大型天然氣凈化工藝模擬實驗裝置的研制

唐建峰， 陳 杰， 花亦懷， 郭 清， 劉 楊

(1.中國石油大學(華東)，山東 青島 266580； 2.中海石油氣電集團技術研發中心，北京 100027；3.昆山市建設工程質量檢測中心，江蘇 昆山 215337)

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·儀器設備研制與開發·

大型天然氣凈化工藝模擬實驗裝置的研制

唐建峰1， 陳 杰2， 花亦懷2， 郭 清3， 劉 楊1

(1.中國石油大學(華東)，山東 青島 266580； 2.中海石油氣電集團技術研發中心，北京 100027；3.昆山市建設工程質量檢測中心，江蘇 昆山 215337)

在經典天然氣凈化工藝流程的基礎上，通過吸收塔串并聯、原料氣循環、配氣系統和撬裝化的優化設計，研制了大型天然氣凈化工藝模擬實驗裝置。優化后的裝置可以實現不同原料氣氣質、工藝流程、操作參數及吸收劑種類等工況下的實驗研究。該裝置與國內針對天然氣預處理中吸收劑性能及配方優選等實驗研究常用的反應釜裝置相比，具有靈活、貼近工程實際等特點，可以多角度、多形式、多方面的對天然氣的凈化效果進行研究和分析。

天然氣凈化； 優化設計； 裝置研制

0 引 言

天然氣凈化是進行天然氣利用的重要環節，地層中開采的天然氣中一般含有多種酸氣雜質，如CO2、H2S等。酸氣在天然氣儲存和運輸過程中會引起管道和設備腐蝕、催化劑中毒及加速水合物生成等問題[1-5]，此外，H2S的存在還會危及生命安全。

目前，各高校所用的針對天然氣凈化中吸收劑性能和配方篩選的實驗裝置大部分為小型反應釜裝置，主要設備為高壓反應釜，相關配套措施包括溫控系統、氣相色譜分析系統、數據采集系統等幾部分[6-8]。此類裝置應用于吸收劑篩選以及凈化效果分析等理論研究尚可，但與工程實際中天然氣凈化工藝流程相差較大，其研究成果與工程實際應用也存在一定差距。傳統的模擬工程實際的天然氣凈化實驗裝置多根據工程實際需求研制，操作工況較為單一，研究內容有限。鑒于此，本文在傳統天然氣凈化工藝流程基礎上進行優化改造，保證其原有功能前提下，增加原料氣循環、配氣系統以及雙塔串并聯等，并采用撬裝化設計，構建了一套大型的天然氣凈化模擬實驗裝置。該實驗裝置功能齊全，操作靈活，可用于指導科研工作和實踐教學。

1 實驗裝置研制思路

工業中常用的天然氣凈化方法有化學吸收法、物理吸附法、膜分離法等，其中化學吸收法由于工藝成熟、處理效果好而被廣泛應用[9-13]。本文的大型天然氣凈化模擬實驗裝置是基于化學吸收法進行設計的。

工業中常用的經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：原料氣經分離器除去固液雜質后，由吸收塔底部入塔，與來自塔頂的吸收劑進行氣液傳質反應，脫除酸氣后的凈化氣從塔頂排出后進入下游設備，與酸氣完成化學反應的富吸收劑從塔底流出；再生部分：富吸收劑經過節流降壓、閃蒸、過濾、換熱后進入再生塔頂部，在塔內與高溫蒸汽逆流接觸，釋放出酸氣，恢復吸收能力的貧吸收劑經過換熱、增壓、冷卻后再次進入吸收塔進行酸氣脫除。

1-原料氣緩沖罐,2-吸收塔,3-凈化氣分離器,4-循環泵,5-貧胺冷卻器,6-閃蒸罐,7-過濾器,8-過濾器,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

實際工業生產中，天然氣凈化裝置要求穩定運行，

其原料氣氣質、吸收劑種類和工藝操作參數等波動范圍很小[10]。而在高校的實踐教學過程中，在保證裝置穩定運行的前提下，需盡可能多地增加研究點和可變工況，提高裝置的靈活性和功能性，實現多角度、多形式、多方面考察天然氣凈化相關知識，以此來達到科研和教學的實驗目的，提高創新性。基于上述原因，本文在經典天然氣凈化工藝流程的基礎上，結合科研及教學目的，提出了以下優化設計方案，包括吸收塔串并聯設計、原料氣循環設計、配氣系統設計和撬裝化設計。

串并聯設計提供了一種串聯、并聯可切換的化工塔器裝置，能夠在一套實驗裝置中實現單塔和雙塔串并聯3種不同工藝流程下的吸收實驗；配氣系統可以按照特定比例配置不同種類的酸氣，豐富了實驗氣體氣源種類；基于校內實踐基地場地有限的特點，實驗裝置全部采用了撬裝化處理，大大縮減了占地面積，便于運輸及維修；原料氣循環設計提供一種原料氣可循環使用的氣體凈化處理實驗研究工藝，能夠實現吸收塔頂凈化氣與再生塔頂脫除氣的混合及循環利用，節約能源消耗和實驗成本，實現了氣體的零排放，提高了實驗的經濟性和安全性。

