天然气分子筛脱水装置工艺设计说明书

PAGE1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：绘制天然气脱水工艺流程图；确定工艺流程的主要工艺参数；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。确定流程中主要管线的规格（材质、壁厚、直径）。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。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。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。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：100×104m3/d原料气压力：4.5MPa原料气温度：30℃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H2HeN2CO2C1C2mol%0.0970.0520.550.02694.5953.305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0～8h8～16h16～24h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0～8h8～16h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：原料气压力：4.5MPa原料气温度：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：30℃干气压力：4500kPa干气将床层冷却到：30℃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/kg2.2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1234567气体分率11110.982510温度，℃3035302603029.8729.87压力，KPa4500450045004500448044504450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33.8933.1333.8817.4434.3333.491005.01压缩因子0.90230.90790.90230.9968—0.90310.0317粘度,cp0.01250.01260.01250.0184—0.01240.7995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0.02600.02600.02600.02600.02550.02600.0004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0.05190.05200.05200.05200.05100.05190.0000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≥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，℃30工作压力，kPa4500气体体积流量，m3/h896.8过滤精度，μm5过滤器计算截面积，m20.097过滤器选用外径，mm300过滤器型号SBFQ300-4.5/5C2.5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）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YD—325的技术参数：表2-5导热油炉技术参数参数设备名称额定热功率(MW)热效率(%)设计压力（MPa）最高介质温度（℃）循环油量（m3/h）QX1.2(100)-Y/Q1.280135065表2-6YD—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·℃)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，mPa·s0.01247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/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续表2-7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/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