某分子筛吸附脱水工艺设计-再生工艺计算

重庆科技学院输工程》输工程》课程设计报告学院:石油与天然气工程学院专业班级：学生姓名：学号：设计地点（单位）K804设计题目:某分子筛吸附脱水工艺设计——再生工艺计算完成日期： 月日指导教师评语:成绩（五级记分制）:指马教师（签字）：摘要井口出的天然气几乎为气相水所饱和， 甚至会携带一定的液态水。天然气中水分的存在往往会造成严重的后果：含有CO2和H2s的天然气在有水存在的情况下形成酸而腐蚀管和设备；在一定条件下形成天然气水合物而堵阀门、管道和设备；低管道输送能，造成必要的动消耗。水分在天然气的存在是非常的事，因此，需要脱水的要求为严格。天然气脱水的方法一般包括低温法、溶剂吸收法、固体吸附法、化学反应法和膜分离法等。低温法脱水是用高压天然气节膨胀温或用气波机膨胀温而实现的， 这种工艺适合于高压天然气；而对于低压天然气，要使用则必须增压，从而影响过程的经济性。溶剂吸收法和固体吸附法目前在天然气工业中应用较广泛。本文主要研究固体吸附法脱水。固体吸附法就是用多孔固体颗选择性地

吸附体中一定组分在其内外表面上， 从而使体混合物得以分离的方法。具有一定吸附能的固体材称为吸附剂， 被吸附的物质称为吸附质。而本文的固体吸附剂以分子筛作为探讨的对象。分子筛具有很好的选择吸附性、在高温下吸附脱水等优点，尤其是在气体和液体进深脱水时特别适合。分子筛在使用过程中被气体中所含水饱和，为使分子筛能够继续循环使用，就有分子筛的再生工艺过程。本文主要通过选取合适的分子筛然后计算分子筛的吸附水，和吸附的双塔轮换过程和轮换时间，通过要脱附的水计算出再生气的气以及凝气的气， 和所需加热炉的热，以此来探讨分子筛的再生工艺过程。关键词：分子筛再生工艺再生气凝气热目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 3\o"CurrentDocument"1绪论 6\o"CurrentDocument"国内外现状 6\o"CurrentDocument"脱水系统吸附剂的选择 7\o"CurrentDocument"分子筛的种类与特点 8\o"CurrentDocument"分子筛吸附脱水原程 10\o"CurrentDocument"吸附周期 11\o"CurrentDocument"再生过程 11\o"CurrentDocument"再生操作 12\o"CurrentDocument"再生加热与知 13\o"CurrentDocument"2再生工艺计算 15\o"CurrentDocument"物性基础 15天然气的基本组成 15\o"CurrentDocument"工艺选择 16\o"CurrentDocument"在生热负荷计算 17\o"CurrentDocument"再生气计算 19却气计算 20\o"CurrentDocument"再生气空塔速计算 21\o"CurrentDocument"3总结 23\o"CurrentDocument"参考文献 2411绪论国内外现状天然气作为清洁优质能源，在近来，其世界总气产和消费呈持续增长的趋势。从今后我国经济和社会发展看，加快天然气的开发用，对改善能源结构，保护生态环境，提高人民生活质，具有十分重要的战意义。天然气作为液化装置的燃气，首先必须对其进预处。天然气预处主要是脱除其中的有害杂质及深过程中可能结晶的物质，也就是天然气中的H2SH2S、CO2、^、重烃和汞等杂质天然气预处主要目的有：①避免低温下水与烃类组分冻结而堵设备和管道，低管线的输气能；②提高天然气的热值，满足气体质标准；③保证天然气在深条件下液化装置能正常运；④避免腐蚀性杂质腐蚀管道及设备。目前国内外应用较广泛，技术较成熟的天然气脱水工艺有：低温分离、固体吸附和溶剂吸收三种方法。而固体吸附法中以分子筛脱水的应用最为广泛，技术最成熟可靠。在对国内外脱水技术调研和查阅相关文献的基础上，总结天然气开采后的各种脱水工艺，并对其原、工艺特点等进概括分析 ，同时也对其在国内的应用现状进总结，并分析运中存在的一些问题。通过对比发现，分子筛脱水法达到的天然气点最低，一般用于深脱水的环境。分子筛脱水法属于固体吸附法，吸附剂是人工合成沸石，是一种由SiO4和八104四面体组成的硅铝酸盐晶体。其中大孔径均匀的微细孔道和排整齐的空腔只允许直径比其小的分子进入，从而实现选择性吸收，工艺主要包括脱水/再生干燥器和再生加热系统。分子筛脱水法具有吸附选择性强，高效的吸附容，使用寿命较长，被液态水破坏等优点。目前其主要产品掌握在欧美等国家,如美国UOP公司的天然抗酸性分子筛AW-300、500型，可实现对HCl、H2O、NO2等酸性气体的吸收。分子筛是一种非常适合深脱水的干气体干燥剂，脱水后干气含水最低可至10-6，点可低至-100℃，一般常用于天然气液化前的脱水工艺中。但设备投资和操作费用昂贵是其弊端，在满足相同点建一座 2.8x105m3/d处的净化站，其所需的费用比TEG法多53%，同时再生能耗大，吸附剂价格高，因此其主要用于满足获得较低点的工艺。脱水系统吸附剂的选择目前在天然预处过程中，主要使用的固体吸附剂有活性氧化铝、硅胶和分子筛三大类。活性炭的脱水能甚微，主要用于从天然气中回收液烃。活性氧化年是一种极性吸附剂它对多数气体和蒸汽是稳定的，是没有毒性的坚实颗，浸入水或液体中软化、溶胀或破，抗冲击和抗磨损的能强。它常用于气体、油品和石油化工产品的脱水干燥。活性氧化铝干燥后的气体点可低达-73℃。循环使用物化性能变化大。为防止生成胶质沉淀，活性氧化年宜在 177〜316℃下再生，即床层再生气体在出口时最低温需维持在 177℃，方可恢复至原有的吸附能，因此其再生耗热较高。活性氧化铝吸附重烃后，再生时清除。活性氧化铝呈碱性，可与无机酸发生化学反应・故宜处酸性天然气。硅胶是一种亲水性的极性吸附剂。硅胶对极性分子和饱和烃具有明显的选择性，因此可用于天然气脱水。硅胶的吸附性能和其它吸附剂大致相同，一般可使天然气的点达-60℃。硅胶很容再生，再生温为 180〜200℃。虽然硅胶的脱水能很强，但于被水饱和，且与液态水接触很爆，产生粉尘。分子筛是一种天然或人工合成的沸石型硅铝酸盐。在分子筛的结构中有许多孔径均匀的孔道与排整齐的孔穴。这些孔穴仅提供很大的比表面， 而且它只允许直径比孔径小的分子进入，而比孔径大的分子则能进入，从而使分子筛吸附分子有很强的选择性。分子筛的种类与特点天然气脱水过程中常用的分子筛有3A、4A、10X及13X型，主要用于体的干燥、分离和除杂等。因其具有很大的表面积和孔容，可以吸附大的体，尤其对水，即使在很低的分压和浓下，任有相当高的吸附容。如用 4A分子筛时，可以排除甲烷以外的水和其它烃类。以下表为这4类分子筛的性质。表1.1分子筛的性质型号孔径湿容（在175mmHg25℃）%二氧化硅与氧化铝的比值吸附质分子排除的分子应用范围3A3.2-3.3202直径小于3A的分子如H2O、NH3等乙烷等直径大于3A的分饱和及饱和烃脱水。甲醇、乙醇脱水4A4.2-4.7222直径小于4的分子，包括以上各分子及乙醇、H2O、CO2、SO2、C2H4、C2H6、C3H8直径大于4A的分子，如丙烷等饱和烃脱水，冻系统干燥剂

