天然气水合物生成及分解设备工艺参数设计

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天然气水合物生成及分解设备工艺参数设计

吴玉国

1,3

　陈树军2　付　越3　陈保东

3

(11中国石油大学(华东)　21上海交通大学制冷及低温工程研究所　31辽宁石油化工大学)

摘要　某文献中虽然设计了一种高效动态连续制备、分解固体天然气的工艺流程,但由于没

有对流程中的主要设备进行工艺参数设计,故该流程离实际应用还有一定距离。针对这种状况,进行了流程工艺参数的计算及主要设备的设计,为该技术的实验室及现场验证提供了理论数据。反应釜是整个流程中最重要的设备,所以重点设计了反应釜及其组成部分,给出了反应釜的特点、结构及容积设计外,还对净化装置、换热器和分离器进行了设计。

关键词　天然气水合物　工艺参数设计　反应釜　净化装置　换热器　分离器

引 言

随着我国国民经济的高速发展,天然气的需求量日益增加,发大量的天然气气田来满足需求。但由于天然气处于气态,存在运输与储存的难题。天然气水合物技术是将天然气由气态转化成固态水合物的形式,使其便于运输以及重新转化为气态天然气。而设计研究高效的水合物生产工艺是工业应用的基础。然而目前的天然气水合物工艺流程都存在着投资大,生产效率低,经济性差的不足,未能引起工业界的重视。为此,文献[1]探索设计了一种成本低廉,高效动态连续制备、分解固体天然气的工艺流程,为天然气水合物技术的工业化奠定了坚实的基础,但由于没有对流程中的主要设备进行工艺参数设计,所以该流程离实际应用还有一定的距离。针对这种情况,笔者进行了流程工艺参数的计算及主要设备的设计,为该技术的实验室及现场验证提供了理论数据。

设备与工艺流程

稳定的天然气水合物生成、分解工艺流程分别见图1和图2。

进入反应釜前,水和天然气各以1条支路流动。水进入制冰装置生成冰水混合物,块状冰进入研磨机,研磨为细小晶粒,再将含有冰晶粒的水由

水泵泵送至反应釜的上部。从下支路进入的天然气

与乙烷和丙烷混合后进入透平膨胀机降压至出口压力大于5MPa,达到压力的气体进入稳压缓冲罐内缓冲,然后进入换热器升温至20℃。最后通过喷嘴从反应釜底部喷入反应釜

。

图1　

稳定的天然气水合物生成工艺流程图

图2　稳定的天然气水合物分解工艺流程图

生成水合物的标志是温度升高同时压力下降。反应消耗的气体与降低的压力,通过调节阀门开度

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石　油　机　械

CH I N A PETROLEUM MACH I N ERY

2007年　第35卷　第12期

从喷嘴补充高压气流加以补偿,这也使得反应能够连续进行。反应釜内温度控制为10℃,压力控制为5MPa。在1级反应釜内反应不可能彻底完成,因此设计了2级、3级反应釜。由于经过1级反应釜已有水合物晶种存在,水合反应立即进入快速生长区,会有大量天然气水合物生成。2级、3级反应釜的调压原理同1级反应釜,也是从底部喷入高压气流来补充,反应釜内同样设有搅拌器。

从3级反应釜出来的大量水合物和少量水溶液及剩余的气体进入大型三相分离器进行分离。分离出的少量纯水由分离器下部引出,重新进入水泵,再循环进入反应釜;对分离出的气体予以回收,重新进入换热器,再循环进入反应釜;分离后得到的大量水合物进入冷冻罐。冷冻罐的储存温度设定为-15℃。冷冻罐中出来的天然气水合物为便于储存与运输,要通过透平膨胀机使其压力降低到常压。然后进入储罐中,在常压、-15℃的条件下,将储罐保持完全绝热,水合物就可保持稳定。将储罐用船或车运到目的地后,进行分解。

综合考虑了各种分解方法的优缺点,选用加注热水法作为水合物分解的激发方式。液体的紊流扰动能增大液固接触面积,所以20℃的热水通过喷嘴进入混合器,促成液体的紊流扰动。向混合器中注入抑制剂甲醇,加速了水合物分解。最终,离气源较远的用户就能用到天然气。

主要设备的工艺参数设计

笔者的设计以每天生产100m3水合物为基准进行计算。天然气水合物中含气率一般为150～170m3[2],保守的估计工业上天然气水合物含气率为150m3,且天然气的平均转化率为30%,则参数设计的条件如下:天然气含气率150(标准m3),水合物转化率为30%,日生产能力100m3。

设气支路干天然气来气量为V,由于上、下支路将进料口气水质量比控制为1∶5,所以上支路的进水量V

水

=5ρ气V/ρ水,式中ρ气、ρ水分别为气、水密度,kg/m3。

11反应釜

反应釜是整个流程中最重要的设备,天然气水合物将在其中生成。其特点、结构及主要技术指标叙述如下。

(1)反应釜的特点　有2个主要特点:①整个釜全部采用耐腐蚀不锈钢0Cr18N i9Ti制造,具有较好的耐腐蚀性;②以静密封代替动密封,釜内介质和搅拌部件在绝对密封状态中工作,能彻底解决机械密封无法克服的泄漏问题。

(2)反应釜的结构　反应釜由釜体、搅拌系统、恒温系统、温度压力测量系统、数据自动采集系统以及防爆片装置等部分组成,如图3所示

。

图3　反应釜的整体结构

1—计算机;2—数据采集卡;3—压力变送显示仪;4—电动机; 5—温度变送器;6—热电偶;7—釜体;8—恒温水浴槽;9—搅拌器 ①因为反应釜内容积较小,将其设计成窄长形的柱体有利于水合物的生成[3]。釜体与釜盖间借助于周向均匀分布的主螺栓装配拧紧达到密封。反应釜外面设计了1层夹套,供载冷剂流通以冷却反应釜。

②釜内液体的搅拌由磁力搅拌器实现,搅拌动力由伺服电动机提供,通过内、外磁钢的磁力传递作用,控制伺服电动机的转速,从而达到调速的目的。搅拌机上部装有感应测速磁钢,当搅拌机旋转时感应磁钢产生感应电动势,电势值与搅拌转速相对应。感应电动势传至控制仪上的转速表即可显示搅拌机的工作情况。

③反应处于低温范围,且是放热反应,反应过程中反应釜内的温度要升高,这会阻碍反应的进一步进行,因此必须设置恒温系统。因为温度波动是导致数据测量不准确的重要因素,所以选择控温精度高的恒温槽至关重要。恒温槽应具有以下一些特点

・采用数字控制技术,温度采用数字设定,数字显示,操作方便;

・控温精度高,可达到±011℃,温度波动范围为-30～50℃;

・温度采用自动控制,温度稳定速度快。

④温度的测量分为两部分:铂电阻温度计和数字温度显示仪。铂电阻选用具有良好密封性能、能弯曲、耐压、抗震、反应时间快且坚固耐用的铠装热电阻。

⑤反应釜的压力属于中、低压范围,由量程为0～30MPa的P M10压力变送器测定,其精密等级

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2007年　第35卷　第12期吴玉国等:天然气水合物生成及分解设备工艺参数设计