D区块天然气脱水工艺设计

Design of Natural Gas Dehydration Process in Block D

摘要: D区块是含硫气田，本文旨在对D区块进行脱水设计，以满足D区块气田地面集输工程设计要求。结合D区块的实际情况，通过对D区块进行天然气脱水处理，合理确定了各流程的主要参数，模拟之后脱硫脱水指标均达到外输标准。

Abstract: Block D is a sulfur-containing gas field, and this article aims to carry out dehydration design for Block D to meet the design requirements of surface gathering and transportation engineering in Block D. Based on the actual situation of Block D, the main parameters of each process were reasonably determined through natural gas dehydration treatment in Block D. After simulation, the desulfurization and dehydration indicators all met the export standards.

1. D区块组分分析

D区块为中含二氧化碳，中含硫的甲烷气。天然气主成分分析表如表1所示。地面原油主成分分析表如表2所示。

Table 1. Principal component analysis of natural gas

表1. 天然气主成分分析表

Table 2. Principal component analysis of surface crude oil

表2. 地面原油主成分分析表

2. 天然气脱水设计

2.1. 天然气水露点预测

通过对天然气水露点进行模拟，模型建立如下图，计算得到天然气在输送压力为2 MPa时，水露点为19.37℃，远远高于管道最低输送温度，因此天然气需要在输往用户前进行脱水处理。

2.2. 脱水方法比选

管输天然气，必须达到GB17820-2012《天然气》外输天然气的要求，包括水露点等指标，因此管输之前大多天然气需要进行脱水处理。此外，在天然气加工过程中由于采用低温，也要求脱除天然气中的水 [1] 。

脱水前含水天然气的露点与脱水后干气的露点称为露点降，常用露点降表示天然气的脱水深度 [2] [3] 。脱水方法比 [4] [5] [6] [7] 选见表3。

该区块附近只有一条原油输送管线，若天然气在联合站净化处理后外输，则需要新修建一条天然气输送管线。管线建设投资巨大，而该区块原油伴生气产量低，因此输送经济效益低，建设管线输送天然气不合算。

该区块处于油田公路网范围内，交通便利，且天然气产量低，则联合站天然气处理方式可设计为：天然气经过预处理后外输方式采用管输。

因溶剂吸收法、低温冷凝法脱水露点达不到天然气进入低温液化设备的要求，故必须用固体吸附法进行脱水干燥，将露点降低至−100℃以下(含水量小于1 mg/L)。

本次脱水深度需要达到−18℃，可以用三甘醇脱水，但是考虑到后面还需要轻烃回收工艺，故此次需要深度脱水，因此选用分子筛脱水。

Table 3. Comparison of dehydration methods

表3. 脱水方法比选

2.3. 分子筛脱水流程

湿天然气自上而下通过干燥塔的顶部流入底部，水分子在干燥塔的顶层被吸收，干气穿过床层经过干燥塔底部到达干气出口。当干燥塔吸附剂的上层被水饱和后，湿气中的水就与低床层原来吸附的烃类进行置换。由于气流自上而下流动，传质区不断向下移动，同时水汽将先前吸附的气体置换掉，直至床层最终全部饱和为止。在干燥塔完全饱和之前，将塔加以切换使其从吸附周期转换到再生周期 [8] [9] 。

2.4. 工艺参数计算

2.4.1. 吸附周期

吸附周期的确定与天然气的处理量和吸附器的数量有关。短周期8小时，两个塔，优点是填装分子筛量少，投资少，塔减少；24小时周期，两个塔，填装分子筛量大，再生次数少，对分子筛寿命有利，减少了切换操作次数 [10] 。

设计采用：8小时周期。

2.4.2. 干燥塔直径

1) 空塔流速

根据《油田油气集输设计技术手册上册》式(3-2-7)以及(3-2-8)

$G=\sqrt{C{\rho }_b{\rho }_g{\rho }_p}$ (1)

$\nu =\frac{G}{{\rho }_g}$ (2)

式中：G——允许的气体质量流量，kg/(m²·s)；

C——系数，C = 0.25~0.32；

ρ_b——分子筛的堆密度，kg/m³；

ρ_g——气体在操作条件下的密度，kg/m³；

D_p——分子筛的平均直径(球形)或当量直径(条形)，m；

$\nu$ ——气体的空塔流速，m/s。

2) 干燥塔直径

根据《油田油气集输设计技术手册上册》式(3-2-9)

$D=\sqrt{\frac{Q}{0.785\nu }}$ (3)

式中：D——干燥塔直径，m；

Q——天然气的处理量，m³/s；

2.4.3. 分子筛的用量

根据《油田油气集输设计技术手册上册》式(3-2-10)

$m=1.3\frac{w_{H}t}{X_s{\rho }_b}$ (4)

式中：m——吸附剂用量，m³；

w_H——每小时脱出的水量，kg/h；

t——吸附周期，h；

X_s——吸附剂动态饱和吸附量，kg/kg (水/吸附剂)；

ρ_b——分子筛的堆密度，kg/m³。

2.4.4. 吸附传质区长度

根据《油田油气集输设计技术手册上册》式(3-2-11)

$h_Z=0.435{\left(\frac{v}{35}\right)}^{0.3}Z$ (5)

式中：h_z——吸附传质区长度，m；

Z——气体压缩因子。

2.4.5. 再生气用量

根据《油田油气集输设计技术手册上册》式(3-2-12)

$G=\frac{1.1Q}{C_p\Delta t}$ (6)

式中：G——再生气用量，kg；

Q——再生加热所需要的热量，kJ；

C_p——再生气的定压比热容，kJ/(kg·℃)；

Δt——再生气平均温降，℃；

吸附系统设计：吸附压力0.6 MPa，温度21℃。

再生系统设计：用贫干气加热，再生加热气进干燥塔温度260℃，再生气出干燥塔温度200℃，床层

平均再生温度为 $\frac{1}{2}\left(200+260\right)=230℃$ 。

操作周期T = 8 h。

经计算可得干燥塔的尺寸以及分子筛、再生气用量，如表4示。

Table 4. Process parameters for molecular sieve dehydration

表4. 分子筛脱水的工艺参数

3. 结论

本文形成结论主要包括以下几方面：

(1) 对天然气脱水方法进行优选，通过对低温冷凝法、三甘醇脱水、活性氧化铝、分子筛等方法的分离原理、吸附剂、特点以及适用情况进行对比，结合D区块实际情况，最终确定分子筛进行脱水；

(2) 通过对分子筛脱水的工艺参数进行详细的计算，确定了干燥塔直径、干燥塔髙径比、干燥塔壁厚以及吸附传质区长度等参数。