天然气分子筛脱水装置计算书

PAGE2PAGE1天然气分子筛脱水装置计算书1.1吸附计算1.1.1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：(1.1)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。1.1.2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1.2m，高径比约。1.1.3吸附传质区长度hz的计算由《天然气脱水设计规范》：(1.2)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。1.1.4吸附剂的有效吸附容量校核由《天然气脱水设计规范》：(1.3)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。1.1.5转效点计算由《天然气脱水设计规范》：(1.4)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=1.2m；q=17.30>8h,符合设计要求。1.1.6吸附塔压力降计算由《天然气脱水设计规范》：计算式如下：(1.5)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1.2mm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=31.89kg/，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。1.1.7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(1.6)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：(1.7)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：(1.8)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：(1.9)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。1.2吸附塔的壁厚计算及选型1.2.1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：(1.10)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。1.2.2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：1.2.3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16004004010102.97610.6166229.631212276.371414321.401616370.701818418.27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1.2.4应力校核径向应力：环向应力：符合设计要求。1.2.5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：(1.11)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：（1.11）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/m31.3再生计算1.1.1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℃、1731.72kPa的热焓：-3776.58kJ/kg，再生气在115℃、1731.72kPa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：(1.12)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：1.1.2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2911.7m3/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。1.1.3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1.2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31.88kg/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。1.4热油导热工艺计算及设备选型1.4.1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(1.13)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。1.4.2导热油系统总循环油量计算(1.14)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/h1.4.3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。1.4.4燃料气量燃料气在4500kPa、30℃下的低位热值为49210kJ/kg。kg/h1.5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SBFQ300-4.5/5C1.6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：(1.15)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：(1.16)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/m331.85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，m30.61.7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：(1.17)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。输气管道直管段壁厚：+C(1.18)式中：δ——钢管设计壁厚，mm；P——设计压力，MPa；本设计取5MPD——钢管外径，mm；σs——钢管的最低屈服强度，MPa；本设计选材为无缝钢管20号，σs为245MP；F——强度设计系数，本设计按二级地区选取，F=0.6；Φ——焊缝系数，当选用无缝钢管时，取Φ=1.0；t——温度折减系数，当温度低于120℃时，取t=1.0；C——管道腐蚀裕量，当管道含水、H2S和CO2等酸性介质时，根据腐蚀程度及采取的防腐措施确定；