天然气脱水原理及工艺流程

天然气脱水原理及工艺流程
一、天然气水合物
1、H2O存在的危害
（1）减少商品天然气管道的输送能力；
（2）当气体中含有酸性气体时，液态水与酸性气体形成酸性水溶液腐蚀管道和设备；
（3）液态水与天然气中的某些低分子量的烃类或非烃类气体分子结合形成天然气水合物，从而减小管路的流通断面积、增加管路压降，严重时将造成水合物堵塞管道，生产被迫中断；
（4）作为燃料使用，降低天然气的热值。

2、什么是天然气水合物
天然气水合物是在一定温度和压力条件下，天然气中的甲烷、乙烷等烃类物质和硫化氢、二氧化碳等酸性组分与液态水形成的类似冰的、非化学计量的笼型晶体化合物。

最大的危害是堵塞管道。

（1）物理性质
①白色固体结晶，外观类似压实的冰雪；
②轻于水、重于液烃，相对密度为0.960.98；
③半稳定性，在大气环境下很快分解。

（2）结构
采用X射线衍射法对水合物进行结构测定发现，气体水合物是由多个填充气体分子的笼状晶格构成的晶体，晶体结构有三种类型：
I、II、H型。

3、天然气水合物生成条件
具有能形成水合物的气体分子：如小分子烃类物质和H2S、CO2等酸性组分
天然气中水的存在：液态水是生成水化物的必要条件。

天然气中液态水的来源有油气层内的地层水(底水、边水)和地层条件下的汽态水。

这些汽态的水蒸汽随天然气产出时温度的下降而凝析成液态水。

一般而言，在井下高压高温状态下，天然气呈水水蒸气饱状态，当气体运移到井口时，特别是经过井口节流装置时，由于压力和温度的降低，使会凝析出部分的液态水，因此，在井口节流装置或处理站节流降温处往往容易形成水化物。

3、天然气水合物生成条件
足够低的温度：低温是形成水化物的重要条件。

气流从井底流到井口、处理厂并经过角式节流阀、孔板等装置节流后，会因压力降低而引起温度下降。

温度降低不仅使汽态水凝析(温度低于天然气露点时)，也为生成水化物创造了条件。

足够高的压力：水化物生成的温度随压力升高而升高，随压力降低而降低，也就是压力越高易生成水化物。

其它辅助条件：如气体流速和流向的突变产生的扰动、压力的波动和晶种的存在等。

4、防止水合物生成的方法
破坏生成水合物的必要条件即可防止水合物的生成。

1）长距离输气管线水合物的预防措施
对于长距离输气管线要防止水合物的生成可以采用如下方法：①天然气脱水：降低气体内水含量和露点，是防止水合物生成的最有效和最彻底的方法。

②提高输送温度：使气体温度高于水露点而不产生液态水。

③注入水合物抑制剂：抑制剂的种类很多，有甲醇、乙二醇、二甘醇、三甘醇、氯化钙水溶液等，由于使用乙二醇和二甘醇时甘醇的损失较大，而三甘醇以它较大的露点降、技术上的可靠性和经济上的合理性而在天然气脱水中普遍使用。

二、分子筛脱水
分子筛法是一种深度脱水的方法，它的露点降可达120℃以上，即脱水后的干天然气露点甚至可降到－100 ℃以下；所以常用于低温冷凝（NGL）回收及生产液化天然气（LNG）中的脱水工序；此外，生产供汽车作燃料的压缩天然气也需用分子筛脱水。

分子筛除用于脱水外，还可用于脱除天然气中的微量H2S及有机硫化合物，甚至可同时脱硫脱水。

除分子筛外，其他的一些固体吸附剂如活性氧化铝及硅胶等在天然气脱水中也有应用。

1、分子筛的结构
分子筛是一种人工合成的碱金属或碱土金属的硅铝酸盐晶体。

分子筛作为一种结晶硅铝酸盐，其骨架最基本的结构是奎氧（SiO4）和铝氧（AlO4）四面体；它们按一定的方式通过公用顶点氧联结在一起，形成首尾相接的环状，具有许多排列整齐的晶穴、晶孔和孔道。

