某分子筛吸附脱水工艺标准设计再生工艺标准计算.doc

-* 重庆科技学院 《油气集输工程》 课程设计报告 学院: 石油与天然气工程学院 专业班级: 学生姓名: 学 号: 设计地点（单位） K804 设计题目: 某分子筛吸附脱水工艺设计——再生工艺计算 完成日期： 年 月 日 指导教师评语: 成绩（五级记分制）: 指导教师（签字）:________________ 摘 要 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：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，需要脱水的要求更为严格。天然气脱水的方法一般包括低温法、溶剂吸收法、固体吸附法、化学反应法和膜分离法等。低温法脱水是利用高压天然气节流膨胀降温或利用气波机膨胀降温而实现的，这种工艺适合于高压天然气；而对于低压天然气，若要使用则必须增压，从而影响了过程的经济性。溶剂吸收法和固体吸附法目前在天然气工业中应用较广泛。 本文主要研究固体吸附法脱水。固体吸附法就是利用多孔固体颗粒选择性地吸附流体中一定组分在其内外表面上，从而使流体混合物得以分离的方法。具有一定吸附能力的固体材料称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。而本文的固体吸附剂以分子筛作为探讨的对象。 分子筛具有很好的选择吸附性、在高温下吸附脱水等优点，尤其是在气体和液体进行深度脱水时特别适合。分子筛在使用过程中被气体中所含水量饱和，为了使分子筛能够继续循环使用，就有了分子筛的再生工艺过程。本文主要通过选取合适的分子筛然后计算分子筛的吸附水量，和吸附的双塔轮换过程和轮换时间，通过要脱附的水量计算出再生气的气量以及冷凝气的气量，和所需加热炉的热量，以此来探讨分子筛的再生工艺过程。 关键词：分子筛 再生工艺 再生气 冷凝气 热量 目 录 摘 要 2 1 绪论 4 1.1 国内外现状 4 1.2脱水系统吸附剂的选择 5 1.3分子筛的种类与特点 6 1.4 分子筛吸附脱水原理流程 7 1.4.1 吸附周期 8 1.4.2 再生过程 9 1.4.3 再生操作 9 1.4.4 再生加热与冷却 10 2 再生工艺计算 12 2.1物性基础 12 2.1.1天然气的基本组成 12 2.1.2工艺选择 12 2.2 在生热负荷计算 13 2.3 再生气量计算 15 2.3 冷却气量计算 16 2.4再生气空塔速度计算 17 3 总结 19 参考文献 20 1 绪论 1.1 国内外现状 天然气作为清洁优质能源，在近年来，其世界总气产量和消费量呈持续增长的趋势。从今后我国经济和社会发展看，加快天然气的开发利用，对改善能源结构，保护生态环境，提高人民生活质量，具有十分重要的战略意义。 天然气作为液化装置的燃料气，首先必须对其进行预处理。天然气预处理主要是脱除其中的有害杂质及深冷过程中可能结晶的物质，也就是天然气中的 H2S、CO2、水分、重烃和汞等杂质。天然气预处理主要目的有： ①避免低温下水与烃类组分冻结而堵塞设备和管道，降低管线的输气能力；②提高天然气的热值，满足气体质量标准； ③保证天然气在深冷条件下液化装置能正常运行； ④避免腐蚀性杂质腐蚀管道及设备。 目前国内外应用较广泛，技术较成熟的天然气脱水工艺有：低温分离、固体吸附和溶剂吸收三种方法。而固体吸附法中以分子筛脱水的应用最为广泛，技术最成熟可靠。在对国内外脱水技术调研和查阅相关文献的基础上,总结了天然气开采后的各种脱水工艺,并对其原理、工艺特点等进行了概括分析,同时也对其在国内的应用现状进行了总结,并分析运行中存在的一些问题。通过对比发现,分子筛脱水法达到的天然气露点最低,一般用于深度脱水的环境。 分子筛脱水法属于固体吸附法，吸附剂是人工合成沸石，是一种由SiO4和AlO4四面体组成的硅铝酸盐晶体。其中大量孔径均匀的微细孔道和排列整齐的空腔只允许直径比其小的分子进入，从而实现选择性吸收，工艺主要包括脱水／再生干燥器和再生加热系统。