天然气加工工程习题指导与训练.doc

1、 1 2. 天然气加工工程 习题、指导与训练 要求： 考核范围： 系统掌握利用教材、讲义核心内容； 注重训练： 独立完成和理解本作业与训练 -1， 注重理解， 提高解决实际问题的能力 ； 公平竞争 ： 考核结果取决于你自己 的努力； 教师 关注：考核质量和及格率两大问题！ F = A*30% + B*70% + C* 0%） 作业与训练 -1 一、基本概念和原理 1-1 天然气中的烃类主要包括三种： 烷烃 、 环烷 烃 和 芳烃 ，基本不含 烯烃及炔烃 。 1-2 气田气 的重烃含量一般较低，多数不超过 10%， 油田伴生气 的重烃含量相 对较高， 凝析气田气居中。 【排序】 2【非烃气体】

2、气田气中常见的非烃气有 含硫物质 、 含氧物质 及 其 它 气体 。 A) 含硫物质 ： 无机硫化合物 （ H2S）和 有机硫化合物 （ 硫醇 (RSH)、硫醚 (RSR)、二硫醚 (RSSR)、羰基硫 (COS)、二硫化碳 (CS2)、噻吩 (C4H4S)等。 B） 含氧物质 : 包括 CO2、 CO(极少 )、 H2O(g)。 C) 其 它 气体 : N2、 H2、 Hg 蒸气及 He 等惰性气体，其中 He 是宝贵 的惰性气体 资源 。 3 天然气分类 （ 1）按照矿藏特点分类 天然气按矿藏特点不同可分为 （ 1） 纯气田天 然气 、 （ 2） 凝析气田天然气 和 （ 3） 油田伴生气

3、。 （ 2）按天然气烃类组成分类： 【 干气 】 ：基方井口流出物中 C5 以上重烃液体含量低于 10cm3。 【 湿气 】 ：基方井口流出物中 C5 以上重烃液体含量高于 10cm3。 【 贫气 】 ：基方井口流出物中 C3 以上烃类液体含量低于 100cm3。 【 富气 】 ：基方井口流出物中 C3 以上烃类液体含量高于 100cm3。 （ 3） 按酸气含量分类 按酸气含量的多少，天然气可分为 酸性气 和洁气 ， 其中 H2S 含量 20mg/m3 称为酸性气 4 气体状态方程 1）理想气体状态方 程： pV = nRT 2）范德华气体状态方程： RTbVVap mm )( 23）实际气体

4、压缩因子： nRTpVRTpVZ m Z = 1 理想气体； Z 1 可压缩性小； Z (液态水 ) (B) CH46 H2O 或 C2H67 H2O， (液态水 ) 3 (D) M(6-7)H2O, M = CH4, C2H6 等 , (液烃 ) 醇胺法 物理溶剂法 ; (B) 醇胺法 砜胺法 物理溶剂法 ; (C) 物理溶剂法 砜胺法 醇胺法 ; (D) 不确定 11. 天然气中仅有 CO2 酸性组分时，天然气净化主要任务是脱碳，适合此工况的 方法是（ ） (A) 使用冷甲醇、碳酸丙烯酯等物理吸收法 （脱碳） (B) 热碱钾法（ 选择性 脱 硫 ） (C) 砜胺法 （同时脱硫脱碳） (D)

5、 活化 MDEA 法或膜分离法 （天然气脱碳） 12. 工业上 天然气 脱水 的常用 吸收溶剂 是 （ ） （ A） 三甘醇 (TEG) （ B） 分子筛 （ C）活性铝土矿或活性氧化铝 （ D）硅胶 13. 适合于天然气深度脱水的 吸收剂 是 （ ） （ A） 三甘醇 (TEG) （ B） 分子筛 （露点降最大） （ C） 活性铝土矿或活性氧化铝 （ D） 硅胶 14. 克劳斯法 硫回收化学原理主要包括以下两个反应： (1) 2H2S + 3O2 2H2O + 2SO2 ， CH4 + O2 2H 2O (2) 3H2S + 3/2SO2 3H 2O + 3/xSx x = 2-10， H0

