[科普中国]-天然气脱水

自井口流出的天然气几乎都为气相水所饱和，甚至会携带一定量的液态水。天然气中水分的存在往往会造成严重的后果，例如含有CO2和H2S的天然气在有水存在的情况下形成酸而腐蚀管路和设备；在一定条件下形成天然气水合物而堵塞阀门、管道和设备；降低管道输送能力，造成不必要的动力消耗。水分在天然气的存在是非常不利的事，因此天然气脱水非常必要。

天然气脱水原因若天然气中含有水分，则在液化装置中，水在低于零度时，将以冰或霜的形式冻结在换热器的表面和节流阀的工作部分。另外，天然气和水会形成天然气水合物，它是半稳定的固态化合物，可以在零度以上形成，它不仅可以导致管线堵塞，也可造成喷嘴和分离设备的堵塞。水合物形成温度的影响因素主要有以下三个方面：(1)混合物中重烃特别是异丁烷的含量；(2)混合物的组分，即使密度相同而组分不同，气体混合物形成水合物的温度也大不相同；(3)压力越高，生成水合物的起始温度也越高。

为了避免天然气中由于水的存在造成堵塞现象，通常需在高于水合物形成温度时就将原料气中的游离水脱除，使其露点达到-100℃以下。常用的天然气脱水方法有冷却法吸收法和吸附法等。天然气脱水的必要性如下：

(1)水的析出将降低输气量，增加动力消耗；

(2)水的存在将加速H2S或CO，对管线和设备的腐蚀；

(3)导致生成水合物，使管线和设备堵塞。

因上述三方面原因，有必要对天然气进行脱水处理。天然气脱水方法有冷却脱水、吸收脱水、吸附脱水、膜分离技术脱水。1

冷却脱水冷却脱水是利用当压力不变时，天然气的含水量随温度降低而减少的原理实现天然气脱水。此方法只适用于大量水分的粗分离。对于增加气体的压力和降低气体的温度，都会促使气体的液化。对于天然气这种多组分的混合物，各组分部分的液化温度都不同，其中水和重烃是较易液化的两种物质。所以采用加压和降温措施，可促使天然气中的水分冷凝析出。天然气中的露点随气体中水分降低而下降。脱水的目的就是使天然气中水的露点足够低，从而防止低温下水冷凝、冻结及水合物的形成。

对于井口压力很高的气体，可直接利用井口的压力,对气体进行节流降压到管输气的压力。根据焦耳--汤姆孙的效应，在降压过程中，天然气的温度也会相应降低，若天然气中水的含量很高，露点在节流后的温度以上，则节流后就会有水析出，从而达到脱水的目的。

对于压力比较低的天然气，可采用制冷方式进行冷却脱水。首先对天然气进行压缩,使天然气达到高温高压、经水冷却器冷却再经节流元件进行节流,从而使温度降至天然气中水的露点以下，则水从天然气中析出，实现脱水。若冷却脱水过程达不到作为液化厂原料气中水露点的要求，则还应采用其他方法对天然气进行进一步的脱水。通常用冷却脱水法脱除水分的过程中还会脱除部分重烃。1

吸收脱水吸收脱水是用吸湿性液体(或活性固体)吸收的方法脱除气流中的水蒸气。用作脱水吸收剂的物质应具有以下特点：对天然气有很强的脱水能力，热稳定性好，脱水时不发生化学反应，容易再生，黏度小，对天然气和液烃的溶解度较低，起泡和乳化倾向小，对设备无腐蚀性，同时还应价格低廉，容易得到。

甘油是最先用来干燥燃料气体的液体之一。下面分析几种常用醇类脱水吸收剂的优缺点。

(1)甘醇胺溶液

优点：可同时脱水、H2S和CO2，甘醇能降低醇胺溶液起泡倾向。

缺点：携带损失量较大三甘醇水溶液，需要较高的再生温度，易产生严重腐蚀，露点降小于三甘醇脱水装置，仅限于酸性天然气脱水。

(2)二甘醇水溶液

优点：浓溶液不会凝固；天然气中含有硫、氧和CO2时，在一般操作温度下，溶液性能稳定，具有较高的吸湿性。

缺点：携带损失比三甘醇水溶液大；溶剂容易再生，但用一般方法再生的二甘醇水溶液的体积分数不超过95%；露点降小于三甘醇溶液，当贫液的质量分数为95%~96%时，露点降约为28% ，投资高。

(3)三甘醇水溶液

优点：浓溶液不会凝固；天然气中含有硫氧和CO2时，在一般操作温度下，溶液性能稳定，具有较高的吸湿性；容易再生，用一般再生方法可得到体积分数为98.7%的三甘醇水溶液；蒸气压低，携带损失量小，露点降大，三甘醇的质量分数为98%~99%时,露点降可达33~42℃。

缺点：投资高；当有轻质烃液体存在时，会有一定程度的起泡倾向，有时需要加人消泡剂。三甘醇脱水由于露点降大和运行可靠，在各种甘醇类化合物中其经济效果最好，因而国外广为采用。我国主要使用二甘醇或三甘醇，在三甘醇脱水吸收剂和固体脱水吸附剂两者脱水都能满足露点降的要求时，采用三甘醇脱水经济效应更好。湿原料气经粗分离器脱水后，进入吸收塔，被甘醇贫液将水吸收脱除，从塔顶排出干燥气体，经过雾沫分离器后，送人进一步脱水。塔底的甘醇富液经换热器吸热后，经闪蒸罐和过滤器，进人再生塔加热脱水后，用甘醇泵输送至吸收塔顶循环使用。利用此法需注意防止甘醇分解，当再生温度超过204℃及系统中有氧气或液态烃存在时，都会降低甘醇的pH值，促使甘醇分解。因此，需要定期检查甘醇的pH值，要控制pH值大于7。在有条件时将甘醇用氮保护，以防止氧化。甘醇法适用于大型天然气液化装置中脱除原料气所含有的大部分水分。与采用固体吸附剂脱水的吸附塔比较，甘醇吸收塔的优点为：

