天然气预处理

1、天然气预处理目录概述天然气预处理技术天然气预处理设备本章思考题概述1 1 概述概述预处理预处理目的目的不脱除不脱除杂质杂质脱除天然气中携带的脱除天然气中携带的油、游离水和泥砂等油、游离水和泥砂等气液（固）杂质气液（固）杂质以及脱出天然气中的以及脱出天然气中的水蒸气和酸性组分等水蒸气和酸性组分等影响商品天然气质量影响商品天然气质量对后续处理系统的安全对后续处理系统的安全平稳运行构成威胁平稳运行构成威胁因此需要对天然气进行预处理因此需要对天然气进行预处理天然气预处理技术2 2 天然气预处理技术2.12.1预处理预处理原理原理天然气从地下开采出来后一般都天然气从地下开采出来后一般都含有固体杂质（岩屑

2、、金属腐蚀含有固体杂质（岩屑、金属腐蚀产物）、液体杂质（水、凝析油）产物）、液体杂质（水、凝析油）和气体杂质（硫化氢、有机硫、和气体杂质（硫化氢、有机硫、二氧化碳、水汽），因开采工艺二氧化碳、水汽），因开采工艺的需要可能还会混进发泡剂、防的需要可能还会混进发泡剂、防冻剂等化学药剂冻剂等化学药剂天然气预处理主要指的是：天然气预处理主要指的是：杂质的杂质的过滤和与液相的分离过滤和与液相的分离2 2 天然气预处理技术天然气预处理常用分离方法重 力 沉 降 法离 心 分 离 法碰 撞 分 离 法过 滤 分 离 法2 2 天然气预处理技术重 力 沉 降 法 原 理1 1原理：原理：靠油气比重的不同实现分

3、离，重力分离靠油气比重的不同实现分离，重力分离只能除去直径只能除去直径大于大于100100微米微米的液滴。的液滴。如分离直径如分离直径40405050微米微米的液滴则需十分庞大的的液滴则需十分庞大的设备，现实不大可能。设备，现实不大可能。天然气预处理常用分离方法天然气预处理常用分离方法2 2 天然气预处理技术离 心 分 离 法 原 理2 2原理：原理：当流体改变流向时，密度大的液滴具有较当流体改变流向时，密度大的液滴具有较大的惯性，就会与器壁相撞，使液滴从气体中分大的惯性，就会与器壁相撞，使液滴从气体中分离出来。离出来。它主要用于分离大量液体和大直径液滴，宜用于它主要用于分离大量液体和大直径液

4、滴，宜用于固体微粒固体微粒大于大于50m50m的气固分离。的气固分离。天然气预处理常用分离方法天然气预处理常用分离方法2 2 天然气预处理技术碰 撞 分 离 法 原 理3 3原理：原理：流体遇上障碍时，改变流向和速度，使气体中的液流体遇上障碍时，改变流向和速度，使气体中的液滴不断在障碍面内聚集，由于表面张力的作用形成液膜，滴不断在障碍面内聚集，由于表面张力的作用形成液膜，气体在不断接触中，将气体中的细液滴，聚集成大液滴靠气体在不断接触中，将气体中的细液滴，聚集成大液滴靠重力沉降下来。重力沉降下来。气流速度在气流速度在1 12m/s2m/s时能达到较高的效率，能除去时能达到较高的效率，能除去5m

5、5m以上以上的液雾。的液雾。天然气预处理常用分离方法天然气预处理常用分离方法2 2 天然气预处理技术过 滤 分 离 法 原 理4 4原理：原理：利用气体与固体和液体微粒利用气体与固体和液体微粒直径大小不同直径大小不同，气，气体可通过过滤介质，微粒被截留在过滤介质上，气体体可通过过滤介质，微粒被截留在过滤介质上，气体中悬浮的微粒就被分离出来。中悬浮的微粒就被分离出来。本方法适用于本方法适用于分离直径分离直径0.2m0.2m至至40m40m的微粒。的微粒。天然气预处理常用分离方法天然气预处理常用分离方法2 2 天然气预处理技术2.22.2水合物水合物防治防治从井口采出的或从矿场分离器分出的天从井口

