西南石油大学本科毕业设计
硫磺是一种重要的基础化工原料，在国防、农业、化工、轻工、冶金、建材、医药等众多领域起着至关重要的作用，回收天然气中的硫资源起到了变废为宝的作用。随着石油、天然气勘探开发逐步向复杂、高风险油气藏等领域发展，一批含硫、高含硫气田相继投入开发(如罗家寨、渡口河、普光等气田)，一批新的天然气净化处理厂将应运而生。目前对天然气脱硫装置设计一般采用经验设计方法，该方法在给定工艺指标的前提下，由个人经验与手工查图相结合的办法，手算出脱硫装置中各设备的参数。[2]该方法不仅设计技术手段落后;对设计者本身的素质要求较高;没有考虑到技术经济指标，不符合成本最低的要求，不能完全贯彻“安全、效益并重”的现代企业管理思想;而且采用该方法设计出的天然气脱硫装置往往存在系统运行不协调、不经济的问题。因此天然气脱硫装置优化设计是当前迫切需要解决的问题。目前国内外研究大都停留在对单个设备的模拟和优化上，而对整个脱硫装置系统的优化设计研究相对较少。因此，本文将模拟与优化技术引入到天然气脱硫装置设计过程中，对提高脱硫装置整体运行效果、降低天然气处理系统的运行成本具有一定的指导作用。同时本文的研究对降低管道、设备、仪表的腐蚀:减少大气污染;增强下游行业的天然气深加工能力;保证人民的生命财产安全;提高天然气相关行业的整体经济、节约能源、社会效益，都具有重要的现实意义。
1.3我国商品天然气技术标准
表1.1 商品天然气的技术标准 （GB 17820-1999）
项 目
高位发热量MJ/m3 总硫mg/ m3 H2S mg/ m3 二氧化碳 %(v) 水露点℃
≤100 ≤6
≤3.0
一 类
二 类 ＞3.14 ≤200 ≤20
≤460 ≤460 － 三 类
在天然气交接点的压力和温度条件下，天然气的水露点应比
最低温度低50℃。
1.4设计依据
该工艺是依据西南石油大学化学化工学院毕业设计任务书，按照化学工业部1988年6月发布的“化工工厂初步设计内容深度的规定”进行设计的。
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100×10m/d天然气脱硫脱水工艺设计
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1.5设计指导思想
1.适应化工生产的特点，搞好配套专业设计，特别是要加强节能、环保、安全、消防及工业卫生和劳动保护方面的配套设计。
2.遵照市场经济的规律，参考有关法规和标准，精心设计、优化设计方案，精打细算，在保证质量的前提下，力争用最少的资金，研究出最合理的优秀设计。
1.6设计内容
1.6.1脱硫部分
1.天然气脱硫工艺方案的选择 2.天然气脱硫工艺工艺参数的确定 3.天然气脱硫工艺物料、能量衡算 4.主要工艺设备结构尺寸的设计 5.天然气脱硫工艺流程图的绘图
1.6.2脱水部分
1.天然气脱水工艺方案的选择 2.天然气脱水工艺工艺参数的确定 3.天然气脱水工艺物料、能量衡算 4.主要工艺设备结构尺寸的设计 5.天然气脱水工艺流程图的绘图
1.7主要考虑因素
1.7.1外部工艺因素
如原料气的组成、压力、温度、净化气要求的净化度、压力、温度；以及由此而要求的技术条件（如再生蒸汽压力、贫液入塔温度等等）。这些因素基本上不取决于脱硫和脱水方法本身。
1.7.2脱硫和脱水方法的内部因素
如消耗指标、三废产生情况、要求的设备型式等等，以及他们与上述外部工艺因素的关系。这些方法的内部对工艺流程和设备有直接影响。
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1.7.3 经济因素