分子筛脱水法具有吸附选择性强，高效的吸附容量，使用寿命较长，不易被液态水破坏等优点。目前其主要产品都掌握在欧美等国家，如美国UOP公司的天然抗酸性分子筛AW-300、500型，可实现对HCl、H2O、NO2等酸性气体的吸收。 分子筛是一种非常适合深度脱水的干气体干燥剂，脱水后干气含水量最低可至10-6，露点可低至﹣100℃，一般常用于天然气液化前的脱水工艺中。但设备投资和操作费用昂贵是其弊端，在满足相同露点建立一座2.8105m3/d处理量的净化站，其所需的费用比TEG 法多53％，同时再生能耗大，吸附剂价格高，因此其主要用于满足获得较低露点的工艺。 1.2脱水系统吸附剂的选择 目前在天然预处理过程中，主要使用的固体吸附剂有活性氧化铝、硅胶和分子筛三大类。活性炭的脱水能力甚微，主要用于从天然气中回收液烃。活性氧化铝是一种极性吸附剂，它对多数气体和蒸汽都是稳定的，是没有毒性的坚实颗粒，浸入水或液体中不软化、溶胀或破裂，抗冲击和抗磨损的能力强。它常用于气体、油品和石油化工产品的脱水干燥。活性氧化铝干燥后的气体露点可低达–73℃。循环使用物化性能变化不大。为了防止生成胶质沉淀，活性氧化铝宜在177～316℃下再生，即床层再生气体在出口时最低温度需维持在177℃，方可恢复至原有的吸附能力，因此其再生耗热量较高。活性氧化铝吸附重烃后，再生时不易清除。活性氧化铝呈碱性，可与无机酸发生化学反应．故不宜处理酸性天然气。硅胶是一种亲水性的极性吸附剂。硅胶对极性分子和不饱和烃具有明显的选择性，因此可用于天然气脱水。硅胶的吸附性能和其它吸附剂大致相同，一般可使天然气的露点达-60℃。硅胶很容易再生，再生温度为180～200℃。虽然硅胶的脱水能力很强，但易于被水饱和，且与液态水接触很易爆裂，产生粉尘。 分子筛是一种天然或人工合成的沸石型硅铝酸盐。在分子筛的结构中有许多孔径均匀的孔道与排列整齐的孔穴。这些孔穴不仅提供了很大的比表面，而且它只允许直径比孔径小的分子进入，而比孔径大的分子则不能进入，从而使分子筛吸附分子有很强的选择性。 1.3分子筛的种类与特点 天然气脱水过程中常用的分子筛有3A、4A、10X及13X型，主要用于流体的干燥、分离和除杂等。因其具有很大的表面积和孔容量，可以吸附大量的流体，尤其对水，即使在很低的分压和浓度下，任有相当高的吸附容量。如用4A分子筛时，可以排除甲烷以外的水和其它烃类。以下表为这4类分子筛的性质。 表1.1 分子筛的性质 型号 孔径 湿容量（在175mmHg25℃）% 二氧化硅与氧化铝的比值 吸附质分子 排除的分子 应用范围 3A 3.2-3.3 20 2 直径小于3A的分子如H2O、NH3等 乙烷等直径大于3A的分子 饱和及不饱和烃脱水。甲醇、乙醇脱水 4A 4.2-4.7 22 2 直径小于4的分子，包括以上各分子及乙醇、H2O、CO2、SO2、C2H4、C2H6、C3H8 直径大于4A的分子，如丙烷等 饱和烃脱水，冷冻系统干燥剂 10X 8 28 2.5 直径小于8A的分子包括以上各分子及异构烷烃，烯烃及苯 正丁基胺及更大的分子 芳烃分离 13X 10 28.5 2.5 直径小于10A的分子，包括以上分子及二正内基胺 （C4H9）3N及更大的分子 同时脱水，CO2、H2O脱硫，脱硫醇 X型分子筛能吸附所有能被A型分子筛吸附的分子，并且具有稍高的湿容量。在天然气净化过程中，常见的几种物质分子的公称直径见表。其中，H2O、CO2和H2S分子的直径小于410-10m，烃类分子的直径均大于410-10m。 表1.2 常见的几种分子公称直径 分子 公称直径（10-10m） 分子 公称直径（10-10m） H2 2.4 CH4 4 CO2 2.8 C2H6 4.4 N2 3 C3H8 4.9 H2O 3.2 nC4～nC22 4.9 H2S 3.6 iC4～iC22 5.6 CH3OH 4.4 苯 6.7 从表1和表2可以看出，要用分子筛脱水，选择4A（或者3A）分子筛是比较合适的，因为3A分子筛的孔径为(3～3.3)10-10m，4A分子筛的孔径为(4.2～4.7)10-10m，水的公称直径为3.210-10m。