1、重庆科技学院油气集输工程课程设计报告学 院:_ 石油与天然气工程学院 _专业班级: 油气储运2013-1 学生姓名: 严小林 学 号: 2015520427 设计地点（单位）_ 重庆科技学院 K809 _ _设计题目:_ 某天然气集输站三甘醇脱水工艺设计物性计算及吸收塔设计_ _ 完成日期：2016年12月8日 指导教师评语: _ _ _ _ 成绩（五级记分制）:_ _ 指导教师（签字）:_ _ 目 录摘 要21 总 论32 天然气的基础资料43 天然气基本物性计算63.1天然气相对分子质量的计算63.2天然气密度的确定73.3气体特性系数C83.4天然气各组分的质量分数83.5爆炸极限的计算
2、93.6天然气水汽含量计算114 吸收塔的设计计算154.1吸收塔选型154.2吸收塔工艺计算164.2.1进塔贫甘醇浓度的确定164.2.2脱水量及贫三甘醇用量的确定174.2.3吸收塔塔板数的确定194.2.4吸收塔径的确定234.2.5泡罩塔板主要结构参数及选用244.2.6塔盘形式的选择254.3吸收塔高度264.4除沫器选择与计算264.5吸收塔塔体强度计算285 总结30参考文献31摘 要本文根据课程设计任务书的要求，进行井站场工艺设计中的天然气物性计算。根据油田油气技术设计技术手册中的设计要求，对单井站场的工艺和装置进行计算与选定。在整个设计的过程中，需要对天然气各物性进行计算公
3、式的选择、图表的查询，从而计算得出天然气的相对分子质量、密度、压缩因子、各组分质量分数、爆炸极限、临界参数、质量比热容等各项物性参数。设计在给定操作条件和要求的出气条件下对吸收塔部分进行具体设计。主要包括工艺的选取塔体、封头、裙座和塔内件等的结构尺寸设计塔板、人孔、气液管等方位布置标准件的型号选取并对塔体进行必要的校核计算。通过本设计了解泡罩塔在天然气脱水应用中存在的问题并对板式塔的发展前景予以展望。 关键词： 密度 温度 压缩因子 甘醇脱水 泡罩 吸收塔2311 总 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
4、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脱水系统中的吸收塔的设计试自己对三甘醇脱水系统有更进一步的认识，对吸收塔的工作原
5、理、尺寸结构、运行工况有一定的掌握，能够根据三甘醇脱水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。2 天然气的基础资料天然气组成如下表：天然气组成组分（mol）CH498.12C2H60.211C3H80.112iC4H100.025nC4H100.021iC5H120.021nC5H120.022nC6H140.016N20.295H20.003O2+Ar0.017CO20.285H2S0.002H2O0.635总计100原料气处理量：50x104m3/d原料气露点：30-36原料气压力：7Mpa要求该天然气产品的气质量符合国家标准天然气（GB17820-1999）中
6、二类气的技术指标。其有关参数如下：产品气质量：产品气温度：40 产品气压力：2.1 H2S含量：20总硫含量（以硫计）：200 CO2含量：2% 水露点：-6 3 天然气基本物性计算3.1天然气相对分子质量的计算 3.1式中M天然气的相对分之子质量；yi 组分i的摩尔分数；Mi组分i的相对分之子质量。根据表1-1中的数据及各组分相对分子质量；由公式3-116*0.9812+30*0.211+44*0.112+58*0.025+58*0.021+72*0.021+72*0.022+86*0.016+28*0.295+2*0.003+72*0.017+44*0.285+34*0.002+18*0.
