分子筛吸附脱水工艺设计再生工艺计算样本Word文档下载推荐.docx
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分子筛再生工艺再气愤冷凝气热量
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趋势。
从此后国内经济和社会发展看，加快天然气开发运用，对改进能源构造，保护生态环境，提高人民生活质量，具备十分重要战略意义。
天然气作为液化装置燃料气，一方面必要对其进行预解决。
天然气预解决重要是脱除其中有害杂质及深冷过程中也许结晶物质，也就是天然气中H2S、CO2、水分、重烃和汞等杂质。
天然气预解决重要目有：
①避免低温下水与烃类组分冻结而堵塞设备和管道，减少管线输气能力；
②提高天然气热值，满足气体质量原则；
③保证天然气在深冷条件下液化装置能正常运营；
④避免腐蚀性杂质腐蚀管道及设备。
当前国内外应用较广泛，技术较成熟天然气脱水工艺有：
低温分离、固体吸附和溶剂吸取三种办法。
而固体吸附法中以分子筛脱水应用最为广泛，技术最成熟可靠。
在对国内外脱水技术调研和查阅有关文献基本上,总结了天然气开采后各种脱水工艺,并对其原理、工艺特点等进行了概括分析,同步也对其在国内应用现状进行了总结,并分析运营中存在某些问题。
通过对比发现,分子筛脱水法达到天然气露点最低,普通用于深度脱水环境。
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AlO4四周体构成硅铝酸盐晶体。
其中大量孔径均匀微细孔道和排列整洁空腔只容许直径比其小分子进入，从而实现选取性吸取，工艺重要涉及脱水／再生干燥器和再生加热系统。
分子筛脱水法具备吸附选取性强，高效吸附容量，使用寿命较长，不易被液态水破坏等长处。
当前其重要产品都掌握在欧美等国家，如美国UOP公司天然抗酸性分子筛AW-300、500型，可实现对HCl、H2O、NO2等酸性气体吸取。
分子筛是一种非常适合深度脱水干气体干燥剂，脱水后干气含水量最低可至10-6，露点可低至﹣100℃，普通惯用于天然气液化前脱水工艺中。
但设备投资和操作费用昂贵是其弊端，在满足相似露点建立一座2.8×
105m3/d解决量净化站，其所需费用比TEG法多53％，同步再生能耗大，吸附剂价格高，因而其重要用于满足获得较低露点工艺。
1.2脱水系统吸附剂选取
当前在天然预解决过程中，重要使用固体吸附剂有活性氧化铝、硅胶和分子筛三大类。
活性炭脱水能力甚微，重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，是没有毒性坚实颗粒，浸入水或液体中不软化、溶胀或破裂，抗冲击和抗磨损能力强。
它惯用于气体、油品和石油化工产品脱水干燥。
活性氧化铝干燥后气体露点可低达–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，即床层再气愤体在出口时最低温度需维持在177℃，方可恢复至原有吸附能力，因而其再生耗热量较高。
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映．故不适当解决酸性天然气。
硅胶是一种亲水性极性吸附剂。
硅胶对极性分子和不饱和烃具备明显选取性，因而可用于天然气脱水。
硅胶吸附性能和其他吸附剂大体相似，普通可使天然气露点达-60℃。
硅胶很容易再生，再生温度为180～200℃。
虽然硅胶脱水能力很强，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沸石型硅铝酸盐。
在分子筛构造中有许多孔径均匀孔道与排列整洁孔穴。
这些孔穴不但提供了很大比表面，并且它只容许直径比孔径小分子进入，而比孔径大分子则不能进入，从而使分子筛吸附分子有很强选取性。
1.3分子筛种类与特点
天然气脱水过程中惯用分子筛有3A、4A、10X及13X型，重要用于流体干燥、分离和除杂等。
因其具备很大表面积和孔容量，可以吸附大量流体，特别对水，虽然在很低分压和浓度下，任有相称高吸附容量。
如用4A分子筛时，可以排除甲烷以外水和其他烃类。
如下表为这4类分子筛性质。
表1.1分子筛性质
型号
孔径
湿容量（在175mmHg25℃）%
二氧化硅与氧化铝比值
吸附质分子
排除分子
应用范畴
3A
3.2-3.3
20
2
直径不大于3A分子如H2O、NH3等
乙烷等直径不不大于3A分子
饱和及不饱和烃脱水。
甲醇、乙醇脱水
4A
4.2-4.7
22
直径不大于4分子，涉及以上各分子及乙醇、H2O、CO2、SO2、C2H4、C2H6、C3H8
直径不不大于4A分子，如丙烷等
饱和烃脱水，冷冻系统干燥剂
10X
8
28
2.5
直径不大于8A分子涉及以上各分子及异构烷烃，烯烃及苯
正丁基胺及更大分子
芳烃分离
13X
10
28.5
直径不大于10A分子，涉及以上分子及二正内基胺
（C4H9）3N及更大分子
同步脱水，CO2、H2O脱硫，脱硫醇
X型分子筛能吸附所有能被A型分子筛吸附分子，并且具备稍高湿容量。
在天然气净化过程中，常用几种物质分子公称直径见表。
其中，H2O、CO2和H2S分子直径不大于4×
10-10m，烃类分子直径均不不大于4×
10-10m。
表1.2常用几种分子公称直径
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
H2S
3.6
iC4～iC22
5.6
CH3OH
苯
6.7
从表1和表2可以看出，要用分子筛脱水，选取4A（或者3A）分子筛是比较适当，由于3A分子筛孔径为（3～3.3）×
10-10m，4A分子筛孔径为（4.2～4.7）×
10-10m，水公称直径为3.2×
