天然气分子筛脱水装置工艺设计Word文件下载.docx
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1.5分子筛脱水工艺流程
1.5.1流程选择
本装置所处理的湿净化气流量为100×
104m3/d（20℃、101.325kPa标准状态下）。
对于这样规模较大的分子筛脱水装置，可以采用2个吸附塔或3个吸附塔两种方案（分别简称两塔方案、三塔方案）。
而相同工艺不同方案的操作情况与投资数据却完全不同，现将两塔方案、三塔方案的操作情况与投资情况进行比较，从而选择出最佳方案。
在两塔流程中，一塔进行脱水操作，另一塔进行吸附剂的再生和冷却，然后切换操作。
在三塔或多塔流程中，切换的程序有所不同，通常三塔流程采用一塔吸附、一塔再生、一塔冷吹同时进行。
表1-2三塔方案（常规）时间分配表
吸附器
0～8h
8～16h
16～24h
分子筛脱水塔A
吸附
加热
冷却
分子筛脱水塔B
分子筛脱水塔C
由表1-1可以看出，在三塔方案中，加热炉连续工作，并且冷吹再生时间长，期间的加热、冷却功率相对较小，三塔流程灵活性较高。
表1-3两塔方案（常规）时间分配表
加热/冷却
由表1-2可以看出，分子筛两塔脱水装置运行时，始终保持一塔处于吸附状态，另一塔处于再生状态。
因此，加热炉操作不连续，点火、停炉频繁，不利于装置的长周期正常、平稳运行，且会造成一定的热损失。
但两塔流程简单，其吸附时间增长，能耗大大降低。
两塔流程较三塔流程减少1座吸附塔，大大节约了设备采购费用。
由于设备数量的减少，操作维护费用也将大大降低。
同时，由于减少了设备、工艺管线的数量，实际上也相应削减了管线、设备穿孔泄露的风险，提高了安全可靠性。
且吸附、再生、冷却过程为密闭过程，对环境污染少。
两塔流程由装填有分子筛的两个塔组成,假设塔2在进行干燥,塔1在进行再生。
在再生期间,所有被吸附的物质通过加热而被脱吸,为该塔的下一个吸附周期作准备。
湿原料气一般经原料气过滤分离器,除去携带的液滴后自上而下地进入分子筛脱水塔（塔2）,进行脱水吸附过程。
脱除水后的干气一般经产品气粉尘过滤器除去分子筛粉尘后,作为本装置产品气输送出去。
且选用两塔流程仍有扩建空间。
若以后天然气处理量逐步增大，可能导致分子筛床层内气体流速增大，部分分子筛被击碎，并被原料气携带进入粉尘过滤器，造成粉尘过滤器滤网堵塞，装置运行不平稳。
则可对分子筛脱水工艺流程进行改造，在原两塔的基础上增加一台同规格的分子筛干燥塔，将“两塔流程”改为“三塔流程”，同时增加配套的自控系统，以完成扩建。
因此，本设计中采取分子筛两塔吸附脱水流程。
1.5.2分子筛脱水工艺流程介绍
附图1为吸附法脱水流程。
原料气自上而下流过分子筛吸附塔进行吸附脱水，脱水后的干气含水小于1ppm，分子筛出口原料气经分子筛出口过滤器除去其中夹带的分子筛粉尘和杂质后进制冷单元。
分子筛干燥器采用两塔操作流程，8小时自动切换1次，原料气切换到已再生完毕的分子筛吸附塔进行吸附脱水，水饱和的吸附塔经再生、冷吹完成再生过程。
再生气可以用干气或原料气，将气体用热油导热的方式进行加热，加热到一定温度后，进入吸附塔再生。
当床层出口气体温度升至预定温度后，则再生完毕。
此时将加热器停用，再生气经旁通入吸附塔，用于冷却再生床层。
当床层温度冷却到要求温度时又可开始下一循环的吸附。
吸附塔出再生气经再生气冷却器冷却，进入再生气分离器，分出游离水后作为生活及装置用气。
吸附操作时塔内气体流速最大，气体从上向下流动，这样可使吸附剂床层稳定，不致动荡。
再生时，气体从下向上流动，一方面可以脱除靠近进口端被吸附的物质，并且不使其流过整个床层。
另外，可使床层底部干燥剂得到完全再生，因为床层底部是湿原料气吸附干燥过程最后接触的部位，直接影响流出床层的干燥天然气质量。
1.6遵循的主要标准、规范
SY/T0076-2003《天然气脱水设计规范》
HG/T20570.2-95《安全阀的设置和选用》
SY/T0524-2008《导热油加热炉系统规范》
GB/T8163-2008《输送流体用无缝钢管》
GB/T17395-2008《无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差》
GB50251-2003《输气管道工程设计规范》
GB50350-2005《油气集输设计规范》
GB8770-1988《分子筛动态水吸附测定方法》