6、298 = 47.45 kJ/mol 其中对反应（ 2）的描述正确的是 （ ） (A) 在 所有 操作 温度 下 ， 反应（ 2） H0(T) 0； (B) 在所有操作温度下， 反应（ 2） H0(T) 627 时 ， H0(T) 0 ； (D) 在催化转化区 ， 当反应温度高于硫露点 30 时， H2S 可近于 100%转化。 15. 一般要求灌输天然气 H2S 含量和 CO2 体积分数分别低于 （ ） （ A） H2S： 10 g/m3、 CO2： 1 % (B) H2S： 50 g /m3、 CO2： 78 % （ C） H2S： 20 mg/m3、 CO2： 3 % （ D） H2S：

7、 1.0 mg/m3、 CO2： 3 % 16. 作为化工原料的天然气，一般要求 H2S 含量低于 （ ） （ A） H2S： 10 g/m3 (B) H2S： 20 g /m3（ C） H2S： 1 mg/m3 （ D） H2S： 2 mg/m3 17. 在天然气脱酸气过程中， 基本不为 COS 及 CS2 所降解 醇胺溶液为 （ ） （ A）一乙醇胺 (MEA) (B) 二乙醇胺 (DEA) （ C） 二异丙醇胺 (DIPA) （ D）甲基二乙醇胺 (MDEA) 18. 在天然气脱酸气过程中，最容易 与 COS 及 CS2 发生不可逆降解 的醇胺溶液为 （ ） （ A）一乙醇胺 (MEA)

8、 (B) 二乙醇胺 (DEA) （ C） 二异丙醇胺 (DIPA) （ D）二甘醇胺 (DGA) 19 在天然气脱酸气过程中， 基本不为 CO2 所降解醇胺溶液为 （ ） （ A）一乙醇胺 (MEA) (B) 二乙醇胺 (DEA) （ C） 二异丙醇胺 (DIPA) （ D）甲基二乙醇胺 (MDEA) 5 20. 在天然气脱酸气过程中，导致 甲基二乙醇胺 水 溶液变质的主要因素是 （ ） （ A） COS、 CS2 发生水 解 反应； （ B） CO2 所致的醇胺降解反应； （ C） 甲基二乙醇胺 氧化降解； （ D） 酸性杂质与 甲基二乙醇胺 形成热稳定盐 21.酸气 吸收塔 和 再生塔 是

9、最容易发泡的部位， 下列陈述不 是 导致 吸收 液发泡 的 因素 为 （ ） （ A）活性炭粉化； （ B）设备腐蚀产生的 固体颗粒 （ C）氧进入系统引起吸收液降解； （ D）溶液再生不合格而雾漠夹带严重 22. 深冷分离温度为： ( ) (A) 20 35 ; (B) 35 40 ; (C) 40 45 ; (C) 40 100 23. 加拿大 Delta 公司研发的温 克劳斯 (MCRC)工艺，其特点是 ： ( )。 (A) 吸附 液态硫的 催化剂 在 硫露点以下再生 ； (B) 最后一级或两级转化温度在 硫露点与凝固点之间； (C) 最后一级转化 器 温度降至凝固点以下； (D) 硫回

10、收率达到 99.5%以上 ； 24. 以下均是对 超级克劳斯硫磺回收工艺特征的描述，其中不正确的是： ( ) (A) 空气和酸气比例控制范围增大； (B) 设有预加氢装置，提高了有机硫转化能力 ； (C) 在 第三级 选择性氧化 转化器中 H2S 直接生产 S 单质 ； (D) 硫回收率 大于 99.5%，严格 满足环保要求 ； 25.卡诺 热机 逆循环构成 ： (A) 理想的热机； (B) 热效率最高 ； (C) 理想的冷冻机 ； (D) 实际冷冻机 26. 热分离机工作过程包括： ( ) (A) 系统获得热量，所以系统气体温度升高； (B) 从系统移除热量，所以系统气体温度降低； (C)

