某三甘醇天然气脱水工艺设计—重沸器设计

重庆科技学院课程设计报告院（系）:_石油与天然气工程学院_专业班级:油气储运学生姓名:学号:设计地点（单位）__________K713___________设计题目:某三甘醇天然气脱水工艺设计—重沸器设计完成日期：年月日指导教师评语:_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________成绩（五级记分制）:________________指导教师（签字）:________________-1-摘要从地层开采出来的天然气含有游离水和气态水。对于游离水，由于它是以液态方式存在的，天然气集输过程中，通过分离器就可以实现分离；但气态水，由于它在天然气中以气态方式存在，运用分离器不能完成分离。而这些气态水又会在天然气管道输送管道中随着温度压力的改变而重新凝结成液态水。液态水的存在会导致水合物的生成和液态本身堵塞管路、设备或降低它们的负荷，引起二氧化碳、硫化氢的酸液腐蚀。因此，为满足管输和用户的需求，脱出天然气中的水分是十分必要的。目前常用的天然气脱水方法为吸收法脱水。用作脱水吸收剂的物质应对天然气中的水蒸气有很强的亲合能力，热稳定性好，脱水时不发生化学反应，容易再生，蒸汽压低，粘度小，对天然气和液烃的溶解度较低，起泡和乳化倾向小，对设备无腐蚀性，同时还应价格低廉、容易得到。目前广泛采用的是甘醇类化合物。关键词：三甘醇重沸器再生-2-目录绪论1.设计参数1.1基础资料1.2三甘醇物性参数2.甘醇脱水原理及流程2.1甘醇脱水的基本原理2.2三甘醇吸收脱水流程2.3三甘醇的再生方法3.重沸器的设计3.1重沸器的分类及选用3.2重沸器设计计算3.2.1三甘醇的定性温度3.2.2负荷热及传热面积3.3.3火管、壳体尺寸确定3.3重沸器设计结果4.结论5.参考文献-3-绪论本次课程设计是在学习完本学期的天然气集输工程课程以后开启的，自己本身已经有了一定的专业知识。油气储运工程研究的方向众多，本次设计的课题主要是天然气的脱水再生系统。目前天然气的脱水方法主要有直接冷却法、溶剂吸收脱水法、固体吸附脱水法以及膜法脱水。本课题采用的是应用最为广泛的三甘醇吸收法脱水。天然气三甘醇脱水的主要设备有吸收部分的过滤分离器、吸收塔，再生部分的闪蒸罐、三甘醇过滤器、精馏柱、重沸器、缓冲罐以及甘醇循环泵。为了对天然气三甘醇脱水系统有一个更为全面的了解，综合利用所学知识进行天然气三甘醇脱水系统装置的工艺设计。通过学习和训练，能了解三甘醇脱水的基本理论和技术，掌握三甘醇脱水的设计思路及方法。而本课题的主要目的是通过对天然气三甘醇再生系统中的重沸器的设计试自己对三甘醇脱水再生系统有更进一步的认识，对重沸器的工作原理、尺寸结构、运行工况有一定的掌握，能够根据三甘醇脱水再生系统的工况简单分析一些在系统运行中常见的问题，并给出相应的解决方案。-4-1.设计参数1.1基础资料天然气组成如下表：表1-1原料气处理量：40×10㎥/d原料气露点：30~36℃原料气压力：6MPa（g）拟建天然气脱水装置产品气为干净化天然气，该产品气质量符合国家标准《天然气》（GB17820-1999）中二类气的技术指标。其有关参数如下：组成%（摩尔）CH498.51C2H60.423C3H80.121i-C4H100.012n-C4H100.024i-C5H120.023n-C5H120.024n-C6H140.012N20.493H20.06O2+Ar0.015CO20.087H2S0.012H2O0.325合计100.00-5-产品气质量40×104m3/d产品气温度≤40ºC产品气压力1.9~2.1mpaH2S含量≤20mg/m3总硫含量（以硫计）≤200mg/m3CO2含量≤3%水露点≤-8ºC(在2.1mpa条件下)1.2三甘醇物性参数表1-2性质三甘醇分子量150.2冰点.