天然氣脫水的方法有低溫分離天然氣低溫分離脫水工藝流程 _天然氣

第2章天然氣脫水工藝
2.1 天然氣脫水概述
自地層采出的天然氣及脫硫后的天然氣中一般都含有飽和水蒸氣，水分的存在會(huì)給天然氣的輸送和加工造成困難。天然氣在輸送和加工時(shí)需要冷卻的溫度越低，對(duì)其含水量的要求就越嚴(yán)格，因此必須對(duì)天然氣進(jìn)行脫水處理，以達(dá)到規(guī)定的水汽含量指標(biāo) 。天然氣中的含水量有兩種表示方法，即“絕對(duì)含水量”及“露點(diǎn)溫度” 。絕對(duì)含水量指單位體積天然氣中含有的水汽質(zhì)量；露點(diǎn)溫度指在一定壓力下，天然氣中的水蒸氣開(kāi)始冷凝結(jié)露的溫度。一般情況下管輸天然氣的露點(diǎn)溫度應(yīng)比輸氣管線最低環(huán)境溫度低5～10℃ 。
用于天然氣脫水的方法有多種，可分為溶劑吸收法、固體吸附法、直接冷卻法和化學(xué)反應(yīng)法等，其中化學(xué)反應(yīng)法在天然氣工業(yè)中用的極少，而溶劑吸收法、固體吸附法較為普遍。隨著科學(xué)研究和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在傳統(tǒng)的天然氣脫水方法不斷得到完善和提高的同時(shí)，對(duì)新的脫水工藝也不斷進(jìn)行探索，如當(dāng)前天然氣脫水工業(yè)中的膜分離法就是一種新型的脫水方法。
天然氣的“脫水”是指脫除水蒸汽。所有的天然氣都在某種程度上含有水蒸汽。天然氣要脫除水蒸汽的原因是：
1、水和天然氣能形成固體水合物，堵塞設(shè)備；
2、含液態(tài)水的天然氣具有腐蝕性，尤其是當(dāng)天然氣中含有CO2和H2S時(shí)更為嚴(yán)重；
3、天然氣中的水蒸汽在管線中凝析，可能形成段塞流。
2.2 天然氣脫水方法
天然氣脫水的方法一般包括低溫法、溶劑吸收法、固體吸附法、化學(xué)反應(yīng)法和膜分離法等。低溫法脫水是利用高壓天然氣節(jié)流膨脹降溫或利用氣波機(jī)膨脹降溫而實(shí)現(xiàn)的，這種工藝適合于高壓天然氣；而對(duì)于低壓天然氣，若要使用則必須增壓，從而影響了過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。溶劑吸收法和固體吸附法目前在天然氣工業(yè)中應(yīng)用較廣泛。
以下簡(jiǎn)要介紹溶劑吸收法和固體吸附法。
2.2.1 溶劑吸收法
溶劑吸收法脫水是目前天然氣工業(yè)中應(yīng)用最普遍的方法之一。其利用吸收原理，采用一種親水的溶劑與天然氣充分接觸，使水傳遞到溶劑中從而達(dá)到脫水的目的。
溶劑吸收法中常采用甘醇類物質(zhì)作為吸收劑，在甘醇的分子結(jié)構(gòu)中含有羥基和醚鍵，能與水形成氫鍵，對(duì)水有極強(qiáng)的親和力，具有較高的脫水深度。
1、甘醇脫水
在天然氣氣脫水工業(yè)中曾成功應(yīng)用的甘醇是：乙二醇（EG）、二甘醇（DEG）、三甘醇（TEG）和四甘醇（TREG）。最早用于天然氣脫水的甘醇是二甘醇，由于受再生溫度的限制，貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為95%左右，露點(diǎn)降較低；而三甘醇再生容易，貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)98%~99%，具有更大的露點(diǎn)降，且運(yùn)行成本較低，因此得到了廣泛應(yīng)用。
2、甘醇脫水工藝流程
（1）無(wú)硫天然氣的甘醇脫水工藝
甘醇脫水過(guò)程一般都是連續(xù)的，其典型的工藝流程是三甘醇脫水工藝流程，用于處理井口無(wú)硫天然氣或來(lái)自醇胺法裝置的凈化氣。
TEG脫水裝置主要由吸收系統(tǒng)和再生系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，工藝過(guò)程的核心設(shè)備是吸收塔。天然氣脫水過(guò)程在吸收塔內(nèi)完成，再生塔完成三甘醇富液的再生操作。
原料天然氣從吸收塔的底部進(jìn)入，與從頂部進(jìn)入的三甘醇貧液在塔內(nèi)逆流接觸，脫水后的天然氣從吸收塔頂部離開(kāi)，三甘醇富液從塔底排出，經(jīng)過(guò)再生塔頂部冷凝器的排管升溫后進(jìn)入閃蒸罐，盡可能閃蒸出其中溶解的烴類氣體，離開(kāi)閃蒸罐的液相經(jīng)過(guò)過(guò)濾器過(guò)濾后流入貧/富液換熱器、緩沖罐，進(jìn)一步升溫后進(jìn)入再生塔。在再生塔內(nèi)通過(guò)加熱使三甘醇富液中的水分在低壓、高溫下脫除，再生后的三甘醇貧液經(jīng)貧/富液換熱器冷卻后，經(jīng)甘醇泵泵入吸收塔頂部循環(huán)使用。
（2）含硫天然氣的甘醇脫水工藝
對(duì)于H2S含量較高的天然氣， TEG法不適合處理高含H2S的天然氣，需采用特殊的甘醇脫水流程。該流程在再生塔前設(shè)置富液汽提塔，解吸出H2S并返回吸收塔，與CH4等烴類一起輸送到脫硫脫碳裝置。
處理含硫天然氣的裝置一般建在井?。砹坎惶笫?，盡量采用撬裝裝置。
2.2.2 固體吸收法
當(dāng)液體與多孔的固體表面接觸時(shí)，由于流體分子與固體表面分子之間的相互作用，流體分子會(huì)被吸附在固體表面上，導(dǎo)致流體分子在固體表面上含量增多，這種現(xiàn)象稱為固體表面的吸附現(xiàn)象。固體吸附法就是利用多孔固體顆粒選擇性地吸附流體中一定組分在其內(nèi)外表面上，從而使流體混合物得以分離的方法。具有一定吸附能力的固體材料稱為吸附劑，被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì) 。
目前，固體吸附法在化工、冶金、石油煉制和輕工業(yè)等部門獲得了廣泛的應(yīng)用。在天然氣加工中，脫水、脫硫過(guò)程都可以應(yīng)用吸附法。特別是吸附法脫水，由于其具有深度脫水高、裝置簡(jiǎn)單、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，在天然氣在深度脫水、深冷液化和海上平臺(tái)等方面居于不可動(dòng)搖的地位。
根據(jù)吸附劑表面與吸附質(zhì)之間作用力的不同，吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附。在實(shí)際過(guò)程中，有時(shí)物理吸附與化學(xué)吸附相伴發(fā)生，同一物質(zhì)在低溫時(shí)物理吸附為主，在高溫時(shí)以化學(xué)吸附為主。在通常的吸附分離中，主要是物理吸附。
2.3 脫水裝置設(shè)計(jì)
此次設(shè)計(jì)所選用的脫水裝置有：臥式過(guò)濾分離器、脫水吸收塔（塔頂捕霧器和塔板之間設(shè)冷卻盤管代替氣體-甘醇換熱器）、立式閃蒸罐、三甘醇再生塔（富液精餾柱頂設(shè)換熱盤管、塔頂設(shè)回流冷凝器、塔底設(shè)重沸器）、貧液汽提柱、緩沖罐（內(nèi)設(shè)三甘醇貧富液換熱盤管）、三甘醇循環(huán)泵、三甘醇過(guò)濾器、三甘醇冷卻器、廢氣分液罐和灼燒爐。
圖 2.1AutoCAD 繪制的工藝流程設(shè)計(jì)圖
（1-濕天然氣；2-出塔干氣；3-TEG 富液；4-閃蒸后的TEG 富液；5-TEG 富液再生；6-再生的TEG貧液；7-TEG 貧液進(jìn)塔；8-閃蒸氣；9-含水氣；10-汽提氣；11-燃料氣；12-原料氣；13-污水至污水池；14-干天然氣至輸氣干線；15-補(bǔ)充TEG；16-循環(huán)冷水；17-循環(huán)回水；A-臥式過(guò)濾分離器；B-脫水吸收塔；C-閃蒸罐；D-富液精餾柱；E-重沸器；F-貧液汽提柱；G-緩沖罐；H-TEG 循環(huán)泵；I-TEG 冷卻器；J-TEG 過(guò)濾器；K-廢氣分液罐；L-灼燒爐）
工藝過(guò)程的中心設(shè)備是吸收塔，用泵將TEG泵人到吸收塔的頂部， TEG經(jīng)過(guò)吸收塔時(shí)與氣流逆流接觸后向下沉動(dòng) ，富TEG水溶液從塔底排出，再經(jīng)過(guò)冷凝器的盤管升溫并過(guò)濾后，進(jìn)入閃蒸罐閃蒸出富TEG中溶解的烴類組分，然后液相流人貧富甘醇換熱升溫并過(guò)濾后，進(jìn)入脫水單元的再生器部分，在再生培內(nèi)通過(guò)加熱使TEG吸收的水分在常壓下脫除從而提濃，再生后的TEG經(jīng)貧富甘醇換熱器冷卻后，泵入吸收塔循環(huán)使用。而濕天然氣由吸收塔底進(jìn)入，進(jìn)入洗滌器后自下而上與TEG接觸傳質(zhì)，然后經(jīng)塔頂分離器后外輸。
