液化天然氣脫水工藝研究摘要隨著天然氣的廣泛使用，它被開采，輸送技術隨之改進，它總是以氣態(tài)形式出現(xiàn)，但由于天然氣輸送以管道為主，需要對天然氣進行液化，同時，天然氣還需要預處理、脫水、脫酸等處理在脫烴和其他處理中，當天然氣處于飽和或存在游離水時，由于可腐蝕設備或是閉塞裝置，需要脫水，本文主要論述了液化天然氣脫水過程。關鍵詞：液化天然氣；脫水工藝；影響目錄TOC\o"1-3"\h\u13588第1章前言 111368第2章液化天然氣工藝流程 2320992.1液化天然氣總工藝流程 2137592.2天然氣液化裝置的類型 2230902.3液化天然氣的預處理 3219992.3.1預處理流程 3292862.3.2去除水分的必要性 319752第3章脫水工藝 4201933.1低溫冷凝法 4277543.2溶劑吸收法 4249933.3固體吸附法 5140063.3.1影響固體干燥劑脫水時的因素 6324403.3.2幾種常用的吸附劑的比較 7247373.4膜分離脫水技術 976893.5超音速脫水法 1018843第4章結論 1113299參考文獻 12第1章前言天然氣在常溫下是氣態(tài)的，其來源通常遠離用戶。管道運輸主要用于運輸。天然氣的管道輸送通常是點對點的，這對天然氣交易不利。大氣低溫天然氣的溫度高達162°C。低溫技術是液態(tài)天然氣，即液化天然氣（LNG）。其體積從氣態(tài)減少到1/625，這為天然氣的運輸和儲存提供了極其有利的條件。液態(tài)天然氣（LNG）是一種低溫液體，在運輸和使用過程中產(chǎn)生、儲存和生產(chǎn)適當?shù)囊夯?、隔熱和氣化設備。整套液化天然氣凈化裝置通常包括氣態(tài)氣體預處理、脫硫脫碳、脫水、脫烴、硫磺回收、廢氣處理等步驟、酸性氣體汽提和其他部件，包括凝析油的穩(wěn)定性，天然氣壓縮和液化的主要裝置以及硫磺成型、消防、污水處理、火炬和淡水排放處理、循環(huán)冷卻水、鍋爐和蒸汽等輔助裝置以及空氣和氮氣、推進劑氣體等通用系統(tǒng)。為保證天然氣凈化廠的正常運行，需要實現(xiàn)自動控制，設置實驗室分析、配電和供電、檢修等配套設施。天然氣凈化旨在去除天然氣中的有害成分，使天然氣能夠滿足外部運輸過程的要求。自20世紀30年代以來，乙醇脫硫專利已被公布。天然氣凈化技術已經(jīng)發(fā)展了70多年。20世紀80年代，天然氣凈化技術的發(fā)展提高了經(jīng)濟性，解決了現(xiàn)實中的問題。它在促進環(huán)境保護發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用，也在促進技術發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。游離水通常存在于天然氣中，氣態(tài)水是飽和水。這會增加集氣管道的壓降，嚴重情況下會產(chǎn)生水合物堵塞管道。如果含有酸性氣體，液態(tài)水會加速H2S，CO2和其他氣體在管道和裝置中的分布會受到嚴重腐蝕。天然氣液化前必須進行脫水。因此，必須從天然氣中去除水和電。