本科毕业设计开题报告
题目：
550×104Nm3/d天然气脱水工艺 及装置初步设计
学生姓名 教学院系 专业年级 指导教师 单
位
任海燕
学 号
1004040308
化学化工学院 化学工程与工艺2010级
李敏
职 称
2014 年 3 月 19 日 天然气脱水工艺及装置初步设计
目录
1选题意义 ............................................................................................................................2 2 国内外研究现状及趋势[2] ................................................................................................2 3.主要研究内容 ....................................................................................................................4
3.1研究的主要问题 .....................................................................................................4 3.2解决问题的思路与方法 .........................................................................................4 3.3．拟采用的研究思路 ..............................................................................................7 3.4．设计的预期结果 ..................................................................................................7 4．设计的工作进度安排 .....................................................................................................7 参考文献 ...............................................................................................................................9
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西南石油大学本科毕业设计
1选题意义
随着世界经济迅速发展，人口急剧增加，能源消费不断增长，温室气体和各种有害物质的排放不断增加，我们的生存环境无可避免的损害着。石油煤炭为我们的发展提供着动力，却也污染者我们的环境，环保与发展成为一对矛盾。在这样的形势下，寻求清洁高热值可靠的能源成为当务之急。
天然气燃烧后产生的温室气体只有煤炭的1/
2、石油的2/3，对环境的污染远远小于石油和煤炭。煤气热值3000多大卡，天然气热值高达8500大卡，可见，天然气是一种高热值清洁能源。初步测算，全球天然气可采储量约为137亿吨石油当量，与石油基本相当。发展天然气工业成为世界各国改善环境和促进经济可持续发展的最佳选择。
刚从井里采出的天然气几乎都为气相水所饱和，甚至会携带一定量的液态水，而天然气中水分的存在往往会造成严重的后果 ，比如含有 CO2和 HS2的天然气在有水存在的情况下会形成酸而腐蚀管路和设备，减少管线的使用寿命；水分会在一定条件下与天然气形成水合物而堵塞阀门、管道和设备，严重时还会引起管道破裂等突发事故，造成天然气的大量泄漏和安全事故 ；天然气含水会降低管道输送能力 ，造成不必要的动力消耗。因此 ，水分在天然气中的存在是非常不利的，因此，必须将其脱出以达到气质指标或使用要求。[1] 2 国内外研究现状及趋势