2 實驗裝置研制

2.1 吸收塔串并聯設計

本裝置中吸收塔為一種串聯、并聯可切換的化工塔器組合，能夠在一套實驗裝置中實現單塔和雙塔串并聯3種不同工藝流程下的吸收實驗研究。進行吸收劑篩選等相關研究時，可以采用操作簡單的單塔方式；需要處理氣體量大，且對氣體凈化深度要求不高的情況下，采用塔器并聯的方式；對氣體凈化深度要求較高的情況下，采用塔器串聯的方式。

本文實現串并聯切換的實驗裝置包括兩臺塔器、連接管道、氣液相自控閥組、計量泵及溫度、壓力、液位檢測儀表等，設計連接方式如圖2所示。通過主控室對閥門及計量泵的啟閉進行遠程控制，實現塔器液相及氣相的串聯、并聯切換。

閥V1～V5構成了液相的串并聯閥組，閥V6～V10構成了氣相的串并聯閥組，吸收塔單塔和雙塔串、并聯運行時各閥門的工作狀態及運行特點如表1所示。氣液兩相均串聯時，吸收塔串聯工作，酸氣首先進入吸收塔T-01底部與自上而下噴淋的來自吸收塔T-02的半吸收劑進行初次氣體凈化過程；初次凈化后的氣體自吸收塔T-01頂部進入吸收塔T-02的底部與來自再生塔的吸收劑進行進一步的氣體凈化過程，采用串聯工藝流程時，可明顯提高氣體的凈化效果。氣液兩相均并聯時，吸收塔并聯工作，這時酸氣分成兩股分別進入吸收塔T-01和吸收塔T-02的底部與自上而下噴淋的吸收劑進行氣體凈化過程，該工藝流程下吸收劑的循環流量大、氣體處理量大。

圖2 吸收塔串并聯設計圖

2.2 原料氣循環設計

實際的工業生產中天然氣凈化裝置的氣相流程主要為：天然氣經過吸收塔之后，其中的酸性雜質氣體被吸收劑吸收，凈化后的氣體進入下游管線，儲運輸配到達用戶，吸收酸性氣體后的吸收劑進入再生塔進行再生，進一步重復利用，再生塔頂的脫除氣作為化工原料進行工業生產。

目前,國內外采用的氣體凈化實驗裝置在實驗過程中所使用酸氣均是一次性的，實驗結束后即進行處理或排放，無法實現原料氣的循環使用，造成原料氣的浪費及環境的污染。為了節約實驗成本,減少原料氣配制過程中的誤差,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過吸收塔吸收之后產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行混合，混合后的酸氣為下一個循環供氣，從而實現原料氣的循環利用。

表1 吸收塔串并聯工況表

本文設計的原料氣循環過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。再生塔頂的酸氣經過冷凝、分離后進入原料氣混合罐；吸收塔頂的凈化氣經過節流閥降壓、冷凝、分離后進入原料氣混合罐，混合后的氣體經原料氣壓縮機增壓后進入吸收塔。實驗開始時，原料氣由氣瓶供氣，待運行穩定，滿足實驗壓力要求后，啟動原料氣循環系統。同時，要適當調整氣瓶的氣體供應，以補充實驗過程中的氣體損失，實現原料氣的穩定及循環利用。

2.3 配氣系統的設計

配氣系統流程圖如圖3所示。它主要由原料氣氣瓶、原料氣混合罐、原料氣壓縮機、原料氣緩沖罐及計量儀表五部分組成。通過配氣系統可以配制特定組分的原料氣，進行不同原料氣氣質條件下的實驗研究。

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，調節氣體流量，使氣體按一定比例混合。當配氣快結束時，關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氣體進行取樣。采用色譜儀分析樣品氣體成分，并根據分析結果調整各氣瓶的流量，調整氣體組>成。為滿足工程實際，該配氣系統除可以配置特定組分的原料氣之外，還可引入天然氣管線，進行對原料氣組分要求不高的特定工況下的實驗研究，節約成本。

圖3 配氣系統示意圖

2.4 撬裝化設計

撬裝化是指將各個功能組件集成在由角鋼或工字鋼制成的底座上，形成一個整體式集合，可以使用起重設備等進行靈活移動、就位，并可采用管線與系統上其他設備進行連接使用的一種方式[15]。撬裝化設計與傳統設計相比,具有便于運輸、安裝及占地面積小等優點。在工廠組裝完成的撬塊運至實驗場地進行管線連接后便可立即投入使用，節約了裝置的建設成本，同時撬裝化的設計也使工廠中大型復雜的設備小型化，節約了占地面積。

本文實驗裝置主要由10個撬塊組成，包括主撬、原料氣混合罐撬、吸收塔撬、再生塔撬、配氣撬、壓縮機撬、吸收劑儲罐撬、冷凍機撬、儀表風撬和高空放散撬。主撬塊分為兩層，裝置上層撬塊包括再生塔頂的回流冷凝器、回流罐、吸收塔頂的凈化氣冷凝器、凈化氣分離器和尾氣吸收罐。下層撬塊包括富液閃蒸罐、富液過濾器、貧/富液換熱器、貧液冷卻器、胺液儲罐、胺液循環泵、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驗裝置。各撬塊尺寸、主要設備參數如表2所示。

