分子筛脱水系统的工艺技术分析研究与应用文档格式.docx

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104NM3/d的处理量，采用了透平膨胀机＋重接触塔工艺系统和导热油供热系统。

目前装置工艺系统主要由压缩机增压、分子筛三塔脱水、丙烷冷剂加膨胀机膨胀制冷和分馏稳定等工艺系统组成。

装置设计制冷温度由-38℃降为-58℃，要求经分子筛吸附塔脱水后的天然气水露点达到-80℃。

装置实际处理能力为68×

104NM3/d，分子筛吸附塔的实际湿气处理量为2.83×

104NM3/h，分子筛吸附塔脱水后的天然气水露点检测为-71℃，与装置设计制冷深度对分子筛塔吸附后天然气露点<

-80℃）要求相差9℃。

，导致脱水后天然气的含水量较高，在进入后续流程冷箱时发生冻堵，造成装置无法正常运行。

本课题以降低分子筛塔吸附后天然气的水露点展开研究与攻关，并通过工艺技术的改造与完善来提高装置的运行时率。

通过工艺技术改造和完善，分子筛吸附塔脱水后天然气水露点达到-80℃，满足了温M70×

104NM3/d深冷装置对水露点的工艺要求，确保了装置的平稳运行，为吐哈油田第二经济支柱的发展作出了贡献。

二、脱水工艺简介

2.1装置吸附塔工作过程及吸附剂简介

在天然气处理装置中，吸附塔的作用是对原料气进行深度脱水，目前国外引进的、国内自行设计的吸附塔都是固定床式，为保证连续操作，至少需要两个吸附塔，而温M气处理装置吸附塔采用三塔流程，吸附周期为8小时，吸附时，原料气自上而下流动，避免了因塔内气体流速大而搅动床层，吸附过程完成后进入再生加热过程，再生气自下而上流动，使床层底部分子筛得到完全再生，然后进入冷吹过程，冷吹气自上而下流动，将再生后的分子筛床层冷却到吸附时的床层温度。

在常用吸附剂中，分子筛与硅胶和活性氧化铝相比具有更多的优点，分子筛有3A、4A和5A三种，本装置吸附塔采用4A分子筛作为吸附剂。

2.2装置脱水工艺简介

二级出口空冷器来的增压原料气进入高压分离器，分离出的液烃进入闪蒸塔，液态水进入低压分离器，气相分为三股，一股为吸附气，一股为再生气，还有一股为冷吹气，分别进入三具分子筛吸附塔。

吸附气经过吸附塔脱水后进入粉尘过滤器，滤去粉尘后进入后续流程。

再生气进入再生气换热器与导热油换热，出来的高温再生气进入吸附塔对吸附后的分子筛床层进行再生，冷吹气进入吸附塔，为再生后的分子筛床层降温，从吸附塔出来的再生气和冷吹气汇合到一起进入再生气空冷器，冷却后的混合气进入再生气分离器，分离出的水进入低压分离器，气相又与吸附气汇合进入吸附塔脱水,分子筛吸附塔吸附周期为8小时。

装置吸附脱水工艺流程图如下：

三、现状调查及分析

表1装置扩容前后制冷温度对比表

装置处理量50×

104NM3/d

低温分离器温度，℃

-38

主换热器液烃出口温度，℃

塔顶冷凝器液烃出口温度，℃

-35

低温分离器干气节流后温度，℃

-57

装置处理量70×

-34

膨胀机出口温度，℃

-58

再冷凝器液烃出口温度，℃

-63

表2吸附脱水工艺参数运行表

压力,MPa

流量,m3/h

温度,℃

换前床层出口温度℃

吸附气

2.75

29000

40

44

再生气

2.86

3200

230

196

冷吹气

2.84

2200

60

压力，MPa

温度，℃

液位,m

高压分离器

2.90

0.6

再生气分离器

2.80

35

0.4

表3冷箱冻堵次数统计表

月份

主换热器液烃冻堵次数，次

再冷凝器液烃冻堵次数，次

合计

99.1

3

99.2

1

4

99.3

2

99.4

99.5

99.6

总计

19

从上列表格中可以看出，由于装置扩容后制冷方式由单一丙烷制冷改进为丙烷制冷加膨胀机膨胀制冷，冷箱制冷温度由-38℃降为-58℃，随着制冷温度的降低，要求脱水后的天然气的水露点达到-80℃，而装置分子筛吸附塔脱水天然气水露点设计值为-73℃，与目前工艺要求的露点有一定的差距。