1、入口分離器
一半以上的脫水裝置的問(wèn)題都是由于入口氣體不夠充分洗滌而引發(fā)的。
常見(jiàn)五種污染物是：
（1）游離水：水會(huì)增加甘醇的循環(huán)量、重沸器的熱負(fù)荷和燃料費(fèi)用。
（2）油或烴類：可溶解的烴會(huì)減弱甘醇的脫水能力．有游離水存在時(shí)不可溶的油會(huì)在換熱器的熱交換表面結(jié)焦，同時(shí)會(huì)增加甘醇的濃度。
（3）帶入的鹽水：鹽溶解于甘醇中會(huì)腐蝕鋼材，特別是不銹鋼，容易引起重沸器火管穿孔。
（4）添加劑：如腐蝕防護(hù)劑、酸化和壓裂液，這些物質(zhì)易引起發(fā)袍、腐蝕和對(duì)火管造成熱腐蝕。
（5）團(tuán)體雜質(zhì)：如砂、腐蝕產(chǎn)物(FeS、鐵銹等)，這些固體易引起發(fā)泡，侵蝕閥門和泵，堵塞塔板和填料。
進(jìn)口濕氣的完全洗滌是保證裝置安全生產(chǎn)的必要前提。許多大的三甘醇脫水裝置都在吸收塔前設(shè)有分離器或洗滌器，可能的話．還設(shè)有過(guò)濾器。洗滌器的負(fù)荷要能處理最大氣體流量的125％。
2、吸收塔
如圖[8]2.2所示，吸收塔由底部的洗氣段、中部的傳質(zhì)或干燥段、頂部的甘醇冷卻和捕霧器組成。
圖2.2甘醇吸收塔
濕天然氣切向進(jìn)入塔底部一體化的氣體洗滌器，然后穿過(guò)絲網(wǎng)捕霧器以去除隨氣體帶入的殘余液體顆粒，通過(guò)這樣的兩級(jí)處理使可能進(jìn)入甘醇體系的污染物最小化。一體化的氣體洗滌器是對(duì)入口分離器的補(bǔ)充，它不能代替入口分離器。
在干燥段，氣體由下而上與由上而下三甘醇進(jìn)行逆流接觸，一般需4～12層泡罩塔板或浮閥塔板，盡管浮閥塔比泡罩塔有較高的效率，但由于泡罩在低氣速下不致漏液，且適合粘性液體。因此，實(shí)際過(guò)程中，往往采用泡罩塔板。
甘醇趨向于發(fā)泡，因此塔板間距至少應(yīng)保持204mm，比較合適的值是6l0～760mm 。安裝時(shí) ，應(yīng)保持塔體垂直，否則由于塔板上液位不一致將影響到氣液接觸效果。
塔頂?shù)牟鹅F器保證氣相中盡可能少地夾帶甘醇，捕集墊由l00～200mm的不銹鋼和滌綸組成。液體的分離空間是十分重要的，從捕霧器到第一塊塔板的距離至少應(yīng)為板間距的1.5倍。
3、閃蒸罐
在甘醇吸收水分的過(guò)程中，較重的烴類包括芳香烴會(huì)不可避免地部分溶解于甘醇溶液。
可應(yīng)用兩相分離器進(jìn)行分離，此時(shí)溶液的停留時(shí)間為5—10min 。如果甘醇吸收有大量的重質(zhì)烴，氣體的相對(duì)密度大，這時(shí)可選用三相分離器，其停留時(shí)間應(yīng)為20—30min 。氣體—凝液—甘醇分離的最佳條件是350—500kpa，38—65℃ ，該條件下閃蒸出的閃蒸氣可不經(jīng)壓縮而直接作燃料氣或汽提氣使用。
當(dāng)油被除去后，富甘醇在閃蒸前經(jīng)過(guò)甘醇/甘醇換熱器進(jìn)行預(yù)熱，加熱減小了溶液的粘度并加速了甘醇與液烴的分離。
要注意的是：閃蒸時(shí)的壓力一定要能保證甘醇能流過(guò)下游的設(shè)備如換熱器和過(guò)濾器等。使用臥式閃蒸罐一般能獲得較好的凝液—甘醇分離效果，而立式閃蒸罐卻占有更少的平臺(tái)面積，這要進(jìn)行具體的分析選用。
4、過(guò)濾器
在甘醇中固體顆粒應(yīng)少于0．01％(質(zhì)量)以避免泵的損壞、換熱器阻塞、溶液發(fā)泡、吸收塔板和再生精餾柱填料的污染、火管的熱腐蝕等。常用固體過(guò)濾器和活性炭過(guò)濾器來(lái)保證溶液的純度。前者以纖維制品、紙張或玻璃纖維為濾料，除去5μm以上的粒子。固體過(guò)濾器置于閃蒸罐后，此時(shí)溶液溫度較高，粘度較低，便于過(guò)濾。固體過(guò)濾器的容量應(yīng)滿足處理全部循環(huán)溶液的需要。活性炭過(guò)濾器主要是除去溶液中的溶解性雜質(zhì)，加高沸點(diǎn)的烴類、表面活性劑、壓縮機(jī)潤(rùn)滑油以及TEG降解產(chǎn)物等。循環(huán)溶液可以全部進(jìn)入活性炭過(guò)濾器處理，也可以部分處理，視溶液中雜質(zhì)含量而定。溶液在過(guò)濾器內(nèi)的停留時(shí)間應(yīng)為15—20min以保證處理效果。
5、甘醉泵
甘醇循環(huán)泵是脫水裝置的唯一一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，它將貧甘醇從低壓升為高壓后入塔。常用的泵有三種驅(qū)動(dòng)方式：
（1）高壓氣體驅(qū)動(dòng)
（2）高壓液體驅(qū)動(dòng)
（3）電動(dòng)
沒(méi)有甘醇的循環(huán)，就不能繼續(xù)脫水。因此，應(yīng)選配兩臺(tái)泵，每臺(tái)泵的能力都要能滿足全部甘醇循環(huán)的需要，一臺(tái)工作，另一臺(tái)備用：對(duì)大型裝置選擇電動(dòng)、水平或正位移泵都是有利的。對(duì)小型的邊遠(yuǎn)裝置，經(jīng)常選用高壓液體或氣體驅(qū)動(dòng)的甘醇泵。從吸收塔底出來(lái)的高壓甘醇可給雙動(dòng)泵提供部分動(dòng)力，從吸收塔出來(lái)的高壓氣體也能提供部分動(dòng)力，當(dāng)然這就要求吸收塔內(nèi)有較高的壓力。
6、緩沖罐
緩沖罐的體積要足夠大以容納從吸收塔出來(lái)的全部甘醇。正常運(yùn)行期間緩沖器應(yīng)半滿。同時(shí)應(yīng)有氣封以防止甘醇與空氣接觸。
7、貧、富液換熱器
貧/富溶液換熱器是用來(lái)控制進(jìn)閃蒸罐和過(guò)濾器的富液溫度，并回收貧濃的熱量，使富液升溫至148℃左右進(jìn)再生塔，以減輕重沸器的熱負(fù)荷。最常用的是管殼式換熱器。對(duì)小型裝置可以不設(shè)置專門的換熱器，而在貧液緩沖罐中用換熱盤管來(lái)代替(即換熱罐) 。采用這種換熱形式可以簡(jiǎn)化流程，節(jié)省投資，但其換熱效果較差，即使整個(gè)盤管均浸沒(méi)在貧液之中，換熱后的人塔富液溫度也很難超過(guò)93℃ 。
TEG脫水的各種工藝流程，吸收部分大致相同，再生部分有所不同，目的是提高TEG的濃度。最初采用的是常壓加熱,只靠加熱來(lái)提濃TEG，受到熱分解溫度的限制，只能提濃到98.5％(質(zhì))左右，大約可使露點(diǎn)降達(dá)35℃左右。由于這種方法不能滿足要求，因而發(fā)展了其它三種再生方法。第一種是減壓再生方法。在一定溫度壓力下，比常壓加熱多蒸出水分，提高濃度。但此法系統(tǒng)復(fù)雜，操作費(fèi)用高：第二種是氣體汽提。它是國(guó)內(nèi)外通常采用的方法。將TEG溶液與熱的汽提氣接觸，降低水蒸氣的分壓。可以提濃到99.95％(質(zhì)) ，露點(diǎn)降可達(dá)75—85 。氣與蒸出的水汽一起排向大氣，因含大量水汽而點(diǎn)不著火，不能燃燒而產(chǎn)生污染。第三種是共沸再生，這是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的方法，采用的共沸再生沸應(yīng)具有不溶于水和TEG、與水能形成低沸點(diǎn)共沸物、無(wú)毒、蒸發(fā)損失小的性質(zhì)，最常用的是異辛烷。此法可將TEG提濃到99.95％(質(zhì)) ，露點(diǎn)降達(dá)75—85℃，共沸劑在閉路內(nèi)循環(huán)，無(wú)大氣污染。此法雖然不用汽提氣，但是增加了設(shè)備和汽化共沸劑的能耗。
到目前為止，國(guó)外設(shè)計(jì)的一些TEG吸收脫水裝置仍采用汽提氣再生的方法。因汽提氣量很少，雖有污染，但不影響達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn) 。它的成本低、操作方便、提濃效果好，是該法的一大優(yōu)點(diǎn)，所以國(guó)內(nèi)大都使用此法。
2.4 天然氣脫水工藝發(fā)展趨勢(shì)