分子筛中阳离子可被其它阳离子所交换，水可通过加热脱去，
硅（铝）氧骨架也可在一定条件下发生变化。

其分子式的通式为：
用于天然气脱水及脱硫的主要是A型及X型分子。

NaA型分子筛的有效孔径为0.4nm，即4A，所以NaA型分子筛又叫4A型分子筛。

2、分子筛的吸附性能（选择性吸附）
分子筛是具有均一孔径的吸附剂，当被吸附分子的直径小于分子筛孔径时，它才能进入孔内而被吸附，分子“筛”因而得名，所以，分子筛是具有选择性的吸附剂，几种分子筛能够吸附与不能吸附的分子见表。

当用于富天然气脱水时，为防止乙烷以上烃类被吸，可使用3A 分子筛；如用于干天然气以及用于脱硫则需要使用4A乃至更大孔径的分子筛。

分子筛是具有非常大的内表面积，约为600~1000m2/g，其表面由于离子晶格的特点具有高度的极性，因而对极性分子和可极化的分子具有较强的吸附力及较高的吸附容量。

天然气中的水、含硫化合物、二氧化碳就属于极性分子一类，因此，分子筛对它们具有较强的吸附力，分子筛对一些物质的吸附强度顺序如下：
H2O>NH3>CH3OH>CH3SH>H2S>COS>CO2>N2>CH4
可见，水最易为分子筛所吸附，而CH4则不易被吸附。

作为脱水的吸附剂，分子筛虽然在高的相对温度下的平衡湿容量低于活性氧化铝和硅胶，但在低的相对温度下却大大高于它们。

随温度升高，所有吸附湿容量均显著下降，但分子筛在较高的吸附温度下仍然有较高的湿容量。

3、分子筛脱水工艺
分子筛脱水使用固定床吸附器，因此装置至少应有两台吸附器，一个负责吸附脱水阶段，另一个则负责再生及冷却阶段。

当用分子筛用于天然气脱水时，分子筛对水有最高的吸附强度，就水分而言，在吸附过程中分子筛床层存在饱和段、吸附段及未吸附段三个区域；未吸附段虽未吸附水，但却可能吸附了酸气或烃类组分。

随时间增长，饱和段及吸附段不断向前延伸，当吸附段前端抵达出口处时，出口气中水含量达到转效点而迅速上升，此时继续吸附操作已
不能达到所要求的脱水深度而应切换再生。

分子筛的再生均使用加热再生，以脱水后的一部分干气或进料湿气加热后进入吸附器赶出分子筛内的水分，再生气可与进料湿天然气混合进入吸附器脱水。

便在脱水深度要求高的下应使用已脱水的干气作为再生气。

再生结束后冷却至常温，然后转入一下个吸附阶段。

4、分子筛吸附脱水工艺的其它问题
（1）吸附剂的再生
吸附剂的再生是为了除去吸附质，恢复吸附剂活性。

吸附剂的再生过程就是吸附剂的脱附过程。

工业上常用的再生方法是升温脱附，因为温度愈高，湿容量愈小。

通常是用脱过水的天然气作为再生气体，将其加热到一定高温，从塔底进入，自下而上穿过整个床层，利用再生气所具有的高温使吸附剂在吸附过程中所吸附的水分汽化，并被再生气携带从顶部出塔。

脱附完成后，吸附床层的温度很高，不利于吸附。

因此需要用冷干气进行冷却，这一过程称为冷吹。

冷却后的塔方可进行吸附操作。

再生气和冷吹气都是从塔底进入，这样可以确保在吸附操作中未吸附脱水的床层区域在再生操作中没有含水气流过，使吸附床层底部的吸附剂得到完全再生。

（2）吸附剂的内部结构
支撑隔栅：支撑吸附剂和瓷球重量。

瓷球：使气流比较均匀分布，再生时顶部瓷球还有压住吸附剂、防止吸附剂被吹跑的作用。

支撑隔栅上的丝网：防止瓷球漏下。

吸附剂床层上、下丝网：防止吸附剂漏出。