大型天然氣凈化工藝模擬實(shí)驗(yàn)裝置的研制

唐建峰， 陳 杰， 花亦懷， 郭 清， 劉 楊

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580； 2.中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100027；3.昆山市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心，江蘇 昆山 215337)

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·儀器設(shè)備研制與開發(fā)·

大型天然氣凈化工藝模擬實(shí)驗(yàn)裝置的研制

唐建峰1， 陳 杰2， 花亦懷2， 郭 清3， 劉 楊1

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580； 2.中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100027；3.昆山市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心，江蘇 昆山 215337)

在經(jīng)典天然氣凈化工藝流程的基礎(chǔ)上，通過(guò)吸收塔串并聯(lián)、原料氣循環(huán)、配氣系統(tǒng)和撬裝化的優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制了大型天然氣凈化工藝模擬實(shí)驗(yàn)裝置。優(yōu)化后的裝置可以實(shí)現(xiàn)不同原料氣氣質(zhì)、工藝流程、操作參數(shù)及吸收劑種類等工況下的實(shí)驗(yàn)研究。該裝置與國(guó)內(nèi)針對(duì)天然氣預(yù)處理中吸收劑性能及配方優(yōu)選等實(shí)驗(yàn)研究常用的反應(yīng)釜裝置相比，具有靈活、貼近工程實(shí)際等特點(diǎn)，可以多角度、多形式、多方面的對(duì)天然氣的凈化效果進(jìn)行研究和分析。

天然氣凈化； 優(yōu)化設(shè)計(jì)； 裝置研制

0 引 言

天然氣凈化是進(jìn)行天然氣利用的重要環(huán)節(jié)，地層中開采的天然氣中一般含有多種酸氣雜質(zhì)，如CO2、H2S等。酸氣在天然氣儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)引起管道和設(shè)備腐蝕、催化劑中毒及加速水合物生成等問(wèn)題[1-5]，此外，H2S的存在還會(huì)危及生命安全。

目前，各高校所用的針對(duì)天然氣凈化中吸收劑性能和配方篩選的實(shí)驗(yàn)裝置大部分為小型反應(yīng)釜裝置，主要設(shè)備為高壓反應(yīng)釜，相關(guān)配套措施包括溫控系統(tǒng)、氣相色譜分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等幾部分[6-8]。此類裝置應(yīng)用于吸收劑篩選以及凈化效果分析等理論研究尚可，但與工程實(shí)際中天然氣凈化工藝流程相差較大，其研究成果與工程實(shí)際應(yīng)用也存在一定差距。傳統(tǒng)的模擬工程實(shí)際的天然氣凈化實(shí)驗(yàn)裝置多根據(jù)工程實(shí)際需求研制，操作工況較為單一，研究?jī)?nèi)容有限。鑒于此，本文在傳統(tǒng)天然氣凈化工藝流程基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改造，保證其原有功能前提下，增加原料氣循環(huán)、配氣系統(tǒng)以及雙塔串并聯(lián)等，并采用撬裝化設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一套大型的天然氣凈化模擬實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置功能齊全，操作靈活，可用于指導(dǎo)科研工作和實(shí)踐教學(xué)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置研制思路

工業(yè)中常用的天然氣凈化方法有化學(xué)吸收法、物理吸附法、膜分離法等，其中化學(xué)吸收法由于工藝成熟、處理效果好而被廣泛應(yīng)用[9-13]。本文的大型天然氣凈化模擬實(shí)驗(yàn)裝置是基于化學(xué)吸收法進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

