关键词：
水合分离
水合反应
高酸性天然气
脱硫脱碳
流程模拟
能耗
投资
摘要：
在世界经济不断发展的同时,地球环境的日益恶化已引起了广泛关注。在一次性能源结构中提高天然气所占比例可有效降低大气污染、改善环境,这已成为世界各国能源开发的共识和行动。从资源储量上看,截至2016年全球天然气剩余探明可采储量为186.6×1012m3,而且大部分属于酸性天然气气藏,天然气净化也越来越重要。天然气脱硫脱碳单元在所有天然气净化单元中是最为关键的处理环节,也是能耗最高的处理单元。优化脱硫脱碳工艺、降低生产能耗是天然气净化工业发展的方向。经过几十年的研究,目前在天然气脱硫脱碳方面取得了一定的成果,开发了化学吸收法、物理吸收法、膜分离法、低温分离法以及混合分离法等工艺方法。但是对于高酸性天然气的净化工艺,其原料气中酸性组分H2S和CO2总含量超过15%(v),常规的化学吸收法会存在受压力条件的限制导致的脱硫脱碳效率低而致净化气中的酸性组分含量难以满足商品天然气的质量要求,以及由于循环量大而造成的再生能耗高的问题;常规的物理吸收法虽然受压力条件的限制低于化学吸收法,但却存在烃类共吸问题,在脱除酸性组分的同时会对C3+的烃类产生共吸,从而导致天然气的大量损耗并影响后续硫磺回收单元的正常操作以及硫磺产品质量;水合分离法虽然有着能耗低,工艺简单的特点,但是却存在无法将天然气中几乎所有的H2S以及有机硫等酸性组分脱除,从而导致净化气质量难以满足产品天然气质量要求的问题。本文根据高酸性天然气的脱酸性组分工艺方法的优缺点,提出并研究了水合分离法与化学吸收法相结合的一种新型脱硫脱碳工艺。论文选取干基CH4体积浓度在85%、79%、73%、67%与60%,H2S体积浓度在10%、15%、20%、25%与 30%以及 CO2 体积浓度在 5%、6%、7%、8%与 10%的 5 组 CH4+H2S+CO2酸性天然气进行研究。选用CPA、SRK和PR方程与Chen-Guo模型建立水合法分离工艺的热力学相平衡计算模型以及物料衡算计算模型对水合物的生成条件和在水合反应过程中气相各组分浓度进行计算;搭建水合分离实验装置,采用恒压降温进行水合分离实验,获取实验数据并与模型计算进行比较和分析;建立水合物分解的动力学模型,水合分解实验研究在恒压的条件下升高体系温度,以获取水合物相平衡体系下气相摩尔数与反应时间的关系,并结合水合物动力学模型确定H2S水合物分解的表观动力学常数。同时以2组高酸性天然气组成进行脱硫脱碳工艺比选研究,其分别为:常规的化学吸收法脱硫脱碳工艺、水合法脱硫脱碳工艺以及结合水合法和化学吸收法的复合脱硫脱碳工艺。常规的化学吸收法脱硫脱碳工艺采用已经在工业上成熟运用的Promax和Amsim软件进行模拟计算得出其脱硫脱碳后的数据;水合分离法则依据数学模型模拟计算得出其脱硫脱碳的数据;复合工艺则将水合分离法分离后的数据作为化学吸收法的输入数据进行模拟计算从而得出复合工艺的脱硫脱碳数据,并在产品气质量、酸气浓度以及能耗、投资进行对比。本文对高酸性气田脱硫脱碳工艺选择有着重要的意义。主要研究成果如下:1、提出了一种适合高酸性原料天然气脱硫脱碳处理的新型复合工艺,将水合分离法与化学吸收法相结合,使其产品气在满足现行国家标准《天然气》(GB17820-2012)中I类商品天然气的质量要求的同时能有效降低天然气净化的能耗。2、选用气—液相方程以及水合物模型建立水合物相平衡热力学模型以及水合反应过程中物料平衡计算模型,计算5组不同组成的高酸性天然气的水合物相平衡参数以及水合过程中气相各组成浓度随时间变化的趋势,证明水合法分离工艺的可行性。3、通过搭建水合反应实验装置,对5组不同高酸性天然气进行了水合反应实验,根据实验结果和理论计算结果分析后得出水合分离工艺能实现混合气体的分离。同时还得出对于该混合体系的水合过程存在两个阶段,第一是气相溶解和水合物成核以及水合晶体初步生长阶段;第二是置换阶段,更容易生成水合物的气相分子置换已经与水分子生成水合物的相对不容易生成水合物的气相分子阶段。在第一阶段中,CH4、H2S和CO2分子部分溶解于溶液,部分与水进行了水合作用生成CH4水合物、H2S水合物以及CO2水合物,气相中各组分的浓度呈降低的变化趋势;在第二阶段,由于H2S分子生成水合物的驱动力远大于CH4和CO2分子,在第一阶段中成核的H2S水合物会继续生长,而存在于气相中的H2S分子会进入水合物的孔穴中形成H2S水合物从而置换在第一阶段已经生成水合物晶体的CH4分子,CH4分子则从水合物孔穴中逃逸并返回至混合物气相中,使气相中CH4的浓度呈升高的变化趋势;同时还得出混合气体的分离效率与混合气体中的组分有关的结论:当气相中CH4浓度为70%～80%(v)时,水合反应后气相中CH4的浓度提高率最高;当气相中H2S浓度为15%～25%(v)时,水合反应后气相中H2S的浓度降
欢迎来到三峡大学图书馆！
详细信息