没有达到水露点要求的天然气经过低温干气预冷和丙烷相变制冷后进入冷箱主换热器与膨胀后的干气换热，温度降低到-38℃，而从脱乙烷塔顶冷凝器来的气液混合物与重接触塔来的低温干气在冷箱的再冷凝器中经过两次换热，温度降为-63℃。

低温气液混合物进入主换热器和再冷凝器的壳程，流通截面积突然增大，产生节流效应，又因为换热管上布满了翅片，物流与翅片的接触面积很大，而且流向多变，没有脱除的水分结冰附着在换热器进口的器壁上，连续不断的物流所带的微量水分都在此凝聚下来，导致冷箱的流通截面积逐渐减小，流通能力下降，直到不能满足工艺要求的流通能力，就形成了冻堵，造成冷箱前后压降增大，系统压力升高，导致装置无法正常生产。

四、天然气脱水后露点高的原因分析

装置分子筛吸附塔脱水工艺采用的吸附剂是分子筛。

从分子筛吸附脱水的应用实践上来说，经过分子筛床层的吸附作用可以将原料气的含水量降到1ppm，最大露点降可以达到120℃，水露点能达到-80℃左右，但是，温M装置扩容后经过分子筛吸附塔脱水后的天然气水露点达不到工艺要求。

下面我们对影响天然气水露点的几个因素进行分析。

4.1分子筛吸附塔吸附脱水能力的影响

4.1.1分子筛吸附过程中传质区对天然气露点的影响

图2吸附传质区移动图

图3吸附露点与时间的关系

装置在处理量增加到70×

104NM3/d的情况下，仍然使用为50×

104NM3/d装置设计的分子筛吸附塔，

从吸附传质区移动图上可以看出，在吸附周期开始时，吸附塔顶分子筛开始吸附水蒸汽，形成吸附传质区。

进入吸附中期吸附传质区向下推移，吸附塔上部分子筛已被水蒸汽饱和。

当到吸附末期时，吸附传质区基本已到达分子筛床层的最下端，流出气体的水露点已开始上升，由出口气体露点与时间的关系曲线也可以看出，在转效点时出口气体的含水量开始上升，而分子筛吸附塔从湿气中吸附的总水量增加了1.4倍，势必会导致吸附传质区提前到达转效点，分子筛床层继续吸附天然气中水分，此时分子筛已处于吸附容量饱和状态，失去脱水能力，也就是说湿气穿透了分子筛床层，从而导致分子筛塔吸附后天然气的水露点急剧上升。

