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1、天然气脱水,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,第 六 章,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,6.1 天然气含水量计算,绝对湿度（e）：每立方米天然气所含水汽克 数，g/M3。饱和含水量（es）：一定条件下，天然气与液态水达到相平衡时，天然气中的含水量，g/M3。相对湿度：,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,6.1.1
2、 天然气的含水量,露点：在一定压力条件下，同天然气饱和含水量es相对应的温度。它是指在一定压力下天然气中水蒸气开始冷凝结露的温度。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,6.1.2 天然气饱和含水量计算方法,1.图解法 2.实验法：露点法、K-F法 3.状态方程法,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Ri
3、ghts Reserved,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,上式只适宜非酸性天然气或酸性气体含量小于5%的天然气确定含水量，而对于酸性天然气，则需要进行必要的校正。,式中：W为校正后的含水量 Co：为相对密度校正系数；Cs：为含盐量校正系数；Wo：为相对密度为0.6的天然气含水量。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学
4、石油加工所 All Rights Reserved,酸性天然气含水量,算法1：w=yH2OwH2O+yCO2wCO2+yH2SwH2S wH2O:图8-1 wCO2：图8-2 wH2S：图8-3,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,算法2：1)将酸性天然气中CO2的量折算成H2S的量 折算方法：假定CO2摩尔分率的影响为H2S的0.75，即H2S的当量浓度为H2S的实际浓度加上0.75倍CO2的实际浓度。,油气集输,Oil and
5、Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,2)以H2S的含量和温度条件作为参数查取一点，过该点作垂线交等压线(压力条件)于一点，再过此点作水平线便可查得一个因子(R)的值，该因子为酸性天然气的含水量与非酸性天然气含水量之比。即：,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,从而可以估算酸性天然气的含水量,油气集
6、输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,6.2 天然气水合物,天然气水合物：在一定温度、压力条件下，天然气中某些组分能和液态水形成化合物。在水合物中水分子与气体分子结合的数量不是恒定的，它与气体分子的大小、性质以及晶格中孔室被气体分子充满的程度等因素有关。如：CH46H2O，C2H68H2O，C3H817H2O，H2S6H2O，CO26H2O。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天
7、然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,它们是一种白色结晶固体，外观类似松散的冰或致密的雪，密度为0.880.90g/cm3。,水合物形成的条件 1)气体处于水汽的过饱和状态或有液态水存在；2)足够高的压力和足够低的温度；3)在上述条件下，气体压力波动或流向突变产生搅动、或有晶种存在就能促进产生水合物。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,脱水目的：使天然气在最高输送压力
8、和管线周围环境历年最低温度下，仍未达到天然气中残留水分的露点，以防止气体水化物的形成。一般情况下要求管输天然气的露点比最低环境温度低5 15。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,天然气水合物生成条件,预测生成水合物的条件：1)图解法：2)平衡常数法：3)热力学模型法：,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 Al
9、l Rights Reserved,防止水合物生成的方法,1.加热2.水合物抑制剂 热力学抑制剂：氯化物，甲醇类 动力学抑制剂,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,天然气水合物 21世纪的新能源,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,6.1.2 天然气吸附脱水,国外天然气脱
10、水的主要方法有甘醇法(TEG,DEG等)、固体吸附法(分子筛、活性氧化铝、硅胶等)、氯盐溶液法(CaCl2 等)及膜分离技术。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,其中三甘醇(TEG)法是应用最广泛的方法，美国的甘醇脱水装置中有85%使用TEG，美国各气田正在运行的天然气三甘醇脱水装置达40,000多套.分子筛常用于需要深度脱水的场合;而CaCl2水溶液法则在边远、严寒地区使用。,油气集输,Oil and Gas Gathering
11、 and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,以膜分离为主要技术内容的天然气干法净化技术近年来在美国等发达国家发展迅速。美国Separeax,Grace和Air Product等公司相继研制开发出了适合其市场需求的膜技术、膜产品及工艺装置，并进行了大量的工业性试验。膜法脱水在美国、加拿大、日本等国家已进入工业应用。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights
12、 Reserved,我国的天然气脱水采用了不同的方法，其中以二甘醇(DEG)和三甘醇(TEG)法比较普遍，前者用于油田气，后者用于气田气。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,除TEG脱水装置外，四川还有与轻烃回收或氦气分离装置配套的分子筛脱水装置、硅胶一分子筛复合床天然气脱水装置在运行，干气含水量均在5mg/rn3以下。这些固体吸附法通常在需深度脱水，即要求很低的水露点的场合才使用。,油气集输,Oil and Gas Gather
13、ing and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,天然气膜分离脱水工艺在国内还处于小范围的工业性试验阶段，未有广泛的应用。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,6.1.2.1 吸附法脱水 一、吸附法：利用气体在固体表面上积聚的特性，使某些组分吸附在固体吸附剂表面，进行脱除。根据表面吸附力的性质可将吸附过程分为物理吸附和化学吸附。,
14、油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,物理吸附主要是利用范德华力和色散力，吸附热小。物理吸附是一个可逆过程，可以通过改变温度和压力的方法改变平衡方向，达到吸附剂的再生。应用实例：天然气分子筛脱水。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,二.吸附过程特点：选择性高：由于固体内外
15、表面凹凸不平，而且不同固体表面的分子具有不同的特性，其吸附力也不同，因此不同吸附剂对不同吸附质的吸附效果有很大差别。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,分离效果佳：由于固体吸附剂具有很大的内表面，吸附速度快，吸附作用进行的完全，因此可以有效的回收浓度很低的溶质或清除浓度很低的有害物质。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大
16、学石油加工所 All Rights Reserved,由于固体吸附剂吸附容量小，因此处理量大时，分离设备体积庞大。由于吸附剂是固体，因此装卸、运输及处理不利，设备结构复杂。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,三.吸附剂1.对工业吸附剂的要求 有高度选择性 有巨大内表面 有高的吸附活性 有一定的机械强度和物理特性 有良好的化学稳定性、热稳定性 原料充足、制备简单、生产成本低、价格便宜,油气集输,Oil and Gas Gatheri
17、ng and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,2.工业常用吸附剂活性氧化铝硅胶：SiO2nH2O分子筛：水合硅铝酸的晶体，M2/nOAl2O3xSiO2yH2O 各种活性土(酸性白土、硅藻土等)：硅铝酸盐各种特定的活性炭合成树脂（聚苯乙烯，聚丙烯酸酯和聚丙烯胺的高聚物）,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,3.吸附剂的再生变温脱
18、附变压脱附变浓度脱附（溶剂置换）冲洗脱附,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,四.吸附理论1.吸附平衡吸附平衡：在一定温度、压力条件下，气固或液固两相经充分接触，最后吸附质在两相中达到平衡，此时达到吸附速率和脱附速率相等的动态平衡。平衡吸附量是吸附量的极限，其数值常用吸附等温线表示。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石
19、油加工所 All Rights Reserved,单组分气体在固体表面的吸附Langmuir方程：固体表面均匀的单分子层吸附。BET方程：多分子层吸附。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,双组分气体在固体表面的吸附,吸附分离因素：,用某种吸附剂来分离某种气体混合物时，其分离因素必须大于1，越大越易分离。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright
20、2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,2.吸附速率,吸附过程：吸附组分由流体主体 固体颗粒外表面 固体颗粒内表面 吸附吸附组分A外扩散速率：,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,吸附组分A内扩散速率：固体吸附本身速率,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights R
21、eserved,固体吸附速率,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,3.吸附热物理吸附是一个放热过程，吸附剂从开始吸附到吸附一定量吸附质时，放出的全部热量，称为积分吸附热。可以通过实验测定。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,三.天然气吸附法脱水工艺流程：半连续操作的固定
22、床吸附，P256，图7-5。工艺参数：吸附：温度:50，高于原料气水化物形成温度 压力：系统压力,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,再生：温度：200300。压力：系统压力 再生气流量：原料气的515%。再生时间：再生周期：冷却：,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,6
23、.1.2.2 吸收法脱水,一.吸收法：利用适当的液体吸收剂处理气体混合物以除去其中的一种或多种组分的操作。在气体吸收中，一般对吸收后的溶液进行解吸，使溶剂再生循环使用。应用实例：三甘醇脱除天然气中的水。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserve
24、d,三甘醇优点：沸点高：再生温度高，贫液浓度高，露点降大。蒸汽压低，携带损失小 热力学性质稳定 操作费用低,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,主要设备：1.原料气进料分离器2.吸收塔1.闪蒸罐2.过滤器3.贫/富液换热器4.精馏塔5.