近年來(lái)，一些新技術(shù)逐漸被應(yīng)用到天然氣脫水行業(yè)中，如目前倍受重視的膜分離脫水技術(shù)和超音速脫水技術(shù) 。這兩種新技術(shù)均使得天然氣脫水技術(shù)向著體積小、能耗少、運(yùn)行費(fèi)用低、操作維護(hù)簡(jiǎn)單方便、環(huán)境污染小等方向發(fā)展，徹底改變了現(xiàn)有天然氣脫水系統(tǒng)復(fù)雜、體積大、操作復(fù)雜、污染大和運(yùn)行費(fèi)用高的不足。因此，這些新興的天然氣脫水技術(shù)的出現(xiàn)具有良好的市場(chǎng)前景，已經(jīng)或正在成為傳統(tǒng)天然氣脫水技術(shù)強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手或替代者。
2.4.1 膜分離脫水技術(shù)
膜分離技術(shù)的原理實(shí)際上是利用物質(zhì)通過(guò)半透膜的可釋性機(jī)理，其過(guò)程表現(xiàn)為混合物中各組分在壓力差或濃度差等條件下通過(guò)界面膜進(jìn)行傳質(zhì)，利用各組分在膜中不同的優(yōu)先或選擇滲透性實(shí)現(xiàn)組分分離。天然氣膜分離脫水技術(shù)就是利用特殊設(shè)計(jì)和制備的膜材料對(duì)天然氣中酸性組分（如HO2、CO2和H2S）的優(yōu)先選擇滲透進(jìn)行脫除，如醋酸纖維膜對(duì)水汽的滲透流速比甲烷要大500倍左右，非常適合用于從天然氣中脫除水分。最先在工業(yè)上成功利用膜分離技術(shù)分離氣體的是
Mosaton公司，該公司于1979年研制出用于分離CO2的PRISM膜分離器，分離效果較好。20世紀(jì)80年代，國(guó)外開(kāi)始研究用膜分離技術(shù)進(jìn)行天然氣脫水處理，截至目前該技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用主要集中在美國(guó)、加拿大和日本等國(guó) 。我國(guó)對(duì)天然氣膜分離脫水技術(shù)的研發(fā)始于20世紀(jì)90年代，中科院大連化學(xué)物理所和中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)所等單位對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并取得了很大的進(jìn)展。其中中科院大連物理研究所于1994年研制出了中空纖維膜脫水裝置，并將該裝置長(zhǎng)慶氣田進(jìn)行了脫水試驗(yàn)，并進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出了天然氣膜分離技術(shù)脫水工業(yè)試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，膜組件構(gòu)造是中空纖維式。試驗(yàn)結(jié)果表面：在壓力為4.6MPa時(shí) ，凈化天然氣水露點(diǎn)達(dá)到-8℃~-13℃，甲烷回收率不低于98% 。另外，相比應(yīng)用較為廣泛的傳統(tǒng)三甘醇脫水技術(shù)，其富甘醇液需要熱能驅(qū)趕水分再生，且在海上氣處理平臺(tái)占用空間大；膜分離脫水技術(shù)裝置所具有特點(diǎn)對(duì)海上氣田和偏遠(yuǎn)地區(qū)氣田更具有吸引力和競(jìng)爭(zhēng)力。膜分離脫水技術(shù)雖然因其眾多優(yōu)點(diǎn)具有非常大的應(yīng)用潛力，但如要廣泛的工業(yè)應(yīng)用仍需解決一些目前面臨的問(wèn)題，這些問(wèn)題主要包括烴損失問(wèn)題、膜的塑化和溶脹性問(wèn)題、濃差極化問(wèn)題和一次性投資較大問(wèn)題。另外，膜材料也是發(fā)展膜分離技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題之一，理想的膜材料應(yīng)具有高透氣性、良好的透氣選擇性、高強(qiáng)度、良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和較好的成膜加工性能。目前無(wú)機(jī)膜材料主要有無(wú)機(jī)致密膜和微孔膜兩大類，有機(jī)膜有纖維素類、聚酰胺類和改性膜材料。為了減少產(chǎn)品氣損失，選擇和開(kāi)發(fā)承壓能力更高、穩(wěn)定性更好和選擇性更高的膜材料已成為膜分離技術(shù)開(kāi)發(fā)和研究的熱點(diǎn) 。鑒于上述問(wèn)題，膜分離技術(shù)仍需加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，開(kāi)發(fā)和研制高性能的分離膜材料；另一方面，應(yīng)當(dāng)將膜分離技術(shù)和其他處理技術(shù)相結(jié)合，利用各技術(shù)特有的優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的工藝組合和最低的經(jīng)濟(jì)投資，為膜分離技術(shù)在天然氣行業(yè)中的應(yīng)用開(kāi)拓更大的空間[5] 。
2.4.2 超音速脫水技術(shù)
天然氣超音速脫水技術(shù)按照其原理屬于傳統(tǒng)方法中的冷凍分離法，該技術(shù)的發(fā)展基于航天技術(shù)的空氣動(dòng)力學(xué)應(yīng)用成果。它的核心部件為超音速分離器，它利用拉瓦爾噴管使天然氣在自身壓力作用下加速到超音速，此時(shí)天然氣溫度和壓力會(huì)急劇降低，天然氣中的水蒸汽將冷凝成小液滴，利用氣流旋轉(zhuǎn)將這些小液滴分離，并對(duì)干氣進(jìn)行再壓縮。天然氣超音速脫水系統(tǒng)將膨脹機(jī)、分離器和壓縮機(jī)的功能集中到一個(gè)管道中，不僅簡(jiǎn)化了脫水系統(tǒng)也提高了系統(tǒng)的可靠性，使得該技術(shù)具有效率高、能耗低、體積小、運(yùn)行成本低、環(huán)保、安全可靠和經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)脫水技術(shù)的諸多缺點(diǎn)，被認(rèn)為是天然氣脫水領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)革命。天然氣超音速脫水技術(shù)由殼牌石油公司于1997年開(kāi)始進(jìn)行研究，并通過(guò)一系列研究驗(yàn)證了該技術(shù)長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作能力，并于1999年和2000年先后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和在馬來(lái)西亞進(jìn)行了第一套商業(yè)產(chǎn)品運(yùn)行，取得了較好的效果。近年來(lái)，俄羅斯ENGO屬下的Translang公司針對(duì)超音速分離技術(shù)進(jìn)行了大力研究，并于2004年9月在西伯利亞成功投運(yùn)了2臺(tái)超音速分離裝置，年產(chǎn)能超過(guò)4億立方米，該系統(tǒng)至今運(yùn)行良好。國(guó)內(nèi)對(duì)超音速脫水技術(shù)的研究較少，勝利油田勝利工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司通過(guò)多年攻關(guān)，成功開(kāi)展了室內(nèi)超音速脫水試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研制出了天然氣超音速脫水裝置，并建立了國(guó)內(nèi)第一個(gè)渦流氣體凈化分離裝置實(shí)驗(yàn)臺(tái)，完成了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)中試。另外，北京工業(yè)大學(xué)劉中良教授在借鑒國(guó)際先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，與勝利油田合作，對(duì)基于井口余壓的高效超音速分離管技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研發(fā)，并形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型高效超音速天然氣脫水凈化技術(shù) 。試驗(yàn)表明，利用該技術(shù)可以非常有效地脫除天然氣中的水分和重?zé)N，脫水凈化效果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
