大型天然气净化工艺模拟实验装置的研制

唐建峰， 陈 杰， 花亦怀， 郭 清， 刘 杨

(1.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580； 2.中海石油气电集团技术研发中心，北京 100027；3.昆山市建设工程质量检测中心，江苏 昆山 215337)



·仪器设备研制与开发·

大型天然气净化工艺模拟实验装置的研制

唐建峰1， 陈 杰2， 花亦怀2， 郭 清3， 刘 杨1

(1.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580； 2.中海石油气电集团技术研发中心，北京 100027；3.昆山市建设工程质量检测中心，江苏 昆山 215337)

在经典天然气净化工艺流程的基础上，通过吸收塔串并联、原料气循环、配气系统和撬装化的优化设计，研制了大型天然气净化工艺模拟实验装置。优化后的装置可以实现不同原料气气质、工艺流程、操作参数及吸收剂种类等工况下的实验研究。该装置与国内针对天然气预处理中吸收剂性能及配方优选等实验研究常用的反应釜装置相比，具有灵活、贴近工程实际等特点，可以多角度、多形式、多方面的对天然气的净化效果进行研究和分析。

天然气净化； 优化设计； 装置研制

0 引 言

天然气净化是进行天然气利用的重要环节，地层中开采的天然气中一般含有多种酸气杂质，如CO2、H2S等。酸气在天然气储存和运输过程中会引起管道和设备腐蚀、催化剂中毒及加速水合物生成等问题[1-5]，此外，H2S的存在还会危及生命安全。

目前，各高校所用的针对天然气净化中吸收剂性能和配方筛选的实验装置大部分为小型反应釜装置，主要设备为高压反应釜，相关配套措施包括温控系统、气相色谱分析系统、数据采集系统等几部分[6-8]。此类装置应用于吸收剂筛选以及净化效果分析等理论研究尚可，但与工程实际中天然气净化工艺流程相差较大，其研究成果与工程实际应用也存在一定差距。传统的模拟工程实际的天然气净化实验装置多根据工程实际需求研制，操作工况较为单一，研究内容有限。鉴于此，本文在传统天然气净化工艺流程基础上进行优化改造，保证其原有功能前提下，增加原料气循环、配气系统以及双塔串并联等，并采用撬装化设计，构建了一套大型的天然气净化模拟实验装置。该实验装置功能齐全，操作灵活，可用于指导科研工作和实践教学。

1 实验装置研制思路

工业中常用的天然气净化方法有化学吸收法、物理吸附法、膜分离法等，其中化学吸收法由于工艺成熟、处理效果好而被广泛应用[9-13]。本文的大型天然气净化模拟实验装置是基于化学吸收法进行设计的。

工业中常用的经典天然气净化工艺流程如图1所示。工艺流程总体可分为高压吸收和低压再生两部分[14]。吸收部分：原料气经分离器除去固液杂质后，由吸收塔底部入塔，与来自塔顶的吸收剂进行气液传质反应，脱除酸气后的净化气从塔顶排出后进入下游设备，与酸气完成化学反应的富吸收剂从塔底流出；再生部分：富吸收剂经过节流降压、闪蒸、过滤、换热后进入再生塔顶部，在塔内与高温蒸汽逆流接触，释放出酸气，恢复吸收能力的贫吸收剂经过换热、增压、冷却后再次进入吸收塔进行酸气脱除。

1-原料气缓冲罐,2-吸收塔,3-净化气分离器,4-循环泵,5-贫胺冷却器,6-闪蒸罐,7-过滤器,8-过滤器,9-贫/富胺液换热器,10-再生塔,11-回流冷凝器,12-回流泵,13-重沸器,14-回流罐

图1 醇胺法脱除CO2工艺流程图

实际工业生产中，天然气净化装置要求稳定运行，

其原料气气质、吸收剂种类和工艺操作参数等波动范围很小[10]。而在高校的实践教学过程中，在保证装置稳定运行的前提下，需尽可能多地增加研究点和可变工况，提高装置的灵活性和功能性，实现多角度、多形式、多方面考察天然气净化相关知识，以此来达到科研和教学的实验目的，提高创新性。基于上述原因，本文在经典天然气净化工艺流程的基础上，结合科研及教学目的，提出了以下优化设计方案，包括吸收塔串并联设计、原料气循环设计、配气系统设计和撬装化设计。