：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，mPa·s0.01247工况下气体的压缩因子0.9025型式立式重力式安全阀类型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，MPa6.4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选型结果选取管线外径，mm19019060898960608选取管线壁厚，mm772.2442.22.21.7管线规格Φ190×7Φ190×7Φ60×2.2Φ89×4Φ89×4Φ60×2.2Φ60×2.2Φ10×1.5管线材质无缝钢管20#无缝钢管20#无缝钢管20#无缝钢管20#无缝钢管20#无缝钢管20#无缝钢管20#无缝钢管20#实际流速，m/s10.0310.2410.479.578.4310.5110.590.96PAGE2PAGE12.9材料设备表表2-10材料设备附表序号名称及规格单位数量一工艺设备1埋地卧式储油罐15m3个330m3个12立式重力分离器个13天然气压缩机个14篮式过滤器SBL14 台25污水罐座16调压计量撬装套17高压储气井口68卧装篮式过滤器SBL-W台19调压器1//-NPT-627PN4.0MPa台11//-NPT-HSRPN1.6MPa台110配套阀门管线套1二阀门1不锈钢闸阀Z41WPN1.6DN80只10Z41WPN1.6DN20只102高压闸阀Z41H-40CPN25DN25只223高压焊接球阀PN25DN25只204焊接球阀PN1.6DN14只13PN1.6DN16只8PN1.6DN18只8续表2-10序号名称及规格单位数量PN1.6DN20只45安全阀A42Y-16CPN1.6DN80只1A42Y-320PN25DN25只26不锈钢螺纹截止阀PN1.6DN80只5三仪表1不锈钢双金属温度计（径向）测量范围：0~400℃ 只12全不锈钢压力表Y-50B-Z测量范围-0.1~0.9MPa只8Y-100B测量范围-0.1~40MPa只83计算书3.1吸附计算3.1.1吸附器直径计算通过HYSYS软件，已知处理量为1736.8kmol/h原料气在4500kPa、30℃的饱和含水量为0.1112%（摩尔分数）。按全部脱去考虑，需脱水量：。吸附周期T=8h，总共脱水：。操作条件（30℃，4.5MPa）下气体体积流量：Q=877.74m3/h操作条件（30℃，4.5MPa）下气体质量流量：。已知分子筛密度，分子筛。即可根据雷督克斯的半经验公式求得吸附塔直径，半经验公式如下：(3.1)式中G——允许的气体质量流速，；C——系数，气体自上向下流动，取0.25~0.32；自下向上流动，取0.167；——分子筛的堆密度，kg/；——气体在操作条件下的密度，kg/；Dp——分子筛的平均直径（球形）或当量直径（条形），m。已知分子筛密度，分子筛。因此，吸附塔的截面积：。直径：，取1600mm，则F=2.0096m2。3.1.2吸附器高径比计算分子筛有效吸附容量取8kg（水）/100kg（分子筛）吸附塔需装分子筛：则分子筛的体积为：V取20%的裕量，1.2V=1.2×5.44=6.528m3床层高：，取3.2m，高径比约。3.1.3吸附传质区长度hz的计算由《天然气脱水设计规范》：(3.2)式中Hz——吸附传质区长度，m；A——系数，分子筛A=0.6，硅胶A=1，活性氧化铝A=0.8；q——床层截面积的水负荷，；vg——空塔线速，m/min；——进吸附塔气体相对湿度，%。q=34.76/2.0096=17.30气体流速:可见，无论是床层界面的水负荷或空塔流速都无问题，hT都大于2hz。3.1.4吸附剂的有效吸附容量校核由《天然气脱水设计规范》：(3.3)式中X——吸附剂的有效吸附容量，kg水/100kg吸附剂；Xs——动态平衡湿容量，kg水/100kg吸附剂；HT——吸附塔床层高度，m；hz——传质区长度，m。（kg水/kg分子筛）吸附剂的动态平衡湿容量XS大于吸附剂的有效吸附容量（X=8%)，则分子筛床层高度满足要求。3.1.5转效点计算由《天然气脱水设计规范》：(3.4)式中θB——到达转效点时间，h；ρb——分子筛的堆密度，kg/；x——选用的分子筛有效吸附容量，%；hT——整个床层长度，m；q——床层截面积的水负荷，。ρb=660kg/；x=8%；hT=3.2m；q=17.30>8h,符合设计要求。3.1.6吸附塔压力降计算由《天然气脱水设计规范》：计算式如下：(3.5)式中△P——压降，kPa；L——床层高度，m；μ——气体粘度，mPa·s；vg——气体流速，m/min；ρg——气体操作状态下的密度，kg/。分子筛选用3.2mm直径球形，查得则B=4.155，C=0.00135。温度30℃，压力4500kPa的操作条件下，已知ρg=33.89kg/，μ=0.0125mPa·s，气体流速vg=7.278m/min。