作為近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型的天然氣脫水處理技術(shù)，超音速脫水技術(shù)目前存在應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足并具有一定的局限性問(wèn)題。在工業(yè)應(yīng)用方面，國(guó)外一些企業(yè)對(duì)其進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)的應(yīng)用很少。與傳統(tǒng)脫水技術(shù)相比，它是一種典型的節(jié)能環(huán)保新型天然氣脫水技術(shù)，具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)和市場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用前景。因此，應(yīng)當(dāng)加大對(duì)其研究開(kāi)發(fā)力度，盡早實(shí)現(xiàn)該技術(shù)在我國(guó)的工業(yè)實(shí)際應(yīng)用；該技術(shù)的推廣必將顯著降低天然氣脫水行業(yè)的工程投資和生產(chǎn)運(yùn)行成本。
第3章容器設(shè)計(jì)
3.1
概述
3.1.1
容器的結(jié)構(gòu)
一般承受內(nèi)壓的容器，除球形容器外，大多是由筒體和封頭組成。筒體是圓筒形殼體，封頭則有多種形式，高壓容器多采用平板封頭（近年來(lái)也有采用半球形封頭的）；中、低壓容器的封頭除平板和半球形外，還有半橢圓形封頭、碟形封頭、錐形封頭等。中、低壓容器的筒體大都用單層鋼板卷焊而成。對(duì)于高壓容器多采用組合式筒體結(jié)構(gòu) 。
3.1.2
容器的分類
由于化工容器操作的特殊性，如果在選材、設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)中稍有疏忽，一旦發(fā)生安全事故，其后果不堪設(shè)想。所以包括我國(guó)在內(nèi)的各有關(guān)國(guó)家都對(duì)壓力容器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)工作通過(guò)各種途徑采用取證管理及監(jiān)察工作，必須持證設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn) 。各國(guó)對(duì)壓力容器的取證管理及監(jiān)察工作在原則上都是為了保證使用的安全性，都是根據(jù)容器一旦發(fā)生事故所可能造成的危害性劃分等級(jí)或類別，但在具體劃分上則有所不同。我國(guó)國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局所制定即公布的《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》根據(jù)設(shè)計(jì)壓力的高低、在運(yùn)行中可能發(fā)生危險(xiǎn)的程度、所儲(chǔ)介質(zhì)的毒性和易燃性等級(jí)把壓力容器劃分為一、二、三等三個(gè)類別。其要點(diǎn)如下：
按設(shè)計(jì)壓力的高低，劃分為低壓、中壓、高壓、起高壓四個(gè)壓力等級(jí) 。
1、低壓：0.1Mpa≤p<1.6MPa
2、中壓： 1.6Mpa≤p<10MPa
3、高壓：10Mpa≤p< 10MPa
4、超高壓：p≥100MPa
顯然，壓力越高，一旦發(fā)生事故而造成的危害越大，容器的類別越高。
按容器的生產(chǎn)工藝過(guò)程中的功能，分為反應(yīng)容器、換熱容器、分離容器、儲(chǔ)存容器等四種容器。
一般而言，反應(yīng)容器在運(yùn)行過(guò)程中因化學(xué)反應(yīng)而引起超壓、升溫的可能性較大；儲(chǔ)存極度毒性或易燃介質(zhì)的大體積容器在一旦發(fā)生事故時(shí)造成的危險(xiǎn)性較大，所以容器的類別就高于無(wú)化學(xué)反應(yīng)，且介質(zhì)無(wú)毒、不易燃的小型分離器的類別。按照容器中介質(zhì)毒性和易燃程度，分為極度危害、高度危害、中度危害和輕度危害等四種程度。
此外，再看是否屬于移動(dòng)式容器，是否屬于低溫容器，是否有可能直接接觸火焰，某些特殊材料和結(jié)構(gòu)，介質(zhì)的危害程度以及在生產(chǎn)過(guò)程中的重要作用等的因素，綜合的將容器分為三類。
屬于下列情況之一者為一類容器：
1、非易燃或無(wú)毒介質(zhì)的低壓容器；
2、易燃或有毒介質(zhì)的低壓分離器和換熱容器；
屬于下列情況之一者為二類容器：
3、中壓容器；
4、劇毒介質(zhì)的低壓容器；
5、易燃或有毒介質(zhì)的低壓反應(yīng)容器或貯運(yùn)容器；
6、內(nèi)徑小于1米的低壓廢熱鍋爐；
屬于下列情況之一者為三類容器：
1、高壓、超高壓容器；
2、劇毒介質(zhì)且PV乘積大于0.2Mpa.m3的低壓容器或劇毒介質(zhì)的中壓容器；
3、易燃或有毒介質(zhì)且PV乘積大于0.5Mpa.m3的中壓反應(yīng)器或中壓貯運(yùn)容器；
4、中壓廢熱鍋爐或內(nèi)徑大于1米的低壓廢熱鍋爐。
其中，劇毒介質(zhì)是指進(jìn)入人體量<50g即會(huì)引起人體機(jī)能嚴(yán)重?fù)p傷或致死作用的介質(zhì)，如氫氰酸，F(xiàn)等。有毒介質(zhì)是指進(jìn)入人體量50g即會(huì)引起人體正常功能損傷的介質(zhì)，二氧化碳、氨、一氧化碳等。易燃介質(zhì)是指與空氣混合的爆炸極限<10%或爆炸上限和下限之差>20%的氣體，如乙烷、乙烯、氫等。
對(duì)于不同類的容器，在材料的選擇、設(shè)計(jì)、制造和安裝方面有不同的要求。
3.2
內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計(jì)
3.2.1
筒體強(qiáng)度計(jì)算
為保證筒體強(qiáng)度，筒體內(nèi)較大的環(huán)向應(yīng)力不應(yīng)高于材料的許用應(yīng)力，即
(3.1)
在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，尚須考慮以下因素：
1、焊縫系數(shù) 容器筒體一般由鋼板卷焊而成。由于在焊接加熱過(guò)程中，對(duì)焊縫金屬組織產(chǎn)生不利影響，同時(shí)在焊縫處往往形成夾渣、氣孔、未焊透等缺陷，導(dǎo)致焊縫及其附近金屬的強(qiáng)度可能低于鋼板本體的強(qiáng)度。因此，式(3.1)中鋼板的許用應(yīng)力應(yīng)該用強(qiáng)度較低的焊縫許用應(yīng)力代替，辦法是把鋼板的許用應(yīng)力乘以焊縫系數(shù)
，
<1 ，于是式(3.1)可寫成
(3.2)
2、工藝設(shè)計(jì)中確定的容器內(nèi)徑，在制造過(guò)程中測(cè)量的也是圓筒的內(nèi)徑，而受力分析中指的卻是筒體面直徑。用內(nèi)徑代替式(3.1)中的中面直徑更為方便，于是有
(3.3)
解出上式中的，得到內(nèi)壓圓筒的計(jì)算壁厚。
(3.4)
3、考慮到鋼板厚度不均勻及介質(zhì)對(duì)筒壁的腐蝕作用，在確定筒體所需厚度時(shí)，還應(yīng)在計(jì)算壁厚的基礎(chǔ)上，增加壁厚附加量C 。
綜合以上因素，內(nèi)壓圓筒壁厚的計(jì)算公式為
(3.5)
對(duì)于已有的圓筒，測(cè)量壁厚，則其最大許可承壓的計(jì)算公式為
(3.6)
以上諸式中
—圓筒計(jì)算壁厚，mm；
—圓筒設(shè)計(jì)壁厚， mm；
—圓筒名義壁厚，mm；
—圓筒有效壁厚，mm；
p—容器設(shè)計(jì)壓力，MPa；
—圓筒內(nèi)壓，mm；
—設(shè)計(jì)溫度t℃下，筒體材料的許用應(yīng)力，MPa；
—焊縫系數(shù)；
C—壁厚附加量，mm 。