4A分子筛不仅可以吸附水同时 还可以吸附CO2、H2S等杂质。在上游的脱碳装置出现短时间波动而导致天然气没有达标时,分子筛可以发挥一定的净化作用,因此本项目选择4A分子筛作为脱水吸附剂。 1.4 分子筛吸附脱水原理流程 天然气脱水的吸附设备多采用固定床吸附塔。为了保证干气的连续生产必须循环操作，要用许多个并联的吸附床。床的数量和安排形式，从两个交替的吸附塔到多个塔不等。在每个塔内，三种不同的功能或循环必须交替地起作用。这三个循环是：吸附或干燥气循环，加热或再生循环，以及冷却循环。 图1.1 分子筛吸附脱水原理流程 在吸附周期中，湿天然气要首先进入进口分离器，并在分离器内清除掉自由液体、夹带的湿气和固体颗粒。然后，湿天然气自上而下流经吸附塔。水分子在床层的顶层首先被吸收。干的烃类气体是在穿过床层而被吸收的。当吸附剂的较上层部位由水饱和时，湿气流中的水就开始置换在较低床层原来吸附的烃类。液体烃类也还被吸收一些。 1.4.1 吸附周期 在吸附器处理气量、进口湿气含水量和干气露点已经确定后，吸附的周期主要由吸附剂的装填容量和选用的实际有效的吸附容量所决定。在操作周期中应该保证有足够的再生和冷却时间，使分子筛中的水分能够被再生气完全带走和保证分子筛能够冷却到所需的温度。操作的周期一般分为8小时和24小时两种，若选用较长的操作周期，当原料气含水量波动很大时，为保证干气露点，可以缩短操作周期。 1.4.2 再生过程 吸附剂的再生过程是保证吸附剂能够循环正常使用的关键。对于一定的吸附剂，降低温度和升高压力有利于吸附的进行，而提高吸附剂的温度和降低压力就有利于吸附剂的脱附。常用的再生脱附方法主要有升温脱附和降压脱附两种。降压脱附虽有能耗低、再生时间短、操作方便等优点，但由于被吸附的产品气体在脱附时不能回收，且还需部分产品气作为吹扫之用，因而收率低，在产品的纯度与收率间存在矛盾，工业上使用不多。 升温脱附是工业上常用的再生方法。这是基于所有的干燥剂的湿容量都是随温度上升而降低这一特点来实现的。通常采用预热的解析气体通过床层以升高吸附剂温度使吸附质脱附，并将吸附质带出吸附剂床层，从而实现吸附剂再生的目的。 加热再生完成后，吸附剂床层需要冷却，然后重新开始吸附操作。冷却过程通常都以冷气流进行冷却。冷气流的吹入方向最好与吸附时的气流方向相反，而且冷气流中应不含或少含吸附质。但如采用湿气冷却，冷却气应自上而下流过床层，冷却气中水蒸气被床层上部干燥剂吸附，从而最大限度降低脱水周期中出口干气露点。 1.4.3 再生操作 一般用经回收轻烃后的干气，基本不含水分，维持压力在300～400KPa(绝)，经加热炉或别个加热设备加热到250～270℃进入需再生的吸附塔，自下而上流经床层。再生气出塔温度恒定在180～200℃，两小时后可认为再生结束，接着进行冷吹。冷吹气用再生操作的气体，只是不经加热，流量按设计规定，可以是自下而上流动，也可以是自上而下流动，待出口气流温度达50℃左右，可认为冷吹结束，切换至吸附状态备用，来完成一个周期。 1加热方式 通常在原料气流中抽出一部分气体加热后进去再生床层，然后再回到湿原料气总管或与干燥后气体混合，进入输气干线。 2 在生温度 再生温度是指吸附剂床层在再生加热时最后达到的最高温度，通常近似取为此时再生气出吸附剂床层的温度。再生温度取决于吸附剂的性质和干气要求的露点（或再生后床层的残余水含量），且因使用的吸附剂的不同而不同。分子筛一般为200～300℃，且温度越高，再生后的吸附剂的湿容量越大，同时也将缩短吸附剂的使用寿命。 3 再生气流量 再生气流量大约为总原料湿气体的5%～15%，由具体的操作条件而定，再生气流量应满足在规定时间内将再生吸附剂提高到规定的温度。 4 在生需要的时间 加热时间是指在再生周期中从开始用再生气加热吸附剂床层到床层达到最高温度（有时，在此温度下还保持一段时间）的时间，冷却时间是指加热完毕的吸附剂从开始用冷却气冷却到床层温度降低到指定值（例如50℃左右）的时间。 对于操作周期为24小时的，再生加热时间约为总周期时间的65%～68%，冷却时间约为30%，其余的2%～5%的时间为升、降压，倒阀门的备用时间。