6、采出的或从矿场分离器分出的天然气然气一般都含水。一般都含水。含水的天然气当其温度降低至某一值后，含水的天然气当其温度降低至某一值后，就会形成固体水合物，就会形成固体水合物，堵塞管道与设备。堵塞管道与设备。天然气脱水是防止水合物形成的最好的天然气脱水是防止水合物形成的最好的方法，但需建脱水装置，在气体处理规方法，但需建脱水装置，在气体处理规模较大且过程温度较低时才比较经济；模较大且过程温度较低时才比较经济；当管道、设备必须在低于水合物形成温当管道、设备必须在低于水合物形成温度以下操作时，则应考虑加入度以下操作时，则应考虑加入化学剂的化学剂的方法。方法。防止固体水合物形成的方法有三种：防止固体水合

7、物形成的方法有三种：加热法、注剂法和脱水法。加热法、注剂法和脱水法。2 2 天然气预处理技术加热法加热法1 1加热法加热法主要是指提高节流前天然气温度，包括主要是指提高节流前天然气温度，包括蒸气加热和水套炉加蒸气加热和水套炉加热两种方法。热两种方法。如果节流前后压降不变，提高节流前天然气的温度也等于提高了节如果节流前后压降不变，提高节流前天然气的温度也等于提高了节流后天然气的温度，可以有效预防节流后水合物的生成。流后天然气的温度，可以有效预防节流后水合物的生成。组分名称组分名称CHCH4 4C C2 2H H6 6C C3 3H H8 8iCiC4 4H H1010nCnC4 4H H1010

8、COCO2 2H H2 2S S水合物临界水合物临界温度，温度，21.514.55.52.51.010.029.0气体水合物的临界温度表气体水合物的临界温度表2 2 天然气预处理技术注剂法注剂法注入水合物抑制剂可使气流在较低温度注入水合物抑制剂可使气流在较低温度-30-30-50-50下不生成水合物，下不生成水合物，常见的水合物抑制剂是常见的水合物抑制剂是甲醇、乙二醇，甲醇、乙二醇，其物理化学性质见下表：其物理化学性质见下表：性质性质甲醇甲醇乙二醇乙二醇二甘醇二甘醇三甘醇三甘醇分子式分子式CH3OHC2H6O2C4H10O3C6H14O4沸点（沸点（0.1MPa0.1MPa下），下），64.7

9、197.3245.0287.4密度（密度（2020），），g/cmg/cm3 30.79151.10881.11841.1254冰点，冰点，-97.8-13-8-7粘度（粘度（2020），），mPasmPas0.59321.535.747.8在水中溶解度（在水中溶解度（2020）完全互溶完全互溶完全互溶完全互溶性质状态性质状态无色挥发，易燃液体，中等毒性无色无毒，有甜味液体无色无毒，有甜味液体无色无毒，有甜味粘稠液体2 2 天然气预处理技术按水溶液中相同质量百分浓度抑制剂引起的水合物形成温度降比较按水溶液中相同质量百分浓度抑制剂引起的水合物形成温度降比较不再采用二甘醇，不再采用二甘醇，因其粘度

10、太大，因其粘度太大，与与液烃分离困难液烃分离困难可用于任何操作温度可用于任何操作温度下的天然气管道和设下的天然气管道和设备，但由于其备，但由于其沸点低沸点低，操作温度较高时，操作温度较高时，气相损失过大，故多气相损失过大，故多用于低温场合用于低温场合优先考虑二甘醇，优先考虑二甘醇，它与乙二醇相比，它与乙二醇相比，气相损失较小气相损失较小注剂选择甲醇操作温度高于-7操作温度低于-10注剂选择注剂选择甲醇甲醇最好最好乙二醇乙二醇其次其次二甘醇二甘醇2 2 天然气预处理技术水合物抑制剂用量的计算水合物抑制剂用量的计算注入管道或设备中的抑制剂，无论是甘醇类靠雾化还是甲醇靠蒸发均匀分散于气流中后，其中一

11、部分抑制剂与气体中析出的液态水混合，将水从气体转移到液体抑制剂中，形成抑制剂水溶液，从而达到防止水合物形成的目的，而另一部分抑制剂则损失在气流中。消耗于前一部分的抑制剂称为抑制剂在液相的用量，用ql表示；消耗在后一部分的抑制剂，称为抑制剂的气相损失量，用qg表示；抑制剂的总用量qt为两者之和。qt=ql+qg 2 2 天然气预处理技术注入抑制剂后天然气形成水合物的温度降低，其温度降注入抑制剂后天然气形成水合物的温度降低，其温度降主要取决于主要取决于抑制剂的液相用量抑制剂的液相用量，损失于气相的抑制剂量，损失于气相的抑制剂量对水合物形成条件的影响较小。对水合物形成条件的影响较小。为防止气体形成水

