天然气脱硫-大学工程设计改

天然气脱硫_大学工程设计改摘要：本设计针对天然气脱硫工艺进行了详细阐述。介绍了天然气中硫化物的危害，阐述了脱硫的必要性。通过对多种脱硫方法的比较分析，确定了适合本工程的脱硫工艺，并对工艺流程中的各个环节进行了设计计算，包括吸收塔、再生塔等设备的选型与计算。同时，对工艺过程中的操作参数进行了优化，对整个系统的安全性、稳定性进行了分析，旨在为天然气脱硫提供一套完整、高效、可靠的工程设计方案。

一、引言天然气作为一种优质的能源，在国民经济中发挥着越来越重要的作用。然而，天然气中往往含有一定量的硫化物，如硫化氢（H₂S）等。这些硫化物不仅会对管道、设备等造成腐蚀，影响其使用寿命，还会污染环境，危害人体健康。因此，对天然气进行脱硫处理具有重要的现实意义。本设计旨在完成一套天然气脱硫的大学工程设计，以满足天然气净化的要求。

二、天然气中硫化物的危害及脱硫必要性（一）硫化物的危害1.腐蚀危害H₂S等硫化物在有水存在的情况下，会对金属管道和设备产生强烈的腐蚀作用。例如，它能与钢铁反应生成硫化亚铁，硫化亚铁又会进一步与氧气和水反应，加速腐蚀过程，严重时可能导致管道穿孔、设备损坏等安全事故。2.环境危害燃烧含硫天然气会产生二氧化硫等污染物，二氧化硫排放到大气中会形成酸雨，对土壤、水体、植被等造成严重破坏，影响生态平衡。3.人体危害H₂S是一种剧毒气体，人体吸入一定浓度的H₂S会引起中毒，轻者出现头痛、头晕、乏力等症状，重者可导致昏迷、死亡。

（二）脱硫必要性为了消除上述硫化物带来的危害，保障天然气输送和使用的安全、环保，必须对天然气进行脱硫处理，使天然气中的硫化物含量降低到规定的标准以下。

三、脱硫方法概述（一）干法脱硫1.原理利用固体脱硫剂与天然气中的硫化物发生化学反应，从而脱除硫化物。常见的干法脱硫剂有活性炭、氧化铁等。例如，氧化铁脱硫剂是通过与H₂S发生反应：Fe₂O₃·H₂O+3H₂S=Fe₂S₃·H₂O+3H₂O来达到脱硫目的。2.特点干法脱硫具有设备简单、操作方便、脱硫精度高等优点，但脱硫容量有限，不适用于含硫量较高的天然气，且脱硫剂需要定期更换，运行成本较高。

（二）湿法脱硫1.原理以液体为吸收剂，通过吸收作用脱除天然气中的硫化物。常用的湿法脱硫方法有化学吸收法、物理吸收法和物理化学吸收法等。例如，化学吸收法中的醇胺法，是利用醇胺类化合物与H₂S发生化学反应来实现脱硫。2.特点湿法脱硫具有脱硫效率高、处理能力大等优点，能适应不同含硫量的天然气。但设备相对复杂，操作条件要求严格，且会产生含硫废水等二次污染问题。

四、脱硫工艺选择（一）工艺选择依据综合考虑本工程天然气的含硫量、处理规模、产品质量要求、经济性以及环保要求等因素，经过对多种脱硫方法的详细比较，决定采用醇胺法湿法脱硫工艺。醇胺法具有脱硫效率高、选择性好、能够再生循环使用等优点，能够满足本工程对天然气脱硫的要求。

（二）醇胺法脱硫工艺简介1.吸收过程天然气与醇胺溶液在吸收塔内逆流接触，H₂S等硫化物被醇胺溶液吸收。反应式如下：R₂NH+H₂S⇌R₂NH₂⁺+HS⁻其中R代表醇胺基团。2.再生过程吸收了硫化物的富液进入再生塔，在加热、减压等条件下，使醇胺与硫化物解吸，醇胺溶液得到再生，可循环使用。解吸出来的H₂S气体可进一步回收利用或进行无害化处理。

五、工艺流程设计（一）工艺流程简述本设计的醇胺法天然气脱硫工艺流程主要包括原料气预处理、吸收、再生、尾气处理等部分。1.原料气预处理来自气田的天然气首先进入过滤器，除去其中的固体杂质，如粉尘、铁锈等，以防止其堵塞后续设备。然后进入缓冲罐，稳定气流压力。2.吸收经过预处理的天然气进入吸收塔底部，与从塔顶喷淋而下的醇胺溶液逆流接触。在吸收塔内，H₂S等硫化物被醇胺溶液吸收，净化后的天然气从塔顶流出，送往后续工序。3.再生吸收了硫化物的富液从吸收塔底部流出，进入贫富液换热器，与再生后的贫液进行换热，回收热量后进入再生塔。在再生塔内，通过蒸汽加热、减压等操作，使醇胺与硫化物解吸。再生后的贫液从再生塔底部流出，经贫富液换热器冷却后，再经过冷却器进一步冷却，然后进入贫液储罐，由贫液泵输送至吸收塔顶部循环使用。解吸出的H₂S气体从再生塔顶部排出。4.尾气处理为了进一步降低尾气中的硫化物含量，再生塔顶排出的尾气进入尾气吸收塔，用少量的醇胺溶液进行二次吸收，使尾气达标排放。吸收了少量硫化物的尾气吸收塔富液返回再生塔进行处理。