4.1.2分子筛吸附塔吸附能力计算

4.1.2.1计算公式

G=QW　　<

1）

式中：

G-吸附气含水量，kg/d。

Q-吸附气量，103m3/d；

W-吸附气在操作压力和温度下的含水量，kg水/1000m3吸附气。

q=0.05305G/D2　　　<

2）

q-床层截面积水负荷，kg/（h·

m2>

；

D-吸附塔内径，m。

Hz=（1.41Aq0.7895>

/Vg0.5506Rs0.2646

Hz-吸附床层传质区长度，m。

Vg-允许空塔流速，m/min。

Rs-吸附气相对湿度，％。

VDES=100W2/XsρD　　<

3）

VDES-吸附剂用量，m3；

W2-一个周期吸附剂吸收的水量，kg水/T；

Xs-吸附剂的动态饱和湿容量，kg水/100kg吸附剂；

ρD吸附剂堆密度，kg/m3。

Ht=VDES/F　　　<

4）

Ht-有效吸附床层高度，m；

F-吸附床层截面积，m2。

F=ΠD2/4　　　<

5）

D为吸附塔内径，m

ф=Ht/H　　　<

6）

ф-有效吸附床层高度占床层高度的比例,％；

H-吸附塔的床层高度，m。

xHt=XsHt-0.45XsHz<

7）

X-吸附剂有效吸附容量，kg水/100kg吸附剂，要求X<

Xs。

θB=0.01xρDH/q

H-吸附塔床层高度，m。

θB-转效点，h。

β=1-T/θB

β-吸附塔操作弹性，％；

T-吸附周期，h。

4.1.2.2已知条件

吸附气相对湿度可以近似认为是100％，温度为40℃,压力为2.90MPa<

绝对压力）,分子筛吸附后干气含水量在1ppm以下，可以忽略不计，分子筛颗粒为球型，平均直径为0.0032m,堆密度为660kg/m3,分子筛吸附塔内径为1.6m,床层高度为4.8m。

从脱水吸附剂湿容量推荐表上得出分子筛动态吸附湿容量为10kg水/100kg分子筛，从天然气含水量主算图上可查出吸附气的含水量，经校正后为2.26kg水/1000m3吸附气。

从分子筛吸附脱水器允许空塔流速图上可查出空塔流速为12m/min。

表4脱水吸附剂湿容量推荐值

吸附剂

湿容量<

kg水/100kg吸附剂）

活性铝土矿

4～6

活性氧化铝

4～7

硅胶

7～9

分子筛

9～12

图4天然气含水量主算图

图5分子筛吸附脱水器允许空塔流速

4.1.2.3计算

50×

104NM3/d吸附塔的处理能力计算：

G=500×

2.26=1130kg

q=0.05305×

1130/1.62=23.41kg/（h·

Hz=1.41×

0.6×

23.410.7895/（120.55061000.2646>

=0.7675m

VDES=100×

1130×

8/（24×

660×

10>

=5.707m3

F=Π×

1.62/4=2.011m2

Ht=5.707/2.011=2.8378m

ф=2.8378/4.8=59.1％℅

X=<

10×

2.8378-0.45×

0.7675×

10）/2.8378=8.783kg水/100kg

X<

Xs。

θB=0.01×

8.783×

4.8/23.41=11.9h

β=1-8/12=33.3％℅

操作弹性为33％℅

70×

G=700×

2.26=1582kg

1582/1.62=33.06kg/（h·

33.060.7895/（120.55061000.2646>

=1.01m

8×

1582/（24×

=7.990m3

Ht=7.99/2.011=3.973m

ф=3.973/4.8=82.8％℅

3.973-0.45×

1.01×

10）/3.973=8.856kg水/100kg

8.856×

4.8/33.06=8.49h

β=1-8/8.5=5.9％℅

操作弹性为5.9％℅

由此可见，由于分子筛吸附塔处理量的操作弹性太小，吸附床层出口处分子筛在吸附末期接近饱和状态，吸附容量很小，气处理量和含水量波动大和参数发生改变时都会导致湿气穿透分子筛床层，造成出口天然气露点的升高。

4.2高压分离器的分离效果对脱水后天然气水露点的影响

在装置吸附脱水工艺中，第一个设备就是高压分离器，高压分离器是一个非常重要的部分，因为在吸附周期中，增压后的湿的原料气经过降温首先要进入高压分离器进行三相分离，并在高压分离器内清除掉自由液体、夹带的湿气和固体颗粒，而自由液体可以损坏或破坏吸附剂床层，使分子筛中毒，失去脱水作用。

湿气在高压分离器中分离出液态水和较重的液烃，液烃通过液位控制调节阀流向闪蒸塔，液态水则通过浮筒式排污调节阀流向低压分离器。

在实际生产中，高压分离器的液位控制极不平稳，液位在0.55-0.95m之间波动,，分离效果差，而且分液苞的油水界面控制阀调节精度差，油水界面液位计显示失真，界面波动很大，造成分离器中水位上升，从分离器顶部出去的气相夹带出部分液烃和液态水进入吸附塔，使部分分子筛被淹中毒失去脱水效果，导致分子筛床层吸附容量的降低，从而导致吸附塔出口天然气露点升高。