℃-7.2闪点.℃165.8沸点（101.325kPa）.℃287.4与水的溶解度（20℃）完全溶解绝对粘度（20℃）47.8比热（15.6℃）2.06表面张力（25℃）N/m0.045临界压力3304.6临界温度442.2理论热分解温度206.7实际使用再生温度177-197-6-2.甘醇脱水原理及流程2.1甘醇脱水的基本原理甘醇是直链的二元醇,可以与水完全溶解。从分子结构看，每个甘醇分子中都有两个羟基。羟基在结构上与水相似，可以形成能和电负性较大的原子相连的氢键，包括同一分子或另一分子中电负性较大的原子，这使得甘醇与水能够完全互溶。这样，甘醇水溶液就可将天然气中的水蒸气萃取出来，并形成甘醇稀溶液，使天然气中水汽量大幅度下降。2.2三甘醇吸收脱水流程三甘醇脱水工艺主要由和再生两部分组成。图1-1是三甘醇脱水工艺的典型流程。含水天然气（湿气）先进入原料气过滤分离器，以除去气体中携带的液体和固体杂质，然后进入吸收塔。在吸收塔内原料气自下而上流经各塔板，与自塔顶向下流的贫甘醇液逆流接触，甘醇液吸收天然气中的水汽，经脱水后的天然气（干气）从塔顶流出。吸收了水分的甘醇富液自塔底流出，与再生塔顶部的水蒸气换热后进入三甘醇闪蒸罐，分离出被甘醇溶液吸收的烃类气体后，依次经过纤维过滤器（固体过滤器）和活性炭过滤器，除去甘醇溶液在吸收塔中吸收与携带过来的少量固体、液烃、化学剂及其他杂质，以防止引起甘醇溶液起泡、堵塞再生系统的精馏柱或使再沸器的火管结垢。过滤后的富三甘醇溶液进入三甘醇缓冲罐，与贫液换热后注入到再生塔中对富液进行提浓转换为贫液-7-后，经缓冲罐换热并水冷，由泵打入吸收塔循环使用。图1-12.3三甘醇的再生方法三甘醇脱水的各种流程，其吸收部分大致相同，所不同的是甘醇富液的再生方法，由于贫甘醇的浓度直接影响装置的脱水效率，因而多年来三甘醇脱水工艺的改进都以提高甘醇贫液浓度、增大露点降为目的。20世纪40年代末，多采用常压再生方法，即只靠加热方式提浓三甘醇。因为三甘醇的加热温度受到热降解的限制，此法只能将三甘醇的贫液浓度提高到98.5%（质）左右。相应的露点降为35℃。为了进一步提高三甘醇的贫液浓度，在常压再生的基础上还可以采用以下的再生方法：第一，减压再生。减压再生是降压再生塔的操作压力，以提高甘醇溶液的浓度。但是减压系统比较复杂，限制了该方法的使用。第二，气体气提。气体气提是将甘醇溶液同热的气提接触，汽提气可搅动甘醇溶液，-8-使滞留在高粘度甘醇溶液中的水蒸气逸出，同时也降低了水蒸气压力，使更多的水蒸气从再沸器和精馏柱中脱出，从而将贫甘醇中的甘醇浓度进一步提浓到了99.995%（质），干气露点可降到-73~-97℃，此法是现行三敢醇脱水装置中应用较多的再生方法。其典型的流程图如图2-2。气提气排到大气，会产生污染，也增加了生产费用，对此需要有相应的措施。第三，共沸再生。共沸再生是70年代初发展起来的，该法采用共沸剂应具有不溶于水和三甘醇，同水能形成低沸点共沸物，无毒，蒸发失小等性质，最常用的是异辛烷。共沸再生流程如图2-2。共沸剂与三甘醇溶液中的残留水形成低沸点共沸物汽化，从再生塔顶流出，经冷凝冷却后，进入共沸物分离器，分去水后，共沸剂用泵打回重沸器。改法可将甘醇溶液提浓到99.99%（质），干气露点达73度。共沸剂在闭路中循环，损失量很小，此法无大气污染问题，节省了有用的气提气，增加的仅是共沸剂汽化所需的热量和共沸剂分离及循环泵。图2-2-9-3.重沸器的设计3.1重沸器的分类及选用重沸器又称再沸器，顾名思义是使液体再一次汽化。