（二）工艺流程图（此处绘制详细的工艺流程图，包括各个设备的连接关系、物料流向等）

六、设备设计与选型（一）吸收塔1.塔型选择根据本工艺要求和物料特性，吸收塔选用填料塔。填料塔具有气液接触面积大、传质效率高、压力降小等优点，能够满足天然气脱硫过程中对H₂S吸收的要求。2.设计计算根据天然气处理量、H₂S进口浓度、出口浓度以及吸收剂的性质等参数，通过物料衡算、传质计算等方法确定吸收塔的尺寸。塔径计算：依据气体流量和空塔气速计算塔径。首先计算气体的体积流量，再根据经验选取合适的空塔气速，利用公式\(D=\sqrt{\frac{4V_s}{\piu}}\)（其中\(D\)为塔径，\(V_s\)为气体体积流量，\(u\)为空塔气速）计算得到塔径。填料层高度计算：通过传质单元高度和传质单元数来计算填料层高度。传质单元高度可根据填料特性和操作条件确定，传质单元数采用对数平均推动力法计算，公式为\(N_{OG}=\frac{y_1y_2}{\Deltay_m}\)（其中\(N_{OG}\)为气相总传质单元数，\(y_1\)、\(y_2\)分别为进出口气体中H₂S的摩尔分数，\(\Deltay_m\)为对数平均推动力）。填料层高度\(H=H_{OG}×N_{OG}\)。

（二）再生塔1.塔型选择再生塔选用板式塔，如筛板塔。板式塔具有结构简单、操作弹性大、处理能力高等优点，适合再生过程中气液分离和传质的要求。2.设计计算同样通过物料衡算、传热传质计算等确定再生塔的尺寸。塔径计算：根据再生塔内上升蒸汽流量和适宜的蒸汽速度计算塔径，计算方法与吸收塔类似。塔板数计算：采用逐板计算法确定塔板数。根据气液平衡关系，从塔顶开始逐板计算气相和液相组成的变化，直到塔底组成满足要求为止。计算过程中需考虑塔板效率等因素。

（三）其他设备1.贫富液换热器选用管壳式换热器，通过计算热负荷和传热系数等参数，确定换热器的换热面积和管程、壳程的结构尺寸。2.冷却器采用风冷或水冷式冷却器，根据冷却负荷计算冷却面积，选择合适的冷却介质和设备型号。3.泵类设备根据各设备的流量、扬程要求，选择合适的离心泵，如贫液泵、富液泵等。计算泵的功率，考虑一定的安全余量。

七、操作参数优化（一）吸收塔操作参数1.温度适宜的吸收温度一般在3040℃之间。温度过高，H₂S在醇胺溶液中的溶解度会降低，不利于吸收；温度过低，溶液的粘度增大，传质系数减小，也会影响吸收效果。2.压力吸收压力通常在24MPa范围内。适当提高压力有利于H₂S的吸收，但压力过高会增加设备投资和运行成本。3.液气比液气比根据天然气中H₂S含量和脱硫要求进行调整，一般控制在0.51.5（m³/m³）之间。液气比过大，会增加吸收剂的消耗和再生能耗；液气比过小，则脱硫效果难以保证。

（二）再生塔操作参数1.温度再生温度一般控制在100120℃。温度过低，再生不完全，贫液中H₂S含量过高，影响吸收效果；温度过高，会导致醇胺溶液的热降解，降低其使用寿命。2.压力再生压力一般为0.10.2MPa。较低的压力有利于H₂S的解吸，但压力过低会影响再生塔的操作稳定性。3.蒸汽量根据再生塔的热负荷计算所需的蒸汽量，蒸汽量的大小直接影响再生效果。需保证蒸汽量既能满足再生温度要求，又不会造成能源浪费。

八、系统安全性与稳定性分析（一）安全性分析1.防火防爆天然气属于易燃易爆气体，整个系统中存在较多的火源和可燃物质，如加热蒸汽、电气设备等。因此，要采取严格的防火防爆措施，如在设备周围设置防火堤、安装可燃气体检测报警装置、选用防爆电气设备等。2.防中毒H₂S是剧毒气体，在脱硫过程中要防止其泄漏。对涉及H₂S的设备和管道要进行密封设计，设置通风设施，操作人员要配备必要的防护用品，如防毒面具等。3.防腐蚀由于系统中存在含硫介质，会对设备和管道造成腐蚀。要选用耐腐蚀的材料，如不锈钢、合金钢等，并采取防腐涂层、阴极保护等措施，延长设备使用寿命。

（二）稳定性分析1.工艺稳定性通过优化工艺流程和操作参数，使整个脱硫系统在不同工况下都能保持稳定运行。例如，采用先进的控制系统，实时监测和调节各设备的运行参数，确保吸收塔、再生塔等关键设备的性能稳定。2.设备稳定性对设备进行合理选型和设计，保证设备的可靠性和稳定性。定期对设备进行维护保养，及时更换磨损的部件，确保设备正常运行。同时，设置备用设备，在主设备出现故障时能够及时切换，保证天然气脱硫不停产。

九、结论本设计通过对天然气脱硫工艺的深入研究和分析，选择了醇胺法湿法脱硫工艺，并完成了整个工艺流程的设计、设备选型与计算以及操作参数的优化。该设