本文主要對液化天然氣脫水過程進行了簡要介紹，本文闡述了脫水過程的重要性和必要性，并對液化天然氣的總工藝進行了分析，同時采用了低溫冷凝法、溶劑吸收脫水法等、固體吸附脫水法和膜法脫水法及其他脫水工藝的比較研究原料來源各不相同，氣體組成部分各不相同，需要選擇不同的預處理方法和脫水工藝，供今后工作參考。第2章液化天然氣工藝流程2.1液化天然氣總工藝流程介紹了液化天然氣的總工藝流程：原料氣經(jīng)測定后送入原料氣壓縮機，壓縮后的氣體流入脫酸氣機組，去除酸氣，通過脫水機組，減少氣體中的水分，然后依次通過脫重烴機組和脫汞機組，進入液化裝置液化天然氣流入罐內(nèi)，從站外注入。液化過程是天然氣液化的核心，但天然氣的凈化過程在天然氣液化中也起著一定的作用。天然氣中的水蒸氣含量過高，形成水合物，從而堵塞管道。如果含有酸性氣體，液態(tài)水會加速H2S、CO2和其他氣體的管道，并嚴重腐蝕設備。此外，LNG的露點已達到100°C以下，因此應實現(xiàn)LNG原料氣的深度脫水，并必須采用適當?shù)拿撍に?。整體液化過程見圖2-1：圖2-1液化天然氣處理總流程框圖2.2天然氣液化裝置的類型天然氣液化裝置有兩種類型：基本負荷型和頂刮式。1、本裝置的生產(chǎn)和儲存相對穩(wěn)定，能夠滿足當?shù)匾夯烊粴獾恼Ｐ枨?，或者能夠提供大量運輸所需的液化設備以保持穩(wěn)定。生產(chǎn)仍在繼續(xù)。該裝置由天然氣預處理工藝、液化工藝和儲存系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等、裝卸系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)組成。2.由于使用習慣等因素，存在燃氣使用高峰負荷。如果用氣峰值負荷很小，則低峰值負荷的氣體被液化，在峰值負荷時發(fā)生氣化，用氣峰值負載將不平衡。調(diào)峰液化裝置的液化能力較低，但需要較高的儲存能力和較強的再氣化能力。調(diào)峰LNG工廠通常由四個部分組成：預處理天然氣、液化和儲存以及再氣化。2.3液化天然氣的預處理2.3.1預處理流程液化天然氣預處理分為三部分，分別進行脫水處理、脫酸處理等雜質(zhì)。天然氣都不是甲烷，還有少量酸性氣體，需要在液化前去除這些酸性氣體，其主要酸性氣體組成為二氧化碳、COS和硫化物。其中硫化氫對人的危害性大，微量氣體能對人眼、鼻、喉產(chǎn)生較大的刺激作用，與此同時，酸性氣體易溶于水，腐蝕性大，液化設備腐蝕性差，易受腐蝕破壞從而給后續(xù)工程處理帶來設備管道堵塞問題，需要進行脫酸。另外，在經(jīng)濟方面酸性氣體不能燃燒，從氣體處理和運輸?shù)挠^點來看也不能核算，應該除去。去除其他雜質(zhì)主要需要去除汞和重烴，COS和其他材料。天然氣中所含汞元素與鋁的反應，對鋁制設備造成極大危害，汞有劇毒，對人體也有極大傷害，汞可損害人的神經(jīng)細胞，人中毒嚴重者有頭暈、四肢無力及其他各種反應，因此脫雜是非常必要的。當液化天然氣通過時，重烴可能被凍結，設備堵塞，無法用通常的冷卻脫烴方法除去，COS與水相遇，生成二氧化碳、硫化氫等氣體，對設備造成很大傷害，因此必須除去。2.3.2去除水分的必要性產(chǎn)品氣水露點及水含量是評價天然氣脫水效果好壞的重要指標。