特別應(yīng)指出，式(3.5)僅僅考慮了容器內(nèi)介質(zhì)的內(nèi)壓（氣體壓力）。當(dāng)容器中盛有很高的液柱，設(shè)計(jì)及產(chǎn)生的壓力，當(dāng)容器除受內(nèi)壓作用外，還承受其他較大外載荷（例如風(fēng)載荷、地震載荷、溫度應(yīng)力等）時(shí)，式(3.5)不能作為確定壁厚的唯一依據(jù)，這尚須校核各種外載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力。
3.2.2
設(shè)計(jì)參數(shù)確定
壁厚設(shè)計(jì)公式中各個(gè)參數(shù)，應(yīng)按全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)編制的GB150—89“鋼制壓力容器”的規(guī)定正確取值。
1、設(shè)計(jì)壓力
設(shè)計(jì)壓力指在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下用以確定容器筒體壁厚的壓力。它應(yīng)標(biāo)注在銘牌上，設(shè)計(jì)壓力一般稍高于最大工作壓力。使用安全閥時(shí) ，設(shè)計(jì)壓力不小于安全閥的開(kāi)啟壓力，或取最大工作壓力的1.05~1.10倍；使用爆破膜安全裝置時(shí)，根據(jù)爆破膜片的型式確定，一般取最大工作壓力的1.15~1.4倍作為設(shè)計(jì)壓力。
最大工作壓力是指壓力容器在工藝操作過(guò)程中，頂部可能達(dá)到的最大表壓力。當(dāng)容器內(nèi)盛有液體物料時(shí)，若液體物料的靜壓力不超過(guò)最大工作壓力的5%，則在設(shè)計(jì)壓力可不計(jì)入液體靜壓力，否則需在設(shè)計(jì)壓力中計(jì)入液體靜壓力。
2、設(shè)計(jì)溫度
設(shè)計(jì)溫度的取值在設(shè)計(jì)公式中沒(méi)有直接反映，但它對(duì)容器材料的選擇和許用應(yīng)力的確定直接有關(guān) 。
設(shè)計(jì)溫度指容器正常工作過(guò)程中，在相應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力下，金屬器壁的溫度通過(guò)換熱計(jì)算確定，為了方便，對(duì)于不被加熱或冷卻的器壁，規(guī)定取介質(zhì)的最高或最低溫度作為設(shè)計(jì)溫度；對(duì)于蒸汽、熱水或其它載熱體或載冷體加熱或冷卻的器壁，取加熱介質(zhì)（或冷卻介質(zhì)）的最高溫度（或最低溫度）作為設(shè)計(jì)溫度。在工作過(guò)程中，當(dāng)容器不同部位可能出現(xiàn)不同溫度時(shí) ，按預(yù)期的不同溫度作為各相應(yīng)部分的設(shè)計(jì)溫度。
3、許用應(yīng)力
許用應(yīng)力是以材料的各項(xiàng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)為依據(jù)，合理選擇安全系數(shù)n得出的，即
。
所需要考慮的強(qiáng)度指標(biāo)主要有抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度，對(duì)于需要考慮蠕變的材料，強(qiáng)度指標(biāo)還應(yīng)有蠕變強(qiáng)度。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)比較各種許用應(yīng)力，取其中最低值。常用鋼板與鋼管的許用應(yīng)力可從附錄中直接查得。當(dāng)設(shè)計(jì)溫度低于0℃時(shí)，取20℃時(shí)的許用應(yīng)力。
4、焊縫系數(shù)
焊縫系數(shù)應(yīng)根據(jù)焊接接頭形式及對(duì)焊縫提出的無(wú)損探傷檢驗(yàn)要求，按表選取。只有一類壓力容器和設(shè)計(jì)壓力小于5MPa的非易燃和有毒的二類容器才允許對(duì)焊縫作局部無(wú)損探傷。焊縫抽驗(yàn)長(zhǎng)度不應(yīng)小于每條焊縫長(zhǎng)度的20%，且不小于250mm 。
5、壁厚附加量
壁厚附加量C由鋼板負(fù)偏差（或鋼管負(fù)偏差）C1和腐蝕裕量C2兩部分組成，即
C= C1+ C2
C1按相應(yīng)鋼板（或鋼管）的標(biāo)準(zhǔn)選取。
腐蝕裕量C2應(yīng)根據(jù)各種剛才在不同介質(zhì)中的腐蝕速度和容器設(shè)計(jì)壽命確定。關(guān)于設(shè)計(jì)壽命，塔類、反應(yīng)器類容器一般按20年考慮。
當(dāng)腐蝕速度 0.05mm/a（包括大氣腐蝕）時(shí)，碳素鋼和低合金鋼單面腐蝕C2=1mm ，雙面腐蝕取C2=2mm，不銹鋼取C2=0 。
當(dāng)腐蝕速度 0.05mm/a，單面腐蝕取C2=2mm，雙面腐蝕取C2=4mm 。
當(dāng)介質(zhì)對(duì)容器材料產(chǎn)生氫脆、堿脆、應(yīng)力腐蝕及晶間腐蝕等情況時(shí)，增加腐蝕裕量不是有效辦法，而應(yīng)根據(jù)情況采用有效防腐措施。
容器制造時(shí)，對(duì)于整體沖壓成型的封頭，制造廠還須根據(jù)加工工藝條件再增加若干裕量（C3，稱拉伸減薄量）以補(bǔ)償成型時(shí)鋼板厚度因拉伸而減薄的量。
3.2.3
最小壁厚
容器壁厚除了滿足強(qiáng)度條件外，還必須滿足容器的鋼性要求，按照我國(guó)容器標(biāo)準(zhǔn)，最小壁厚（已包括C1，不包括C2）按下列方法確定:
1、對(duì)碳素鋼和低合金鋼容器
當(dāng)內(nèi)徑
≤3800mm時(shí) ，最小壁厚
mm，且不小于3mm，腐蝕裕量另加。
當(dāng)內(nèi)徑
≥3800mm時(shí)，最小壁
min按運(yùn)輸與現(xiàn)場(chǎng)制造條件確定。
2、不銹鋼容器，取
min=2mm 。
3.2.4
壓力實(shí)驗(yàn)
按強(qiáng)度、剛度計(jì)算確定容器壁厚，由于材質(zhì)、鋼板彎卷、焊接及安裝等制造加工過(guò)程不完善，有可能導(dǎo)致容器不安全，會(huì)在規(guī)定的工作壓力下發(fā)生過(guò)大變形或焊縫有滲漏現(xiàn)象等，故必須進(jìn)行壓力實(shí)驗(yàn)予以校核。
最常用的壓力實(shí)驗(yàn)方法是液壓實(shí)驗(yàn) 。通常用常溫水作水壓實(shí)驗(yàn) 。需要時(shí)可用不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)的其它液體作液壓實(shí)驗(yàn) 。實(shí)驗(yàn)時(shí)液體的溫度應(yīng)低于其閃點(diǎn)或沸點(diǎn) 。對(duì)于不宜作液壓實(shí)驗(yàn)的容器，如容器不允許殘留大量液體或由于結(jié)構(gòu)原因不能充滿液體的容器，可用潔凈的空氣、氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w代替液體進(jìn)行壓力實(shí)驗(yàn) 。實(shí)驗(yàn)的壓力規(guī)定如下：
液壓實(shí)驗(yàn)時(shí)
取較大者 (3.7)
立式容器臥置進(jìn)行水壓實(shí)驗(yàn)時(shí) ，實(shí)驗(yàn)壓力應(yīng)取立置實(shí)驗(yàn)壓力加液柱靜壓力。
氣壓實(shí)驗(yàn)時(shí)
取較大者 (3.8)
式中p—設(shè)計(jì)壓力，Mpa；
—實(shí)驗(yàn)溫度下的材料許用應(yīng)力，Mpa；
—設(shè)計(jì)溫度下的材料許用應(yīng)力，Mpa；
壓力實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于容器承受的壓力PT高于設(shè)計(jì)壓力P，故必要是需進(jìn)行強(qiáng)度校核。液壓實(shí)驗(yàn)時(shí)要求滿足的強(qiáng)度條件
(3.9)
氣壓實(shí)驗(yàn)時(shí)要求滿足的強(qiáng)度條件
(3.10)
液壓或氣壓實(shí)驗(yàn)時(shí) ，還需按式(3.10)校核圓筒的應(yīng)力。
其中te為有效厚度，等于名義厚度減去厚度附加量
te=tn-C1-C2 (3.11)
tn≥td+C1 (3.12)
td=t+C2 (3.13)
其中為td設(shè)計(jì)厚度；tn為名義厚度；t計(jì)算厚度。
液壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)備頂部開(kāi)口，使設(shè)備充滿液體（水），水溫不能過(guò)低（碳素鋼、16MnR鋼制容器不低于5℃，其它低合金鋼不低于15℃），外殼應(yīng)保持干燥。設(shè)備充滿水后，待壁溫和水溫大致相等時(shí)，緩慢升壓到規(guī)定實(shí)驗(yàn)壓力，穩(wěn)壓30min，然后將壓力降低到設(shè)計(jì)壓力，至少再保持30min以檢查有無(wú)損壞，有無(wú)宏觀變形，有無(wú)泄露及微量滲透。水壓實(shí)驗(yàn)后及時(shí)排水，并用壓縮空氣及其它惰性氣體，將容器內(nèi)表面吹干。
3.3
法蘭聯(lián)接
在石油、化工設(shè)備和管道中，由于生產(chǎn)工藝的要求，或者為制造、運(yùn)輸、安裝、檢修方便，常采用可拆的聯(lián)接結(jié)構(gòu) 。常見(jiàn)的可拆結(jié)構(gòu)有法蘭聯(lián)接、螺紋聯(lián)接和插套聯(lián)接等。由于法蘭聯(lián)接有較好的強(qiáng)度和緊密性，適用的尺寸范圍較廣，在設(shè)備和管道上都能應(yīng)用，所以法蘭聯(lián)接應(yīng)用最普遍。法蘭聯(lián)接的缺點(diǎn)是不能很快地裝配與拆卸，制造成本較高。
設(shè)備法蘭與管法蘭均已指定出標(biāo)準(zhǔn) 。在很大的公稱直徑與公稱壓力范圍內(nèi) ，法蘭規(guī)格尺寸都可從標(biāo)準(zhǔn)中查取。只有少量超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍的法蘭，才需進(jìn)行設(shè)計(jì)進(jìn)行。
法蘭聯(lián)接是由一對(duì)法蘭，若干螺栓螺母和一個(gè)墊片所組成。
按照設(shè)備或管道的連接方法分為三類：
1、整體法蘭。法蘭環(huán)與被連接體（筒體或管道）牢固地結(jié)成一體的法蘭。其中包括鑄造法蘭、對(duì)焊法蘭、平焊法蘭。這類法蘭的特點(diǎn)是法蘭環(huán)與被連接件間的變形相互約束。
2、活套法蘭。法蘭環(huán)在殼體或管道上并未牢固的連接，而是松動(dòng)地套在連接件（殼、管）端部的支承環(huán)上。這類法蘭適用于某些有色金屬（銅、鋁），不銹鋼設(shè)備或不便于焊接的高壓管道與設(shè)備上，其優(yōu)點(diǎn)為：法蘭不與介質(zhì)接觸，可以采用普通碳鋼制造，從而節(jié)省了貴重金屬；容易制造；對(duì)設(shè)備不產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，容易對(duì)中，便于裝配。
3、任意式法蘭。法蘭環(huán)與被連接件存在一定的連接，但又沒(méi)能完全融合為一整體，而是介于整體和活套之間的約束狀態(tài) 。
按工作介質(zhì)的壓力方向劃分:
1、內(nèi)壓法蘭與內(nèi)壓容器或普通連接的法蘭；
2、外壓法蘭與外壓容器相連接的法蘭；
按法蘭盤的形狀劃分:
1、圓形法蘭；
2、方形法蘭；
3、橢圓形法蘭；
按法蘭接觸面寬窄劃分:
1、窄面法蘭通過(guò)墊片僅在螺栓孔分布范圍內(nèi)相互接觸的法蘭；
2、寬面法蘭在螺栓孔分布圓內(nèi)和在螺栓分布圓都相互接觸的法蘭；
此外還有標(biāo)準(zhǔn)法蘭和非標(biāo)準(zhǔn)法蘭；設(shè)備法蘭與管法蘭等。
本設(shè)計(jì)中采用突面帶頸平焊鋼制管法蘭，標(biāo)準(zhǔn)HGJ46-91，該標(biāo)準(zhǔn)適用于公稱壓力PN1.0MPa~10.0MPa的突面帶頸平焊鋼制管法蘭。
法蘭壓緊面即使再光潔，依照微觀方面依然存在凹凸不平之處，在無(wú)墊片的壓緊面間只要存在百分之幾微米的間隙，在壓力作用下，介質(zhì)照樣會(huì)從中漏出，為阻塞截止流通，須在壓緊面間放置一用半塑性材料制成的墊片，組裝時(shí)在螺栓力壓緊下墊片就會(huì)產(chǎn)生部分的屈服變形填充到壓緊面的微小凹陷處。
墊片使用條件：
1、不同密封面法蘭用墊片公稱壓力范圍見(jiàn)表；
2、最高工作溫度小于等于350℃；
3、墊片的工作壓力p與工作溫度t的乘積小于等于650；
表3.1 公稱壓力
密封面型式
公稱壓力PN Pma（bar）
全平面
0.25~1.0(2.5~10)
突面
0.25~2.5(2.5~25)
凹凸面
1.0~4.0(10~40)
墊片的形式和尺寸：
1、全平面法蘭用FF型墊片；
2、突面法蘭用RF型墊片；
3、凹凸面法蘭用MFM型墊片；
所以本設(shè)計(jì)中采用RF型墊片。
3.4
容器開(kāi)孔與附件
3.4.1 容器的開(kāi)孔與補(bǔ)強(qiáng)
在壓力容器設(shè)計(jì)中，為了滿足工藝操作，容器制造、安裝、檢修及維修等要求，開(kāi)孔是不可避免的。由于開(kāi)孔以后，不僅削弱了容器的整體強(qiáng)度，而且還因開(kāi)孔引起的應(yīng)力集中以及接管和容器壁的連接造成開(kāi)孔邊緣的局部的高應(yīng)力，這種高應(yīng)力通常可達(dá)到容器筒體一次總體薄膜應(yīng)力的3倍，某些場(chǎng)合甚至?xí)_(dá)到5~6倍，再加上接管有時(shí)還會(huì)受到各種外加載荷的使用而產(chǎn)生的應(yīng)力以及溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力，使得開(kāi)孔接管處的局部應(yīng)力進(jìn)一步提高。又由于材質(zhì)和制造缺陷等各種因素的綜合作用，開(kāi)孔接管附近就成為壓力容器的破壞源—主要是疲勞破壞和脆性裂口。因此，壓力容器設(shè)計(jì)必須充分考慮開(kāi)孔的補(bǔ)強(qiáng)問(wèn)題。
容器開(kāi)孔后，在開(kāi)孔邊緣的附近區(qū)域，其應(yīng)力會(huì)達(dá)到很高的數(shù)值。這種局部的應(yīng)力增加，稱為應(yīng)力集中。開(kāi)孔邊緣處的最大應(yīng)力叫峰值應(yīng)力。因峰值應(yīng)力比平均應(yīng)力高出數(shù)倍，很多破壞都從開(kāi)孔邊緣開(kāi)始。為了降低峰值應(yīng)力，需要在孔口邊緣考慮補(bǔ)強(qiáng)，即用在開(kāi)孔邊緣附近增加金屬截面的方法來(lái)分擔(dān)這里的高應(yīng)力。
1、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)構(gòu) 實(shí)驗(yàn)得知，開(kāi)孔應(yīng)力集中的程度和孔口形狀有關(guān)，圓孔的應(yīng)力集中程度最低，因此容器筒體與封頭上一般開(kāi)圓孔。考慮焊接方便，廣泛采用的是把補(bǔ)強(qiáng)圈放在外面的單面補(bǔ)強(qiáng) 。補(bǔ)強(qiáng)圈材料一般與容器材料相同，其厚度一般也與容器壁厚度相等。補(bǔ)強(qiáng)圈與器壁要很好焊接。當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)圈厚度超過(guò)8mm時(shí) ，一般采用全焊透結(jié)構(gòu)，使其與器壁同時(shí)受力，否則不起補(bǔ)強(qiáng)作用。為了檢驗(yàn)焊縫的緊密性，補(bǔ)強(qiáng)圈上有一個(gè)M10的小螺栓孔。從這里通入壓縮空氣，并在補(bǔ)強(qiáng)圈與器壁的聯(lián)結(jié)焊縫處涂抹肥皂水，如果焊縫有缺陷，就會(huì)在有缺陷處吹起肥皂泡。
當(dāng)筒體上開(kāi)排孔或封頭上開(kāi)孔較多時(shí)，宜采用整體補(bǔ)強(qiáng) 。所謂整體補(bǔ)強(qiáng)就是增加整個(gè)筒壁或封頭的壁厚以降低峰值應(yīng)力，使之達(dá)到許可程度。
2、允許開(kāi)孔的范圍，當(dāng)采用局部補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，筒體及封頭開(kāi)孔的最大直徑，不允許超過(guò)以下數(shù)值：
①筒體內(nèi)徑Di≤1500mm ，開(kāi)孔最大直徑d≤Di/2，且d≤500mm；
②筒體內(nèi)徑Di>1500mm，開(kāi)孔最大直徑d≤Di/3，且d≤1000mm；
③凸形封頭和球殼的開(kāi)孔最大直徑d≤Di/2；
④錐形封頭開(kāi)孔的最大直徑d≤Dk/3 ， Dk是開(kāi)孔中心處的錐體內(nèi)直徑。