1)一次投资比较低，压降小，可节省动力；

2)可连续运行；

3)容易扩建；

4)塔易重新装配；

5)可方便地应用于某些固体吸附剂易受污染的场合。1

吸附脱水“吸附”一词的意思是气体在自由表面上的凝聚。国际上对吸附的严格定义为：一个或多各组分在界面上的富集(正吸附或简单吸附)或损耗(负吸附)。其机理是在两相界面上，由于异相分子间作用力不同于主体分子间作用力，使相界面上流体的分子密度异于主体密度而发生吸附。

(1)吸附脱水的优缺点

与液体吸附脱水的方法比较，吸附脱水能够提供非常低的露点，对气温，流速、压力等变化不敏感，相比之下，无腐蚀、形成泡沫等问题，适合于对于少量气体的廉价脱水过程。它的主要缺陷是基本建设投资大，一般情况下压力降较高，吸附剂易于中毒或碎裂，再生时需要的热量较多。由此可见，吸附脱水一般适用于小流量气体的脱水，对于大流量高压气体的脱水，如要求的露点降仅为22~28℃，则采用甘醇吸收脱水较经济，如要求的露点降为28~44℃，则甘醇法和吸附法均可考虑，可参照其他影响因索确定；如要求的露点降高于44℃，一般情况下应考虑吸附脱水，至少也应采用甘醇吸收脱水，再串接吸附脱水。在某些情况下，特别是在气体流量、温度、压力变化频繁的情况下，由于吸附脱水适应性好，操作灵活，而且，可保证脱水后的气体中无液体，所以成本虽高，仍采用吸附脱水。

(2)吸附脱水原理、吸附类型和操作方式

1、基本原理：吸附是用多孔性的固体吸附剂处理气体混合物，使其中一种或多种组分吸附于固体表面，其他的不吸附，从而达到分离操作。水是一种强极性分，分子直径很小。不同的多孔性固体的孔径是不同的，孔径较大的，都可以吸附水。吸附能力的大小与多种因素有关，主要是固体的表面力。

2、吸附类型：根据表面力的性质可将吸附分为两大类型，即物理吸附和化学吸附。

1)物理吸附

物理吸附是指流体中被吸附的分子与吸附剂表面分子间为分子间吸引力所造成，其吸附速度快，吸附过程类似于气体凝聚过程。当气体压力降低或系统温度升高时，被吸附的气体可以容易地从固体表面逸出，而不改变气体原来的性质，这种现象称为脱附。吸附和脱附为可逆过程,工业上利用这种可逆性，借以改变操作条件，使吸附的物质脱附，达到使吸附剂再生，回收或分离吸附质的目的。

2)化学吸附

化学吸附类似于化学反应。吸附时，吸附剂表面的未饱和化学键与吸附质之间发生电子的转移及重新分布，在吸附剂的表面形成一个单分子层的表面化合物。吸附中将产生吸附热。

化学吸附具有选择性,它仅发生在吸附剂表面，且吸附速度较慢,是不可逆的过程，要很高的温度才能把吸附分子释放出来，并且释放出来的气体常已发生化学变化，不复星原有的性质。为了提高化学吸附的速度，常常采用升高温度的办法。

3、吸附的操作方式

吸附剂与吸附物互相接触的操作(气-固吸附)一般可分为三种方式。

(1)间歇操作：将气体与吸附剂同时置于一容器内，使之充分接触而进行吸附，然后将吸附和气体分离。这种吸附操作主要用于实验室或小规模工业生产中。

(2)半连续操作：使被处理的气体通过固定的床层进行吸附，经过一定的时间后，停止进料，然后进行再生(解吸) ，再生后重新进行吸附，依此循环。

(3)连续操作：将吸附剂和气体连续地逆流或并流送人吸附器，使之互相接触而进行吸附，处理后的气体和吸附剂连续流出设备。连续操作的设备效率高，但设备结构复杂，因此在天然气脱水装置大多采用半连续操作，即固定床吸附。1

膜分离技术脱水天然气膜分离技术是利用特殊设计和制备的高分子气体分离膜对天然气中酸性组分的优先选择渗透性，当原料天然气流经膜表面时，其酸性组分(如H2O、CO2和少量H2S)优先透过分离膜而被脱除掉。它具有以下技术特点：

(1)利用天然气自身压力作为净化的推动力，几乎无压力损失；

(2)无试剂加人，属“干法”净化，净化过程中无额外材料消耗，无须再生，无二次污染；

(3)工艺相容性强，具有同时脱除性；

(4)工艺简单，组装方便；易操作，易橇装；

(5)技术单元使用灵活；

(6)占地面积小。与其他几种脱水方法相比占地面积小，运转维修方便，所能达到的脱水露点范围较宽。另外，膜法脱水装置规模主要由膜组件的数量决定，装置规模较为灵活，因此，天然气膜法脱水不仅适用于净化厂集中脱水和集气站小站脱水，同时也能够灵活方便地应用于边远井站单井脱水。将避免单井至脱硫厂输送含硫天然气管道腐蚀严重爆管事故发生，管道积水产生的管输效率低等影响正常、安全生产的问题。1

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所