串并联设计提供了一种串联、并联可切换的化工塔器装置，能够在一套实验装置中实现单塔和双塔串并联3种不同工艺流程下的吸收实验；配气系统可以按照特定比例配置不同种类的酸气，丰富了实验气体气源种类；基于校内实践基地场地有限的特点，实验装置全部采用了撬装化处理，大大缩减了占地面积，便于运输及维修；原料气循环设计提供一种原料气可循环使用的气体净化处理实验研究工艺，能够实现吸收塔顶净化气与再生塔顶脱除气的混合及循环利用，节约能源消耗和实验成本，实现了气体的零排放，提高了实验的经济性和安全性。

2 实验装置研制

2.1 吸收塔串并联设计

本装置中吸收塔为一种串联、并联可切换的化工塔器组合，能够在一套实验装置中实现单塔和双塔串并联3种不同工艺流程下的吸收实验研究。进行吸收剂筛选等相关研究时，可以采用操作简单的单塔方式；需要处理气体量大，且对气体净化深度要求不高的情况下，采用塔器并联的方式；对气体净化深度要求较高的情况下，采用塔器串联的方式。

本文实现串并联切换的实验装置包括两台塔器、连接管道、气液相自控阀组、计量泵及温度、压力、液位检测仪表等，设计连接方式如图2所示。通过主控室对阀门及计量泵的启闭进行远程控制，实现塔器液相及气相的串联、并联切换。

阀V1～V5构成了液相的串并联阀组，阀V6～V10构成了气相的串并联阀组，吸收塔单塔和双塔串、并联运行时各阀门的工作状态及运行特点如表1所示。气液两相均串联时，吸收塔串联工作，酸气首先进入吸收塔T-01底部与自上而下喷淋的来自吸收塔T-02的半吸收剂进行初次气体净化过程；初次净化后的气体自吸收塔T-01顶部进入吸收塔T-02的底部与来自再生塔的吸收剂进行进一步的气体净化过程，采用串联工艺流程时，可明显提高气体的净化效果。气液两相均并联时，吸收塔并联工作，这时酸气分成两股分别进入吸收塔T-01和吸收塔T-02的底部与自上而下喷淋的吸收剂进行气体净化过程，该工艺流程下吸收剂的循环流量大、气体处理量大。

图2 吸收塔串并联设计图

2.2 原料气循环设计

实际的工业生产中天然气净化装置的气相流程主要为：天然气经过吸收塔之后，其中的酸性杂质气体被吸收剂吸收，净化后的气体进入下游管线，储运输配到达用户，吸收酸性气体后的吸收剂进入再生塔进行再生，进一步重复利用，再生塔顶的脱除气作为化工原料进行工业生产。

目前,国内外采用的气体净化实验装置在实验过程中所使用酸气均是一次性的，实验结束后即进行处理或排放，无法实现原料气的循环使用，造成原料气的浪费及环境的污染。为了节约实验成本,减少原料气配制过程中的误差,降低气体排放量，本文所采用的气相流程为：原料气混合罐的气体经过吸收塔吸收之后产生的净化气和再生塔分离出的酸气重新返回至原料气混合罐进行混合，混合后的酸气为下一个循环供气，从而实现原料气的循环利用。

表1 吸收塔串并联工况表

本文设计的原料气循环过程主要包括两部分气体，分别是再生塔顶酸气和吸收塔顶净化气。再生塔顶的酸气经过冷凝、分离后进入原料气混合罐；吸收塔顶的净化气经过节流阀降压、冷凝、分离后进入原料气混合罐，混合后的气体经原料气压缩机增压后进入吸收塔。实验开始时，原料气由气瓶供气，待运行稳定，满足实验压力要求后，启动原料气循环系统。同时，要适当调整气瓶的气体供应，以补充实验过程中的气体损失，实现原料气的稳定及循环利用。

2.3 配气系统的设计

配气系统流程图如图3所示。它主要由原料气气瓶、原料气混合罐、原料气压缩机、原料气缓冲罐及计量仪表五部分组成。通过配气系统可以配制特定组分的原料气，进行不同原料气气质条件下的实验研究。