12、合物所需注入的抑制剂最低用量，可为防止气体形成水合物所需注入的抑制剂最低用量，可以采用以立项溶液凝固点下降关系为基础的以采用以立项溶液凝固点下降关系为基础的HammerschmidtHammerschmidt半经验公式半经验公式进行手工计算；进行手工计算；也可以采用由也可以采用由分子热力学模型建立的软件分子热力学模型建立的软件由计算机模拟由计算机模拟完成。完成。2 2 天然气预处理技术水溶液中最低抑制剂的浓度水溶液中最低抑制剂的浓度注入气流中的抑制剂与气体中析出的液态水混合后形成抑制剂水溶液。当天然气水合物形成注入气流中的抑制剂与气体中析出的液态水混合后形成抑制剂水溶液。当天然气水合物形成的温

13、度降根据工艺要求给定时，抑制剂在水溶液中的浓度必须高于或等于一个最低值。水溶的温度降根据工艺要求给定时，抑制剂在水溶液中的浓度必须高于或等于一个最低值。水溶液中最低抑制剂浓度液中最低抑制剂浓度CmCm可按可按Hammerschmidt(1939)Hammerschmidt(1939)提出的半经验公式：提出的半经验公式： Cm=100tM / Cm=100tM / （K KMtMt）t=t1-t2 t=t1-t2 CmCm抑制剂在液相水溶液中必须达到的最低浓度抑制剂在液相水溶液中必须达到的最低浓度( (质量分数质量分数) )；tt根据工艺要求而确定的天然气水合物形成温度降，根据工艺要求而确定的天

14、然气水合物形成温度降，；M M抑制剂相对分子质量，甲醇为抑制剂相对分子质量，甲醇为3232，乙二醇为，乙二醇为6262，二甘醇为，二甘醇为106106；K K常数，甲醇为常数，甲醇为12971297，乙二醇和二甘醇，乙二醇和二甘醇22222222；t1t1未加抑制剂时，天然气在管道或设备中最高操作压力下形成水合物的温度。未加抑制剂时，天然气在管道或设备中最高操作压力下形成水合物的温度。对于节流过程，则为节流阀后压力下天然气形成水合物的温度，对于节流过程，则为节流阀后压力下天然气形成水合物的温度，；t2t2天然气在管道或设备中的最低操作温度，亦即要求加入抑制剂后天然气不会形天然气在管道或设备中的

15、最低操作温度，亦即要求加入抑制剂后天然气不会形成水合物的最低温度。对于节流过程，则为天然气节流后的温度，成水合物的最低温度。对于节流过程，则为天然气节流后的温度，。2 2 天然气预处理技术实验证明，当甲醇水溶液浓度约低于实验证明，当甲醇水溶液浓度约低于25%25%（w w），或甘醇类水），或甘醇类水溶液浓度高至溶液浓度高至50%50%60%60%（w w）时，采用该式）时，采用该式Cm=100tM / Cm=100tM / （K KMtMt）仍可得到满意的结果。仍可得到满意的结果。对于高浓度的甲醇水溶液及温度低至对于高浓度的甲醇水溶液及温度低至-107-107时，时，NielsenNielse

16、n等等推荐采用的计算公式为：推荐采用的计算公式为：t=-72t=-72lnln（1-Cmol1-Cmol） CmolCmol达到给定的天然气水合物形成温度降达到给定的天然气水合物形成温度降甲醇在水溶液中必须达到的最低浓度，甲醇在水溶液中必须达到的最低浓度，% %（x x）2 2 天然气预处理技术水合物抑制剂的液相用量水合物抑制剂的液相用量 100qwglmlmlqCCCCq通常，向管道或设备中注入的抑制剂往往是含水的。因此，注入含水抑制剂后或多或少增加了通常，向管道或设备中注入的抑制剂往往是含水的。因此，注入含水抑制剂后或多或少增加了气流中的水含量。当已知抑制剂在水溶液中的最低浓度气流中的水含

17、量。当已知抑制剂在水溶液中的最低浓度CmCm，并且考虑到注入的抑制剂蒸发到气，并且考虑到注入的抑制剂蒸发到气相后带入体系中的水量时，注入的含水抑制剂的液相用量相后带入体系中的水量时，注入的含水抑制剂的液相用量qlql可根据物料平衡由下式计算：可根据物料平衡由下式计算：式中式中 qlql注入浓度为注入浓度为ClCl的含水抑制剂在液相中的用量，的含水抑制剂在液相中的用量，kg/dkg/d；qgqg注入浓度为注入浓度为ClCl的含水抑制剂在气相中的用量，的含水抑制剂在气相中的用量，kg/dkg/d；ClCl注入的含水抑制剂中抑制剂的浓度，注入的含水抑制剂中抑制剂的浓度，% %（w w）；）；qwqw