11、对外做功，所以系统气体温度降低； (D) 系统 因 节流膨胀和移除热量而降低温度 。 27. 斯科特法尾气处理工艺包括还原、吸收两个工段 , 错误操作描述为： ( ) (A) 用 H2+CO 气体还原 SO2，并使 得 COS 和 CS2 催化水解；（ 提示：残留的 S 单子也被还原 ） (B) 以 H2S 形式回收克劳斯尾气中的硫物种，但并不直接生产硫磺； (C) 用甲基二乙醇胺 (MDEA)液吸收 (H2S)； (D) 解吸 H2S 返回克劳斯工艺 ， 而 吸收塔顶气可灼烧排空。 28. 斯科特法尾气处理工艺包括还原、吸收两个工段 , 错误操作描述为： ( ) (A) 用 H2+CO 气体

12、还原 SO2 和 S 单子； (B) 使得 COS 和 CS2 催化水解； (C) 用甲基二乙醇胺 (MDEA)液吸收 (H2S)； (D) 回收的 H2S 经选择性氧化直接生产 硫磺 。 （ 提示：回收 H2S 只能返回克劳斯硫回收装置 ） 29. 斯科特法尾气处理工艺还原段催化剂：（ ） (A) 天然气铝矾土或活性 Al2O3； (B) TiO2-SiO2 (C) ZnO2 ； (D) CoO-MoO3/Al2O3 （ 提示 ： 对不同硫物种具有催化还原活性 ） 30. 在超级克劳斯 硫回收催化剂的失活原因中，描述不正确的是 （ ） (A) 老化 (B) 硫沉积和炭沉积 (C) 硫酸盐化

13、(D) COS、 CS2 中毒 （ 提示 ： CoO-MoO3/Al2O3 催化 COS、 CS2 还原 和 水解 ） 31. 对于 油吸收法 NGL 回收方工艺 的描述，其中不正确的是 （ ） (A) 常温油吸收一般在 30 操作，回收 C3 为主要目的； (B) 中温油吸收一般在 20 以上， 回收 C3 为目的 ； 6 (C) 低温油吸收一般在 40 左右， 回收 C2C3 烃为目的 。 (D) 富吸收油进入富油稳定塔，脱出 C2 烃类。 32. 根据冷冻系数定义 Q1/AL= Q1/(Q2 Q1)，对真实冷冻机制冷量 表达不 正确的是： (A) Q1; (B) AL； (C) (Q1-

14、 Q2)； (D) T1(Q2-Q1)/T2-T1 33. 根据冷冻系数定义 Q1/AL= Q1/( Q2 Q1)，对真实冷冻机制冷量的正确表达是： (A) Q2; (B) Q2T1/T2； (C) (Q1- Q2)； (E) T1(Q2-Q1)/T2-T1 34. 天然气通过气嘴等节流部件后，气体温度降 （ ） (A) 降低 (B) 升高 (C) 不变 (D) 无任何变化规律 35. 天然气的节流过程是一个 （ ）过程 (A) 可逆 (B) 不可逆 (C) 等温 (D) 近似绝热 36. 天然气的偏差系数又称压缩因子 （ Z） ，是指 （ ） (A) 在相同温度、压力下，真 实 气体 的 体

15、积与 理想气体的体积之比值 (B) 在相同温度、压力下，真实气体的体积与相同量理想气体的体积之比值 (C) 在相同温度、压力下，理想气体的体积与相同量真实气体的体积之比值 (D) PVm/RT 1 37. 天然气的相对压力 pr0 时；压缩因子（ Z） (A) Z 0 ( B) Z 1.0 (C) Z 1; (D) Z 0.2 38. 采用 MEA 的醇胺脱硫过程， 与 酸气负荷 有关的是 （ ） (A) 贫液中 MEA 与 H2S 摩尔数之比 ； (B) 富液中 MEA 与 H2S 摩尔数之比； (C) 贫液中 MEA 与酸气（ H2S + CO2）摩尔数之比； (D) 富液中 MEA 与酸