根据重沸器的型号、安装位置、运行方式可分为六种形式：（1）釜式重沸器；（2）强制循环重沸器；（3）单程循环热虹吸式立式重沸器；（4）；（5）单程循环热虹吸式卧式重沸器；（6）自然循环热虹吸式卧式重沸器。这六种重沸器的优缺点如图3-1所示。图3-1重沸器的选用设计取决于下列因素：（1）重沸器进料的流动形式和进料的气化率（2）重沸器进料的粘度（3）为重沸器提供进料的塔内液位重沸器的选用程序如图3-2所示：-10-图3-2根据本次课题的实际情况，选用AKT釜式重沸器。各部分材料选择如下：壳体、箱管以及封头选用低合金钢16MnR；火管材料为20R；法兰和螺栓选用16MnR和35GrMoA。3.2重沸器设计计算3.2.1三甘醇的定性温度根据工艺流程，三甘醇富液换热后经精馏柱进入重沸器，换热后的温度为149℃。又三甘醇的理论热分解温度为204℃，根据经验数据，重沸器的温度一般设置为188℃--199℃，所以，定义重沸器最高温度为199℃。则三甘醇的定性温度按下列公式计算：）（＋210tt21t式中0t——三甘醇的定性温度，℃1t——三甘醇进入重沸器的温度，℃2t——三甘醇在进入重沸器内达到的最高温度，℃-11-将21tt、带入公式，算得三甘醇的定性温度为：℃）＋（）＋（17419914921tt21t2103.2.2负荷热及传热面积根据三甘醇的定型温度174℃以及三甘醇浓度为98.5%，可以在图3-3中查出相应状态下的三甘醇的密度30mkg1000，并且在图3-4中查出三甘醇的比热为℃kgkJC8.20。图3-3-12-图3-4又因为在本套装置中甘醇的循环量为hm491.03，则再生系统中三甘醇的热负荷按下式进行计算：）－120tt(WCQ式中Q——三甘醇负热，WkW——三甘醇的质量流量，skg0C——定性温度下的比热，℃kgkJ将0CWQ、、带入公式，算得三甘醇的负热为：WWCQk1.19149-1998.210003600491.0tt(210）（）－在重沸器的运行中会有热量损失，考虑到重沸器的热效率及各方面原因之后，为保效率与安全，决定重沸器的负热为甘醇负热的1.1倍，则重沸器的热负荷为；WQQk211.10-13-根据算出的重沸器的负热可以计算重沸器火管的传热面积，其换热面积公式为：q0QF式中F——火管传热面积，2mq——火管表面平均热通量，2mkW该流程选用的重沸器为直接火管直接加热，SY/T0076-2008《天然气脱水设计规范》中规定重沸器火管表面平均热通量的正常范围是Wk19~18，所以火管表面热通量取kW20。则算得火管的换热面积为：㎡05.12021q0QF3.2.3火管、壳体尺寸确定重沸器中设置的是U型火管，则火管的外径可按照下式进行计算：LFDn式中D——火管直径，mmn——火管管程数L——火管长度，m根据GB151-2014《热交换器》中的规定，在本课题中火管长度取3m，则算得火管的直径为：m12.0314.3105.1nLFD-14-根据规范中推荐的系列，决定采用mm150D。根据SY/T0540-2006《加热炉型式与基本参数》取火管设计压力为pa6.1M，则火管的管壁厚度能由下式算得：21-2pCCPDt式中——火管厚度，mmP——火管设计压力，paMD——火管的直径，mmt——设计温度下材料的许应力，paM1C——材料厚度负偏差，mm2C——腐蚀余量，mm根据工艺，查GB150-2011《钢制压力容器》得出低合金钢16MnR，试验温度下的屈服点pa3450M，试验温度许用应力pa170eM，在200℃时许用应力pa168t0M，将相关数据带入公式，算得火管厚度为：mm5.438.06.1-16821506.1p-2p21tCCD经圆整过后，决定选择mm8。所以，本次设计中火管规格为8150，火管选型为mm3000150DN。本次设计中取重沸器的工作压力为pa2.0M，根据规范圆筒设计压力取p