天然气脱碳装置产能核定实例介绍.pdf

第 4 2 卷第 4 期 石油与天然气化工 CHEMI CAL ENGI NEE RI NG OF OI L ＆ GAS 3 3 1 天然气脱碳装 置产 能核定 实例 介绍 朱利 1 ． 中国石 油西 南油 气田公 司天然 气研 究院 凯 陈 怀龙 2 ． 中国石 油 阿姆 河天 然气勘探 开 发 北京 有 限公 司 摘 要 活性 MDE A 水 溶 液 以其 卓 越 的 CO ， 尤其 是 高含 量 的 C O 的天 然 气 脱碳 。本 水溶 液 中的酸 气 负荷[ k mo l C Oz ／ MDE AP 节 能 特 性被 广 泛地 用 来 脱 除 工 业 气 流 中高含 量 的 文介 绍一 例 以化 学 分析 实测 各 关键 点 活性 MD E A ] ， 结合 工 艺计 算 来 确定 装 置 的 实 际处理 能力 ， 以供 参考 。 关键 词 天 然 气CO 天 然气脱 碳 活化 MDEA 中 图分类 号 TE 6 4 4 文献 标志 码 B D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 3 4 2 6 ． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 0 0 2 An e x a m p l e f o r e x a m i n a t i o n o f wo r k i ng c a p a c i t y o n t he p l a nt o f b u l k CO2 r e m o v a l f r o m na t u r a l g a s Zhu Li ka i Che n Hu a i l o ng 1 ． Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Na t u r a l Ga s Te c h n o l o g y，Pe t r o Ch i n a S o u t h we s t Oi l Ga s f i e l d Compa ny， Che n gdu 61 02 1 3， Si c hu an， Chi na；2 ．CN PC N a t ur al Ga s E r pl o r at i o n an d De v e l o pme n t o f t h e Ainu Da r y a Be i j i n gCo ． ，Lt d． ，Be i j i n g 1 0 0 1 0 1 ， Ch i n a Abs t r a c t Ac t i v e M DEA a q ue ous s o l ut i on wi t h i t s s up e r i o r c h a r a c t e r i s t i c o n t h e e ne r gy s a v i n g i s e xt e ns i v e l y us e d f or b ul k CO 2 r e m o v a l f r o m t h e hi g he r CO2 c on t e n t i nd us t r i a l ga s s t r e a m ． A p r oc e d ur e i s s u gg e s t e d t O c ombi n e pr oc e s s c a l c ul a t i o n wi t h a c i d g a s l o a d，whi c h i s m e a s u r e d b y c he mi c a l a n a l ys i s i n a c t i v e M DEA s o l ut i on a t s ome k e y p oi nt s ． I t p r o vi d e s a r e f e r e nc e f o r d e t e r rui na t i on o f t he wo r ki n g c a pa c i t y o f t he p l a nt ． Ke y wo r d sna t ur a l ga s ，CO2 ，bu l k CO2 r e mov a l f r o m na t ur a l ga s ，a c t i v e M DEA pr o c e s s l 概 述 P r o c e s s ” ， 其专利的活化剂之一是二乙醇胺 DE A 。 2 O世纪 8 0年代 ， 德国 B AS F公司推 出以活性 已活化的 MD E A水溶液脱碳有以下优点。 MDE A水溶液用于高 C O。含量 的工业气流尤其是 1 ． 1 增强了对 C O 吸收的反应速率 天然气脱碳 的 a MDE A P r o c e s s系列， 其公布的专利 MD E A与 C O 反应是受控 于 H。 o解 离 的缓 对二 氮 己环 。几 乎 同期 ， 法 国 E l f 集 团改组 的 T o 慢反应 。当需要 大量 脱除 C O 时 ， 与伯 、 仲 胺相 比 ， 其不 利 的结果是 需要 更高 的填 料段 或吸 收塔板 数 。 