4.3二级出口空冷器出口温度对天然气水露点的影响

吸附气的温度是由二级出口空冷器来控制的，温度的高低决定了天然气中饱和含水量的多少。

从天然气含水量的图表中，不难看出在压力一定的情况下，随着温度的下降，天然气的含水量有明显的下降，高压分离器的压力为2.9MPa时，温度在40℃时，天然气含水量为2.32kg/1000m3,温度在35℃时天然气的含水量为1.72kg/1000m3，因此，实际生产中二级出口温度为35℃-40℃之间波动，高压分离器出来的气体中含水量较高，无形中增加了分子筛吸附塔的脱水负荷导致脱水后天然气水露点的升高。

4.4吸附塔再生冷吹效果对天然气露点的影响

4.4.1再生完成后分子筛床层出口温度对天然气露点的影响

分子筛吸附塔再生初期，进入吸附塔的高温再生气主要用于加热塔体及其内部的填充物，经过一段时间，塔内温度升至大约125℃，底部分子筛床层中的水分开始蒸发，吸附塔出口温度上升的非常缓慢，这时，大部分热量用于汽化水分，水分脱附后被再生气从吸附塔出口带走，随着吸附塔出口温度的升高，吸附塔分子筛床层的分子筛自下而上再生好，进入再生末期时，吸附塔床层出口温度达到185℃，此时吸附塔最上部的分子筛再生处于关键状态，因为这部分分子筛的再生程度将最终决定该具吸附塔内分子筛的吸附容量，而装置扩容后吸附塔在一个周期里所吸附的水量增加了1.4倍，把分子筛吸附下来的水分脱附出来所需的热量增加，导致吸附塔床层再生到185℃以上后，稳定的时间不到1小时，吸附塔最上部的分子筛并没有完全再生好，造成吸附塔的吸附容量下降，从而使吸附后期的吸附塔出口天然气露点升高。

下面是再生冷却过程中的温度变化图

图7再生冷却过程中的温度变化图

4.4.2冷吹完成后分子筛床层出口温度对天然气露点的影响

分子筛吸附塔的冷吹过程是将再生后的分子筛床层冷却到吸附时的床层温度，一般为50℃-55℃，但是温M装置采用湿原料气作为再生气，在分子筛床层冷吹到101℃以下后，分子筛开始对冷吹气中的水分进行吸附，造成分子筛床层的预饱和，由于吸附塔处理量的操作弹性太小，而实际操作时冷吹温度为60℃，势必会降低分子筛床层的吸附容量，造成分子筛吸附塔出口天然气露点的升高。

4.4.3再生气空冷器后温度对脱水后天然气露点的影响

实际生产中，由于再生气空冷器和压缩机二级出口空冷器共用三台风扇，为了维持进入吸附塔的湿气的温度，造成再生气空冷器的温度控制波动大。

再生气分离器温度高于吸附气时，空冷后的混合气与吸附气混合后会有液体析出，从而使分子筛带液。

温度太低时，大量较重的烃类就会冷凝下来，再生气分离器液位排放不及，从而使再生气分离器的液位偏高；

尤其是冬季，开一台风扇的情况下，百叶窗全关死，再生气的温度仍然在15℃以下，达到了天然气水化物生成的临界温度以下，从而容易生成水化物，导致再生气排水管线堵塞，造成再生气分离器水位高，从而使再生气分离器顶出来的气相夹带液烃和液态水进入吸附塔，使分子筛中毒，降低分子筛床层的吸附容量，从而导致分子筛床层出口天然气露点升高。

4.4.4再生气和冷吹气流量控制的影响

分子筛吸附塔再生气与冷吹气的流动动力来源于吸附调节阀产生的压差，否则，再生气和冷吹气是不可能再回到吸附气管线的。

吸附调节阀前后压差一般控制在2kgf/cm2左右，压差太大系统压力损失也大，同时也不利于平稳控制再生、冷吹气流量。

当然压差太小，低到一定程度就不能保证再生、冷吹气的流量。

目前装置使用的吸附调节阀控制调节阀前高压分离器的压力，流通直径为DN100，由于装置扩容后处理量增大，其流通能力已不能满足工艺要求，为了维持增压系统的正常运行，调节阀经常处于全开状态，压差波动很大，从而使再生气和冷吹气流量值偏低，而且控制不平稳，导致吸附塔的再生、冷吹效果差，造成分子筛吸附塔脱水后的天然气露点升高。

