯、丙酮、甲醇）基于吸收剂的选择性吸收来分离抽取天然气中酸性组分。◆复合法脱酸气（Sulfinol法即砜胺法）同时使用混合的化学和物理吸收剂。Sulfinol法，使用环丁砜和任一化学吸收剂相组合的溶液作为脱硫剂，Sulfinol溶液通常是由环丁砜、二异丙醇胺和水组成◆直接氧化法吸收剂（碱金属砷盐溶液等）毒性太高。第三节天然气轻烃回收工艺◆主要方法及回收率概述◆节流膨胀基本工艺◆透平膨胀基本工艺◆常温高压分离一、主要方法及回收率概述◆天然气轻烃回收的概念从天然气中回收乙烷以上的轻质烃类◆四大类方法l压缩法l吸附法l吸收法(常温和低温油吸收法)l冷凝分离法（冷冻法）目前主要采用冷凝分离法（节流膨胀、透平分离）吸附法：利用多孔性固体吸附剂的选择性吸附性能，即对烃类组分吸附能力强弱的差异实现天然气中重组分与轻组分的分离。表现为吸附剂对重烃优先吸附而从湿天然气中回收较重烃类。一、主要方法及回收率概述吸收法：传统方法以油吸收为主，基于天然气中各组分在吸收油中溶解度的差异而使轻、重烃组分得以分离。按吸收操作温度的不同分常温油吸收法和低温油吸收法（冷油吸收法）两种。一、主要方法及回收率概述吸收法：冷油吸收法：基于低温有利于吸收的原则，在较高压力下，用外部冷冻装置将吸收油冷却至一定温度后与原料天然气直接接触，将天然气中轻烃洗涤吸收下来，然后在较低压力下将轻烃解吸出来，解吸后的贫油循环使用。一、主要方法及回收率概述一、主要方法及回收率概述l利用天然气中各组分冷凝温度不同的特点，在逐步降温过程中依次将较高沸点烃类冷凝分离出来。冷凝分离法：l冷凝过程为部分冷凝过程。天然气中含有大量低沸点的甲烷，冷凝分离时主要将丙烷和丁烷等较重的轻烃冷凝下来,大部分的甲烷和乙烷并未冷凝。l根据天然气的组成以及要求回收液烃的程度不同，天然气的冷凝分离工艺有浅冷与深冷分离之分。浅冷分离：冷冻温度不低于–30℃，一般为15~-25℃，以回收丙烷为主要目的。深冷分离：冷冻温度达到–75℃～-130℃，以回收乙烷为目的或要求丙烷收率大于90%。冷凝分离法冷凝分离法l根据提供冷量的方式不同，可分为以下三种：外加制冷循环方法：直接冷凝法。由独立的制冷循环产生冷量提供。直接膨胀制冷方法：气体绝热膨胀法。所需冷量是由原料气或经过分离后的干气通过串入系统中各种型式膨胀制冷元件提供，不单独设置冷冻循环系统。混合制冷方法：前述两种方法的组合。冷量来自两部分：一部分由直接膨胀制冷提供，不足部分由外加制冷源提供一、主要方法及回收率概述方法产品回收率（%）C2C3C4C5+常温油吸收5407587低温油吸收15559095简单冷冻25759397阶式冷冻708595100JT阀节流709097100透平膨胀8597100100◆各种方法的产品回收率对照二、节流膨胀制冷分离基本工艺低温分离器分离器稳定塔甘醇提浓塔甘醇泵换热凝析油去油罐闪蒸气针形阀旁通换热混合室进气干气C1、C2、H2O甘醇甘醇、凝析油H2O节流膨胀轻烃回收流程工艺计算基本单元◆节流低温分离器l节流膨胀致冷低温分离原理；l节流膨胀模拟计算方法；l节流膨胀最佳操作条件分析。◆稳定塔l稳定塔计算原理；l模拟计算方法。(1)节流膨胀致冷低温分离原理-特点由稳定流动方程截面1截面2节流膨胀示意FWQZguH22两截面焓差动能截面高差吸热对气体作功(1)节流膨胀致冷低温分离原理-特点特点：节流前后体系焓值相等截面1截面2节流膨胀示意HH210l无能量供给第一项小于零；l第二项由于是压力降低也小于零。]))