GB/T9019-2001《压力容器公称直径》
GB150-1998《钢制压力容器》
SH3098-2000《石油化工塔器设计规范》
JB731-2008《锅炉和压力容器用钢板》
SY/T0515-2007《油气分离器规范》
HGT21618-1998《丝网除沫器》
2工艺参数及设备选型
2.1工艺参数优选
分子筛脱水由吸附和再生两部分组成，吸附采用双塔流程，再生加热气和冷吹气采用干气，加热方式采用导热油炉加热。
其主要设备由分子筛吸附器、再生气加热炉、再生气冷却器、再生气分离器。
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
分子筛比热：
0.96kJ/（kg·
℃）
瓷球比热：
0.88kJ/（kg·
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℃。
由HYSYS软件计算出的基础数据如下：
4.5MPa
30℃
床层温度：
35℃
天然气气体流量：
29743.34kg/h
饱和含水量：
34.76kg/h
天然气相对湿度：
100%
天然气在4.5MPa、30℃下的密度：
33.89kg/m3
天然气在4.5MPa、30℃时粘度：
0.0125cP
再生加热气进吸附器的压力：
4500kPa
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℃
再生气在260℃、4500kPa下的密度：
17.44kg/m3
再生气在260℃、4500kPa的热焓：
-3826kJ/kg
再生气在117.5℃、4500kPa的热焓：
-4226kJ/kg
再生气在275℃、4500kPa的热焓：
-3780kJ/kg
干气温度：
干气压力：
干气将床层冷却到：
干气在30℃、4500kPa的密度：
33.88kg/m3
干气在30℃、4500kPa的热焓：
-4448kJ/kg
干气在130℃、4500kPa的热焓：
-4193kJ/kg
干气在30℃、4500kPa下的低位热值：
49210kJ/kg
2.2物料平衡表
表2-1100×
104
m3/d
天然气分子筛脱水装置设计
物料表
物料流
1
2
3
4
5
6
7
气体分率
0.9825
温度，℃
30
35
260
29.87
压力，KPa
4500
4480
4450
摩尔流量,kmol/h
1736.835
1734.903
180.8
177.628
3.172
质量流量，kg/h
29743.35
29708.55
3096.03
3099.03
3041.89
57.14
液体体积流量,m3/h
95.65
95.61
9.96
9.84
9.78
0.06
热流量，kJ/h
-1.33E+08
-1.32E+08
-1.38E+07
-1.18E+07
-1.45E+07
-1.36E+07
-9.06E+05
质量密度,kg/m3
17.125
17.124
17.141
18.015
分子量
33.89
33.13
33.88
17.44
34.33
33.49
1005.01
压缩因子
0.9023
0.9079
0.9968
—
0.9031
0.0317
粘度,cp
0.0125
0.0126
0.0184
0.0124
0.7995
组
成
（mol%）
氢气
0.0969
0.0970
0.0952
0.0969
0.0000
氦气
0.0519
0.0520
0.0510
0.0519
氮气
0.05494
0.5500
0.5397
0.5494
0.0003
二氧化碳
0.0260
0.0255
0.0260
0.0004
甲烷
94.4898
94.5950
92.8320
94.4896
乙烷
3.3013
3.3050
3.2434
丙烷
0.7292
0.7300
0.7164
0.7292
0.0000
异丁烷
0.1209
0.1210
0.1187
0.1209
正丁烷
0.1558
0.1560
0.1531
0.1558
异戊烷
0.0559
0.0560
0.0550
0.0559
正戊烷
0.0510
正己烷
0.2597
0.2600
0.2552
0.2597
水
0.1112
0.0000
1.8637
0.1114
99.9993
2.3分子筛吸附器的选型