而对于操作周期为8小时的，再生加热时间约为总周期的50%～55%，冷却时间约为40%，其余为升、降压辅助操作时间。如8小时吸附周期中，再生加热时间约为4.5h，冷却时间为3h，备用和切换时间约为0.5h。 1.4.4 再生加热与冷却 为了将床层冷却到原来吸附时的床层温度，用干气冷却，流量与再生加热气流量相比，相差不是很大。最终的冷却温度一般在40℃～55℃，通常为50℃～52℃。下图为再生加热与冷却过程的温度变化曲线。 图1.2 再生加热与冷却过程温度变化曲线 图2为采用双塔流程的吸附脱水装置8h再生周期(包括加热与冷却)的温度变化曲线。曲线1表示再生气进干燥器的温度TH，曲线2表示加热和冷却过程中出干燥器的气体温度，曲线3表示进料湿气温度。A段表示轻烃脱附阶段，B段表示吸附水脱附阶段，C段表示重烃脱附阶段，D段表示床层冷却阶段。TA、TB、TC、TD分别表示该阶段的平均温度。 由图2可知，再生开始时热再生气进入干燥器加热床层及容器，出床层的气体温度逐渐由T1升至T2，大约在116～120℃时床层中吸附的水分开始大量脱附，所以此时升温比较缓慢。待水分全部脱除后，继续加热床层以脱除不易脱附的重烃和污物。当再生时间大于4h时，离开干燥器的气体出口温度达到180～230℃，床层加热完毕。热再生气温度TH至少应比再生加热过程中所要求的最终离开床层的气体出口温度T4高19～55℃，一般为38℃。然后，将冷却气通过床层进行冷却，当床层温度大约降至50℃时停止冷却。在一些要求深度脱水的天然气液回收装置中，为了避免吸附剂床层在冷却时被水蒸气预饱和，多采用脱水后的干气或其他来源干气作冷却气。有时，还可将冷却用的干气自上而下流过吸附剂床层，使冷却气中所含的少量水蒸气被床层上部的吸附剂吸附，从而最大限度地降低吸附周期中出口干气的水含量。 2 再生工艺计算 2.1物性基础 2.1.1天然气的基本组成 天然气组成如下表2.1所示： 表2.1 组分 甲烷 乙烷 丙烷 异丁烷 正丁烷 体积含量 95.6 0.6 0.08 0.02 0.01 异戊烷 正戊烷 己烷 二氧化碳 氮气 硫化氢 0.01 0.03 0 3.02 0.04 0.0264 进料温度：26℃ 进料压力：5MPa 设计规模：12万方/天 要求脱水到1ppm以下 由上表可以得出该组分中水气的组分（百分含量）为： 所以水的百分含量为0.5636% 2.1.2工艺选择 选用4A分子筛脱水，其特性如下： 分子筛粒子类型：直径3.2mm球形 分子筛的有效湿容量：8kg（水）/100kg（分子筛） 分子筛堆积密度：660kg/m3 操作周期为8小时，再生加热时间为4.5小时，再生冷却时间为3.2小时，操作切换时间为0.3小时。加热炉进口温度为30℃，加热炉出口温度为275℃。 26℃,5000KPa下的密度为37.9 kg/m3 再生加热气进吸附器的压力：5000kPa 再生加热气进吸附器的温度：260℃ 再生加热气出吸附器的温度：200℃ 再生加热气出吸附器温度：200 ℃ 下表为该吸附器的设计参数： 表2.2 吸附器设计参数 参数 吸附器筒体 吸附件等钢材 分子筛 铺垫的瓷球 水 质量kg 1529.5 2555.5 2264 401.92 180.8 2.2 在生热负荷计算 用贫干气加热，进吸附器温度260 ℃， 分子筛床层吸附终了后温度t1=35 ℃(即床层温升5 ℃)， 再生加热气出吸附器温度200 ℃， 床层的再生温度是 ℃ 在230℃时： 分子筛比热为0.96 kJ/(kg℃)； 钢材比热为0.5kJ/(kg℃)； 瓷球比热为0.88 kJ/(kg℃)； 再生气在260℃/1733.72KPa的热焓为：－3776.58 kJ/kg 再生气在115℃/1733.72KPa的热焓为：－4167.30kJ/kg 再生热负荷的计算如下： 再生加热所需的热量为Q，所以： （2.1） 式中 Q1——加热分子筛的热量，kJ； Q2——加热吸附器本身（钢材）的热量，kJ； Q3——脱附吸附水的热量，kJ； Q4——加热铺垫的瓷球的热量，kJ （2.2） （2.3） （2.4） （2.5） 式中 ——分子筛的重量，kg ——吸附器筒体及附件等钢材的重量，kg ——吸附水的重量，kg ——铺垫的瓷球的重量，kg 其中，4186.8KJ/kg是水的脱附热，cp1，cp2，cp4分别是上述各种物质的定压比热。 