4.4.5再生气分离器液位控制对脱水后天然气露点的影响

再生气分离器的作用是将再生气从分子筛床层脱附出来的水分分离出来，在生产中，再生气分离器液位波动范围很大，这是因为再生过程开始后，当分子筛床层温度上升到125℃后，床层中的水分开始大量脱附出来，这时再生气分离器的液位上升很快，而分离器中的液态水从排污管线进入低压分离器，管线和液位调节阀流通直径均为25mm,流通能力较小，液态水排放不及，分离器液位升高，从而造成分离器顶出去的气相中夹带部分液态水，进入分子筛床层后，液态水使分子筛中毒，从而使分子筛床层吸附容量下降，导致脱水后的天然气露点上升。

4.5分子筛切换配套阀组对脱水后天然气露点的影响

4.5.1配套阀组的使用情况

三具分子筛吸附塔的状态切换是靠气动两位调节阀的开关来控制的，切换操作是由时间控制器按照吸附周期来控制的，本装置使用的是吴忠仪表厂的气动调节两位球阀，切换周期为8小时。

由于吸附塔中的分子筛使用年限长，在吸附气长期的冲击之下产生粉尘，并有部分破碎的分子筛颗粒被吸附气夹带出来，这些粉尘和较大的颗粒在切换过程中沉积到切换球阀的阀座上，并被压在阀座和阀芯的密封面上，而球阀密封面硬度不够大，使密封面上生成了凹凸不平的小压痕，致使密封面不再密封。

这些切换球阀的密封性能变差，关闭不严，导致球阀内漏，在吸附的过程中，会发生再生气和冷吹气窜到吸附气中的现象，降低分子筛床层脱水效果。

4.5.2切换球阀内漏对分子筛吸附塔脱水效果的影响

因为吸附气、再生气和冷吹气的工作压力不同，再生气和冷吹气的压力比吸附气高，而且再生气和冷吹气都来自湿气，从分子筛床层出来后露点仍然很高，发生球阀内漏后对吸附塔的脱水效果有很大影响，下面我们对切换球阀内漏的几种情况进行分析。

4.5.2.1当分子筛干燥塔处于吸附状态时，如果再生气进口球阀内漏，或当分子筛燥塔处于再生状态时，如果吸附气出口球阀内漏，再生气就会直接从吸附气的出口流走，这股再生气没有经过分子筛吸附，其中的水分将提高分子筛干燥塔出口吸附气的露点。

4.5.2.2当分子筛干燥塔处于吸附状态时，如果再生气出口球阀内漏，或当分子筛燥塔处于再生状态时，如果吸附气入口球阀内漏，带着从分子筛床层中脱附出来的水分的再生气就会直接从吸附气的进口重新进入分子筛吸附脱水，增加了分子筛的脱水负荷，提高了分子筛干燥塔出口吸附气的露点。

4.5.2.3当分子筛干燥塔处于吸附状态时，如果冷吹气进口球阀内漏，或当分子筛干燥塔处于冷吹状态时，如果吸附气入口球阀内漏，冷吹气就会直接从吸附气的进口进入干燥塔，这股冷吹气经过分子筛吸附，对分子筛干燥塔出口吸附气的露点影响不大。

4.5.2.4当分子筛干燥塔处于吸附状态时，如果冷吹气出口球阀内漏，或当分子筛燥塔处于冷吹状态时，如果吸附气出口球阀内漏，冷吹气就会直接从吸附气的出口进入后续流程，这股冷吹气经过分子筛床层时分子筛床层温度很高，吸附能力较差，不能完全吸附冷吹气中的水分，势必会引起分子筛干燥塔出口吸附气的露点上升。