分子筛脱水属于吸附法脱水，一般用于水露点要求控制较低的场合，其露点深度可达到-90℃，保证含水量在1ppm以下。
分子筛脱水有两塔和三塔流程之分。
由于分子筛的吸附和再生过程中的温度\压力的循环变化，分子筛干燥器的设计制造要求严格，成本较高。
运行一段时问后，分子筛出口气体中往往携带分子筛粉尘，可利用多滤芯的粉尘过滤器净化天然气。
气体从外表面进入滤芯，杂质被阻挡在滤体表面和内部，在滤芯表面形成一层均匀的滤饼，由于颗粒的架桥效应，而进一步提高了过滤精度。
生产实践中，工厂技术人员可根据气质条件及运行时问长短来决定滤芯更换频率。
表2-2吸附器计算选型结果表
吸附器
内径（mm）
DN1600
设计压力（MPa）
设计温度（℃）
300
床层高度（mm）
3700
筒体壁厚（mm）
39
筒体材料
16MnR（Q345R）
操作周期（h）
8（再生加热时间4.5，冷吹时间3.2，切换时间0.3）
封头类型
椭圆式封头
类型
立式
筒体高度（mm）
分子筛类型
4A条形分子筛
装填顺序
由下至上
分子筛厚度（mm）
2500
封头
1600
材料
16MnR低合金压力容器用钢
厚度（mm）
12
质量（kg）
276.37
裙座
圆筒形裙座
473.7
壁厚（mm）
外径（mm）
1624
高度（m）
2.4粉尘过滤器的选型
吸附塔单元后，设置粉尘过滤器，对天然气进行精细过滤，除去粒径≥1m的尘埃等。
精细过滤设备选择由多层高密度网格材料形成的、兼备厚度型和褶皱型特点的聚结滤芯，考虑到不同大小的杂质在气流中表现出的不同特性（较大的颗粒呈直线运动，较小的颗粒做布朗运动），采用筛、挡和阻的方式，捕捉杂质微粒。
在气质恶化或长时问运行后，滤芯的压差会上升得很快，达到一定值时，就必须及时更换滤芯。
在设备人口处设置隔离挡板，避免进入设备的气体接触到已分离出的液体，并减少液体被重新带人气体中的机会。
减少已分离液体的携带量是提高分离效率的有益补充。
本设计采用两个SBFQ系列型粉尘过滤器并联使用。
SBFQ型气体过滤器是一种新型、高效气体除尘设备，广泛用于石油、天然气工业部门一般含尘量的气体主管线和旁通管。
亦是城市天然气、煤制气输配系统安全、可靠运行不可缺少的气体净化设备。
具有结构先进、除尘效率高、操作维护方便等优点。
选型结果见表2-3。
表2-3粉尘过滤器规格
设备名称
工艺参数及几何尺寸
粉尘过滤器
工作温度，℃
工作压力，kPa
气体体积流量，m3/h
896.8
过滤精度，μm
过滤器计算截面积，m2
过滤器选用外径，mm
过滤器型号
SBFQ300-4.5/5C
2.5再生气加热炉的选取
本设计主要采用导热油供热系统进行加热。
导热油供热系统以导热油为载热体。
导热油在炉中加热后,利用热油泵将其送给各用热设备,再返回炉中重新加热,从而形成闭路循环。
导热油作为工业传热介质具有以下特点：
在几乎常压的条件下，可以获得很高的操作温度。
即可以大大降低高温加热系统的操作压力和安全要求，提高了系统和设备的可靠性；
可以在更宽的温度范围内满足不同温度加热、冷却的工艺需求，或在同一个系统中用同一种导热油同时实现高温加热和低温冷却的工艺要求。
即可以降低系统和操作的复杂性；
省略了水处理系统和设备，提高了系统热效率，减少了设备和管线的维护工作量。
即可以减少加热系统的初投资和操作费用；
在事故原因引起系统泄漏的情况下，导热油与明火相遇时有可能发生燃烧，这是导热油系统与水蒸气系统相比所存在的问题。
但在不发生泄漏的条件下，由于导热油系统在低压条件下工作，故其操作安全性要高于水和蒸汽系统。
2.5.1工艺流程
主要设备有：
导热油炉、热油主循环泵、热油辅循环泵、膨胀罐。
整个供热系统主要由导热油炉、燃烧器、膨胀罐、储油罐、热油循环泵、供热管网和热用户组成。
其加热原理是燃料经燃烧器充分燃烧后产生的高温火焰和烟气，通过辐射和对流方式加热炉管中的导热油，热油达到设定的温度后在主循环泵的驱动下将热能带出，一部分以液相方式直接输至再生气加热器加热再生气，另一部分则通过温度控制流量调节阀与回流低温热油减温混合达到低温位热用户其中低温位系统设独立的热油辅循环泵提供系统循环动力。
该系统中各工艺用热设备内的导热油以自身的显热方式与用户进行热交换，梯级利用后，经热油主循环泵回输至导热油炉继续加热，形成一个完整的闭合回路，往复循环使用。
导热油受热膨胀时的体积增加量由膨胀罐来吸收，储油罐主要是用来存储系统导热油和接收膨胀罐溢流出的导热油。