16、气（ H2S + CO2）摩尔数之比 39. 吸收液 酸气残余量是指 （ ） (A) 净化气中的酸气浓度； (B) 富液中的酸气浓度 (C) 贫液中的酸气浓度； (D) 再生塔出口气中的酸气浓度 40. 在 MEA 醇胺脱硫过程中与 净酸气负荷 有关的是 （ ） (A) 富液与 贫液中的酸气浓度之差； (B) 贫液与富液中的酸气浓度之差； (C) 原料气与净化气的酸气浓度之差； (D) 富液与贫液中的 n (H2S + CO2)/ n (MEA) 之差 41. 对已知浓度的醇胺吸收液， 酸气负荷与吸收液循环量的关系（ ） (A) 酸气负荷越高，则 吸收液循环量越小 ； (B) 酸气负荷越高，则

17、吸收液循环量越大； (C) 酸气负荷与吸收液循环量成正比 ； (D) 酸气负荷与吸收液循环量无关 42. 酸气负荷与净化 天然 气 中 H2S 含量 的关系（ ） (A) 酸气负荷越高， H2S 含量 越小； (B) 酸气负荷越高， H2S 含量 越大； (C) 酸气负荷与 H2S 含量 成正比； (D)酸气负荷与 H2S 含量 无关 43. 天然气水露点与露点降的关系（ ） (A) 露点越高，则露点降越大； (B) 露点越低，则露点降越大； (C) 露点降越大，则露点越低； (D) 露点与露点降无关 【 C 提示：工业上，计算露点降的起始温度以井口环境温度为继基准。】 44. 可获得最大露点

18、降的方法是 （ ） (A) 低温脱水； (B) 溶剂吸收法； (C) 固体分子筛 吸附法； (D) 不确定 45. 天然气脱硫装置上， 吸收塔的实际塔板数 （ ） 7 超临界相5687超临界相(A) 实际塔板数比理论塔板数多快 ； (B) 实际塔板数在理论塔板数倍以上 ； (C) 理论塔板数等于实际塔板数 【提示： 为了 克服发泡， 还需要考虑 设置洗涤塔板。 】 4 . 传统克劳斯硫回收二级转化器的温度控制在（ ） (A) 350 以上； (B) 204260 ； (C)180200 （）亚硫露点温度 4 . 低温克劳斯硫回收 末级 转化器的温度控制在（ ） (A) 350 以上； (B)

19、204260 ； (C)180200 （ ）亚硫露点温度 48. NGL 回收中，浅冷工艺用于回收 （ ） (A) C +为主要目的； (B) C3+为主要目的； (C) 天然气凝析液 ； （ ） 液化天然气 (LNG) 49. 常压下 甲烷液化温度 （ ） （ A） - 162 ； （ B） - 196 ； （ C） 269 50. 斯科特法 将回收的 H2S（ ） （ A） 直接氧化成硫单质；（ B）送回克劳斯装置； （ C）催化灼烧 三 、 简答 或 阐述 (一 ) 简答 1. 【实验设计】 碘量法是经 典的含硫物测定方法，属还原法。 1） 【实验原理】 碘量法测定天然气中含硫化合物的原

20、理 原理是让硫化物高温催化加氢还原成 H2S，用 Zn(Ac)2 溶液吸收 H2S，生成 ZnS 沉淀，加碘液（碘过剩）反应，以淀粉作指示剂用 Na2S2O3 标准液回滴。 碘量法反应式： ZnS (s) + I2 = ZnI2 + S 隐含 Zn2+(aq) + H2S(g) = ZnS (s) + 2H+(aq) 2Na2S2O3 + I2 = 2NaI + Na2S4O6 (连四硫酸钠 ) 2）含 硫量计算： Ws =（ VF-V） N1/2 (S2O32-)Es 上式中 Ws： 含硫量（ mg）； V： 回滴时所用 Na2S2O3 标准液的体积（ ml）； VF： 空白试验所耗 Na2

21、S2O3 体积（ ml）； Es： S 分子量， N： 摩尔浓度。 3）实验步骤； 2. 利用 右 图所示反凝析现象，可以回收天然气凝析液。 试阐述： 1） 反凝析现象包括四种情况： 等压反凝析 (78); 等压反蒸发 (87) 等温反凝析 (43); 等温反蒸发 (34) 2） 等温反凝析过程与（绝热）节流膨胀过程的区别。 等温反凝析过程： 反凝析现象的运用是在天然气开采中实现。天然气开采多属等温降压过程 (43) ，当天然气从高压井口喷出时，压力下降，出现反凝析现象，得到凝析液适当控制压力 (点 3)可最大限度采出天然气凝析液。 节流膨胀过程： - 3. 描述 天然气水合物 的 结构和 形