18、单位时间内体系中产生的液态水量，单位时间内体系中产生的液态水量，kg/dkg/d。单位时间内体系中产生的液态水量单位时间内体系中产生的液态水量qwqw包括了单位时间内气流中析出的液态水量和其他途径进入包括了单位时间内气流中析出的液态水量和其他途径进入管道和设备的水量之和，但不包括随含水抑制剂注入体系的液态水量。管道和设备的水量之和，但不包括随含水抑制剂注入体系的液态水量。2 2 天然气预处理技术水合物抑制剂的气相损失量水合物抑制剂的气相损失量甘醇类抑制剂的气相损失量较小。应当注意，甘醇类抑制剂的主要损失是再甘醇类抑制剂的气相损失量较小。应当注意，甘醇类抑制剂的主要损失是再生损失，在液烃中的溶解

19、损失，以及因甘醇类与液烃乳化造成分离困难而引生损失，在液烃中的溶解损失，以及因甘醇类与液烃乳化造成分离困难而引起的携带损失等。起的携带损失等。当分离温度为当分离温度为1515，甘醇浓度为，甘醇浓度为50%50%70%70%（w w）时，甘醇类在液烃中的溶解）时，甘醇类在液烃中的溶解损失一般为损失一般为0.010.010.07L/m0.07L/m3 3( (甘醇类甘醇类/ /液烃液烃) )。在含硫液烃中甘醇类抑制剂的溶解损失约是在含硫液烃中甘醇类抑制剂的溶解损失约是不含硫液烃的不含硫液烃的3 3倍倍。携带损失则随设备和操作不同变化较大，但通常小于携带损失则随设备和操作不同变化较大，但通常小于30

20、kg/106m30kg/106m3 3（甘醇类（甘醇类/ /天天然气），或约为然气），或约为26L/106m26L/106m3 3（甘醇类（甘醇类/ /天然气）。天然气）。2 2 天然气预处理技术甲醇因易于蒸发，故其在气相中的损失量必须予以考虑。甲醇因易于蒸发，故其在气相中的损失量必须予以考虑。根据甲醇在使用条件下的压力和温度，可查出甲醇在最低根据甲醇在使用条件下的压力和温度，可查出甲醇在最低温度（温度（t2)t2)和相应压力下的天然气中的气相含量与甲醇在水和相应压力下的天然气中的气相含量与甲醇在水溶液中浓度之比值溶液中浓度之比值a a，再按下式计算出甲醇此时的气相含量，再按下式计算出甲醇此时

21、的气相含量WgWg为：为：Wg=aCm Wg=aCm 式中式中 WgWg甲醇在最低温度和相应压力下的天然气中的气甲醇在最低温度和相应压力下的天然气中的气相含量，相含量，kg/106mkg/106m3 3；aa甲醇在最低温度和相应压力下的天然气中的气相含量，甲醇在最低温度和相应压力下的天然气中的气相含量，kg/106mkg/106m3 3/ /甲醇在水溶液中的质量分数，甲醇在水溶液中的质量分数，% %。2 2 天然气预处理技术当换算为向体系（管道或设备中）注入的含水甲醇浓度的当换算为向体系（管道或设备中）注入的含水甲醇浓度的用量时，甲醇的损失量用量时，甲醇的损失量qgqg的计算式为：的计算式为：

22、 式中式中 qg qg按向体系注入浓度为按向体系注入浓度为ClCl的含水甲醇在气相中的的含水甲醇在气相中的损失量，损失量，kg/dkg/d；ClCl向体系注入的含水甲醇的浓度，向体系注入的含水甲醇的浓度，% %（w w）；）；qNGqNG体系中的天然气流量，体系中的天然气流量，m3/dm3/d。 106-lNGmgCqaCq 天然气预处理设备3.1 3.1 原料气预处理工艺原料气预处理工艺原料气预处理最常见的方式是原料气预处理最常见的方式是重力分离和过滤分离相结合的重力分离和过滤分离相结合的方法，方法，即先经重力分离之后，再进入下一级过滤分离。即先经重力分离之后，再进入下一级过滤分离。小颗粒杂