7、635=16.41 3.2由公式3-2，相对密度，天然气的拟临界压力和温度按下式计算； 3.3 3.4式中Ppc天然气拟临界压力，Mpa；Tpc天然气拟临界温度，K；S天然气相对密度。根据公式3-3，3-4计算得出：、 3.5 3.6式中Ppr天然气拟对比压力，Mpa；Tpr天然气拟对比温度，K。经计算Ppr=0.86、TPR=1.58查图3.1得到压缩因子Z=0.93图3.13.2天然气密度的确定 3.7式中天然气在任意压力、温度下的密度，kg/m3；p天然气的绝对压力，kPa；Z天然气压缩因子T天然气的绝对温度，K由公式3-7代入数据计算可得到在T=31、P=4Mpa时，kg/m3。3.3
8、气体特性系数C计算公式为： 3.8查资料可得：天然气气体绝热指数K=1.30故：气体特性系数C为： 3.4天然气各组分的质量分数由3.1知：天然气的摩尔质量为16.41根据天然气各组分质量分数计算公式： 3.9代入各组分数据可得： 3.5爆炸极限的计算计算公式：（理查特里公式） 3.10式中混合气体爆炸极限，%； 、混合气体中各组分的爆炸极限，%；、各组分在混合气体中的体积分数，%。、（理查特里认为，复杂组成的可燃气体或蒸气混合的爆炸极限，可根据各组分已知的爆炸极限按下式求之。该式适用于各组分间不反应、燃烧时无催化作用的可燃气体混合物。）查数据得到各组分爆炸极限见表3.1：表3.1 天然气各组
9、分爆炸极限组分爆炸上限爆炸下限甲烷()5%15%乙烷()3%15.5%丙烷()2.1%9.5%异丁烷()1.9%8.5%正丁烷()1.9%8.5%异戊烷()1.4%7.8%正戊烷()1.4%7.8%及更重组分()1.1%6.7%（注：本表数值来源基本上以 SH3063-1999 石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警器设计规范为主，并与常用化学危险品安全手册进行了对照，补充。）将所得数据带入公式，得：爆炸下限为： 3-11 爆炸上限为： 3.11 故：天然气的爆炸极限为4.63%15.37%3.6天然气水汽含量计算在31、4Mpa、S=0.57湿天然气中，由非酸气天然气饱和水含量计算公式 3.
10、12式中，为非酸性天然气饱和水含量， 由图查得的含水量， 相对密度校正系数，由图查得 为含盐量校正系数，由图查得查图3.2得：0.9 g/m3 0.97带入所查数据得： 又查图3.3得： 带入所查数据得: =同理在-14、2.1Mpa、S=0.57干天然气中可得 图3.2图3.3图3.44 吸收塔的设计计算4.1吸收塔选型 根据本课题采用的脱水剂为三甘醇，根据SY/T00762008中5.3.2要求，吸收塔选择板式塔。板式塔之间的比较式一个十分复杂的问题，要考虑的问题很多，而且每一种方法都存在一些不足的地方，综合考虑各方面因素后，对板式塔的评价具体可以从以下几个方面比较：生产能力；塔板效率；操
11、作弹性；气体通过塔盘的压力降；造价；操作是否方便。表4.1各种塔盘比较塔盘形式蒸气量液量效率操作弹性压力降价格可靠性泡罩良优良超差良优筛板塔优优优良优超良浮阀优优优优良优优穿流式优超差差优超可表4.2各种板式塔的优缺点及用途 塔盘形式结构优点缺点用途泡罩型圆形泡罩复杂1弹性好；2无泄漏1费用高；2板间距大；适用于特定要求的场合S型泡罩稍简单简化了泡罩的形式，因此性能相似1费用高；2板间距大；适用于特定要求的场合浮阀型多条浮阀简单操作弹性好；2塔板效率高处理能力较大没有特别的缺点适用于加压及常压下的气液传质过程重盘式浮阀简单通过以上表4-1和表4-2个表的比较，结合课题要求，根据SY/T0076
