天然气分子筛脱水装置工艺设计说明书.docx
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天然气分子筛脱水装置工艺设计说明书
天然气分子筛脱水装置工艺设计说明书
1概述
1.1设计要求
原料气压力为4.5MPa,温度30C,工艺流程要求脱水后含水量在1ppm以下（质）,采用球形4A分子筛吸附脱水，已知4A分子筛的颗粒直径为3.2mm,堆密度为660kg/m3，吸附周期采用8小时。
其具体内容如下：
1.绘制天然气脱水工艺流程图；
2.确定工艺流程的主要工艺参数；
3.对脱水系统中主要设备进行工艺计算，并确定主要设备的结构尺寸和型号。
4.确定流程中主要管线的规格（材质、壁厚、直径）。
5.编写工程设计书。
1.2设计范围
分子筛吸附塔装置
导热油换热单元
过滤器
再生气分离器
连接管道
排污放空系统
安全阀，调压阀
1.3设计原则
1）贯彻国家建设基本方针政策，遵循国家和行业的各项技术标准、规范。
2）贯彻“安全、可靠”的指导思想，紧密结合上、下游工程，以保证中央处理厂
安全、稳定地运行。
3）根据高效节能、安全生产的原则，采用先进实用的技术和自控手段，实行现代化的管理模式，实现工艺、技术成熟可靠、节省投资、方便生产。
4）充分考虑环境保护，节约能源。
1.4气质工况及处理规模
气体处理规模：
100X104m3/d
原料气压力：
4.5MPa
原料气温度：
30C
脱水后含水量：
＜1ppm天然气气质组成见表1-1。
表1-1天然气组成表（干基）
组分
H2
He
N2
CO2
C1
C2
mol%
0.097
0.052
0.55
0.026
94.595
3.305
组分
C3
iC4
nC4
iC5
nC5
C6+
mol%
0.73
0.121
0.156
0.056
0.052
0.262
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100X104m3/d（20°C、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
冷却
吸附
加热
分子筛脱水塔C
加热
冷却
吸附
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
吸附器
0〜8h
8〜16h
分子筛脱水塔A
吸附
加热/冷却
分子筛脱水塔B
加热/冷却
吸附
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，本设计中米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;C）
瓷球比热：
0.88kJ/（kgC）
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30C，加热炉出口温度为275Co
由HYSYS软件计算出的基础数据如下：
原料气压力：
4.5MPa
原料气温度：
30C
床层温度：
35C
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、30C下的密度：
33.89kg/m3
天然气在4.5MPa、30C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：
260C
再生加热气出吸附器的温度：
200C
再生气在260C、4500kPa下的密度：
17.44kg/m3
再生气在260C、4500kPa的热焓：
-3826kJ/kg
再生气在117.5C、4500kPa的热焓：
-4226kJ/kg
再生气在275C、4500kPa的热焓：
-3780kJ/kg
干气温度：
30C
干气压力：
4500kPa
干气将床层冷却到：
30C
干气在30C、4500kPa的密度：
33.88kg/m3
干气在30C、4500kPa的热焓：
-4448kJ/kg
干气在130C、4500kPa的热焓：
-4193kJ/kg
干气在30C、4500kPa下的低位热值：
49210kJ/kg
2.2物料平衡表
表2-1100X104m3/d天然气分子筛脱水装置设计物料表
物料流
i
2
3
4
5
6
7
气体分率
i
1
1
1
0.9825
1
0
温度，c
30
35
30
260
30
29.87
29.87
压力，KPa
4500
4500
4500
4500
4480
4450
4450
摩尔流量，kmol/h
1736.835
1734.903
180.8
180.8
180.8
177.628
3.172
质量流量，kg/h
29743.35
29708.55
3096.03
3096.03
3099.03
3041.89
57.14
液体体积流量,m3/h
95.65
95.61
9.96
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
17.124
17.124
17.141
17.125
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
0.9023
P0.9968
一
0.9031
0.0317:
粘度,cp
0.0125
0.0126
0.0125
0.0184
一
0.0124
0.7995
组成
（mol%）
氢气
0.0969
0.0970
0.0970
P0.0970
0.0952
0.0969
0.0000:
氦气
0.0519
0.0520
0.0520
0.0520
0.0510
0.0519
0.0000
氮气
0.05494—
0.5500
0.5500
—0.5500
0.5397
0.5494
0.0003「
二氧化碳
0.0260
0.0260
0.0260
0.0260
0.0255
0.0260
0.0004
r甲烷
94.4898
94.5950
94.5950
—94.5950
92.8320
94.4896
0.0000「
乙烷
3.3013
3.3050
3.3050
3.3050
3.2434
3.3013
0.0000
p丙烷
0.7292
0.7300
0.7300
0.7300
0.7164
0.7292
0.0000
异丁烷
0.1209
0.1210
0.1210
0.1210
0.1187
0.1209
0.0000
p正丁烷
0.1558
0.156
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