23、质小颗粒杂质过滤段过滤段分离段分离段去除原料气带来的去除原料气带来的固体杂质固体杂质凝析油、游离水凝析油、游离水分离下来的凝折油、游离水和固体杂质排放至分离下来的凝折油、游离水和固体杂质排放至储罐加以储存储罐加以储存3.1 3.1 原料气预处理工艺原料气预处理工艺典型的原料气预处理工艺流程示意图典型的原料气预处理工艺流程示意图3.2 3.2 天然气预处理设备1.1.重力分离器重力分离器2.2.过滤分离器过滤分离器3.3.旋风分离器旋风分离器4.4.除砂器除砂器5.5.天然气预热器天然气预热器6.6.防冻剂加注装置防冻剂加注装置天然气天然气预处理预处理设备设备1 12 23 35 54 46 6

24、3.2 3.2 天然气预处理设备1 1、重力分离器、重力分离器重力分离器设备重力分离器设备结构简单，气液分离效果好，操作弹性大。结构简单，气液分离效果好，操作弹性大。气流进入重力分离器之后，撞击在折流板上，由于惯性作气流进入重力分离器之后，撞击在折流板上，由于惯性作用，部分颗粒被分离下来；用，部分颗粒被分离下来；在重力沉降段，依靠重力沉降作用，又有部分颗粒被分离在重力沉降段，依靠重力沉降作用，又有部分颗粒被分离下来；下来；经出气口金属丝捕雾网，又有部分颗粒被分离下来。经出气口金属丝捕雾网，又有部分颗粒被分离下来。3.2 3.2 天然气预处理设备重力分离器常见的有重力分离器常见的有卧式和立式卧式

25、和立式两种。两种。优点：优点：处理气量较大及液体中溶解有大量处理气量较大及液体中溶解有大量气体的情况气体的情况缺点：缺点：但液面控制比较困难，不易清洗沙但液面控制比较困难，不易清洗沙子、泥浆等杂物子、泥浆等杂物卧式卧式分离器分离器立式立式分离器分离器优点：优点：便于控制液面，易于清洗泥沙、便于控制液面，易于清洗泥沙、泥浆及杂物泥浆及杂物缺点：缺点：处理气量较少处理气量较少3.2 3.2 天然气预处理设备重力分离器常见结构见图重力分离器常见结构见图3.2 3.2 天然气预处理设备2 2、过滤分离器、过滤分离器过滤分离器通常分为两部分：过滤分离器通常分为两部分：第一部分第一部分设有过滤一聚结作用的

26、元件，当气流通过这些元件设有过滤一聚结作用的元件，当气流通过这些元件时，液体微粒就被聚结成较大的液滴。时，液体微粒就被聚结成较大的液滴。第二部分第二部分是当这些液滴达到足够大的尺寸时，在气流的作用是当这些液滴达到足够大的尺寸时，在气流的作用下，它们被带出过滤部分而进人中心区，叶片型或金属丝网下，它们被带出过滤部分而进人中心区，叶片型或金属丝网型捕雾器将较大的液滴除去型捕雾器将较大的液滴除去。3.2 3.2 天然气预处理设备过滤分离器结构示意图过滤分离器结构示意图3.2 3.2 天然气预处理设备3 3、旋风分离器、旋风分离器旋风分离器旋风分离器是利用是利用惯性离心力惯性离心力的作的作用，颗粒被抛

27、向器壁而与气流分离，用，颗粒被抛向器壁而与气流分离，沿壁面落至锥底的排灰口，净化后沿壁面落至锥底的排灰口，净化后的气体在中心轴附近由下而上做螺的气体在中心轴附近由下而上做螺旋运动，最后由顶部排气管排出。旋运动，最后由顶部排气管排出。旋风分离器结构示意图旋风分离器结构示意图通常，把下行的螺旋形气流称为外通常，把下行的螺旋形气流称为外旋流，上行的螺旋形气流称为内旋旋流，上行的螺旋形气流称为内旋流，内、外旋流气体的旋转方向相流，内、外旋流气体的旋转方向相同，外旋流的上部是主要除尘区。同，外旋流的上部是主要除尘区。3.2 3.2 天然气预处理设备4 4、除砂器、除砂器除砂器除砂器是根据流体中的固是根据流体中的固体颗粒在除砂器里旋转时体颗粒在除砂器里旋转时的筛分原理制成，集漩流的筛分原理制成，集漩流与过滤为一体，实现除砂、与过滤为一体，实现除砂、降浊、固液分离，从天然降浊、固液分离，从天然气中分离出杂粒的装置。气中分离出杂粒的装置。除砂器示意图除砂器示意图设置除砂器还可保护机械设置除砂器还可保护机械设备