12、2008中的5.3.2要求，综合考虑各方面的因素后，笔者决定本课题中选择吸收塔的塔板为圆形泡罩型塔板。4.2吸收塔工艺计算4.2.1进塔贫甘醇浓度的确定 进塔的贫三甘醇浓度的确定:按式2-7求其平衡露点 4.1：出塔吸收干气的平衡露点，;: 出塔吸收干气的实际露点，;： 偏差值，一般为8 11 ，此处取9。由于原料气的温度为30-36，在进入吸收塔之前要进行了节流降压，选取进入吸收塔的原料气温度为31图4.1产品气的露点要求为-6。由于离开吸收塔的气体的实际露点一般比平衡露点高5.58.3，所以本课题中选择要到达的露点为-15。查图4.1后可知要达到此要求需要的进塔贫TEG的浓度至少应为98%
13、。 4.2.2脱水量及贫三甘醇用量的确定 TEG脱水系统单位时间内的脱水量计算 4.2式中G脱出的水量，kg/h；V进入吸收塔天然气的量，m3/h；y进入吸收塔的天然气含水量，g/m3；y离开吸收塔的天然气含水量，g/m3。贫甘醇用量计算 4.3式中a吸收天然气中1kg水量所需的贫TEG的量，一般a取0.0250.06m3；V进入吸收塔TEG的量，m3/h；一般a取0.0250.06m3,取a=0.055 =0.88m3/h图4.24.2.3吸收塔塔板数的确定利用标准的Kremser-Brown吸收因子法2，由相平衡关系，通过逐板做物料衡算导出如下Kremser-Brown方程： 4.4式中W
14、N+1进入吸收塔湿天然气中含水汽的量，kg/m3；W1离开吸收塔干天然气中含水汽的量，kg/m3；W0当离开干气与进塔贫TEG溶液处于平衡时，干气中含水汽的量，kg/Mm3；N吸收塔理论塔板数；A吸收因子。 4.5式中LTEG溶液循环量，mol/h；V天然气流量，mol/h；K气相中水汽与TEG溶液中液相水之间的平衡常数。 4.6式中y气相中水的摩尔分数；x与气相平衡的TEG溶液中水的摩尔分数。平衡常数K与TEG溶液浓度有关。TEG贫液进塔后，由上至下流动，吸收了天然气中的水汽，浓度不断变化，因而K值沿吸收塔也是变化的。TEG-水-天然气系统中的液相系为非理想液态体统。预测气液间平衡关系要求使
15、用活性系数。 4.7式中y0与纯相态水呈平衡状态的含饱和水汽的气体中，水汽的摩尔分数，已知操作压力和温度，可由图4.3查出；TEG溶液水的活性系数，可由图4.3查出图4.3水含量常用含水质量百分数表示，计算中需要将其换算为摩尔分数浓度，其可按下列公式进行换算； 4.8式中W天然气中水汽含量，kg/Mm3；y天然气中水汽含量，水的摩尔分数。 4.9式中GWTEG溶液中水的质量百分数；xTEG溶液中水的摩尔分数。 4.10 4.11式中W0操作条件下与纯相态水呈平衡状态的饱和含量，kg/Mm3；x0与出塔干气平衡的TEG溶液中水的摩尔分数。在TEG吸收塔实际的操作中，由于塔内气液两相接触时间有限，
16、每块塔板上都不会达到平衡状态。所以实际需要的塔板数比理论塔板数要多，实际塔板数与理论塔板数之间的关系如下： 4.12 对于吸收塔，一般可取效率为25%40%。根据公式4.10，由图4.3查出在操作条件下入塔湿天然气与出塔干天然气的含水量分别为；WN+1=0.858g/m3=858kg/Mm3W1=0.09g/m3=9kg/Mm3。根据公式4.14，求W0，则有：查图4.4得到，当TGE浓度为98%时，水的活性系数r=0.52，由于W0= WN+1,所以 将WN+1，W1，W0带入4.10，可得到即 4.13根据公式4.7可得到； 可由全塔水的物料平衡求出，即 4.14根据公式4.14，分别计算