工業(yè)中常用的經(jīng)典天然氣凈化工藝流程如圖1所示。工藝流程總體可分為高壓吸收和低壓再生兩部分[14]。吸收部分：原料氣經(jīng)分離器除去固液雜質(zhì)后，由吸收塔底部入塔，與來(lái)自塔頂?shù)奈談┻M(jìn)行氣液傳質(zhì)反應(yīng)，脫除酸氣后的凈化氣從塔頂排出后進(jìn)入下游設(shè)備，與酸氣完成化學(xué)反應(yīng)的富吸收劑從塔底流出；再生部分：富吸收劑經(jīng)過(guò)節(jié)流降壓、閃蒸、過(guò)濾、換熱后進(jìn)入再生塔頂部，在塔內(nèi)與高溫蒸汽逆流接觸，釋放出酸氣，恢復(fù)吸收能力的貧吸收劑經(jīng)過(guò)換熱、增壓、冷卻后再次進(jìn)入吸收塔進(jìn)行酸氣脫除。

1-原料氣緩沖罐,2-吸收塔,3-凈化氣分離器,4-循環(huán)泵,5-貧胺冷卻器,6-閃蒸罐,7-過(guò)濾器,8-過(guò)濾器,9-貧/富胺液換熱器,10-再生塔,11-回流冷凝器,12-回流泵,13-重沸器,14-回流罐

圖1 醇胺法脫除CO2工藝流程圖

實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，天然氣凈化裝置要求穩(wěn)定運(yùn)行，

其原料氣氣質(zhì)、吸收劑種類和工藝操作參數(shù)等波動(dòng)范圍很小[10]。而在高校的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，在保證裝置穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，需盡可能多地增加研究點(diǎn)和可變工況，提高裝置的靈活性和功能性，實(shí)現(xiàn)多角度、多形式、多方面考察天然氣凈化相關(guān)知識(shí)，以此來(lái)達(dá)到科研和教學(xué)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模岣邉?chuàng)新性。基于上述原因，本文在經(jīng)典天然氣凈化工藝流程的基礎(chǔ)上，結(jié)合科研及教學(xué)目的，提出了以下優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，包括吸收塔串并聯(lián)設(shè)計(jì)、原料氣循環(huán)設(shè)計(jì)、配氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和撬裝化設(shè)計(jì)。

串并聯(lián)設(shè)計(jì)提供了一種串聯(lián)、并聯(lián)可切換的化工塔器裝置，能夠在一套實(shí)驗(yàn)裝置中實(shí)現(xiàn)單塔和雙塔串并聯(lián)3種不同工藝流程下的吸收實(shí)驗(yàn)；配氣系統(tǒng)可以按照特定比例配置不同種類的酸氣，豐富了實(shí)驗(yàn)氣體氣源種類；基于校內(nèi)實(shí)踐基地場(chǎng)地有限的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)裝置全部采用了撬裝化處理，大大縮減了占地面積，便于運(yùn)輸及維修；原料氣循環(huán)設(shè)計(jì)提供一種原料氣可循環(huán)使用的氣體凈化處理實(shí)驗(yàn)研究工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)吸收塔頂凈化氣與再生塔頂脫除氣的混合及循環(huán)利用，節(jié)約能源消耗和實(shí)驗(yàn)成本，實(shí)現(xiàn)了氣體的零排放，提高了實(shí)驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

2 實(shí)驗(yàn)裝置研制

2.1 吸收塔串并聯(lián)設(shè)計(jì)

本裝置中吸收塔為一種串聯(lián)、并聯(lián)可切換的化工塔器組合，能夠在一套實(shí)驗(yàn)裝置中實(shí)現(xiàn)單塔和雙塔串并聯(lián)3種不同工藝流程下的吸收實(shí)驗(yàn)研究。進(jìn)行吸收劑篩選等相關(guān)研究時(shí)，可以采用操作簡(jiǎn)單的單塔方式；需要處理氣體量大，且對(duì)氣體凈化深度要求不高的情況下，采用塔器并聯(lián)的方式；對(duì)氣體凈化深度要求較高的情況下，采用塔器串聯(lián)的方式。

本文實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)切換的實(shí)驗(yàn)裝置包括兩臺(tái)塔器、連接管道、氣液相自控閥組、計(jì)量泵及溫度、壓力、液位檢測(cè)儀表等，設(shè)計(jì)連接方式如圖2所示。通過(guò)主控室對(duì)閥門及計(jì)量泵的啟閉進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)塔器液相及氣相的串聯(lián)、并聯(lián)切換。