4A分子筛不但可以吸附水同步
还可以吸附CO2、H2S等杂质。
在上游脱碳装置浮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净化作用,因而本项目选取4A分子筛作为脱水吸附剂。
1.4分子筛吸附脱水原理流程
天然气脱水吸附设备多采用固定床吸附塔。
为了保证干气持续生产必要循环操作，要用许各种并联吸附床。
床数量和安排形式，从两个交替吸附塔到各种塔不等。
在每个塔内，三种不同功能或循环必要交替地起作用。
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，湿天然气要一方面进入进口分离器，并在分离器内清除掉自由液体、夹带湿气和固体颗粒。
然后，湿天然气自上而下流经吸附塔。
水分子在床层顶层一方面被吸取。
干烃类气体是在穿过床层而被吸取。
当吸附剂较上层部位由水饱和时，湿气流中水就开始置换在较低床层本来吸附烃类。
液体烃类也还被吸取某些。
1.4.1吸附周期
在吸附器解决气量、进口湿气含水量和干气露点已经拟定后，吸附周期重要由吸附剂装填容量和选用实际有效吸附容量所决定。
在操作周期中应当保证有足够再生和冷却时间，使分子筛中水分可以被再气愤完全带走和保证分子筛可以冷却到所需温度。
操作周期普通分为8小时和24小时两种，若选用较长操作周期，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
吸附剂再生过程是保证吸附剂可以循环正常使用核心。
对于一定吸附剂，减少温度和升高压力有助于吸附进行，而提高吸附剂温度和减少压力就有助于吸附剂脱附。
惯用再生脱附办法重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、操作以便等长处，但由于被吸附产品气体在脱附时不能回收，且还需某些产品气作为吹扫之用，因而收率低，在产品纯度与收率间存在矛盾，工业上使用不多。
升温脱附是工业上惯用再生办法。
这是基于所有干燥剂湿容量都是随温度上升而减少这一特点来实现。
普通采用预热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目。
加热再生完毕后，吸附剂床层需要冷却，然后重新开始吸附操作。
冷却过程普通都以冷气流进行冷却。
冷气流吹入方向最佳与吸附时气流方向相反，并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，从而最大限度减少脱水周期中出口干气露点。
1.4.3再生操作
普通用经回收轻烃后干气，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℃进入需再生吸附塔，自下而上流经床层。
再气愤出塔温度恒定在180～200℃，两小时后可以为再生结束，接着进行冷吹。
冷吹气用再生操作气体，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，可以为冷吹结束，切换至吸附状态备用，来完毕一种周期。
1加热方式
普通在原料气流中抽出一某些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最高温度，普通近似取为此时再气愤出吸附剂床层温度。
再生温度取决于吸附剂性质和干气规定露点（或再生后床层残存水含量），且因使用吸附剂不同而不同。
分子筛普通为200～300℃，且温度越高，再生后吸附剂湿容量越大，同步也将缩短吸附剂使用寿命。
3再气愤流量
再气愤流量大概为总原料湿气体5%～15%，由详细操作条件而定，再气愤流量应满足在规定期间内将再生吸附剂提高到规定温度。
4在生需要时间
加热时间是指在再生周期中从开始用再气愤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）时间，冷却时间是指加热完毕吸附剂从开始用冷却气冷却到床层温度减少到指定值（例如50℃左右）时间。
对于操作周期为24小时，再生加热时间约为总周期时间65%～68%，冷却时间约为30%，别的2%～5%时间为升、降压，倒阀门备用时间。
而对于操作周期为8小时，再生加热时间约为总周期50%～55%，冷却时间约为40%，别的为升、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
为了将床层冷却到本来吸附时床层温度，用干气冷却，流量与再生加热气流量相比，相差不是很大。
最后冷却温度普通在40℃～55℃，普通为50℃～52℃。
下图为再生加热与冷却过程温度变化曲线。
图1.2再生加热与冷却过程温度变化曲线
图2为采用双塔流程吸附脱水装置8h再生周期（涉及加热与冷却）温度变化曲线。
曲线1表达再气愤进干燥器温度TH，曲线2表达加热和冷却过程中出干燥器气体温度，曲线3表达进料湿气温度。
A段表达轻烃脱附阶段，B段表达吸附水脱附阶段，C段表达重烃脱附阶段，D段表达床层冷却阶段。
TA、TB、TC、TD分别表达该阶段平均温度。
由图2可知，再生开始时热再气愤进入干燥器加热床层及容器，出床层气体温度逐渐由T1升至T2，大概在116～120℃时床层中吸附水分开始大量脱附，因此此时升温比较缓慢。
待水分所有脱除后，继续加热床层以脱除不易脱附重烃和污物。
当再生时间不不大于4h时，离开干燥器气体出口温度达到180～230℃，床层加热完毕。
热再气愤温度TH至少应比再生加热过程中所规定最后离开床层气体出口温度T4高19～55℃，普通为38℃。
然后，将冷却气通过床层进行冷却，当床层温度大概降至50℃时停止冷却。
在某些规定深度脱水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，多采用脱水后干气或其她来源干气作冷却气。