传统的天然气脱水方法主要有低温分离、溶剂吸收和固体吸附三类 ，近年来一些脱水新方法新技术也得到了大力发展，比如膜分离法脱水、超音速脱水等。
天然气脱水的几种主要方法：
（1）溶剂吸收法
溶剂吸收法的原理为:利用溶剂对天然气、烃类的溶解度低， 而对水的溶解度高和对水蒸气吸收能力强的特点， 使天然气中的水蒸气及液态水被溶剂吸收， 然后再将吸水后的溶剂与天然气分离;吸水溶剂除水分再生后， 返回系统循环使用。目前, 国内外天然气脱水应用最多的方法是溶剂吸收法中的甘醇法。而国内普遍采用的是三甘醇法。
（2）固体吸附法
吸附法是用多孔性的固体吸附剂处理气体混合物， 使其中所含的一种或数种组分吸附于固体表面上以达到分离的操作。固体吸附法的工作原理根据机理不同而分为 2 种， 即物理吸附和化学吸附。物理吸附是指固体表面上的原子价已
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天然气脱水工艺及装置初步设计
饱和， 表面分子和吸附物之间的作用力是分子之间引力(即范德华力);而化学吸附则指固体表面原子价未饱和， 与吸附物之间有电子转移， 并形成化学键。物理吸附过程是可逆的，吸附和脱附可通过调节温度和压力改变平衡方向实现， 而化学吸附则不可逆， 吸附剂不能再生。因此， 用于天然气脱水的吸附过程多为物理吸附。
目前， 工业上常用的固体吸附剂有硅胶、活性氧化铝、分子筛。而分子筛具有更多的优点， 如吸附性选择性强， 具有高效吸附容量， 且使用寿命长， 并不易被液态水破坏， 因而得到了广泛应用。
（3）低温分离法
冷冻分离法的原理是利用天然气饱和含水汽量随温度降低、压力升高而减小的特点， 将被水汽饱和的天然气冷却降温或先增压再降温的方法脱水。冷却方法包括直接冷却法、加压冷却法、节流膨胀制冷和机械制冷等方法。冷冻分离法具有流程简单、成本低等优点， 特别适合用于高压气体。
该方法是国内气田中除三甘醇法外应用较多的天然气脱水方法， 长庆采气二厂、塔里木克拉2 等均采用冷冻分离方法脱水。冷冻分离法目前的主要问题为耗能高、水露点高等。
（4）膜分离法
膜分离技术的原理是利用物质通过半透膜的可释性机理， 其过程表现为混合物中各组分在压力差或浓度差等条件下通过界面膜进行传质， 利用各组分在膜中不同的优先或选择渗透性实现组分分离。天然气膜分离脱水技术就是利用特殊设计和制备的膜材料对天然气中酸性组分(如 HO
2、CO2 和 H2S)的优先选择渗透进行脱除， 如醋酸纤维膜对水汽的渗透流速比甲烷要大 500 倍左右，非常适合用于从天然气中脱除水分。
（5）超音速法[3]
天然气超音速脱水技术按照其原理属于传统方法中的冷冻分离法， 该技术的发展基于航天技术的空气动力学应用成果。它的核心部件为超音速分离器，它利用拉瓦尔喷管使天然气在自身压力作用下加速到超音速， 此时天然气温度和压力会急剧降低， 天然气中的水蒸汽将冷凝成小液滴， 利用气流旋转将这些小液滴分离， 并对干气进行再压缩。天然气超音速脱水系统将膨胀机、分离器和压缩机的功能集中到一个管道中， 不仅简化了脱水系统， 也提高了系统的可靠性， 使得该技术具有效率高、能耗低、体积小、运行成本低、环保、安全可靠和经济效益高等优点， 克服了传统脱水技术的诸多缺点。
通过多年的自身努力和引进外国先进技术，国内天然气脱水工艺已基本配套，能满足国内绝大多数气田的建设需求。国内中石油股份公司内天然气集输系统采用的脱水设备主要有长庆油田的三甘醇脱水净化系统; 西南油气田分公司的 J-T 阀低温分
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离系统; 大庆油田的透平膨胀机脱水系统; 塔里木气田的分子筛脱水及低温分离脱水系统。
随着科学技术的发展，传统天然气脱水方法得到改进的同时，更有新的更具竞争力的脱水方法出现，如膜分离脱水技术和超音速脱水技术，将成为天然气脱水技术的发展趋势。[2] 3.主要研究内容
3.1研究的主要问题
本设计研究的主要问题是已知组成的天然气脱水工艺和装置的设计，要完成设计主要的问题包括如下：
国内外天然气脱水技术的现状与发展；翻译相关英文文献不少于20000字符； 设计合理的天然气脱水工艺技术方案；
编写开题设计报告，并进行开题答辩；