配置原料气的方法：打开原料气气瓶与原料气混合罐之间的阀门，调节气体流量，使气体按一定比例混合。当配气快结束时，关闭原料气气瓶与原料气混合罐之间的阀门，并待气体充分混合后，打开原料气混合罐取样阀对气体进行取样。采用色谱仪分析样品气体成分，并根据分析结果调整各气瓶的流量，调整气体组>成。为满足工程实际，该配气系统除可以配置特定组分的原料气之外，还可引入天然气管线，进行对原料气组分要求不高的特定工况下的实验研究，节约成本。

图3 配气系统示意图

2.4 撬装化设计

撬装化是指将各个功能组件集成在由角钢或工字钢制成的底座上，形成一个整体式集合，可以使用起重设备等进行灵活移动、就位，并可采用管线与系统上其他设备进行连接使用的一种方式[15]。撬装化设计与传统设计相比,具有便于运输、安装及占地面积小等优点。在工厂组装完成的撬块运至实验场地进行管线连接后便可立即投入使用，节约了装置的建设成本，同时撬装化的设计也使工厂中大型复杂的设备小型化，节约了占地面积。

本文实验装置主要由10个撬块组成，包括主撬、原料气混合罐撬、吸收塔撬、再生塔撬、配气撬、压缩机撬、吸收剂储罐撬、冷冻机撬、仪表风撬和高空放散撬。主撬块分为两层，装置上层撬块包括再生塔顶的回流冷凝器、回流罐、吸收塔顶的净化气冷凝器、净化气分离器和尾气吸收罐。下层撬块包括富液闪蒸罐、富液过滤器、贫/富液换热器、贫液冷却器、胺液储罐、胺液循环泵、再生回流泵、原料气冷却器、气体缓冲罐、净化气冷凝器、净化气分离器、酸气冷凝器、酸气分离器、酸水回流泵。

各撬块组合形成完整的天然气净化工艺模拟实验装置。各撬块尺寸、主要设备参数如表2所示。

表2 装置撬块尺寸及主要设备参数

3 实验装置研制成果

根据天然气净化工艺装置设计规范，结合吸收塔串并联设计、原料气循环设计、配气系统设计和撬装化设计，制定了实验装置设计方案并成功研制了大型天然气净化工艺模拟实验装置。其工艺流程图见4。

图4 大型天然气净化工艺模拟实验装置流程图

本文研制的实验装置可根据工程实际进行操作参数调节。采用该装置进行实验时，可调节的工况范围为：气体处理量0～100 m3/h、吸收剂循环流量0～0.5 m3/h、吸收压力0～5 MPa、再生温度0～130 ℃。

在实践教学方面，本科生可通过该装置进行天然气净化工艺、流体机械设备等内容的认识实习、生产实习等。主要实习内容包括熟练掌握天然气净化工艺流程，了解自动控制系统，阀门、仪表及压缩机等流体机械设备等，同时，该装置可为本科生参加科技创新竞赛等提供技术支持，激发学生的积极性和创新意识，提高实践能力，真正做到学以致用。研究生可通过该装置进行天然气净化相关知识的实验研究，包括吸收剂筛选、工艺操作参数优化等，提高研究生的科研能力。同时，该装置还可用于承担国家及企业与天然气净化相关的科研项目，例如吸收剂筛选及高效塔器性能研究等，科研成果可用于工程实际。

4 结 语

在经典天然气净化工艺基础上进行优化改造，增加了吸收塔串并联、原料气循环、配气系统和撬装化设计，研制了一种大型天然气净化工艺模拟实验装置。该装置既可满足本科生实践教学的需要，又可满足研究生进行气体净化效果分析、设备操作参数优选、吸收剂配方优选等科研需要。该实验装置与国内外针对天然气净化中吸收剂性能及配方优选等实验研究常用的小型反应釜装置相比，研究结果更贴近工程实际；与传统的模拟工程实际的常规净化装置相比，研究范围宽、操作工况多，具有独创性和灵活性，属国内首例用于实验室的大型天然气净化工艺模拟实验装置。该装置的研制对提高本科生实践教学、研究生科研和承担国家及企业科研项目的研究等都具有重要意义。

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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

国家863计划项目(2013AA09A216)；山东省研究生教育创新计划项目(SDYY12161)；中国石油大学(华东)教学改革项目(JY-B201219)；中国石油大学(华东)教学改革项目(SY-B201208)资助

唐建峰(1973-)，男，山东邹平人，博士，副教授，主要从事天然气预处理、LNG关键技术等研究工作。

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

TE 644

A

1006-7167(2015)01-0063-04