首先液化天然氣運輸和儲存比較容易，氣態(tài)天然氣所含甲烷遠不及液態(tài)，所以運輸比較經(jīng)濟，第二氣態(tài)天然氣如果需要運輸，需要壓縮，不安全，對液化天然氣進行嚴格的脫水處理、脫酸、其他處理后的雜質(zhì)含量低，經(jīng)濟實惠。液化天然氣發(fā)生液化前，須經(jīng)過預處理，尤其在脫水處理時，天然氣中所含水分使輸送效率下降，使天然氣熱值下降。液化時，若天然氣含有水分，水分液化后，隨著溫度的降低而變?yōu)楣腆w，進而沖擊裝置，影響天然氣液化。另外，如果沒有進行脫水處理，天然氣和水的組合，溫度下降時容易堵塞設備配管，導致冷箱的熱交換效果差。避免這樣的問題，使液化順暢，需要天然氣的脫水潛力。第3章脫水工藝3.1低溫冷凝法冷凝脫水法不需要其他試劑，主要利用天然氣在壓力一定時，其含水量隨溫度降低而降低的原理，達到天然氣脫水的目的。由于其投資大、能耗高、系統(tǒng)復雜、對天然氣壓力要求高等脫水深度不足，用途狹窄，適合高壓天然氣開采。低溫冷凝法以節(jié)流膨脹制冷為主，外部冷卻和IFPEX-1制冷法。它以節(jié)流膨脹為主，因此需要更多的天然氣壓力，壓力不足則需要增壓。因此，選擇脫水工藝需要考慮天然氣壓力，增壓也需要增壓設備，因此費用昂貴，但工程占地隨之變大，影響了經(jīng)濟效益。另外，由于其脫水深度的限制，在需要深度脫水的情況下，需要增加設備，因此在液化天然氣的情況下需要增加脫水深度的情況下，需要對節(jié)流膨脹制冷的技術改造提出要求。3.2溶劑吸收法溶劑吸收法是利用某些化學溶劑的高吸水性來達到脫水的目的。這種脫水方法要求溶劑必須是親水的，與水有親和力，具有良好的穩(wěn)定性，沒有腐蝕，沒有發(fā)生化學反應，具有高的成本性能并且還可以反向分離和再生。工業(yè)中已發(fā)現(xiàn)滿足上述條件的物質(zhì)，包括CaCl2溶液、酒精溶液和其他。CaCl2溶液由于吸水率低而很少使用。醇溶液具有更高的露點降、更長的使用壽命和更穩(wěn)定的操作性能，在化學工業(yè)中得到廣泛應用。酒精吸收劑由乙醇胺、二甘醇和三甘醇溶液組成。三甘醇的露點降可達40℃以上，成本低。因此，它被認為是深度脫水的最佳脫水劑。在乙二醇脫水方法中，首先需要濕氣（含水量的天然氣）以相反方向進入脫水塔，完全暴露在貧乙二醇溶液中并發(fā)生反應，從氣體中去除水分，從高處向下流動，然后進入下一條河流。當水被吸收時，乙二醇溶液變成富液體。富液通過閃蒸罐過濾器和再生塔的其他設備，然后與貧乙二醇溶液進行熱交換。熱量進入再生塔并逐層向下流動。再沸器上的頂部蒸汽被加熱和再生，水被分離。此時，乙二醇溶液源連續(xù)向下流入再沸器。在再沸器中加熱至一定溫度后，貧溶液進一步更新，然后，高溫貧乙二醇溶液流經(jīng)貧和富溶液換熱器，最后進入冷卻器冷卻。泵加壓后，上述循環(huán)繼續(xù)。工藝分離后的水從再生塔排出，用于廢水處理或直接排放。溶劑吸收法費用低廉，溶劑是可再生的，并且處理的量很大，但是，也因為它能腐蝕設備、溶劑再生耗能大，因此更適合大型天然氣的脫水。其中溶劑吸收法主要原理為醇類化合物在天然氣中溶解度小但容易溶解在水中，例如：二甘醇和三甘醇，但是加工的整體費用很高。目前使用比較廣泛的有甘醇類化合物，由于其中所含羥基能與水發(fā)生化學反應，即易溶于水又能有效地達到脫水的目的，但以三甘醇用途最多。但三甘醇也存在一定的不足，第一，就是一邊吸附水蒸氣一邊，對芳烴也有吸附，這樣就增加了溶劑再生難度和費用。