完成工艺设计(物量衡算、能量衡算)，选取合理的工艺参数； 对主要传热、传质设备的型式和材质进行设计、选型； 进行生产安全分析、确定三废治理措施；
绘图(工艺物料流程图、塔设备图、车间布置图等)。
3.2解决问题的思路与方法
明确了目标任务过后，最首要的问题就是脱水方法的选取[4]。天然气脱水的方法一般包括低温法、溶剂吸收法、固体吸附法、化学反应法、膜分离法等。溶剂吸收法和固体吸附法在天然气工业中应用较广泛。
低温法脱水是利用高压天然气节流膨胀降温或利用气波机膨胀降温而实现的，这种工艺适合于高压天然气，对于低压天然气若要使用则必须增压，该过程不太经济。采用节流法制冷脱水，装置设备简单，一次性投资低，装置操作费用较低。该法适用于有压力可以利用的高压气田。
该法的优点是设备简单，占地面积小，投资低，装置操作费用低；缺点是只适用于高压天然气，对于压力低的天然气，达不到足够的水露点要求。如果没有足够的压力就必须增压，装置的投资和运行费用将会较高。
固体吸附法是利用干燥剂吸附张力从而使天然气中的水分被干燥剂内孔吸附，从
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而达到脱水目的。常用干燥剂有硅胶、分子筛、活性氧化铝等。其中分子筛脱水应用最为广泛、技术成熟可靠。该方法适用于深度脱水装置。
该法的优点是对进料气体温度、压力、流量变化不敏感；操作简单，占地面积小；无腐蚀和发泡等问题。缺点是设备投资和操作费用较高；气体压降大导致吸附剂易破碎；再生耗热量较高；再生气气量较大；压力较低。
适合的场所是需要深度脱水的场合，如下游采用深冷法回收乙烷或液化石油气的轻烃回收装置，则必须采用分子筛法脱水，以避免形成水合物，赌赛管道、阀门及膨胀机入口。分子筛吸附法还应用于三甘醇无法应用的地方，如海上平台，超临界CO2脱水。
溶剂吸收法是利用脱水溶剂的良好吸水性，通过在吸收塔内进行气液传质从而脱除天然气中的水分的。脱水剂中甘醇类化合物应用最广泛，其中以三甘醇最佳，该法是目前天然气工业应用最为广泛的脱水方法。采用三甘醇脱水后的干气水露点远低于10℃，可满足管输对天然气水露点的要求，工艺成熟可靠。
该法的优点是三甘醇溶液在操作温度下性质稳定、吸湿性高、易生成99%以上的浓度，蒸汽压低，携带损失小，露点降较高；装置操作简单，占地面积小，装置投资及运行费用较低。缺点是天然气中存在轻质油时，易发泡，有时需加消泡剂，含酸性组分的天然气在脱水过程中会腐蚀设备、管道，会使三甘醇溶液呈酸性，有时需加缓蚀剂或中和剂。
比较各种方法后，结合实际最终选择溶剂吸收法。溶剂吸收法脱水是根据吸收原理，采用一种亲水溶液与天然气逆流接触，从而将天然气中的气态水吸收。脱水吸收剂应该对天然气中的水蒸汽有很强的亲和能力，热稳定性好，不发生化学反应，易再生，蒸汽压低，黏度小，对天然气和液烃的溶解度低，不易起泡，对设备无腐蚀，同时还应价廉易得。目前国内外普遍采用的是以三甘醇（TEG）作为吸收剂。
在进行三甘醇脱水装置工艺计算时，首先需要确定5个基础数据： （1）进料气流量； （2）进料气温度； （3）吸收塔操作压力； （4）进料气组成或相对密度；
（5）要求的露点降或出吸收塔干气的露点（或水含量）。 在已知这些数据后，可根据下面步骤进行计算： （1）确定应除去的水量；
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（2）确定露点降； （3）确定三甘醇循环量；
（4）选定需要的三甘醇进吸收塔的最低浓度； （5）计算贫／富三甘醇换热器尺寸； （6）计算气体／三甘醇换热器尺寸； （7）确定重沸器类型并计算尺寸； （8）计算三甘醇泵的功率；
（9）确定吸收塔类型并计算塔的直径； （10)确定闪蒸分离器类型并计算具体尺寸； （11）确定过滤器尺寸。
在做完这些以后就可以开始CAD绘图，包括绘制工艺流程图和设备图。
图3-1 天然气脱水原则流程图
本设计的原则流程图如图3-1所示，压力为5.5MPa，温度为25℃的原料天然气进入原料气入口分离器，分离出液态水分及其他杂质，然后进入TEG吸收塔的下部，自下而上的流动，与从上而下的TEG贫液逆流接触，脱除其中水分。干气通过贫甘醇与天然气换热器后从塔顶流出，绝大部分出装置至外输管线，少量干气作为再生系统气提气。