22、成条件 。 如何 防治 管输天然气中 的天然气水合物 生成 ？ 天然气水合物也叫可燃冰，它是由非极性或弱极性气体分子与接近冰点的水接触，水分子靠氢键作用将形成有别于冰晶格的笼形晶格并将气体分子包络其中。 脱水：脱水后天然气的露点降满足管输要求； 添加抑制剂 和防聚剂 ： 8 a) 热力学抑制剂，如 NaCl， CaCl2 等无机盐电解质或醇类，如甲醇，乙二醇； b) 动力学抑制剂 ；如酪氨酸及其衍生物、 N-乙烯基吡咯烷酮 (NVP)的聚合物； c) 防聚剂，如烷基芳香族磺酸盐、烷基聚苷。 4. 什么是露点、什么是露点降？ 为什么要对管输天然气进行严格的脱酸气和脱水？ 5. 什么是 天然气 选

23、择性脱硫、选择性脱碳 ？ 6-1 吸收液酸气负荷的选择对原料气净化度和吸收液循环量的影响。 【要点】 酸气负荷与净化度成反比， 采用低酸气负荷有利于保证净化度； （ 2 分） 酸气负荷与收液循环量成反比，在保证酸气脱除质量前提下，适当提高酸气负荷，可减少循环量，境地能耗。 6-2 斯科特酸气对克劳斯装置的影响 P226 （二） 阐述 1、 用图示比较直流法与分流法工艺 1）直流法： 自行总结 2）分流法：原料酸气 1/3 进入燃烧炉，使烃类完全燃烧，H2S 全部氧化成 SO2，经废热锅炉后与另外 2/3 原料酸气混合进入催化转化器，再冷却和进入次级的催化转化。 8、 已知酸气中 H2S 含量，

24、 请 选择适合的克劳斯硫回收工艺 。 原料气中 H2S 含量 适合的克劳斯硫回收工艺 2530% 直流法 1025% 分流法 10% 硫循环法 2、 试 比较传统克劳斯和超级克劳斯工艺的异同 ，它们分别主要用于处理何种含硫气体 。 1）相同点； 吸收塔：醇胺溶液吸收 H2S；再生塔：富液再生和 H2S 解吸 。 2）不同点： 与传统克劳斯相比，超级克劳斯不同之处在于空气和酸气比例控制范围增大；而且采用了新型选择性氧化催化剂，使硫化氢直接生成硫，而非 SO2。收率达 99 99.5% （高）。 R2： SO2 完全转化； R(加氢 )：加氢转化有 机硫； R3：选择性氧化，直接生产 S 单质 (

25、无尾气处理 )。 3）传统克劳斯： 主要用于处理 含硫天然气 ；超级克劳斯更适合于含硫尾气处理。 3、 冷冻机是 天然气液化和深冷制氦气的主要设备， 下图是逆向卡诺循环 (冷冻循环 )的压容图和温熵图。 试完成如下命题： （ 1）分别叙述 P - V 图（左）四个变化过程； （ 2）在 T - S 图（右）上，标记热效应 Q1 和 Q2的对应变化过程； （ 3）给出计算制冷量 Q和冷冻机冷冻系数的数学表达式。 【参考答案】 （ 1） 12 为绝热 (等熵 )压缩； 23 为等温压缩 （ Q2） 9 34 为等熵膨 胀 41 为等温膨胀 （ Q1） ，由此四个过程完成一次循环。 （ 2） 制冷量

26、 -Q = Q1 = AL = (Q2- Q1) （ 3） 冷冻系数 Q1/AL= Q1/( Q2 Q1) 对于可逆冷冻循环 T1/(T2-T1) 4、 天然气按矿藏特点不同可分为：纯气田天然气、凝析气田天然气和油田伴生气。在加工过程中，哪些种类的天然气适合于天然气凝液 (NGL)回收？为什么？ 答：油田伴生气和凝析气田天然气因为含有较丰富的 C2 以上成分，是理想的 NGL 回收对象； 纯气田天然气由于一般甲烷含量较高， C2 以上组分含 量少，从经济性上考虑，通常不进行 NGL 回收。 由天然气中回收的液烃混合物称为天然气凝液 (NGL)，组成上覆盖 C2C6+，又称为轻烃。 5、克劳斯硫