閥V1～V5構(gòu)成了液相的串并聯(lián)閥組，閥V6～V10構(gòu)成了氣相的串并聯(lián)閥組，吸收塔單塔和雙塔串、并聯(lián)運(yùn)行時(shí)各閥門的工作狀態(tài)及運(yùn)行特點(diǎn)如表1所示。氣液兩相均串聯(lián)時(shí)，吸收塔串聯(lián)工作，酸氣首先進(jìn)入吸收塔T-01底部與自上而下噴淋的來(lái)自吸收塔T-02的半吸收劑進(jìn)行初次氣體凈化過(guò)程；初次凈化后的氣體自吸收塔T-01頂部進(jìn)入吸收塔T-02的底部與來(lái)自再生塔的吸收劑進(jìn)行進(jìn)一步的氣體凈化過(guò)程，采用串聯(lián)工藝流程時(shí)，可明顯提高氣體的凈化效果。氣液兩相均并聯(lián)時(shí)，吸收塔并聯(lián)工作，這時(shí)酸氣分成兩股分別進(jìn)入吸收塔T-01和吸收塔T-02的底部與自上而下噴淋的吸收劑進(jìn)行氣體凈化過(guò)程，該工藝流程下吸收劑的循環(huán)流量大、氣體處理量大。

圖2 吸收塔串并聯(lián)設(shè)計(jì)圖

2.2 原料氣循環(huán)設(shè)計(jì)

實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中天然氣凈化裝置的氣相流程主要為：天然氣經(jīng)過(guò)吸收塔之后，其中的酸性雜質(zhì)氣體被吸收劑吸收，凈化后的氣體進(jìn)入下游管線，儲(chǔ)運(yùn)輸配到達(dá)用戶，吸收酸性氣體后的吸收劑進(jìn)入再生塔進(jìn)行再生，進(jìn)一步重復(fù)利用，再生塔頂?shù)拿摮龤庾鳛榛ぴ线M(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。

目前,國(guó)內(nèi)外采用的氣體凈化實(shí)驗(yàn)裝置在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所使用酸氣均是一次性的，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后即進(jìn)行處理或排放，無(wú)法實(shí)現(xiàn)原料氣的循環(huán)使用，造成原料氣的浪費(fèi)及環(huán)境的污染。為了節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本,減少原料氣配制過(guò)程中的誤差,降低氣體排放量，本文所采用的氣相流程為：原料氣混合罐的氣體經(jīng)過(guò)吸收塔吸收之后產(chǎn)生的凈化氣和再生塔分離出的酸氣重新返回至原料氣混合罐進(jìn)行混合，混合后的酸氣為下一個(gè)循環(huán)供氣，從而實(shí)現(xiàn)原料氣的循環(huán)利用。

表1 吸收塔串并聯(lián)工況表

本文設(shè)計(jì)的原料氣循環(huán)過(guò)程主要包括兩部分氣體，分別是再生塔頂酸氣和吸收塔頂凈化氣。再生塔頂?shù)乃釟饨?jīng)過(guò)冷凝、分離后進(jìn)入原料氣混合罐；吸收塔頂?shù)膬艋瘹饨?jīng)過(guò)節(jié)流閥降壓、冷凝、分離后進(jìn)入原料氣混合罐，混合后的氣體經(jīng)原料氣壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入吸收塔。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，原料氣由氣瓶供氣，待運(yùn)行穩(wěn)定，滿足實(shí)驗(yàn)壓力要求后，啟動(dòng)原料氣循環(huán)系統(tǒng)。同時(shí)，要適當(dāng)調(diào)整氣瓶的氣體供應(yīng)，以補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的氣體損失，實(shí)現(xiàn)原料氣的穩(wěn)定及循環(huán)利用。

2.3 配氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

配氣系統(tǒng)流程圖如圖3所示。它主要由原料氣氣瓶、原料氣混合罐、原料氣壓縮機(jī)、原料氣緩沖罐及計(jì)量?jī)x表五部分組成。通過(guò)配氣系統(tǒng)可以配制特定組分的原料氣，進(jìn)行不同原料氣氣質(zhì)條件下的實(shí)驗(yàn)研究。