根据题可选t2=230℃，t1=35℃ 所以： 在加热的过程中，认为热量有10%的损失 可得： (2.5) 设再生加热时间t=4.5小时，每小时加热量为： 2.3 再生气量计算 再生气在230℃时的平均比热为3.14 kJ/（kg ▪ ℃），再生气温降是： ℃ 每千克再生气给出的热量： 每小时所需的再生气量： 换算成标准条件下（20℃，101.325kPa）的体积流量为1186.1 m3/h。 加热气所需面积效核： 再生加热气5000kPa，260℃下的ρg=17.41kg/m3，气体从下往上流则C取0.167，加热气允许质量流量： 式中　——允许的气体质量流速，kg/（m2s） 　　　——系数，气体自上向下流动，值在0.25～0.32；自下向上流动，C值是0.167； 　　　——分子筛的堆密度，kg/m3 ——气体在操作条件下的密度，kg/m3 ——分子筛平均直径（球形），或当量直径条形，m 再生加热气所需面积： 吸附器的床层面积为2.56 m2，所以满足要求。 2.3 冷却气量计算 将床层温度自230℃冷却到30℃，则冷却热负荷如下： 再加上10%的冷却裕量： 冷却气进口为30℃，则： 由于冷却的时间为3.2小时，所以每小时移去的热量为： 冷却气平均比热在130℃时是2.9KJ/(kg. ℃),冷却气温差℃需冷却气量每小时为： 换算成标准条件下（20℃，101.325kPa）的体积流量为1427.4 m3/h。 冷却气所需面积效核： 冷却气5000kPa，30℃下的ρg为33.88 kg/m3，气体从下往上流则C取0.167，加热气允许质量流量： 再生加热气所需面积： 吸附床层的面积为2.56 m2，所以满足要求。 冷吹气量和热吹气量不等。实际操作中考虑到气量波动，为了使装置操作平稳，冷吹气量和热吹气量均采用1427.4 m3/h（20℃，101.325kPa）。 2.4再生气空塔速度计算 再生时再生气压力，原则上根据外输系统压力决定，经过吸附器压降一般在10～20KPa。 设再生加热气1380KPa（200psia）。 再生加热气量1083.3kg/h，M=17。其体积量为： 操作时体积为： 空气塔流速： 通过雷督克斯公式核算，c取0.167， 需空塔截面积： 由于吸附床层面积为2.56 m2，所以足够满足要求。 下图为分子筛吸附脱水器允许空塔流速： 图2.2 分子筛吸附脱水器允许空塔流速 3 总结 为期两个星期的课程设计在此就快结束了，所有的同学们都很认真，通过查阅资料和向辅导老师交流，让我们通过该次课程学到了很多有用的东西，在此次课程设计中，我们小组分配到的任务是天然气分子筛吸附脱水工艺设计，我的任务是进行分子筛再生工艺的计算，通过查阅了相关资料，以及和同学们之间的积极交流共同合作当中，很愉快轻松的完成了任务，在课程设计过程中，大家分工明确，一起合作，查阅了大量资料，完成了整个课程设计，首先通过大家的讨论得出了整个的工艺流程图，这给我们的设计打下了一个很好的基础，整个吸附脱水工艺采用了双塔交替脱水工艺，吸附周期采用8小时，再生过程中，再生时间4.5小时，冷却时间3.2小时，操作时间0.3小时，通过再生工艺的计算可以看出，设计符合实际情况。 在这次的设计过程中，同学们一起分工协作，目的明确，一起合作完成了小组任务，通过此次课程设计，不仅巩固了我们的理论知识，加深了对专业课知识的理解和认识，还锻炼了对所学知识的实践运用能力，熟悉了相关的规范和标准，培养了我们独立思考与团队分工协作能力，使我们在很多方面都得到了提升，并为我们以后的工作打下了一个良好的基础。 参考文献 [1] 梁平，天然气集输技术[M］，石油工业出版社,2008-05：1-86； [2] 油田油气技术设计技术手册[M]，石油工业出版社，1994-12: 515-665； [3] SY0076T天然气脱水设计规范-2008