吸收了水分的TEG富液从吸收塔底部流出，经减压后进入重沸器上部的精馏柱顶部换热盘管，加热后进入闪蒸罐闪蒸，闪蒸气进入燃料气系统。闪蒸过后的TEG
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天然气脱水工艺及装置初步设计
富液先后通过固体过滤器和活性炭过滤器，以除去其中的机械杂质和降解产物。过滤后的TEG富液经贫富甘醇换热器后进入富液精馏柱，与来自重沸器的水蒸气逆流接触而得到部分提浓。在重沸器内，TEG富液被加热到约200℃，除去其中绝大部分水分。然后TEG溶液经贫液精馏柱进入缓冲罐，与自下而上的气提气在贫液精馏柱中逆流接触，以进一步提高TEG的质量分数。
然后再生好的TEG贫液进入缓冲罐，经与冷的TEG富液换热后，在经甘醇泵升压后送至吸收塔顶部，完成TEG吸收和再生循环过程。
从TEG富液中脱出的水分经精馏柱顶部换热盘管冷却后进入分液罐，分离后的水汽直接进入大气。
3.3．拟采用的研究思路
该工艺流程分为高压低温吸收和低压高温再生两部分，工艺过程的核心设备是吸收塔，天然气脱水过程是在吸收塔内完成，再生塔内完成三甘醇富液的再生操作。
3.4．设计的预期结果
完成一套天然气脱水装置工艺设计，满足使用要求，有利于天然气的外输和进一步处理与加工。
1、清楚了解国内外天然气脱水工艺现状；
2、针对所给数据，完成的脱水方案切实可行；
3、根据工艺方案，工艺设计合理，计算结果正确；
4、对相关工艺进行安全分析、三废治理分析、及初步的技术经济分析；
5、要求工艺流程图、设备图符合制图规范；毕业设计(论文)报告，文字流畅，表达意思完整。
4．设计的工作进度安排
2014-03-10～2014-03-21，文献调研、选择工艺方案、开题答辩；
2014-03-24～2014-04-30，确定工艺参数(物量衡算、能量衡算)、文献翻译，对主要传热、传质设备的型式和材质进行设计、选型；
2014-05-01～2014-05-10，进行生产安全分析、确定三废治理措施；进行初步的技术经济分析；
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西南石油大学本科毕业设计
2014-05-11～2014-05-20，绘制CAD图；
2014-05-21～2014-06-10，写毕业设计（论文）报告、答辩。
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天然气脱水工艺及装置初步设计
参考文献
[1] 诸林等 .天然气加工工程 .北京：石油工业出版社，2008 [2] 马卫锋等.国内外天然气脱水技术发展现状及趋势.管道技术与设备，2011 [3] 何策等.天然气超音速脱水技术评析 .石油机械，2006 [4] 杨思明.天然气脱水方法.中国海上油气(工程)，1999 [5] 朱利凯编.天然气处理与加工.石油工业出版社，1997.5 [6] [美]R.N.马道克斯.天然气预处理和加工 第四卷.石油工业出版社，1990.2 [7] 陈赓良，朱利凯.天然气处理与加工工艺原理及技术进展，2010.11
[8] 魏星，黄维菊，陈文梅．国内外膜分离法天然气脱水研究现状．过滤与分离，
2007，17(4):37 －41．
[9] 白宇，高昌保，朱政洪等．超音速脱水技术应用进展.当代化工，2009， 38(3):271 [10] Richard W.Baker and Kaaeid Lokhandwala.Natural Gas Proceing with Membranes [11] 何策等.国内外天然气脱水设备技术现状及发展趋势.石油机械，2008 [12] 陈敏恒.化工原理第三版（上、下）.北京.化学工业出版社，2012 [13] 陈声东.化工设计.北京: 化学工业出版社， 2013 [14] Michal Netusil,Pavel Ditl.Comparison of three methods for natural gas dehydration.Journal of Natural Gas Chemistry ，20(2011)471–476
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