在橢圓形或碟形封頭過(guò)渡部分開(kāi)孔時(shí)，應(yīng)盡量將孔開(kāi)設(shè)在封頭中心部位附近，當(dāng)需要靠近封頭的邊緣時(shí)，應(yīng)使孔邊與封頭邊緣之間的投影距離不小于0.1D 。若開(kāi)孔超出上述規(guī)定，則補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)需做特殊考慮，必要時(shí)還應(yīng)作驗(yàn)證性水壓實(shí)驗(yàn)，以校核其可靠性。
3、允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大孔徑，并不是容器上所有的開(kāi)孔都需要補(bǔ)強(qiáng) 。因?yàn)樵谟?jì)算壁厚時(shí)考慮了焊縫系數(shù)而使壁厚有所增加，又因?yàn)殇摪寰哂幸欢ㄒ?guī)格，實(shí)際選用鋼板厚度大于計(jì)算所需壁厚，同時(shí)由于容器材料有所增加，又因?yàn)殇摪寰哂幸欢ǖ乃苄詢?chǔ)備，允許承受不是十分過(guò)大的局部應(yīng)力，所以當(dāng)孔徑不超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，可不進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng) 。
允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大孔徑如下：
（1）兩相鄰開(kāi)孔中心的間距（曲面間距以弧長(zhǎng)計(jì)算）應(yīng)不小于兩孔直徑之和的兩倍；
（2）殼體名義厚度大于12mm時(shí) ，接管公稱直徑小于或等于80mm；當(dāng)殼體名義厚度小于或等于12mm時(shí)，接管直徑小于或等于50mm 。
3.4.2
封頭設(shè)計(jì)
封頭又稱端蓋，按其形狀可分為三類：凸形封頭、錐形封頭和平板形封頭。凸形封頭包括橢圓形封頭、碟形封頭、無(wú)折邊球形封頭和球形封頭。錐形封頭有無(wú)折邊與帶折邊的兩種。平板封頭根據(jù)它與筒體連接方式不同也有多種結(jié)構(gòu) 。
圖3.1 橢圓形封頭
本設(shè)計(jì)中采用橢圓形封頭。
橢圓形封頭由半橢球和高度為h的短圓筒（稱為直邊）兩部分構(gòu)成。直邊的作用是避免筒體與封頭間的環(huán)向焊縫承受邊緣應(yīng)力。
橢圓形封頭各點(diǎn)曲率半徑雖不一樣，但變化是連續(xù)的，因而當(dāng)承受內(nèi)壓上時(shí)，封頭內(nèi)的應(yīng)力分布沒(méi)有突變。
3.4.3
人孔、手孔、視鏡與液面計(jì)
1、人孔
（1）人孔的分類與結(jié)構(gòu)形式:
按壓力分類有常壓人孔與受壓人孔；
按形狀分類有圓形人孔和橢圓形人孔，有時(shí)也有矩形人孔；
按安裝位置分類有垂直人孔和水平人孔；
按蓋子的支承形式分類有回轉(zhuǎn)蓋人孔和吊蓋人孔；
按蓋子的結(jié)構(gòu)形式分類有平蓋人孔和拱形蓋人孔；
按法蘭的結(jié)構(gòu)形式分類有平焊法蘭人孔和對(duì)焊法蘭人孔；
按開(kāi)啟的難易程度分類有快開(kāi)人孔和一般人孔。
（2）人孔的結(jié)構(gòu)
【天然氣脫水的方法有低溫分離天然氣低溫分離脫水工藝流程】人孔的結(jié)構(gòu)形式主要決定于操作壓力，操作介質(zhì)和啟閉的頻繁程度。根據(jù)使用要求，通常都是上述幾種結(jié)構(gòu)形式的組合。
根據(jù)本設(shè)計(jì)的壓力容器，為了便于移動(dòng)沉重的人孔蓋，采用水平吊蓋人孔。由于操作壓力在2.5Mpa以上，所以應(yīng)采用對(duì)焊法蘭。根據(jù)HG21524—95（帶頸對(duì)焊法蘭式），其公稱直徑為450mm或400mm 。
圖3.2回轉(zhuǎn)蓋人孔
2、手孔
手孔最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式是在接管上安裝一塊盲板，這種結(jié)構(gòu)用于常壓和低壓，以及不經(jīng)常打開(kāi)的場(chǎng)合。需要快速啟閉手孔，應(yīng)設(shè)置快速壓緊裝置。
3、人孔和手孔尺寸的確定
人孔削弱了容器的強(qiáng)度，同時(shí)增加了泄露的機(jī)會(huì) 。人孔的尺寸應(yīng)盡量小些，但必須同時(shí)考慮成年人能夠進(jìn)出。在嚴(yán)寒地區(qū) ，應(yīng)考慮冬天檢修時(shí) ，工人穿棉衣能出入。圓形人孔的直徑為Φ400mm、Φ450mm、Φ500mm、Φ600mm 。只有在設(shè)備直徑小、壓力高的室內(nèi)設(shè)備或作為加、清洗之用時(shí)，才用Φ400mm人孔。設(shè)計(jì)中較常用的是Φ450mm、Φ500mm人孔。Φ500mm較多用于室外設(shè)備較大內(nèi)件又需從人孔取出者。DN600mm人孔用于常壓設(shè)備和大型貯槽，或用于大直徑較大，且有大尺寸可拆卸復(fù)雜內(nèi)件的塔設(shè)備[7] 。
手孔的直徑應(yīng)使工人帶手套并握有工具的手能順利通過(guò) 。手孔的直徑不宜小于Φ150mm，一般為DN150mm、DN250mm 。
4、設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）容器為了檢查和清洗，一般按下列要求開(kāi)設(shè)人孔:
①設(shè)備內(nèi)徑在Φ450~900mm，一般不考慮開(kāi)設(shè)人孔，可開(kāi)設(shè)一個(gè)或者兩個(gè)手孔。
②設(shè)備內(nèi)徑在Φ900mm以上，應(yīng)該至少開(kāi)設(shè)一個(gè)人孔。
③設(shè)備內(nèi)徑大于Φ2500mm時(shí)頂蓋與筒體上都應(yīng)設(shè)置一個(gè)人孔。
（2）能夠開(kāi)設(shè)人、手孔的場(chǎng)合，應(yīng)盡可能不采用可拆卸大蓋。
（3）直徑較?。沽細(xì)叩氖夷諫璞?，一般可選DN400mm人孔。室外露天設(shè)備，考慮清洗、檢修方便。一般可選用DN500mm人孔。常壓大型容器如在寒冷地區(qū)有薄襯層或有較大內(nèi)件更換而需要在人孔中取出者，則選用DN500mm、DN600mm 。因設(shè)備布置限制（如封頭開(kāi)孔較多），則可采用450mm×350mm×400mm×300mm長(zhǎng)圓形人孔。
（4）設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中，需要經(jīng)常打開(kāi)人、手孔蓋時(shí)，選用快開(kāi)式人孔。旋柄式快開(kāi)式人孔較回轉(zhuǎn)快開(kāi)式人孔使用方便，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，應(yīng)在開(kāi)啟較頻繁的時(shí)候選用。
（5）對(duì)于常壓設(shè)備，人孔蓋較重，一般均采用吊蓋式或回轉(zhuǎn)蓋式。設(shè)備有冷保溫時(shí)一般采用回轉(zhuǎn)蓋式人孔。
（6）人手孔的裝設(shè)位置，應(yīng)便于檢查、清洗、取出內(nèi)件和進(jìn)出設(shè)備:
①一般立式設(shè)備，人孔設(shè)于側(cè)面，可避免從頂部用梯子下去及設(shè)立專用操作臺(tái) 。
②用于裝卸填料，觸媒的手孔，一般可斜放，方便使用。
（7）當(dāng)封頭上開(kāi)孔很多時(shí)，手孔可考慮放在人孔上。
3.4.4
視鏡
視鏡是用來(lái)觀察設(shè)備內(nèi)部物料化學(xué)和物理過(guò)程情況的裝置。視鏡是除受工作壓力外，還要承受高溫、熱應(yīng)力和化學(xué)腐蝕的作用。視鏡的設(shè)計(jì)還需要考慮視鏡玻璃的工作壓力。
1、視鏡的結(jié)構(gòu)形式
多為圓形或?yàn)殚L(zhǎng)寬形，而又以圓形視鏡最為普遍。玻璃表面多數(shù)是平面，有時(shí)為了特殊的目的，也用球面。
2、圓形視鏡的公稱直徑
一般為DN50mm、DN80mm、DN100mm、DN125mm、DN150mm 。DN50mm一般為小容器。DN80mm只能供一只眼睛窺視。DN125mm可供兩只眼睛窺視。DN150mm則可供較大容器、反應(yīng)器、塔設(shè)備之用。