有时，还可将冷却用干气自上而下流过吸附剂床层，使冷却气中所含少量水蒸气被床层上部吸附剂吸附，从而最大限度地减少吸附周期中出口干气水含量。
2再生工艺计算
2.1物性基本
2.1.1天然气基本构成
天然气构成如下表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
0.03
3.02
0.04
0.0264
进料温度：
26℃
进料压力：
5MPa
设计规模：
12万方/天
规定脱水到1ppm如下
由上表可以得出该组分中水气组分（百分含量）为：
因此水百分含量为0.5636%
2.1.2工艺选取
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下密度为37.9kg/m3
再生加热气进吸附器压力：
5000kPa
再生加热气进吸附器温度：
260℃
再生加热气出吸附器温度：
200℃
200℃
下表为该吸附器设计参数：
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℃，
床层再生温度是
℃
在230℃时：
分子筛比热为0.96kJ/（kg·
℃）；
钢材比热为0.5kJ/（kg·
瓷球比热为0.88kJ/（kg·
再气愤在260℃/1733.72KPa热焓为：
－3776.58kJ/kg
再气愤在115℃/1733.72KPa热焓为：
－4167.30kJ/kg
再生热负荷计算如下：
再生加热所需热量为Q，因此：
（2.1）
式中Q1——加热分子筛热量，kJ；
Q2——加热吸附器自身（钢材）热量，kJ；
Q3——脱附吸附水热量，kJ；
Q4——加热铺垫瓷球热量，kJ
（2.2）
（2.3）
（2.4）
（2.5）
式中
——分子筛重量，kg
——吸附器筒体及附件等钢材重量，kg
——吸附水重量，kg
——铺垫瓷球重量，kg
其中，4186.8KJ/kg是水脱附热，cp1，cp2，cp4分别是上述各种物质定压比热。
依照题可选t2=230℃，t1=35℃
因此：
在加热过程中，以为热量有10%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再气愤量计算
再气愤在230℃时平均比热为3.14kJ/（kg▪℃），再气愤温降是：
每公斤再气愤给出热量：
每小时所需再气愤量：
换算成原则条件下（20℃，101.325kPa）体积流量为1186.1m3/h。
加热气所需面积效核：
再生加热气5000kPa，260℃下ρg=17.41kg/m3，气体从下往上流则C取0.167，加热气容许质量流量：
式中
——容许气体质量流速，kg/（m2·
s）
——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；
——分子筛堆密度，kg/m3
——气体在操作条件下密度，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：
吸附器床层面积为2.56m2，因此满足规定。
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%冷却裕量：
冷却气进口为30℃，则：
由于冷却时间为3.2小时，因此每小时移去热量为：
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：
换算成原则条件下（20℃，101.325kPa）体积流量为1427.4m3/h。
冷却气所需面积效核：
冷却气5000kPa，30℃下ρg为33.88kg/m3，气体从下往上流则C取0.167，加热气容许质量流量：
再生加热气所需面积：
吸附床层面积为2.56m2，因此满足规定。
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1427.4m3/h（20℃，101.325kPa）。
2.4再气愤空塔速度计算
再生时再气愤压力，原则上依照外输系统压力决定，通过吸附器压降普通在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2.56m2，因此足够满足规定。
下图为分子筛吸附脱水器容许空塔流速：
图2.2分子筛吸附脱水器容许空塔流速
3总结
为期两个星期课程设计在此就快结束了，所有同窗们都很认真，通过查阅资料和向辅导教师交流，让咱们通过该次课程学到了诸多有用东西，在本次课程设计中，咱们小组分派到任务是天然气分子筛吸附脱水工艺设计，我任务是进行分子筛再生工艺计算，通过查阅了有关资料，以及和同窗们之间积极交流共同合伙当中，不久乐轻松完毕了任务，在课程设计过程中，人们分工明确，一起合伙，查阅了大量资料，完毕了整个课程设计，一方面通过人们讨论得出了整个工艺流程图，这给咱们设计打下了一种较好基本，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，通过再生工艺计算可以看出，设计符合实际状况。
在这次设计过程中，同窗们一起分工协作，目明确，一起合伙完毕了小组任务，通过本次课程设计，不但巩固了咱们理论知识，加深了对专业课知识理解和结识，还锻炼了对所学知识实践运用能力，熟悉了有关规范和原则，培养了咱们独立思考与团队分工协作能力，使咱们在诸多方面都得到了提高，并为咱们后来工作打下了一种良好基本。
参照文献
[1]梁平，天然气集输技术[M］，石油工业出版社,-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-
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