二是由于多吸收芳烴的緣故，溶劑再生時釋放出芳烴，危害環(huán)境。再次，三甘醇可能被氧化為有機酸（有腐蝕性并能損壞設備），還可能受到污染，因而運行成本很高。乙二醇溶液用于含硫天然氣的脫水。硫會改變乙二醇溶液的酸堿度，從而導致溶液變質(zhì)。如果硫含量高，那就是天然氣。脫水前，需要脫硫裝置。經(jīng)典的乙二醇脫水流程圖如下：圖3-1甘醇脫水法流程圖二醇脫水法可去除天然氣中的大部分水，適用于采氣站這樣的大流量脫水過程，當天然氣液化時，由于所需水分露點較低，該流程不能用于液化天然氣深冷。除了在工藝方面進行優(yōu)化外，不少學者還在脫水溶劑方面做了深入的工作。所有這些都為溶劑吸收方法的研究帶來了新的方向。3.3固體吸附法固體吸附法脫水原理主要是吸附劑能吸附天然氣中所含的水蒸氣，但對其他物質(zhì)的吸附性能差，能有效地達到脫水的目的。固體吸附法具有脫水深度大、設備簡便、占地面積少等優(yōu)點。目前，常見的固體吸附劑是硅膠、活性氧化鋁和分子篩。分子篩分為天然分子篩和人工分子篩兩種，天然分子篩表面存在密集的不規(guī)則孔，形狀像擴大的蜂巢，吸附水分是有選擇性的，其原理是使小于孔徑的材料通過，屏蔽直徑大于自身孔徑的材料。但由于孔洞尺寸不規(guī)則，具體的物質(zhì)吸附效果不太好，我們很少使用。天然分子篩對人有啟示，然后人工分子篩由硅鋁酸鹽組成，為沸石型晶體結構，其物質(zhì)吸附取決于其內(nèi)部孔徑，其吸附能力主要由單位體積內(nèi)的空腔個數(shù)決定，通常以比表面積為單位。典型的分子篩比表面積可以達到800-1000m2·g-1。在人造分子篩的生產(chǎn)過程中，可以人工控制內(nèi)部分子篩的孔徑，因此可以制作適用于多種材料的孔徑不同的分子篩。硅膠為非定型網(wǎng)狀結構結晶化合物，分子式SiO2·nH2O，硅膠為極性吸附劑，親水性強，濕潤容量大，可在200℃以下再生，因此常用于需要大量脫水的場所，但由于其孔徑不均勻，吸附無選擇性，因此適用范圍窄吸水后散熱，工藝不當，硅膠易破碎，自身材質(zhì)脆弱。氧化鋁仍然是以Al2O3為主的無定形吸極性粘合劑，比表面積大于250m2·g-1，對水和重烴有很高的親和力，由于其堿性，不易處理酸性氣體?；钚匝趸X的內(nèi)部孔徑分布很不均勻，在選擇特定的吸附財產(chǎn)方面存在局限性。目前，一些工藝選擇混合吸附劑并以平衡的方式使用。該吸附劑具有明顯的優(yōu)勢，以實現(xiàn)更合理的目的和經(jīng)濟協(xié)議，如氧化鋁和活性炭混合吸附劑。3.3.1影響固體干燥劑脫水時的因素1）固體吸附劑吸附水的能力。需要比較其吸附水的能力和吸附其他成分的能力，吸附水一定比其吸附天然氣有效成分大得多，否則損失率更大，選擇合適的吸附劑，改善天然氣脫水效果。2）吸附劑分離周期。3）注意吸附劑因其他物質(zhì)污染而失效，并注意再生過程中的溫度問題。溫度過高會導致吸附劑顆粒碎裂。4）排水塔的直徑。排水塔的管徑由空塔的氣體速度決定。排水塔的直徑?jīng)Q定了吸附床的結構。該吸附床結構良好，分離效果好。5）在吸附過程中，氣流可從上部進入排放塔或從下部進入吸附塔，天然氣的上升在床吸附劑的穩(wěn)定化方面起著良好的作用。