主要是投资和操作成本，也包括原材料供应情况：
尽管脱硫方法甚多，但对较大型的装置醇胺法经常是优先考虑的。这类方法技术成熟，溶剂来源方使，对上述三个方面的影响因素有很大的适应性．是天然气工业上最重要的—类方法：据有关资料介绍，今世界2000多套气体脱硫装置中，醇胺法装置占55％以上。
而在脱水过程中，三甘醇（TEG）脱水的工艺性质为连续性吸收再生，露点降为40到60℃，能耗中等，投资也中等，且没有环境问题，所以三甘醇是种很好的脱水方法。
2 化学工艺
2.1天然气脱硫脱水工艺研究现状与进展
2.1.1脱硫现状
气体脱硫是一种古老的工艺，19世纪末英国已开始用干式氧化法从气流中脱除H2S。目前国内外己经开发出许多天然气脱硫处理工艺方法，这些方法主要分为可再生溶剂法、固定床吸附法、膜分离方法、等三大类工艺流程方法。[3]
1.可再生溶剂脱硫工艺
可再生溶剂吸收脱除H2S是目前最常用的方法。该方法通过将含有H2S的天然气与溶剂逆流接触而达到在吸收塔中将其脱除的目的。同时，吸收了H2S的富液通过热再生将其去除，然后将溶液冷却，再重新使用，从而完成整个循环过程。再生出来的酸气一般通过Cluas硫磺回收工艺将H2S转化为单质硫，而将其回收利用。常用的可再生溶剂主要有化学溶剂(胺类溶剂和热碳酸钾)、物理溶剂、混合溶剂等三大类。[4]
其中化学溶剂(主要是醇胺类)法是目前天然气脱硫工艺中使用最频繁的方法。在低操作压力下，它们比物理溶剂或混合溶剂更为适用。因为此时H2S等酸气的脱除过程主要是受化学过程控制，而较少依赖于组分的分压，而且化学溶剂对烃类的溶解度很小，不会造成大的烃损失。清除小规模的低于15-20吨硫化氢，氧化还原法或胺溶解法已被证明是一个很合适的方法。在脱除过程中，必须把固体硫转换成硫化氢，以硫在胺溶剂中改良为克劳斯回收法，可用于如净化厂中的所有克劳斯回收法回收的硫化氢。这个可以表明胺溶液相比氧化还原反应是便宜的。对于高容量的情况，所需要的硫容量是高于20的TPD ，所以胺溶液法加克劳斯硫磺回收法仍旧是最符合经济效益的选择。[5]
目前工业中常用的溶剂脱硫方法对比情况如表2.1[6]所示:
表2.1溶剂脱硫方法对比
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100×10m/d天然气脱硫脱水工艺设计
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脱硫方法 化学溶剂 物理溶剂 氨液浓度%( m) 酸气负荷mol/mol 脱有机硫效率，% 选择脱硫能力 溶解烃量 再生易难程度 腐蚀性 国外装置数，套
MDEA MDEA — 20～50 0.4～0.7 差 有 少 易 弱 ＞50
Sulfinol-D DIPA 环丁砜 30～50 ＞0.5 80～95 无 较多 较易 较弱 ＞140
Sulfinol-D MDEA 环丁砜 30～50 ＞0.5 80～95 有 较多 较易 较弱 ＞140
MEA MEA — 15～25 0.3～0.5 差 无 少 难 强 几百套
MEA MEA — 30～40 ＞0.5 差 无 少 较难 较强 ＞65
2. Sulfinol法工艺
砜胺法净化天然气的工艺流程与醇胺法相同，差别仅仅是使用的吸收溶液不同。砜胺法采用的溶液包含有物理吸收溶剂和化学吸收溶剂，物理吸收溶剂是环丁砜。化学吸收溶剂可以用任何一种醇胺化合物，但常用的是二异丙醇胺(DIPA)和甲基二乙醇胺(MDEA) 。砜胺法溶液的酸气负荷几乎正比于气相中酸气分压。因此，处理高酸气分压的气体时，砜胺法比化学吸收法有较高的酸气负荷。因为砜胺溶液中含有醇胺类化合物，因此净化气中酸气含量低，较易达到管输要求的气质标准。由于砜胺法兼有物理吸收法和化学吸收法二者的优点，因而自1964年工业化以来发展很快，现在已成为天然气脱硫的重要方法之一。但是该方法不能深度脱硫，常用于硫的粗脱，与其它方法配合使用。