(()[(1TTpHppVpEC内能随压力的变化移动功随压力的变化(2)节流膨胀致冷低温分离原理-节流效应利用麦克斯韦关系式：αH0天然气节流后温度降低微分节流效应系数HHpT)((4)节流膨胀模拟方法进料p1，T1，H1p2T2V,yi,HVL,xi,HLH1=H2H2=(LHL+VHV)H2l等焓节流数学模型igilff21HH一般是已知zi、T1、p1、p2，求节流后T2、平衡气、液的量及组成。(4)节流膨胀模拟方法)(LVLHVH0)1(1)1(1niiiiVKKz(4)节流膨胀模拟方法基础数据入口条件下的焓H1计算给定出口压力p2和温度初值T2相平衡计算求H2和平衡液相的量L|H1-H2|＜ε重设T2否输出结果是(5)节流膨胀最佳操作条件分析l两种分析方法-恒定上游温度和压力，调节分离压力，以获得不同条件下回收量的比较；-恒定上游和节流后的分离压力，调节上游温度，以获得不同条件下回收量的比较。l规律-第一种方法，存在一最佳回收分离压力-第二种方法，回收量与温度降成正比(6)稳定塔计算l原理恒压、恒温条件下的相平衡l模拟计算方法等温闪蒸方法三、低温透平膨胀基本工艺气体处理入口分离脱甲烷塔透平膨胀机—压缩机膨胀机JT阀再压缩压缩机重沸器脱甲烷装置产品C2、C3、C4计量站商品天然气去销售换热器(1)透平膨胀分离原理-特点膨胀机的简单示意图有用功输出轴在T1，p1条件下入口气体出口气体在T2，p2下特点：气体膨胀对外作功而其熵值不变，膨胀后气体温度降低，且同时产生冷量。(2)透平膨胀分离原理-微分等熵膨胀效应l等熵膨胀效应气体等熵膨胀时，压力变化所引起的温度变化。l微分等熵膨胀效应气体等熵膨胀时，由微小压力变化所引起的温度变化。l等熵膨胀效应系数SSpT)(αs0温度降低(2)透平膨胀分离原理-微分等熵膨胀效应由麦克斯韦关系式：ppSTVCT0,0,0ppTVTC0S透平膨胀过程总是产生冷效应，温度总是降低(3)透平膨胀分离原理-积分等熵膨胀效应l实际等熵膨胀时，压降为一有限值；l积分等熵膨胀效应等熵膨胀时，有限压力变化所引起的温度变化。l在实际中，由于等熵膨胀前后为有限压降，故温降也为一有限值；2112ppsdpTTTl对于不同的天然气体系，在相同有限压降下，温降会有差异。有用功输出轴在T1，p1条件下入口气体出口气体在T2，p2下(4)低温透平膨胀模拟方法)(LVLSVS21SSl等熵膨胀焓降ΔHS是气体等熵膨胀开始状态(p1、T1)焓值H1与终了状态(p2、T2)焓值H2之差；21HHHS(4)低温透平膨胀模拟方法-绝热效率l实际压缩气体通过膨胀机进行绝热膨胀，对外作功的同时存在摩擦、泄漏和冷量损失等。因此，膨胀过程实际是熵增大的不可逆过程；l实际膨胀过程的焓差ΔH等于气体绝热膨胀开始状态的焓值H1与膨胀终了状态的焓值H2’的差值，即膨胀机对外的实际功：(4)低温透平膨胀模拟方法-绝热效率'21HHHl膨胀机绝热效率衡量膨胀过程偏离等熵过程的尺度21'21HHHHHHSS等熵膨胀数学模型igilff21SS(4)低温透平膨胀模拟方法)(2112HHHHS)(LVLSVS一般是已知zi、T1、p1、p2、ηS，求膨胀后T2、平衡气、液的量及组成。0)1(1)1(1niiiiVKKz(4)低温透平膨胀模拟方法基础数据入口条件下的焓H1和熵S1计算给定出口压力p2和温度初值T2相平衡计算求