2.5.2导热油的选型
导热油炉的流速，国外文献推荐为2~4m/s。
由于油品储运加热系统负荷波动较大，因此要求在导热油供回油管道上设一旁通阀或压控阀组，当外界负荷降低时，导热油的循环量下降，为了保证导热油炉内的流速，可打开旁通阀或压控阀组，将一部分导热油通过旁路回到导热油炉，以增加进入炉内的导热油流量。
国内目前设计导热油流速一般取2.5~3m/s，此设计中取导热油流速为3m/s，经比较YDX系列，X6D系列，JD系列导热油的比热，密度及热功率后，导热油型号选择YD—325导热油，因为它的比热更大，密度较轻且发热功率更大。
表2-4导热油系统选型结果表
导热油炉型号
QX1.2（125）-Y/Q-1200KW
导热油型号
YD—325
导热油流速（m/s）
总循环油量（m3/h）
32.6
另附导热油炉QX1.2（125）-Y/Q-1200KW和导热油YD—325的技术参数：
表2-5导热油炉技术参数
参数
额定热功率（MW）
热效率（%）
最高介质温度（℃）
循环油量（m3/h）
QX1.2（100）-Y/Q
1.2
80
350
65
表2-6YD—325导热油工艺参数表
温度（℃）
物理特性
50
100
150
200
250
密度（kg/m3）
1007
972
936
910
874
845
821
比热C（kJ/kg·
1.884
2.0666
2.2395
2.4124
2.5853
2.7583
2.896
热功率（MW）
1.6573
2.6再生气分离器的选型
根据100万方分子筛脱水工艺流程图，本装置中含有一个再生气分离器，其中液量较少，从经济效益出发，选用立式重力分离器。
计算结果及选型结果见表2-7。
表2-7再生分离器计算结果及选型结果
设备名称
原
始
数
据
操作温度，℃
操作压力，MPa
4.48
工况下气体流量，m/s
0.0251
工况下气相密度，kg/m3
33.85
工况下液相密度，kg/m3
1005
工况下气体粘度，mPa·
s
0.01247
工况下气体的压缩因子
0.9025
型式
立式重力式
计
算
值
f·
（Re2）
0.00274
阻力系数
54
液滴沉降速度，m/s
分离器直径计算值，m
0.039
捕雾器气流允许速度，m/s
0.43
捕雾器面积计算值，m2
0.059
续表2-7
选
用
选用公称直径，mm
600
筒体长度，mm
1800
捕雾器厚度，mm
材质
16MnR
型号
LE0.6×
1.8-4.48/2
有效容积，m3
0.6
2.7安全阀的选型
根据HG/T20570.2-95《安全阀的设置和选用》和油《气田常用阀门手册》选用A42Y-64型弹簧封闭全启式安全阀。
其主要参数如表2-8：
安全阀类型
A42Y-64型弹簧封闭全启式安全阀
泄放量（kg/h）
29743.34
开启压力（MPa）
4.95MPa
通道截面积（mm2）
826
公称通径（mm）
DN35
公称压力（MPa）
6.4
泄放量，kg/h
开启压力，MPa
通道截面积，mm2
公称通径，mm
公称压力，MPa
表2-12安全阀的选型结果
2.8管线的选型
按照《输送流体用无缝钢管》（GB/T8163-2008），选择系统内用无缝钢管管材为无缝钢管20号。
σs为245MP。
则可根据《无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差》（GB/T17395-2008）选择较为合适的无缝钢管外径及标准壁厚。
管线选型结果如表2-9所示。
表2-9管线选型结果
管线
原料气进塔
原料气出塔
再生气进塔
再生气出炉
再生气出塔
再生气进分离器管线
再生气出分离器气相
再生气出分
离器液相管线
基
础
流体介质
天然气
设计温度，℃
设计压力，Mpa
工况下的输量，m3/s
0.2438
0.2491
0.0254
0.0493
0.0434
0.0255
0.0252
1.6E-05
经济流速，m/s
10
计算管线内径,mm
177
178
57
75
4.5
计算管线壁厚，mm
4.15
4.17
2.03
2.44
2.35
2.04
2.06
1.1
计算管线外径，mm
185.3
186.34
61.06
84.88
79.7
61.08
61.12
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