综上所述，以上几种情况中有6种情况都会导致分子筛干燥塔出口吸附气的露点上升。

五、提高天然气脱水露点的措施与实施

1、减少吸附塔在一个吸附周期里的脱水量

由于吸附塔切换周期为8小时，而吸附塔分子筛床层的转效点为8.5小时，操作弹性5.6％，吸附塔的安全操作弹性太小，在原料气来气量增大时转效点在吸附塔切换前提前到来，吸附传质区到达吸附塔最上部时，仍然继续吸附，势必会造成湿气穿透分子筛床层从而使脱水后的天然气露点升高。

鉴于本装置吸附脱水工艺是三塔工艺，即使把吸附塔的吸附周期改为6小时，再生和冷吹也能在这个周期内再生冷吹完毕。

因此，分子筛干燥塔切换周期由8小时改为6小时是可行的。

吸附周期由8小时改为6小时后，在一个周期里分子筛床层吸附的水量下降了25％，在吸附塔吸附周期末期，吸附传质区到达吸附塔最上部前就进行切换，此时吸附气出口的水露点还没有开始上升，可以使分子筛吸附塔出口天然气水露点降低，从而满足后续工艺的要求。

2、改造高压分离器的液位控制系统

2.1订购并更换高压分离器和分液苞的液位计为双色玻璃板液位计，使液烃的液位和油水界位真实显示，定期校验液位变送器和液位调节阀，操作人员加强巡检并及时对高压分离器液位和油水界位进行调节。

2.2订购并安装天津FISHER油水界面控制仪。

使油水界面控制实现现场自动控制，确保油水界面控制平稳，增强高压分离器的三相分离效果，以避免高压分离器出口气相中夹带液态水进入吸附塔。

高压分离器液位控制图如下

3、降低吸附气中的含水量

吸附气的温度由二级出口空冷器控制，如果空冷后温度太低，二级空冷器内有可能出现水化物导致空冷器冻堵，从天然气组分形成水化物的临界温度表可以得知天然气在21.5℃以上不可能形成水化物。

名称

CH4

C2H6

C3H8

iC4H10

nC4H10

CO2

H2S

临界形成温度，℃

21.5

14.5

5.5

2.5

10.0

29.0

表5天然气组分形成水化物的临界温度

由于天然气温度越低则饱和含水量就越低，我们将装置吸附气温度为40℃降为30℃，减少吸附气中的饱和含水量，降低吸附塔的脱水负荷，从而提高脱水后天然气的露点。

在夏季，压缩机的处理量达不到设计能力时可以适当提高其温度，但不能超过38℃。

4、优化再生冷吹工艺参数

4.1再生气参数的优化

由于分子筛吸附塔切换周期由8小时缩短为6小时后，再生气对分子筛床层再生加热的时间缩短，而床层中水分子脱附需要的热量并没有发生很大改变，所以需要再生气提供更多的热量，通常，再生气流量是总的湿原料气流量的5℅-15℅，我们将再生气流量设定值由3200方/小时增加到4300方/小时，将导热油炉出口温度设定值由245℃提高为265℃，从而使再生气换热器出口再生气温度由230℃提高到245℃，确保了吸附塔再生末期床层出口温度到195℃后稳定2小时左右，保证吸附塔最上部的分子筛再生充分，从而提高了再生后分子筛的吸附湿容量。

4.2冷吹气参数的优化

由于分子筛床层的冷吹周期缩短，冷吹过程中单位时间所需的冷量增加，我们将冷吹气的流量设定值从2200方/小时增加到2800方/小时，而且把分子筛床层冷吹结束后的温度设定值由60℃提高到90℃，减少了分子筛床层对冷吹气中水分的吸附量，从而降低了冷吹气对分子筛床层的预饱和程度，提高了床层的吸附湿容量。

4.3平稳控制再生气空冷器出口温度

为了平稳控制再生气出口温度，我们将再生气空冷器上下两层增加旁通控制，并把上层和二级出口空冷器并联，减少二级出口空冷器温度对再生气空冷器温度的影响，在夏季再生气空冷器温度太高，我们将再生气空冷器全部投运，百叶窗全开，并定期对空冷器喷淋水喷头进行清洗，增加喷淋水的冷却效果，在冬季温度低时，只投运一层再生气空冷器，并