天然氣脫水設(shè)計(jì)規(guī)范

中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司天津分公司。2100433B

孟凡彬、王峰等。

若天然氣中含有水分，則在液化裝置中，水在低于零度時(shí)，將以冰或霜的形式凍結(jié)在換熱器的表面和節(jié)流閥的工作部分。另外，天然氣和水會(huì)形成天然氣水合物，它是半穩(wěn)定的固態(tài)化合物，可以在零度以上形成，它不僅可以導(dǎo)致管線堵塞，也可造成噴嘴和分離設(shè)備的堵塞。水合物形成溫度的影響因素主要有以下三個(gè)方面：(1)混合物中重?zé)N特別是異丁烷的含量；(2)混合物的組分，即使密度相同而組分不同，氣體混合物形成水合物的溫度也大不相同；(3)壓力越高，生成水合物的起始溫度也越高。

為了避免天然氣中由于水的存在造成堵塞現(xiàn)象，通常需在高于水合物形成溫度時(shí)就將原料氣中的游離水脫除，使其露點(diǎn)達(dá)到-100℃以下。常用的天然氣脫水方法有冷卻法吸收法和吸附法等。天然氣脫水的必要性如下：

(1)水的析出將降低輸氣量，增加動(dòng)力消耗；

(2)水的存在將加速H₂S或CO，對(duì)管線和設(shè)備的腐蝕；

(3)導(dǎo)致生成水合物，使管線和設(shè)備堵塞。

因上述三方面原因，有必要對(duì)天然氣進(jìn)行脫水處理。天然氣脫水方法有冷卻脫水、吸收脫水、吸附脫水、膜分離技術(shù)脫水。

“吸附”一詞的意思是氣體在自由表面上的凝聚。國(guó)際上對(duì)吸附的嚴(yán)格定義為：一個(gè)或多各組分在界面上的富集(正吸附或簡(jiǎn)單吸附)或損耗(負(fù)吸附)。其機(jī)理是在兩相界面上，由于異相分子間作用力不同于主體分子間作用力，使相界面上流體的分子密度異于主體密度而發(fā)生吸附。

(1)吸附脫水的優(yōu)缺點(diǎn)

與液體吸附脫水的方法比較，吸附脫水能夠提供非常低的露點(diǎn)，對(duì)氣溫，流速、壓力等變化不敏感，相比之下，無腐蝕、形成泡沫等問題，適合于對(duì)于少量氣體的廉價(jià)脫水過程。它的主要缺陷是基本建設(shè)投資大，一般情況下壓力降較高，吸附劑易于中毒或碎裂，再生時(shí)需要的熱量較多。由此可見，吸附脫水一般適用于小流量氣體的脫水，對(duì)于大流量高壓氣體的脫水，如要求的露點(diǎn)降僅為22~28℃，則采用甘醇吸收脫水較經(jīng)濟(jì)，如要求的露點(diǎn)降為28~44℃，則甘醇法和吸附法均可考慮，可參照其他影響因索確定；如要求的露點(diǎn)降高于44℃，一般情況下應(yīng)考慮吸附脫水，至少也應(yīng)采用甘醇吸收脫水，再串接吸附脫水。在某些情況下，特別是在氣體流量、溫度、壓力變化頻繁的情況下，由于吸附脫水適應(yīng)性好，操作靈活，而且，可保證脫水后的氣體中無液體，所以成本雖高，仍采用吸附脫水。

(2)吸附脫水原理、吸附類型和操作方式

1、基本原理：吸附是用多孔性的固體吸附劑處理氣體混合物，使其中一種或多種組分吸附于固體表面，其他的不吸附，從而達(dá)到分離操作。水是一種強(qiáng)極性分，分子直徑很小。不同的多孔性固體的孔徑是不同的，孔徑較大的，都可以吸附水。吸附能力的大小與多種因素有關(guān)，主要是固體的表面力。

2、吸附類型：根據(jù)表面力的性質(zhì)可將吸附分為兩大類型，即物理吸附和化學(xué)吸附。

1)物理吸附

物理吸附是指流體中被吸附的分子與吸附劑表面分子間為分子間吸引力所造成，其吸附速度快，吸附過程類似于氣體凝聚過程。當(dāng)氣體壓力降低或系統(tǒng)溫度升高時(shí)，被吸附的氣體可以容易地從固體表面逸出，而不改變氣體原來的性質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為脫附。吸附和脫附為可逆過程,工業(yè)上利用這種可逆性，借以改變操作條件，使吸附的物質(zhì)脫附，達(dá)到使吸附劑再生，回收或分離吸附質(zhì)的目的。

2)化學(xué)吸附

化學(xué)吸附類似于化學(xué)反應(yīng)。吸附時(shí)，吸附劑表面的未飽和化學(xué)鍵與吸附質(zhì)之間發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移及重新分布，在吸附劑的表面形成一個(gè)單分子層的表面化合物。吸附中將產(chǎn)生吸附熱。

化學(xué)吸附具有選擇性,它僅發(fā)生在吸附劑表面，且吸附速度較慢,是不可逆的過程，要很高的溫度才能把吸附分子釋放出來，并且釋放出來的氣體常已發(fā)生化學(xué)變化，不復(fù)星原有的性質(zhì)。為了提高化學(xué)吸附的速度，常常采用升高溫度的辦法。

3、吸附的操作方式

吸附劑與吸附物互相接觸的操作(氣-固吸附)一般可分為三種方式。

(1)間歇操作：將氣體與吸附劑同時(shí)置于一容器內(nèi)，使之充分接觸而進(jìn)行吸附，然后將吸附和氣體分離。這種吸附操作主要用于實(shí)驗(yàn)室或小規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中。

(2)半連續(xù)操作：使被處理的氣體通過固定的床層進(jìn)行吸附，經(jīng)過一定的時(shí)間后，停止進(jìn)料，然后進(jìn)行再生(解吸) ，再生后重新進(jìn)行吸附，依此循環(huán)。

(3)連續(xù)操作：將吸附劑和氣體連續(xù)地逆流或并流送人吸附器，使之互相接觸而進(jìn)行吸附，處理后的氣體和吸附劑連續(xù)流出設(shè)備。連續(xù)操作的設(shè)備效率高，但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在天然氣脫水裝置大多采用半連續(xù)操作，即固定床吸附。