配置原料氣的方法：打開原料氣氣瓶與原料氣混合罐之間的閥門，調(diào)節(jié)氣體流量，使氣體按一定比例混合。當(dāng)配氣快結(jié)束時(shí)，關(guān)閉原料氣氣瓶與原料氣混合罐之間的閥門，并待氣體充分混合后，打開原料氣混合罐取樣閥對(duì)氣體進(jìn)行取樣。采用色譜儀分析樣品氣體成分，并根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整各氣瓶的流量，調(diào)整氣體組>成。為滿足工程實(shí)際，該配氣系統(tǒng)除可以配置特定組分的原料氣之外，還可引入天然氣管線，進(jìn)行對(duì)原料氣組分要求不高的特定工況下的實(shí)驗(yàn)研究，節(jié)約成本。

圖3 配氣系統(tǒng)示意圖

2.4 撬裝化設(shè)計(jì)

撬裝化是指將各個(gè)功能組件集成在由角鋼或工字鋼制成的底座上，形成一個(gè)整體式集合，可以使用起重設(shè)備等進(jìn)行靈活移動(dòng)、就位，并可采用管線與系統(tǒng)上其他設(shè)備進(jìn)行連接使用的一種方式[15]。撬裝化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比,具有便于運(yùn)輸、安裝及占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。在工廠組裝完成的撬塊運(yùn)至實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行管線連接后便可立即投入使用，節(jié)約了裝置的建設(shè)成本，同時(shí)撬裝化的設(shè)計(jì)也使工廠中大型復(fù)雜的設(shè)備小型化，節(jié)約了占地面積。

本文實(shí)驗(yàn)裝置主要由10個(gè)撬塊組成，包括主撬、原料氣混合罐撬、吸收塔撬、再生塔撬、配氣撬、壓縮機(jī)撬、吸收劑儲(chǔ)罐撬、冷凍機(jī)撬、儀表風(fēng)撬和高空放散撬。主撬塊分為兩層，裝置上層撬塊包括再生塔頂?shù)幕亓骼淠鳌⒒亓鞴蕖⑽账數(shù)膬艋瘹饫淠鳌艋瘹夥蛛x器和尾氣吸收罐。下層撬塊包括富液閃蒸罐、富液過(guò)濾器、貧/富液換熱器、貧液冷卻器、胺液儲(chǔ)罐、胺液循環(huán)泵、再生回流泵、原料氣冷卻器、氣體緩沖罐、凈化氣冷凝器、凈化氣分離器、酸氣冷凝器、酸氣分離器、酸水回流泵。

各撬塊組合形成完整的天然氣凈化工藝模擬實(shí)驗(yàn)裝置。各撬塊尺寸、主要設(shè)備參數(shù)如表2所示。

表2 裝置撬塊尺寸及主要設(shè)備參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)裝置研制成果

根據(jù)天然氣凈化工藝裝置設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合吸收塔串并聯(lián)設(shè)計(jì)、原料氣循環(huán)設(shè)計(jì)、配氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和撬裝化設(shè)計(jì)，制定了實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)方案并成功研制了大型天然氣凈化工藝模擬實(shí)驗(yàn)裝置。其工藝流程圖見4。

圖4 大型天然氣凈化工藝模擬實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

本文研制的實(shí)驗(yàn)裝置可根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行操作參數(shù)調(diào)節(jié)。采用該裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，可調(diào)節(jié)的工況范圍為：氣體處理量0～100 m3/h、吸收劑循環(huán)流量0～0.5 m3/h、吸收壓力0～5 MPa、再生溫度0～130 ℃。