当 MD EA 水 溶 液 中 添 加 有 活 化 剂 哌 嗪 或 t a 1公 司 改 进 了 原 先 开 发 的 “ Ac t i v e MDE A D E A H ， 基 于 “ 穿 梭 机 理 ” 或 “ 平 行 反 应 机 理 ” 可 大 P r o c e s s ” ，推 出 用 途 更 为 广 泛 的 “ Ad MDE A 大提高化学反应增强因子， 加强了对 C Oe吸收的反 作者简介 朱利凯 1 9 3 5 一 ， 男 ， 上海人 ， 1 9 5 8年毕业于华东化工学 院 ， 大学学历 工学学士 ， 曾任职于 中国石油西南油气 田公 司天然气研究院 ， 高级工 程师 ， 从事天然气处理 与加 工研究工作 ， 发 表论文近 3 O篇 ， 合作 出版专著 2部 。地址 6 1 0 2 1 3 四J I l 省成都市双流县华 阳天研路 2 1 8号天然气研究 院。 N ＼／ H H C C 一 一 H H C C ／＼ H N e n Z 豫 e p P 嗪 哌 是 一 之 齐 比 活 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 3 2 朱利凯 等 天然气脱碳装 置产 能核定实例介绍 应速 率 ， 减少 设备 尺寸 。 1 ． 2 节 能效 果明显 若气 流 中 C O 分 压 甚 高 如 0 ．5 MP a ， MDE A水 溶液 吸 收 C O 后 在 较 高 的溶 液 温 度 当 C O 分压 约为 1 MP a 时 ， 吸收塔 底 富液温 度可 高 达 8 5 oC ， 若 降压 闪蒸 可释 出大量 的酸气 。 由此 ， 工 程 上 采用 两段 吸收 ， 上段 用 较 少量 的半 贫 液经 再 生 的 贫 液去 塔 顶 吸 收 ， 以控 制 净 化 气 中 C O 含 量 。如 此 ， 可大幅度地降低能耗 。 我 国 自 2 0世 纪 9 0年 代后 ， 对活性 MD E A水 溶 液用 于氮肥 工业装 置 中变 换气 的脱 碳 多有 研 究 ， 且 形成 软件 包 用 于 设 计 。中 国石 油 大 港 设 计 院 曾用 “ AS P E N P L US ” 软件 包设计 用 活化 MD E A 水溶 液 处理某气田含 y C O 为 3 0 的天然气 。有意义的 是 ， 中 国石 油西 南油气 田公 司天 然气研究 院 以下 简 称“ 天 研 院 ” 也 曾 用 “ Ami s m” 7 ． 0版 模 拟 用 活 化 MDE A水 溶液 在 3 MP a下 处 理 Y C O 为 3 0 的 天然 气 的脱碳 过程 ， 两者都 很成 功 。 天 研 院 曾对 大港 设计 院设 计 的装 置作 了标定 ， 采用测定有关节点的酸气负荷 ， 结合计算机计算的 方 法成 功地核 实 了实际工 况下装 置 的产能 。有鉴 于 其 实用 性 ， 录以供参 考 。 2 工艺原理 2 ． 1 系统 物料 平衡 系统物 料平衡 [ 1 如 图 1 所 示 。 [ c o。 ] 一[ c o。 ] [ co 。 ] ” [ c o ] [ c o ] 】 C 0 2 】 图1 系统物料平衡 Fig． 1 Ma t e r ial b alan c e o f t h e s y s t e m 已知， [ c o ] f r ／ z L a a 2 [ C O2 ] R L 0 d 一口 。 LL L。 3 若 令 尺一 ， LL 。 1 R ， L x [ C O ] 一 [ co ] ～[ c o ] 一[ c o ] ” 由如 上各式 知 ， ㈩ L 加～ 可 式 中 m 为 溶 液 质 量 浓 度 ， k mo l MDE AP ／ m。 ； L 。 为贫 液流量 ， m。 ／ h ； L 为半 贫液 流量 ， m。 ／ h ； L为总溶液流量， m。 ／ h ； a 。为贫液 中残存 的酸气负 荷 ， k mo l CO2 ／ k mo l MDE A P ； a 为 半贫 液 中残 存 的酸气 负 荷 ， k mo l C O ／ k mo l MDE AP ； a为 塔 底 总 溶 液 中 的 酸 气 负 荷 ，k mo l C O ／ k mo l MDE AP ； P ， P Z为哌嗪或其他 ； E c o ] 为原料 气带人 的 C O。 ， k mo l ／ h ． [ C O ] 为 净化 气带 出的 C O。 ， k mo l ／ h ； [ CO ] 为 1 闪 蒸塔 带 出 的 C O。 ， k mo l ／ h ； [ C O。 ] f为 系统 闪蒸 出 的 C O ， k mo l ／ h ； [ c O ] 为再生塔排出的 C O ， k mo l ／ h 。 提高贫液流量 L 。 可 以提高上段的吸收能力 。 若 不苛刻要 求净 化气 中 C O 含量 L 。 ≈ 1 ， 一 般推荐 R一3 ． 8 ～4 ． 2 ； 如要求 y C O。 小于 0 ． 2 ， 有 例报 导其 时可取为 R％3 。 如 图 1明显 示 出， 塔 上 段 吸 收 的 C 。 量 q 即 相当于是再生塔排出的酸气量[ c o。 ] ； 下段吸收的 C Oz量 q q 。 即 是 2 闪 蒸 塔 闪 蒸 出 的 酸 气 ， [ c oz ] f 。 严 格讲 ， 出 1 闪蒸 塔溶 液 中的酸气 负荷 应小 于 塔 底 富液 中的 酸气 负 荷 a ， 也 即是 入 2 闪蒸 塔 溶 液 中的 酸 气 负 荷 不 是 a 。 由 计 算 而 知 ， 在 相 当 于 C O 分压 的压 力 下 闪 蒸 ， 其 闪蒸 出 的气 相 中 含 的 C O 量[ C O ] ” 不足 [ C O ] 的 3 ， 为便于表达起 见， 假设入 2 闪蒸塔溶液中酸气负荷不变 ， 仍为 a 。 