规范规定吸附时气体通过床层的压降宜小于等于0.035MPa，不宜高于0.055MPa，否则应重新调整空塔气速。此处所算压降满足规范要求，无须重新调整空塔气速。再生加热和冷却时压降都很小，可不计算。3.1.7吸附器安全阀的计算根据HG/T20570.2-95《安全阀的设置和选用》计算：(1)安全阀的泄放量安全阀的泄放量应根据具体工艺过程来确定。本设计安全阀的泄放量均认为单位时间内流过设备的气体质量流量，即Gg=。(2)安全阀的设定压力（或开启压力）安全阀开始起跳时的进口压力称为安全阀的开启压力或设定压力。它应等于或小于受压设备或管道的设计压力。可按下面方法确定：当P≤1.8MPa时，P0=P+0.18MPa当1.8MPa<P≤7.5MPa时，P0=1.1P当P>7.5MPa时，P0=1.05P(3.6)式中P——被保护设备或管道操作绝对压力，MPa；P0——安全阀设定压力，MPa吸附塔操作压力P=4.5MPa，由于1.8MPa<P≤7.5MPa，则：(3)超压在泄放过程中，安全阀入口处的压力超过设定压力的部分。用Pα表示。对于安装在无火压力容器上的安全阀：Pα=0.1P=0.45MPa(4)泄放压力安全阀的阀芯升到最大高度后阀入口处的压力。泄放压力等于设定压力加超压。在工艺流程中，最高泄放压力可按下式确定：(3.7)式中Pm——安全阀最高泄放压力，MPa；P0——安全阀设定压力，MPa；Pα——安全阀超压，MPa。Pm=4.95+0.45=5.4MPa(5)背压作用在安全阀出口处的压力。背压分为静背压和动背压。静背压是指安全阀未起跳时阀出口处的压力；动背压是指安全阀起跳后，由于流体的流动引起的摩擦压力降值。背压一般应小于气体的临界流动压力值，气体临界压缩比可按下式计算：(3.8)式中σc——气体临界压缩比；k——气体绝热指数，可取1.2～1.4。如果背压满足式，则为临界流动，否则为亚临界流动。(6)安全阀通道截面积气体在临界流动条件下的最小泄放面积：(3.9)式中A——最小泄放面积，mm2；W——质量泄放流量，kg/h；C0——流量系数，由制造厂提供，若没有制造厂的数据，则取C0=0.975；X——气体特性系数，,k为绝热系数；P——泄放压力，MPa；Kb——背压修正系数，对于弹簧式安全阀Kb=1.0；T——泄放温度，K；Z——气体压缩因子；M——分子量。在4500kPa、30℃工作条件下，查HYSYS软件可得k=1.444，则：安全阀的直径：根据《油气田常用阀门手册》选用A42Y-64型弹簧封闭全启式安全阀，公称通径DN35mm，公称压力6.4MPa。3.2吸附塔的壁厚计算及选型3.2.1吸附塔壁厚计算根据吸附器设计压力及温度，吸附器材质选用16MnR(Q345R)。根据分子筛床层高度初步估计计算圆筒有效高度为5.5m。设计压力Pc=5MPa（略高于安全阀开启压力），设计温度Tc=300℃根据JB731-2008《锅炉和压力容器用钢板》查得设计温度下材质的许用应力=143MPa，其密度为7850kg/m3。吸附塔壁有下列公式计算：(3.10)式中δ——吸附塔的壁厚，mm；Pc——设计压力，MPa；Di——吸附塔管内径，mm；——合金钢的最大许用应力，MPa；φ——焊缝系数，无缝钢管取0.9，焊接钢管取0.8；C1——钢板负偏差，取0.8mm；C2——吸附塔腐蚀裕量，取1mm。mm，向上圆整后取34mm。3.2.2分子筛吸附塔的壁厚校核分子筛吸附塔名义壁厚为34mm，有效壁厚：δ=34-0.8-1=32.2mm。反算出吸附塔最大允许工作压力为：3.2.3吸附塔封头、裙座选型计算分子筛吸附器为立式容器，筒体两焊缝间距离为4500mm，两端采用标准椭圆封头，被支承在裙式支座上。分子筛吸附器内盛装分子筛脱水填料，装填顺序为由下至上，4A条形分子筛装填厚度为2500mm。在分子筛的上部和下部均装有直径为20mm的瓷球，厚度分别为200mm。在分子筛与瓷球之间设置两层10目/寸不锈钢丝网盘。该盘为分体组装式，可以由人孔装入或拆除。在分子筛的底部设置了支持格栅，该格栅有足够的通气面积和支持强度。吸附器封头：根据《椭圆形封头》（JB/T4737-95），吸附器内径为1600mm时，选择封头性质如表3-1所示。封头材料选为16MnR低合金压力容器用钢，则封头厚度为12mm，封头质量为276.37kg。表3-1封头性质公称直径DNmm曲面高度h1mm直边高度h2mm厚度Δmm内表面积A2m2容积Vm3质量mkg碳素钢低合金钢复合钢板高合金钢16004004010102.97610.6166229.631212276.371414323.401616370.701818418.27裙座：根据《石油化工塔器设计规范》（SH/T3098-2000），选择圆筒形裙座。其外径与封头外径相等，即1600+2×12=1624mm，壁厚取为12mm，高为1.5m。封头切线至裙座筒体上端的距离58mm。吸附器高度：根据《天然气脱水设计规范》（SY0076-2003），分子筛吸附器为立式容器。