在實(shí)踐教學(xué)方面，本科生可通過(guò)該裝置進(jìn)行天然氣凈化工藝、流體機(jī)械設(shè)備等內(nèi)容的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)等。主要實(shí)習(xí)內(nèi)容包括熟練掌握天然氣凈化工藝流程，了解自動(dòng)控制系統(tǒng)，閥門、儀表及壓縮機(jī)等流體機(jī)械設(shè)備等，同時(shí)，該裝置可為本科生參加科技創(chuàng)新競(jìng)賽等提供技術(shù)支持，激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)新意識(shí)，提高實(shí)踐能力，真正做到學(xué)以致用。研究生可通過(guò)該裝置進(jìn)行天然氣凈化相關(guān)知識(shí)的實(shí)驗(yàn)研究，包括吸收劑篩選、工藝操作參數(shù)優(yōu)化等，提高研究生的科研能力。同時(shí)，該裝置還可用于承擔(dān)國(guó)家及企業(yè)與天然氣凈化相關(guān)的科研項(xiàng)目，例如吸收劑篩選及高效塔器性能研究等，科研成果可用于工程實(shí)際。

4 結(jié) 語(yǔ)

在經(jīng)典天然氣凈化工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改造，增加了吸收塔串并聯(lián)、原料氣循環(huán)、配氣系統(tǒng)和撬裝化設(shè)計(jì)，研制了一種大型天然氣凈化工藝模擬實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置既可滿足本科生實(shí)踐教學(xué)的需要，又可滿足研究生進(jìn)行氣體凈化效果分析、設(shè)備操作參數(shù)優(yōu)選、吸收劑配方優(yōu)選等科研需要。該實(shí)驗(yàn)裝置與國(guó)內(nèi)外針對(duì)天然氣凈化中吸收劑性能及配方優(yōu)選等實(shí)驗(yàn)研究常用的小型反應(yīng)釜裝置相比，研究結(jié)果更貼近工程實(shí)際；與傳統(tǒng)的模擬工程實(shí)際的常規(guī)凈化裝置相比，研究范圍寬、操作工況多，具有獨(dú)創(chuàng)性和靈活性，屬國(guó)內(nèi)首例用于實(shí)驗(yàn)室的大型天然氣凈化工藝模擬實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置的研制對(duì)提高本科生實(shí)踐教學(xué)、研究生科研和承擔(dān)國(guó)家及企業(yè)科研項(xiàng)目的研究等都具有重要意義。

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Development of the Mass Imitative Experimental Device of Natural Gas Purification Process

TANGJian-feng1,CHENJie2,HUAYi-huai2,GUOQing3,LIUYang1

(1. China University of Petroleum (East China)， Qingdao 266580， China； 2. CNOOC Gas & Power Group Research & Development Center， Beijing 100027， China； 3. Kunshan Construction Engineering Quality Testing Center， Kunshan 215337， China)

In order to meet the need of teaching and scientific research, the paper optimizes four designs, i.e., absorption tower series-parallel connection, feed gas circulation, valve system and dragging working based on the classical natural gas purification process. Then the mass imitative experimental device of natural gas purification process is constructed. The improved device can achieve the experimental study aim under the different working conditions which include different feed gas temperaments, different processes, different operating parameters and different absorption agent types. In order to compare traditional absorption kettle devices mainly used, and formulation optimization of natural gas pretreatment in the domestic laboratory, experimental research is completed. The result shows that the device is more flexible and closer to the practical engineering. It can be used to research and analyze about the natural gas purification effect from multi-dimension, multiform and multi aspect. The construction has got good effects during the application process of teaching and scientific research.

natural gas purification; optimization design; research of equipment

2014-04-24

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA09A216)；山東省研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(SDYY12161)；中國(guó)石油大學(xué)(華東)教學(xué)改革項(xiàng)目(JY-B201219)；中國(guó)石油大學(xué)(華東)教學(xué)改革項(xiàng)目(SY-B201208)資助

唐建峰(1973-)，男，山東鄒平人，博士，副教授，主要從事天然氣預(yù)處理、LNG關(guān)鍵技術(shù)等研究工作。

Tel.:0532-86983173;E-mail:tangpaper@126.com

TE 644

A

1006-7167(2015)01-0063-04