3.膜分离技术
膜分离技术适合处理原料气流量较低、含酸气浓度较高的天然气，对原料气流量或酸气浓度发生变化的情况也同样适用，但不能作为获取高纯度气体的处理方法。对原料气流量大、酸气含量低的天然气不适合，而且过多水分与酸气同时存在会对膜的性能产生不利影响。目前，国外膜分离技术处理天然气主要是除去其中的CO2，分离H2S的应用相对较少，而且处理的H2S浓度一般也较低，多数应用的处理流量不大，有些仅用于边远地区的单口气井。但膜分离技术作为一种脱除大量酸气的处理工艺，或者与传统工艺混合使用，
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则为含高浓度酸气的天然气处理提供了一种可行的方法。国外在此方面已作了许多有益的尝试。尤其是对一些高含量H2S天然气的处理，获得了满意效果。
2.1.2脱水现状
天然气脱水在原理上讲有四种方式：直接冷却、压缩以后冷却、吸收和吸附，在工艺上主要有：液体脱水剂(甘醇)法、固体脱水剂(分子剂、铅土、硅胶)及氯化钙法。
1. IFPEX一1脱水工艺
法国石油科学院开发的IFPEXOL工艺是气体加工领域的一项新工艺，其突出的优点是其经济性及对环境的安全性。IF—PEXOL的基础是在低温下使用单一的甲醇溶剂，其技术原理则是利用天然气凝液回收中的气体冷却来同时完成脱水和酸气脱除中的溶剂处理。IFPIEXOL工艺分两部分，其中IFPEX—l用于脱水，其工艺过程是：气体进料向上通过一座接触塔，在塔内与来自冷却分离器并向下流动的含水溶剂逆流接触，上升的原料气从水中完全提出。由于该工艺不蒸发气体，因而可减少芳烃的排放。IFPEX—1工艺的操作费用低。能量费用占操作费用的大部分。常用的三甘醇法需要一台大的输送高热物料泵和再生装置，耗能较多。而IFPIEX—1工艺不需要耗热只要用一定的电量驱动一台小低压泵。若以每千瓦小时的电费为0．05美元及每百万大卡需要耗燃料费12美元计算，与三甘醇法相比较，IFPIEX—l每年可节约10万美元的操作费用。
2.三甘醇工艺
目前天然气脱水中应用最多的是三甘醇工艺。在新概念的指导下，这项脱水工艺又有所发展。研究表明，结构填料在压力为6．89MPa或更大时进行天然气脱水表现出极佳的效果。ARCO油气公司证实，在采用三甘醇脱水相同的工艺条件下，结构填料能够将塔的规模减小，容器重量减少，内部零件减少，费用降低。目前已进行了两种类型的结构填料测试。结构填料提供了更大的吸收率、更高的处理量及较低的压降。
甘醇脱水工艺的另一项改进技术是使用异辛烷、甲苯等作为共沸剂的的Drizo法，其三甘醇贫液浓度可达99．998％，干气露点可达—73℃，无气体排放。美国Proses公司拥有的这项Proses技术，气体处理越大，成本越低，世界上许多国家正在推广这项技术。
3.分子筛
分子筛能脱除天然气中的水、硫化物和其他杂质，也可用于酸性天然气的干燥。目前许多天然气田都使用分子筛干燥气体。分子筛能将水脱除很低的水平。在分子筛干燥气体时，同时吸附了硫化氢，但需注意，在有CO2存在时，H2S可能被催化反应为碳基硫。
特殊的抗酸性分子筛的使用寿命长，能保持其脱水能力。分子筛用于气体干燥不需要甘醇脱水那样的预冷却。随着天然气价格的上涨，许多酸性气田要投入开发，已考虑选择
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