除以上因素外，吸附劑的選擇還應結合實際進行選擇，以達到最佳脫水效果。3.3.2幾種常用的吸附劑的比較目前，天然氣固體吸附劑的脫水工藝主要是使用最廣泛的活性氧化鋁和硅膠、分子篩等吸附劑?；钚匝趸X是可再生的，具有較大的吸附容量、較大的表面積和良好的熱穩(wěn)定性，但由于再生能量較高，因此不應將容易吸附的重烴用于酸性天然氣的處理。硅膠具有易再生、脫水能力強、化學財產(chǎn)穩(wěn)定、易飽和而脆性大等特點。適用于低濕度的天然氣。分子篩具有很強的選擇性吸附并且不吸附重烴，可吸附酸性氣體，同時吸附性能強，熱穩(wěn)定性好，但容易中毒和斷裂適用于對脫水有較高要求的酸性天然氣。目前，采用比較廣泛的有分子篩吸附法，分子篩的物理性質(zhì)在很大程度上決定了分子篩的化學組成和晶體結構，但該過程也是三塔脫水過程中效果最好的，本發(fā)明再生效果良好，分子篩使用壽命長是設備利用率高的優(yōu)點。它選擇性強、露點下降大，但不適合開發(fā)大型氣田，造價高、能耗大、經(jīng)濟性差，因此在運用過程中，應參照技術指標，選擇合適的分子篩脫水工藝和合適的分子篩再生方法。另一方面，分子篩技術在各種溫度下有影響，在有不同的壓力的情況下，其影響也不同，在能夠進行針的情況下，例如可以選擇使用變溫變壓吸附法以及恒溫變壓吸附法。分子篩脫水過程分為三個階段：吸附階段、再生階段和冷卻階段。在吸附階段，分子篩用于天然氣脫水，不同天然氣組分的分子篩吸附速率不同。在脫水過程中，分子篩的吸附能力最強。因此，分子篩的水飽和區(qū)從入口持續(xù)到出口，水飽和區(qū)進一步向前移動，這也是一個替換其他吸附物的過程。因此，當分子篩吸附水時，分子篩層中有三個區(qū)域：飽和部分，在吸附部分和非吸附部分之間。飽和部分是分子篩將水吸附到飽和的階段，而不是大量的水。吸附部分是分子篩的吸水部分，并且吸水能力是不飽和的。非吸附部分是該分子篩的水吸收部分，但是該吸附部分可以將酸性氣體或烴組分吸附到天然氣中。如果在吸附部分的前端到達出口之后繼續(xù)吸附過程，則分子篩的吸水能力降低，出口氣體的含水量大大增加，因此不適合進行再吸附過程。此時，脫水塔進入再生過程。再生氣一般指加熱的原料氣和脫水干燥的氣體。在需要深度脫水的工作條件下，脫水和干燥的氣體用作再生氣體，以穿透分子篩。分子篩中氣體的溫度逐漸升高，吸附在床表面的水在116~120°C左右開始大量解吸。此時，溫度緩慢升高，在約121~125°C時升高，分子篩中的水在約180~230°C時被完全去除。同時，分子篩內(nèi)的重烴和其他雜質(zhì)被去除，分子篩再生過程完成后可重復使用。它再次點燃并將冷卻氣體導入干燥塔。干燥塔進入冷卻階段。當溫度降至50°C時，停止冷卻，干燥塔可再次進入吸附階段。如果冷卻氣體含有水，則冷卻氣體必須流經(jīng)排水塔的上部，以確保水保留在吸附床上方的冷卻氣體中，并且不會影響吸附干燥氣體的水分露點。目前，分子篩脫水工藝主要分為兩種，即脫水塔再生。每個工藝參數(shù)都是一個變量，可分為變壓再生（PSA）和變溫再生（TSA）。就兩個塔的流量而言，主要設備是兩個排水塔、一個加熱器、一個冷卻器和兩個過濾器。排水塔尺寸相同，一般采用固定床脫水。在原料氣脫水塔中，從上到下，分子篩可以吸收天然氣的水分。當分子篩的吸附能力達到飽和時，塔中的分子篩必須再生。