不帶頸視鏡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不易結(jié)料，便于窺視，應(yīng)優(yōu)先選用，但接緣與筒體或封頭焊接時(shí)，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧┮员苊猱a(chǎn)生焊接變形，影響使用，故選不帶頸視鏡。視鏡玻璃材質(zhì)為硼硅玻璃。
3、液面計(jì)
液面計(jì)是用來(lái)觀察設(shè)備內(nèi)部液位變化的一種裝置。一般用于兩種目的：一是通過(guò)測(cè)量液位來(lái)確定容器中物料的數(shù)量，以保證生產(chǎn)過(guò)程中各環(huán)節(jié)必須定量的物料；二是通過(guò)液面測(cè)量來(lái)反映連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程是否正常，以便可靠的控制過(guò)程的進(jìn)行。
化工生產(chǎn)中常用的液面計(jì)，按結(jié)構(gòu)形式一般可分為玻璃管液面計(jì)、玻璃板液面計(jì)、浮標(biāo)液面計(jì)、浮子液面計(jì)、磁性浮子液面計(jì)、防霜液面計(jì) 。最常用的液面計(jì)形式為玻璃管液面計(jì)和玻璃板液面計(jì) 。前者用在常、低壓設(shè)備，后者用在中壓和高壓設(shè)備，浮標(biāo)液面計(jì)是使用較早的一種液面測(cè)量裝置，而磁性浮子液面計(jì)是較新型的。
本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)壓力為6.6Mpa，屬于中壓設(shè)備，故選玻璃板液面計(jì) 。
玻璃板液面計(jì)有兩種形式，反射式和透光式。根據(jù)條件應(yīng)選用透光式玻璃板液面計(jì)，璃板與液面接觸的一面刻有幾道棱形槽，光線通過(guò)在液面以上玻璃板時(shí)，由于棱柱進(jìn)行全面反射，使氣體部分呈銀白色。而在液面以下，由于液面與玻璃的折射不同，光線穿過(guò)棱形進(jìn)入液面而被吸收，使液體部分呈黑色。由于這個(gè)原因使氣體與液體之間有明顯的清晰的界面，反射式液面計(jì)適用于稍有色澤液體介質(zhì)，而且環(huán)境光線較好的場(chǎng)合[6] 。
第
4章脫水工藝計(jì)算
4.1 原始參數(shù)
吸收介質(zhì)：三甘醇干氣露點(diǎn)：－2.2℃
進(jìn)氣流量：4.2×106 m3 /d 進(jìn)料氣相對(duì)密度：0.59
進(jìn)料氣相對(duì)濕度：飽和地理位置：西安市附近
三甘醇進(jìn)料溫度：31.7℃
塔內(nèi)壓力：5.52Mpa（絕壓），大氣壓97.9KPa
4.2
原料氣及凈化氣氣質(zhì)
4.2.1
原料氣
原料氣來(lái)自天然氣凈化廠脫硫裝置的濕凈化氣,其氣質(zhì)條件如下：
表4.1 原料氣組成
組分
%（mol）
C1
96.6
C2
0.98
C3
0.42
C4
0.14
N2
1.1
CO2
0.21
H2S
0.36
H2O
0.19
合計(jì)
100.00
注：原料氣不含有機(jī)硫。
1、原料氣處理量 1×106m3/d
2、原料氣溫度 27～38℃
3、原料氣壓力 4.2mpa(g)
4.2.2
脫水后凈化氣的氣質(zhì)條件
產(chǎn)品氣溫度 ≤40℃
水露點(diǎn)/含量 <-8℃
4.3
脫水依據(jù)
4.3.1
貧三甘醇濃度的確定
按式(4.1)求出其平衡露點(diǎn)，再按平衡露點(diǎn)由圖確定貧三甘醇進(jìn)塔時(shí)的濃度
(4.1)
式中 te——出吸收塔干氣的平衡露點(diǎn)，℃
tr——出吸收塔干氣的實(shí)際露點(diǎn) ， ℃
t——偏差值，一般為8～11℃，此處取8℃ 。
℃，吸收塔操作溫度為31℃ ，因此查圖（4.1）得進(jìn)塔的貧三甘醇濃度為98.5% 。
4.3.2
三甘醇循環(huán)量的確定
選用30L/kg水，這是因?yàn)椋?br /> 1、可滿足吸收塔塔板對(duì)甘醇循環(huán)流量的要求
3、較低的甘醇循環(huán)流量符合節(jié)能要求
4、降低吸收塔的負(fù)荷
4.3.3
吸收塔塔板數(shù)的確定
選用泡罩塔板，板效率為25%
要求的露點(diǎn)降為：31-(-2.2)=33.2℃
1、在4.14MPa(絕)下按1.5塊理論板(板效率為25%時(shí) ，實(shí)際塔板數(shù)為6塊)
估計(jì)可獲得露點(diǎn)降為：
由圖4.3[2]，吸收溫度為38℃時(shí)露點(diǎn)降為34℃；由圖4-3，吸收溫度為27℃時(shí)露點(diǎn)降為32℃；由內(nèi)插法近似求得吸收溫度為31℃時(shí)的露點(diǎn)降為32.7℃ 。
已知吸收塔壓力每增加0.689MPa ，露點(diǎn)降增加0.5℃，因圖4.4及圖4.3中的吸收塔壓力為4.14MPa(絕)，而本設(shè)計(jì)中吸收塔實(shí)際壓力為2.1MPa(絕)，故在2.1MPa(絕)及31℃時(shí)的露點(diǎn)降為：
℃(小于34℃)
2、用同樣的方法按2塊理論板(板效率為25%時(shí)，實(shí)際塔板數(shù)為8塊)
估計(jì)可獲得露點(diǎn)降為：
由圖4.4，吸收溫度為38℃時(shí)露點(diǎn)降為38℃；由圖4.3，吸收溫度為27℃時(shí)
露點(diǎn)降為36℃；由內(nèi)插法近似求得吸收溫度為31℃時(shí)的露點(diǎn)降為36.7℃ 。
℃(大于40℃)
因此，實(shí)際塔板數(shù)選用8塊，可滿足干氣露點(diǎn)為-2.2℃的要求。
圖4.1 吸收塔溫度、進(jìn)塔TEG貧液濃度和出塔干氣平衡露點(diǎn)關(guān)系
圖4.2估計(jì)27℃、4.14MPa(絕)下的露點(diǎn)降
(a)1塊理論版(b) 1.5塊理論版(c) 2塊理論版(d) 2.5塊理論版
圖4.3 估計(jì)38℃、4.14MPa(絕)下的露點(diǎn)降
(a)1塊理論版(b) 1.5塊理論版(c) 2塊理論版(d) 2.5塊理論版
4.4
物料衡算
4.4.1 脫水量
由圖查得
: 進(jìn)料氣水含量=835g水/1000m3（GPA）=835kg水/106m3（GPA）；
干氣水含量 =102g水/1000m3（GPA）=102 kg水/106m3（GPA）；
進(jìn)料氣脫水量
（kg/h）。
4.4.2
甘醇循環(huán)流量
進(jìn)料氣帶入的水量 =2.0
×835/24=69.58（kg/h）；
三甘醇循環(huán)流量按脫除進(jìn)料氣帶入的全部水量計(jì)算。此法雖然保守，但卻比較安全。
三甘醇循環(huán)流量 =16.7×69.58=1161.99（L/h）=1.162（m3/h）；
貧甘醇濃度為99%（w），在吸收溫度下的密度為1.108kg/L 。
故其質(zhì)量循環(huán)流量 =1162.99×1.108=1287.48（kg/h）。
4.4.3
貧甘醇流量
貧甘醇濃度為9
8.5%（w），流量為1287.48（kg/h）；
故貧甘醇中的三甘醇量 =1287.48×0.985=1268.17（kg/h）；
貧甘醇中的水量 =1287.48×0.015=19.31（kg/h）。
4.4.4
富甘醇流量
富甘醇中的三甘醇量=
1268.17（kg/h）；
富甘醇中的水量 =19.31+61.08=80.38（kg/h）；
故富甘醇流量 =1268.17+80.39=1348.56（kg/h）；
富甘醇濃度 =100%×1268.17/1348.51=94.04%（w）。
4.5
吸收塔
4.5.1
直徑
三甘醇在操作條件下的密度=1108（kg/m3）；
氣體在操作條件下的密度
（kg/m3） (4.2)
板間距取0.6m，k=0.0488 。
吸收塔允許空塔氣速
（m/s） (4.3)
進(jìn)料氣在操作條件下的體積流量pv
（m3/d）=0.4068（m3/s）；
吸收塔截面積 =0.3987/0.2482=1.6064（m3）；
吸收塔直徑
（m），取內(nèi)徑為1.50m 。
4.5.2
高度
吸收塔直徑
D=1.50m；
吸收塔內(nèi)板間距為0.6m，共8層塔板，高度=4.80m；
進(jìn)口氣滌器高度（1D）=1.50（m）；
貧甘醇進(jìn)口至塔頂捕霧器高度（1D）=1.50（m）；
吸收塔總高度=4.80+1.50+1.50=7.80（m）。

天然氣脫水的方法有低溫分離 天然氣低溫分離脫水工藝流程

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