根据《塔器设计技术规范》（HG20652-1998），吸附器高度H包括填料层高度，气体分布器、气体进出口所需高度，塔顶部、底部空间高度以及裙座高度等。吸附塔内部由栅板支撑床层，该栅板有足够的通气面积和支持强度，顶部装有防护网。分子筛吸附器内盛装分子筛脱水填料，装填顺序为由下至上，4A条形分子筛装填厚度为2500mm。在分子筛的上部和下部均装有直径为20mm的瓷球，厚度均为200mm。在分子筛与瓷球之间设置两层10目/寸不锈钢丝网盘。该盘为分体组装式，可以由人孔装入或拆除。在分子筛的底部设置了支持格栅，该格栅有足够的通气面积和支持强度。预留塔顶、部底部空间后，初步设定筒体两焊缝间距离（筒体有效高度）为5500mm。两端采用标准椭圆封头如表2-5所示，封头高度为2×（400+40）=880mm。吸附器被支承在圆筒形裙式支座上，可估算吸附塔总高H=7880mm。进料口：《钢制化工容器结构设计》（HG20583-1998）规定，进料口(人孔DN500)和卸料口分别置于上封头和筒体上。在卸料口处设置操作平台以方便填料的更换。进气口设置在设备的顶部，为使进气分布均匀，在进口处设置分布头。通过以上计算，分子筛吸附塔塔体选型结果如下：吸附器设计压力：5MPa吸附器设计温度：300℃吸附器床层高度：3200mm吸附器内径：1600mm吸附器筒体壁厚：34mm吸附器筒体材料：16MnR（Q345R）钢板封头形式：椭圆形封头封头壁厚：12mm封头材料:16MnR（Q345R）钢板裙座高：1500mm裙座壁厚：12mm裙座材料：16MnR（Q345R）钢板3.2.4应力校核径向应力：环向应力：符合设计要求。3.2.5质量估算根据初步估计计算（附件包括梯子平台预焊件、对焊钢法兰、加厚接管、垂直吊盖对焊法兰人孔、不锈钢丝、丝网、栅板、支持圈、支持板等）圆筒有效高度的质量计算：(3.11)封头质量：2m=552.74kg附件质量：m=0.25（圆筒质量+封头质量+裙座质量）=2255.4kg裙座质量：（3.11）钢材总质量为：m1=11277.7kg分子筛质量计算：瓷球重量计算：床层上下各铺200mm瓷球，瓷球堆密度2500kg/m33.3再生计算3.3.1再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=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，预先计算在230℃时，分子筛比热0.96kJ/（kg·℃），钢材比热0.5kJ/(kg.℃)，瓷球比热0.88kJ/（kg·℃）。再生气在260℃、1733.72kPa的热焓：-3776.58kJ/kg，再生气在115℃、1733.72kPa的热焓：-4167.30kJ/kg。再生热负荷计算如下：再生加热所需的热量为Q，则：(3.12)式中Q1——加热分子筛的热量，kJ；Q2——加热吸附器本身（钢材）的热量，kJ；Q3——脱附吸附水的热量，kJ；Q4——加热铺垫的瓷球的热量，kJ。所以：加10%的热损失，设再生加热时间t=4.5小时，每小时加热量为：3.3.2再生气量计算再生气出口平均温度℃，压力4500kPa，其热焓为-4226kJ/kg。再生气在260℃、4500kPa的热焓：-3826kJ/kg。每千克再生气给出热量：kJ/kg每小时需再生气量：kg/h换算成标准条件下（20℃，101.325kPa）的体积流量为2913.7m3/h。加热气所需面积效核：再生加热气4500kPa，260℃下的ρg=17.44kg/m3，气体从下往上流则C取0.167，加热气允许质量流量：kg/（m2·s）再生加热气所需面积：m2吸附器的床层面积为2.0096m2，所以满足要求。3.3.3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：kJkJkJ加上10％的裕量：kJ设冷却时间3.2小时，每小时移去热量kJ/h。冷却气进口温度30℃，压力4500kPa，其热焓为-4448kJ/kg。而出口平均温度℃,压力4500kPa，其热焓为-4193kJ/kg。每千克再生气给出热量：kJ/kg每小时需冷却气量：kg/h换算成标准条件下（20℃，101.325kPa）的体积流量为4336.8m3/h。冷却气所需面积效核：冷却气4500kPa，30℃下的ρg为33.88kg/m3，气体从下往上流则C取0.167，加热气允许质量流量：kg/（m2·s）再生加热气所需面积：m2吸附器的床层面积为2.0096m2，所以满足要求。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4336.8m3/h（20℃，101.325kPa）。根据SY.T0076-2003《天然气脱水设计规范》介绍，床层不能有任何摩擦和振动，所以吸附与再生进行切换时应控制升压与泄压速度，一般要求小于0.3MPa/min。此设计的吸附塔吸附、再生、冷却均在4.5MPa的操作压力下进行，床层运行稳定。