25、重沸器,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,工艺参数进料天然气27 38去吸收塔贫液高于气体温度3-8 甘醇溶液进闪蒸罐38 93，推荐65 甘醇溶液进过滤器38 93，推荐65 去精馏塔甘醇93 149，推荐149 重沸器177 20
26、4，推荐193 去泵甘醇 93，推荐82 精馏塔顶部99，有汽提气时可低一些,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,进料气压力和温度实践证明，当吸收塔的操作压力小于17.3MPa时，吸收塔顶流出的干天然气的露点温度基本上和吸收塔的操作压力关系不大，操作压力每提高0.7MPa时，露点只降低0.5，从工作压力和设备投资两方面来考虑，3.5-8MPa的操作压力是最经济的。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Tra
27、nsportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,对入口气体温度来说，过高会增加脱水量，当超过48还会导致三甘醇的损失增大;过低则会造成三甘醇的发泡。吸收塔的操作温度应控制在27 38的范围之内。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,TEG溶液循环量与露点降的关系脱除每公斤水所需的TEG循环量大致在17-58L之间，确定循环量也要同时考虑TEG的浓度和
28、吸收塔板数，在操作温度和操作压力不变时，这三者的关系如下:(1)循环量和塔板数固定时，TEG浓度越高则露点降越大，这是提高露点降最有效的途径。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,TEG溶液浓度与露点降的关系,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,(2)循环量和TEG浓度固
29、定时，塔板数越多则露点降越大，但一般都不超过10块实际塔板。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,(3)塔板数和TEG浓度固定时，循环量越大则露点降越大，但循环量升到一定程度后，露点降的增加值明显减少，而且循环量过大会导致重沸器超负荷，动力消耗过大，故最高不超过58L/kg H2O.,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石
30、油加工所 All Rights Reserved,提高TEG溶液浓度的途径,常压再生条件下，贫液中TEG浓度就决定于重沸器温度。由于TEG的热分解温度为206,因而重沸器操作温度一般在190204之间，最高不超过204。这样，相应的贫液中TEG浓度的质量分数在98%左右，要进一步提高浓度必须采取其它措施，具体有减压再生、气体汽提和共沸再生等。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,气体汽提再生,气体汽提是将甘醇溶液同热的汽提气接触，以
31、降低溶液表面的水蒸气分压，从而使水蒸气更容易从甘醇溶液中分离出来，使甘醇溶液得以提浓。此法是现行三甘醇脱水装置中应用最多的一种方。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,油气集输,Oil and Gas Gathering and Tra
32、nsportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,共沸再生,共沸再生是70年代初由美国杜邦公司提出的措施，称为Drizo法，共沸法再生后贫TEG溶液的浓度质量分数最高可达99.99%，干天然气的露点可降至一73。共沸物损失量很小，操作也很方便。天然气脱水工业装置上再生TEG溶液最常用的共沸剂是异丁烷。,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,油气集输,Oi
33、l and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,6.1.2.3 脱水工艺的选择,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,（思考题）,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,（思考题）,油气集输,Oil and Gas Gathering and Transportation,六 天然气脱水,Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved,（思考题）,