表2 裝置撬塊尺寸及主要設備參數

3 實驗裝置研制成果

根據天然氣凈化工藝裝置設計規范，結合吸收塔串并聯設計、原料氣循環設計、配氣系統設計和撬裝化設計，制定了實驗裝置設計方案并成功研制了大型天然氣凈化工藝模擬實驗裝置。其工藝流程圖見4。

圖4 大型天然氣凈化工藝模擬實驗裝置流程圖

本文研制的實驗裝置可根據工程實際進行操作參數調節。采用該裝置進行實驗時，可調節的工況范圍為：氣體處理量0～100 m3/h、吸收劑循環流量0～0.5 m3/h、吸收壓力0～5 MPa、再生溫度0～130 ℃。

在實踐教學方面，本科生可通過該裝置進行天然氣凈化工藝、流體機械設備等內容的認識實習、生產實習等。主要實習內容包括熟練掌握天然氣凈化工藝流程，了解自動控制系統，閥門、儀表及壓縮機等流體機械設備等，同時，該裝置可為本科生參加科技創新競賽等提供技術支持，激發學生的積極性和創新意識，提高實踐能力，真正做到學以致用。研究生可通過該裝置進行天然氣凈化相關知識的實驗研究，包括吸收劑篩選、工藝操作參數優化等，提高研究生的科研能力。同時，該裝置還可用于承擔國家及企業與天然氣凈化相關的科研項目，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際。

4 結 語

在經典天然氣凈化工藝基礎上進行優化改造，增加了吸收塔串并聯、原料氣循環、配氣系統和撬裝化設計，研制了一種大型天然氣凈化工藝模擬實驗裝置。該裝置既可滿足本科生實踐教學的需要，又可滿足研究生進行氣體凈化效果分析、設備操作參數優選、吸收劑配方優選等科研需要。該實驗裝置與國內外針對天然氣凈化中吸收劑性能及配方優選等實驗研究常用的小型反應釜裝置相比，研究結果更貼近工程實際；與傳統的模擬工程實際的常規凈化裝置相比，研究范圍寬、操作工況多，具有獨創性和靈活性，屬國內首例用于實驗室的大型天然氣凈化工藝模擬實驗裝置。該裝置的研制對提高本科生實踐教學、研究生科研和承擔國家及企業科研項目的研究等都具有重要意義。

[1] 姚光鎮.輸氣管道設計與管理[M].東營：中國石油大學出版社，2006：71-73.

[2] 馮叔初，郭揆常. 油氣集輸與礦廠加工[M].東營：中國石油大學出版社,2006(5)：367-399.

[3] 郭 清. 天然氣脫碳混合胺液吸收與解吸性能研究[D]. 青島：中國石油大學(華東), 2013.

[4] 陳 杰，郭 清，花亦懷，等.MDEA活化胺液在天然氣預處理工藝中的吸收性能[J].化工進展,2014(33)：80-84.

[5] 歐銀軍．天然氣預處理過程中的脫酸與脫水工藝研究[J]．科技視野,2012(12)：227-229.

[6] 高 涵.有機胺法吸收二氧化碳及其性能研究[D].上海：上海師范大學,2011.

[7] 蓋群英.醇胺溶液富集CO2的研究[D].大連：大連理工大學, 2008.

[8] 劉 露，段振紅，賀高紅，等.天然氣脫除CO2方法的比較與進展[J].化工進展,2009,28(s): 290-292.

[9] 花亦懷，郭 清，馮 頡，等. 天然氣脫碳單一胺液及混合胺液解吸性能研究[J].天然氣化工, 2014(39)：47-51.

[10] 謝飛龍，李洋洋，張 浩．天然氣中酸性氣體脫除方法探討與研究[J]. 科技前沿, 2013(5):53-54.

[11] Eckhart W，Klaus V，Werner H，etal．Removal of CO2and/or H2S form Gases [P]．United States：4，551，158．Nov. 5，1985．

[12] Jameil A，Seymour A F．Acid Gas Removal from Gas Mixtures[P]．United States：3，594，985．July. 27，1971．

[13] 王蘭芝，李桂明，楊紅健，等．天然氣凈化技術研究進展[J]．河南工業,2006(23)：11-13．

[14] 馬 成．液化天然氣工廠凈化系統技術[D]．廣州:華南理工大學，2013．

[15] 毛仲強.撬裝天然氣處理裝置的研制和開發[D].重慶：重慶大學,2003.

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

國家863計劃項目(2013AA09A216)；山東省研究生教育創新計劃項目(SDYY12161)；中國石油大學(華東)教學改革項目(JY-B201219)；中國石油大學(華東)教學改革項目(SY-B201208)資助

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

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

TE 644

A

1006-7167(2015)01-0063-04