3.4热油导热工艺计算及设备选型3.4.1导热油加热系统设计负荷计算设进加热炉干气温度30℃，出加热炉气体温度比进吸附器温度再高15℃，即275℃，4500kPa的热焓为-3780kJ/kg，在30℃、4500kPa的热焓为-4448kJ/kg。kW由以上计算得再生气所需热负荷。kJ/h(3.13)式中Q—导热油加热站的设计负荷，kJ/h；Q1—用户的用热量（这里指再生气用热量），kJ/h；△q—导热油供热系统的热损失，一般可取用户用热量的3～5%。实际热负荷需求：kw根据所需热负荷，选择QX1.2（125）-Y/Q型导热油炉两台（一台导热炉正常工作，另一台备用），额定热功率1500kW。3.4.2导热油系统总循环油量计算(3.14)式中G—导热油的总循环量，kg/h；Q——导热油炉的额定热功率，kJ/h；t1—导热油供油温度，℃；t2—导热油回油温度，℃；c1—导热油在t1温度时的比热，kJ/(kg.℃)，设计时一般取C=2.93kJ/(kg.℃)；c2—导热油在t2温度时的比热，kJ/(kg.℃)，设计时一般取C=2.55kJ/(kg.℃)。所以，=1200·3600/(2.93×320-2.55×300)=27531.9kg取10%的裕量，则G=27531.9kg/h，300℃密度ρ=845kg/m则循环量：V=27531.9/845=32.6m3/h3.4.3导热油的输送导热油炉的流速，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。3.4.4燃料气量燃料气在4500kPa、30℃下的低位热值为49210kJ/kg。kg/h3.5粉尘过滤器粉尘过滤器用于滤掉天然气中携带的分子筛粉末，流程中两个过滤器并联使用。通过对比，选用启东汇龙混合设备厂生产的SBFQ型气体过滤器。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3-2。表3-2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，℃30工作压力，kPa4500气体体积流量，m3/h896.8过滤精度，μm5过滤器计算截面积，m20.097过滤器选用外径，mm300过滤器型号SBFQ300-4.5/5C3.6再生气分离器根据《油气集输设计规范》（GB50350-2005），立式重力分离器的直径可按以下公式进行计算：(3.15)式中D——分离器内径，m；qv——标准参比条件下气体流量，m3/h；T——操作温度，K；Z——气体压缩因子；P——操作压力（绝），MPa；Wo——液滴沉降速度，m/s，；g——重力加速度，g=9.81m2/s；dL——液滴直径，取为100×10-6m；ρL——液体的密度，Kg/m3；ρG——气体在操作条件下的密度，Kg/m3；f——阻力系数。用式计算出f·（Re2），在通过查图得出f值。μG——气体在操作条件下的粘度，Pa·s；K1——立式分离器修正系数，一般取K1=0.8；查得:f=54。m/sm根据《油气集输设计规范》（GB50350-2005），立式重力分离器内通过丝网捕雾器的设计速度，一般取丝网最大允许速度的75%，气体通过丝网最大允许速度可按下式计算：(3.16)式中vmax——气体通过丝网最大允许速度，m/s；KSB——桑得斯-布朗（Souders-Brown）系数，KSB可取0.107m/s。m/sm/s捕雾器的面积应为S=q/υ，其中q为操作条件下气体的流量。S=0.0251/1.43=0.059m2按照SY/T0515-2007《油气分离器规范》可对分离器进行选型，本设计选择再生气分离器的公称直径为600mm,筒体高度1800mm,公称容积0.6m3，材质为16MnR。根据HGT21618-1998《丝网除沫器》对捕雾器进行选型，选择捕雾器厚度150mm。表3-3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干气出口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，mPa·s0.01247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/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选用值选用公称直径，mm600筒体长度，mm1500捕雾器厚度，mm150材质16MnR型号LE0.6×1.8-4.48/2有效容积，m30.63.7管线计算按照《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，其最低屈服强度为245MPa。根据《油气集输设计规范》（GB50350-2005）计算管线内径：(3.17)式中：v——输气管气体流速，本设计取10m/s；——输气管气体流量，m3/s；d——输气管管径,m。输气