因 L 。 L ， 如此 可以大 幅度地 节约 能量 。 2 ． 2 “ 穿梭 S c h u t t l e B u s 机理” 和“ 平行 反应 ” P a r a l l e l Re a c t i o n 机 理[ “ 穿梭 机理 ” 、 “ 平 行 反 应 ” 机 理 其 总包 二 级 反应 速度 常 数 ， k 是 MD E A， 哌 嗪 P Z 各 自的二 级 反 应速度常数与质量浓度的乘积之和。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 2卷第 4期 石油与天然气化工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG OF OI L GAS 3 3 3 走 ． 一k 2[ MD E A] 忌 [ P z ] 5 式 中 走 2 5 ． 8 61 0 。e x p 一3 9 8 8 ／ 丁 ， m。 ／ k mo l s ； 忌 一2 ． 9 8 1 0 n e x p 一6 4 2 4 ／ T ， m。 ／ k mo ls 。 在 4 O ％ MD E A 水 溶 液 中 添 加 3 叫 的 P Z ， 虽然[ P z ] [ MD E A] ， 但 k 惫 。 ， 其结果是 k 。 ， 几乎是 忌 。的 2 O倍 8 5℃ 。无 因次化学吸收准数 ／ M 是 ／ j 1 L 4D k 2 [ MD E A] 忌 [_ P Z J 6 而 化学 反应 增强 因子 E是 E f_ 7 t a n hqM 由此大幅度地提高 了 MDE A水溶液吸收 C O 的速率 ， 详见文献[ 1 2 ] 。 2 ． 3 MDE A水 溶液 中 C O 的溶 解特 征 ] MD E A 水溶 液 中 C O 的溶 解 特 征 参 见 图 2所 示 。 昌 o 8 3 ＼ 枯 担 8 9 C 0 2 分 ／ M P a 图2 3 ． 5 m o l ／ L M D E A 水溶液中修匀的C ,0 2 溶解度 Fig． 2 CO2 s o l ub i l it y i n 3． 5 mol／ L MDE A a que ou s s ol u t i o n 文献[ 3 ] 提出了 C O 在活化 MD E A 水溶 液中 溶解度的计算式 [ 1 2 d ] K1 K2 H K l 2 K l 1 1一 a K3 8 式中 P 为 C O。分压， k P a ； H 为 C O 的溶解 度 常 数 ， k P a／ mo l ／ L； K 为 MD E A 的解 离常 数 ； K 为 哌嗪 的解离 常数 ； K。为 H C O。的一级 解离 常 本文用 以计算理论的酸气负荷与实测的数据比 较 。由图 2或式 8 可以看出， 当温度较高时 如 P ≈1 MP a时， 塔底 富液温度可高达 8 5℃ ， 因降压而 导致 C Oz的酸气 负荷降低 ， 意味着即有 C O 因降 压 而解 吸 出。这 就是前 文提 及 的节能 的基本 原 因 。 3 设计参数 原料气组成和装置生产操作数据分别见表 1 、 表 2所示 。 表 l原料天然气组成表 设计 3 ． 2 MP a ， 2 0 ℃ T a b l e 1 C o mp o s i t i o n o f f e e d n a t u r a l g a s d e s i g n v a lu e 表 2 装 置生产 操作数 据表 设计值 T a b l e 2 Op e r a t i o n d a t a o f p l a n t d e s i g n v a l u e 位 置 项 目 参 数 装置进 口 原料气 温度／ C 2 O 原料气压力／ MP a g 3 ． 1 O 原料气流量／ m。 h 1 0 0 0 0 0 原料气温度／ C 净化气 温度／ ℃ 贫液温度／ ℃ 吸收塔 贫液流量／ m。 h D N4 。 0 0 ／ D N2 6 O 0 H4 2 5 0 0 半 贫液 温度 ／ ℃ 半 贫液流量／ m。 h 富液温度／ ℃ 富液压力／ MP a g 闪蒸塔 闪 ㈤ 半贫液进 口温度／ ℃ 1 0 3 ． 5 半贫液进 El压力／ MP a g 0 ． 5 0 酸气温度／ ℃ 6 7 ． 2 n 再 生塔 酸气压力／ MP a g 0 ． 0 49 0 0N4 4 0 0 ／ DN3 2 0 0 H5 8 5 5 0 D ⋯⋯⋯ ⋯ 半贫液 出口温度／ ℃ 7 2 ． 3 贫液 温度／ ℃ 1 1 4 ． 4 贫 液压力／ MP a g 0 ． 0 6 净化气中 C O 1 ． 5 ；活化 MDE A水溶 液 w MD E A 一4 0 ， 砌 哌 嗪 一3 ； 贫 液 酸气 负 荷 0 ． 0 4 2 k mo l C O2 ／ k mo l MD E AP 。 数 ； 口为 C O2酸 气 负荷 ， k mo l C O2 ／ k mo l MDE A P ； 为 MD E A的质量浓度， k m 。 i ／ ms ； 为哌嗪 4 考 核 的质量浓度 ， k mo l ／ m。 。 由于气 田工况有变 ， 实际处理的原料气 中含 ∞ 脚 6 【8 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m