天然气分子筛脱水装置工艺设计.docx

1、天然气分子筛脱水装置工艺设计1概述1.1设计要求原料气压力为 4.5MPa，温度 30，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)

2、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： 100104 m3/d 原料气压力： 4.5 MPa 原料气温度： 30 脱水后含水量： 1 ppm 天然气气质组成见表 1-1 。表 1-1 天然气组成表（干基）组分H2HeN2CO2C1C2mol%0.0970.0520.550.0269

3、4.5953.305组分C3iC4nC4iC5nC5C6+mol%0.730.1210.1560.0560.0520.2621.5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 100104m3/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

4、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08h816h16 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08h816h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

5、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

6、 , 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

7、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 1 ppm，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

8、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/T 0076-2003 天然气脱水设计规范HG/T 20570.2-95 安全阀的设置和选用SY/T 0524-2008 导热油加热炉系统规范GB/T 8163-2008

9、输送流体用无缝钢管GB/T 17395-2008 无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差GB 50251-2003输气管道工程设计规范GB 50350-2005油气集输设计规范GB 8770-1988分子筛动态水吸附测定方法GB/T 9019-2001 压力容器公称直径GB 150-1998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/T 0515-2007 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

10、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： 原料气压力： 4.5MPa 原料气温度： 30 床层温

11、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/m 3 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/m 3 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

12、焓： -3780kJ/kg 干气温度： 30 干气压力： 4500kPa 干气将床层冷却到： 30 干气在 30、4500kPa的密度： 33.88 kg/m 3 干气在 30、 4500kPa的热焓： -4448 kJ/kg 干气在 130、 4500kPa的热焓： -4193 kJ/kg 干气在 30、 4500kPa下的低位热值： 49210 kJ/kg2.2物料平衡表表 2-1 10010 4 m3/d 天然气分子筛脱水装置设计 物料表物料流1234567气体分率11110.982510温度，3035302603029.8729.87压力， KPa4500450045004500448

13、044504450摩尔流量 ,kmol/h1736.8351734.903180.8180.8180.8177.6283.172质量流量， kg/h29743.3529708.553096.033096.033099.033041.8957.14液体体积流量 ,m3/h95.6595.619.969.969.849.780.06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/m317.12517.12417.12417.12417.14117.12518.015分子量33.8933

14、.1333.8817.4434.3333.491005.01压缩因子0.90230.90790.90230.99680.90310.0317粘度 ,cp0.01250.01260.01250.01840.01240.7995组成（ mol%）氢气0.09690.09700.09700.09700.09520. 09690. 0000氦气0.05190.05200.05200.05200.05100. 05190. 0000氮气0.054940.55000.55000.55000. 53970. 54940. 0003二氧化碳0.02600.02600.02600.02600.02550. 02

15、600. 0004甲烷94.489894.595094.595094.595092.832094.48960. 0000乙烷3.30133.30503.30503.30503.24343.30130. 0000丙烷0.72920.73000.73000.73000. 71640. 72920.0000异丁烷0.12090.12100.12100.12100. 11870. 12090. 0000正丁烷0.15580.15600.15600.15600. 15310. 15580. 0000异戊烷0.05590.05600.05600.05600. 05500. 05590. 0000正戊烷0.

16、05190.05200.05200.05200. 05100. 05190. 0000正己烷0.25970.26000.26000.26000. 25520. 25970. 0000水0.11120.00000.00000.00001.86370. 111499.99932.3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

17、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）5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）4500分子筛类型4A 条形分

18、子筛装填顺序由下至上分子筛厚度（ mm）2500封头内径（ mm）1600材料16MnR低合金压力容器用钢厚度（ mm）12质量（ kg ）276.37裙座类型圆筒形裙座质量（ kg ）473.7壁厚（ mm）12外径（ mm）1624高度（ m）12.4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 1 m 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

19、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

20、作温度，30工作压力， kPa4500气体体积流量， m/h896.8过滤精度，m5过滤器计算截面积， m20.097过滤器选用外径， mm300过滤器型号SBFQ 300-4.5/5 C2.5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

21、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

22、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

23、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 24m/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 2.53m/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 YD325 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

24、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 ）3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 YD325 的技术参数：表 2-5 导热油炉技术参数参数额定热功热效率设计压力最 高 介 质循环油量设备名称率(MW)(%)（MPa）温度（）3( m3/h )QX1.2(100)-Y/Q1.280135065表 2-6 YD 325 导热油工艺参数表温度（）物理特性50100150200250300350密度（ kg/m3 ）1007972936910874845821比热 C(kJ/kg

25、 )1.8842.06662.23952.41242.58532.75832.896热功率（ MW）1.65732.6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工艺参数及几何尺寸再生气分离器原 始 数 据操作温度，30操作压力， MPa4.48工况下气体流量， m/s0.0251工况下气相密度， kg/m333.85工况下液相密度， kg/m31005工况下气体粘度， mPas0.01247工况下气体的压缩因子0.902

26、5型式立式重力式计算值2f ( Re2)0.00274阻力系数54液滴沉降速度， m/s0.026分离器直径计算值， m0.039捕雾器气流允许速度， m/s0.43捕雾器面积计算值， m20.059设备名称再生气分离器选 用 值选用公称直径， mm600筒体长度， mm1800捕雾器厚度， mm150材质16MnR型号LE0.6 1.8-4.48/2有效容积， m30.62.7安全阀的选型根据 HG/T 20570.2-95 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 ：表 2-7 再生分离器计算结果及选型结果再生气分离器工艺参数

27、及几何尺寸操作温度，29743.344.95MPa泄放量（ kg/h ） 开启压力（ MPa） 通道截面积（ mm）2公称通径( mm)DN35公称压力( MPa)6.4表 2-12 安全阀的选型结果安全阀类型A42Y-64 型弹簧封闭全启式安全阀泄放量， kg/h29743.34开启压力， MPa4.95MPa通道截面积， mm2826公称通径， mmDN35公称压力， MPa6.42.8管线的选型按照输送流体用无缝钢管( GB/T 8163-2008 )，选择系统内用无缝钢管管 材为无缝钢管 20号。s 为 245MP。则可根据无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏 差( GB/T 17395-

28、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 管线原料气出塔 管线再生气进塔 管线再生气出炉 管线再生气出塔 管线再生气进分 离器管线再生气出分 离器气相 管线再生气出分 离器液相管 线基 础 数 据流体介质天然气天然气天然气天然气天然气天然气天然气水设计温度，505050250250505050设计压力， Mpa55555555工况下的输量， m3/s0.24380.24910.02540.04930.04340.02550.02521.6E-05经济流速， m/s101010101010101计 算 数 据计算管线内径 ,mm17717857807557574.5计算管线壁厚， mm4.154.172.032.442.352.042.061.1计算管线外径， mm185.3186.3461.0684.8879.761.0861.126.7选 型 结 果