27、回收的典型设备及功能或用途： （ 1）燃烧炉和废热锅炉； （ 2）转化器； （ 3）再热炉； （ 4）硫磺回收冷凝器。 、 、斯科特酸气对克劳斯装置的影响。 P2266 、 何谓制冷，比较膨胀机膨胀制冷和热交换机制冷的原理。 【独立完成】 、 根据 如下 单级制冷机原理示意图，阐述压缩蒸汽冷冻机工作原理 。 【参考答案】 需要精炼 (1) 压缩机 A 将具有温度 T1 的冷冻剂 蒸汽吸入，等熵压缩至冷凝器 B 的压强。由于外功 AL2 的消耗，冷冻剂的能量增加，温度由 T1 增加到 T2； 绝热压缩、消耗外功 AL2、升温到 T2 (2) 此时冷剂保持过饱和状态并在冷凝器中液化，放出冷凝热 Q

28、2,为冷却水吸收，冷凝温度不变； T2等温液化、放热 Q2 (3) 液化后的冷剂经膨胀机进行绝热膨胀，且作外功 AL1 温度由 T2 降低到 T1； 绝热膨胀、作外功AL1、降温到 T1 (4) 在蒸发器中，冷冻剂在等温与等压下汽化，自被冷物体中取出 Q1 的热量 ，当冷剂循环回 A 后，此循环即告结束。 等温等压汽化、吸热 Q1 四 、工艺流程： （ 第四 -六 章 ） 1、 总结绘制 天然气原料气预处理 和加工 单元 原则流程（ 框图 ） ，并简要说明各单元的加工目的。 1. 天然气处理 ： 1）原料气预处理单元 2）脱硫、脱碳单元：（ 1）醇胺法脱硫（吸收和再生） ；（ 2）脱碳 3）脱

29、水单元： 4） 硫磺回收与单元：（ 1）克劳斯硫回收 单元； （ 2） 硫磺成型单元（辅助） AAL 外功B, Q 2 放热C , AL 1 外功DQ 1 吸热 外功放热吸热10 5） 尾气处理单元 ： （ 1）斯科特法尾气处理； 2. 天然气 加工： 1） 天然气凝液回收 (NGL)； 2） 天然气液化 (LNG) 3）天然气提氦 2、 醇胺 法脱硫 （化学吸收法 ） 2.1 醇胺 脱硫 的 化学原理 RNH2 + H2S RNH 3+ + HS- 2RNH2 + CO2 RNH 3+ + RNHCOO - RNH2 + CO2 + H2O RNH 3+ + HCO3 - 2.2 选择性脱硫

30、 P93 【例题】已知醇胺脱硫基本流程如下图所示。试说明： 1）醇胺脱硫化学原理； 2）解释吸收塔、闪蒸罐、换热器、再生塔主要设备的作用。 2.3 醇胺脱硫基本流程 （ P91 图 4-1） （ 1） 绘制 醇胺脱硫基本流程 图 ； （ 2） 吸收塔、闪蒸罐、换热器、再生塔 主要设备 的作用 2.4 砜胺法 原理：（ P98 图 4-5） 2.5 下图为不同种类溶液酸性气体的吸附等温线。试根据图所示结果，阐述每一条等温线的物理意义，并由此推出天然气砜胺法脱硫的优点和缺点 。 1 kgf/cm2= 9.8065104Pa024681012141618200 20 40 60 80 100 120 140 160 180平衡吸收量, m3/m3H2S分压,kg/cm2(纯)水 20% MEA溶液砜胺溶液环丁砜不同种类溶液酸性气体的吸附等温线P98 图 4-5 和 P97 自行扼要总结。 3、绘制天然气 甘醇吸收脱水工艺流程图， 并 说明主要设备 的 作用。