17、出yN+1，y1如下：可算出xN如下：由于前面单位时间的吸水量及TEG贫液的用量a=0.06m3/kg，则单位体积TEG吸收的水量如下：根据三甘醇脱水系统中的推荐温度，进入吸收塔的贫三甘醇的温度比原料气高38，本设计中取高出8，由于原料气为27，查阅相关资料后得到在35时，浓度为98%的TEG密度为1140kg/m3，则可以算出吸收水后的富液的浓度如下：由此可知GWN=3.5%，则计算xN如下：xN=0.2321将yN+1，y1，x0，xN带入公式中可以得到：根据公式，将K，L/V带入可得到：A=11.72根据公式，计算理论塔板数如下：若取每块塔板效率为25%，根据公式可得到：，取吸收塔塔板数
18、为7块4.2.4吸收塔径的确定 三甘醇在操作条件下的密度为气体在操作条件下天然气的密度求取：kg/m3板间距取0.45m，由公式计算吸收塔允许气体流速： 4.15：允许空塔气速，m/s;：甘醇在操作条件下的密度;：气体在操作条件下的密度;K：经验常数，有板间距为450mm，故取K为0.0366。图4.3表4.3 板间距与K值的关系板间距，mmK值4500.03665600.04576000.0488进料气在操作条件下的体积流量：其中，相密度：吸收塔截面积：吸收塔直径：，因此取内径为1.58m4.2.5泡罩塔板主要结构参数及选用泡罩直径由塔内径为1.58m，查表3.3可知泡罩塔的直径为100mm
19、。表4.4泡罩塔直径的选择塔径/m泡罩直径/mm1.0以下801.031003.0以上150泡罩齿缝的形状和尺寸泡罩齿缝选择矩形，齿缝宽度范围是315mm，这里取4mm。齿缝高度的选择查表12，由泡罩直径100mm，因此齿缝高度取25mm。表3.4齿缝高度与泡罩直径的关系泡罩直径/mm齿缝高度/mm802030100253215035升气管直径和高度由泡罩塔与升气管之间的环形面积与升气管面积之比为1.11.4，本工程取1.25，泡罩塔直径为100mm，由下式得：由4.2.6塔盘形式的选择液流型式的选择正确设计溢流型塔盘的液流形式非常的重要，行程长有利于气液两相的接触，但是会引起液面落差大和造成
20、液流短路，影响板效率；然而喷射型塔盘利用气相推动液流向前，液面落差很小。因此，应根据气液流量及塔盘特点，选择液流形式。本课题中选择结构简单的单流型塔盘。3圆泡罩的选型塔板上设有若干圆形泡罩，泡罩上开有一定数量的齿缝，泡罩内有升气管，气体由升气管进入，经环形截面及回转通道由齿缝流出，与塔板上的液层进行气液接触，从而达到气液传质的目的，由于甘醇吸收塔属于腐蚀性环境，选择泡罩材料为类（1Cr18Ni9Ti），根据工艺条件以及塔板效率选出的圆泡罩的规格如表下： 表4.5选出的圆泡罩参数与尺寸 （mm）名称参数公称直径DN100泡罩外径D1壁厚S11001.5升气管外径D2壁厚S2703总高度H1103
21、升气管高度H262泡罩高度H375泡罩顶端至齿缝高度H438齿缝高度H532齿缝宽度b15齿缝数目n32齿缝节距f9.82升气管孔径d168升气管净面积F1，cm227.75回转面积F2，cm243.21环形面积F3，cm235.39齿缝总面积F4，cm249.47F2/F11.55F3/F11.26泡罩质量，kg0.864.3吸收塔高度吸收塔直径：D=1.58m吸收塔内塔板间距为：0.45m共7层塔板，高度为：4.05m进口气洗涤器高度（1D）为：0.7m贫甘醇进口至捕雾器高度（1D）为：0.7m裙座取1.5m吸收塔总高度为：H=4.2+0.7+0.7+1.5=7.1m4.4除沫器选择与计算