在排水塔再生過程中，加熱的再生氣體從下至上進入排水塔，再生氣體的量約為原料氣的5%~10%。分子篩中的水再次干燥并再生分子篩。再生過程結束時，用未加熱的干氣冷卻脫水塔。脫水塔降低到一定溫度后，可在下一個吸附再生過程中實現(xiàn)。冷卻氣體可以從下到上和從上到下進入排水塔。然而，如果冷卻氣體含有水，它只能從上到下進入排水塔。離開排水塔后，再次發(fā)生火災。冷卻氣體和其他氣體含有一些水。再生氣體和冷卻氣體也必須進入冷卻器，以使部分水冷凝，然后從冷卻器底部排出。參見圖。分子篩脫水塔的流量為3-1。圖3-1分子篩脫水兩塔流程在三塔流量方面，主要設備包括三個排水塔、一個加熱器和一個冷卻器。三個排水塔的狀態(tài)保持為吸附塔、再生塔和冷卻塔。參考圖3-1中的分子篩三塔脫水過程，原料氣從上到下通過脫水塔C-1210A，并被吸附到塔中。脫水后，氣體進入下一個清潔過程。此時，一股加熱的原料氣流從下到上進入脫水塔C-1210B，以再生塔。此時，脫水塔的C-1210C處于冷卻階段，C-1210處于脫水塔冷卻結束時，脫水塔中的C-1210A可被脫水和吸附。此時，加熱的原料氣可用于加熱脫水塔C-1210A。當塔再生時，脫水塔C-1210B的再生完成，進入冷卻階段，以確保三個塔在冷卻條件下處于吸附、再生和運行狀態(tài)。冷卻器冷卻后，再次被氣體冷卻，液體從冷卻器底部分離。都在相同的壓力下。圖3-2分子篩脫水三塔流程3.4膜分離脫水技術膜分離技術主要以高分子氣體分離膜的不同氣體滲透性為基本原理，使水分子優(yōu)先滲透，且工藝流程簡單，所需設備少能耗小，主要應用于海上平臺的天然氣脫水。當分離膜分離水分子時，二氧化碳或其它氣體優(yōu)先透過，本實用新型可有效提純天然氣，一石二鳥。不需要使用其他試劑，不污染環(huán)境，具有優(yōu)良的環(huán)保性能，但采用該方法，一定數(shù)量的甲烷流失，如果想降低甲烷流失，則需要增加其他設備，成本增加。目前，一些研究人員將膜分離與溫度變化吸附相結合，應用于液化天然氣的預處理，該工藝方便實用，脫水的同時可去除天然氣中的酸性氣體和其他雜質(zhì)，實用性強，該方法已申請發(fā)明專利在實踐中有望進一步改進應用。有些研究人員將自行合成的復合膜放入試驗中，有效地減少甲烷損失率。膜分離技術研發(fā)較早，應用于液化天然氣脫水，主要困難是膜材料的制備，已成為目前關注的焦點問題之一。3.5超音速脫水法主要采用Laval噴嘴，將高壓氣體轉化為低壓氣體，在此過程中氣體流速上升導致溫度下降，將水蒸氣轉化為液體達到脫水的目的。超音速脫水法也能達到分離重烴的目的，與傳統(tǒng)的溶劑吸收法相比，它具有無需加入任何化學藥劑、綠色環(huán)保等優(yōu)點，但國內(nèi)對該方法的研究尚處于起步階段，包括脫水效率、性能及裝置能耗、跑步成本等問題有待進一步深入研究。第4章結論到了當今社會，人們對環(huán)境保護的關注不斷提高，因此能源利用正在從煤炭和石油向天然氣、風能、太陽能等清潔能源緩慢轉變，而在目前的科技中清潔能源方面也只是天然氣異軍突起，方便人們進行開采運輸和利用。這一過渡時期的煤和油、天然氣逐漸形成了三分天下。天然氣脫水是天然氣凈化處理中必不可少的一個步驟，近幾年，業(yè)內(nèi)人士不斷優(yōu)化技術或尋求更優(yōu)質(zhì)的脫水材