22、除沫器的选择适宜的设计气速是除沫器取得高效的因素。气速太低时，雾滴成飘浮状，没有撞击网丝，即会随着气流通过丝网；气速太高时，聚集的雾滴不易从丝网上降落，又被气流重新带走。根据SY/T0602-2005中规定，吸收塔内的捕雾器应能除去直径大于5m的甘醇液滴，因此，笔者决定选用丝网除沫器。设计气速的选取根据油气集输设计规范（GB50350-2005），通过丝网捕雾器的设计速度，一般取丝网最大允许速度的75%，气体通过丝网最大允许速度可按下式计算丝网除沫器操作中的极限速度按（m/s）下式计算： 4.17式中L液滴密度，kg/m3；G进口气体密度，kg/m3；K气液过滤网常数，与网型有关，本课题中选择
23、网型为HP，K=0.233。丝网除沫器的操作气速 4.18将相关的数据带入公式2-24、2-35，取0.75，得到：uG=0.68m/s丝网除沫器直径丝网的使用面积取决于气体的处理量，丝网为圆形时，处理气体所需要的流道直径D1按下式计算： 4.19式中Q操作条件下的气体处理量，经计算后每个塔操作条件下的处理量为0.334m3/s；将相关的数据带入公式2-26中得到：D1=800mm丝网层厚度的确定丝网层的适宜厚度应按工艺条件通过适应确定，本课题中采用金属网丝，金属丝的直径范围为0.0760.4mm，选取网层厚度经验数值为150mm。4.5吸收塔塔体强度计算根据工艺要求由固定式压力容器GB150
24、.2-2010，塔壁和上、下封头材料选用16MnR合金钢4（s=285Mpa，t=170Mpa）。1）塔壁厚度塔壁厚度按下列公式计算： 4.20式中P设计压力，Mpa；Di塔内径，mm；t设计温度下塔壁材料的许用应力，Mpa；焊接接头系数，本题中取=1；C2腐蚀余量，本课题中塔壁腐蚀余量取C2=3mm。根据设计规范将本课题中给出的操作压力取1.1倍后及相关的数据带入公式2-27中可以得到吸收塔塔壁的厚度为：取塔壁厚度Sc=46mm2）封头厚度考虑到封头与筒体采用双面焊接的焊接方法进行焊接，根据力学有关 知识，为了不使应力集中破坏设备，决定两端封头采用浅碟形封头，根据相关知识，由于本课题采用的是
25、标准椭圆形封头，所以其封头厚度按下列公式计算： 4.21式中P设计压力，Mpa；Di塔内径，mm；t设计温度下塔壁材料的许用应力，Mpa；焊接接头系数，本题中取=1；C2腐蚀余量，本课题中封头腐蚀余量取C2=2mm；K形状系数，本课题中采用标准封头，K=1。根据设计规范将本课题中给冲出的操作压力取1.1倍后及相关的数据带入公式2-28中可以得到吸收塔封头的厚度为：为了保证良好的性能，取封头厚度与筒体的厚度一致为Sc=46mm。5 总结表5.1吸收塔设计结果设备名称工艺参数吸收塔塔吸收塔台数1台进塔TEG贫液最低浓度98%每台塔塔板数块吸收塔塔径1580mm塔盘型式泡罩塔板，单流型泡罩规格表2-3续表塔盘型式泡罩塔板，单流型泡罩规格表2-3捕雾器直径800mm捕雾器高度150mm塔体材料16MnR塔壁厚度46mm封头厚度46mm塔体总高度7100mm参考文献1梁平,王天祥.天然气集输技术北京：石油工业出版社2油田油气集输设计技术手册北京：石油工业出版社3油田地面工程采出液处理工艺与设备设计北京：中国石化出版社