10X8282.5直径小于8A的分子包括以上各分子及异构烷烃，烯烃及苯正丁基胺及大的分子芳烃分离13X1028.52.5直径小于10A的分子，包括以上分子及二正内基胺3H9）3N及大的分子同时脱水，CO2、H2O脱，脱醇X型分子筛能吸附所有能被A型分子筛吸附的分子并且具有稍高的湿容。在天然气净化过程中，常见的几种物质分子的公称直径见表。其中，H2O、CO2和H2s分子的直径小于4x10-10m，烃类分子的直径均大于4x10-10m。表1.2常见的几种分子公称直径分子公称直径（10-10m）分子公称直径（10-10m）H22.4CH44CO22.8C2H64.4N23C3H84.9H2O3.2nC4〜nC224.9H2s3.6】C4〜】C225.6CHOH34.4苯6.7从表1和表2可以看出，要用分子筛脱水，选择4A（或者3A）A子筛是比较合适的，因为3A分子筛的孔径为（3〜3.3）x10-10m，4A分子筛的孔径为（4.2〜4.7）x10-10m，水的公称直径为3.2x10-10m。4A分子筛仅可以吸附水同时

还可以吸附CO2、H2s等杂质。在上游的脱碳装置出现短时间波动而导致天然气没有达标时，分子筛可以发挥一定的净化作用，因此本项目选择4A分子筛作为脱水吸附剂。分子筛吸附脱水原程天然气脱水的吸附设备多采用固定床吸附塔。为保证干气的连续生产必须循环操作，要用许多个并联的吸附床。床的数和安排形式，从两个交替的吸附塔到多个塔等。在每个塔内，三种同的功能或循环必须交替地起作用。这三个循环是：吸附或干燥气循环，加热或再生循环，以及却循环。再生气簿1-再生气压缩机水分离器再生气冷却器水湿天然气进口j分离器T脱水移掉污X再生气簿1-再生气压缩机水分离器再生气冷却器水湿天然气进口j分离器T脱水移掉污X到打开再生与冷却再生气再生气加热器干气图1.1分子筛吸附脱水原程在吸附周期中，湿天然气要首先进入进口分离器，并在分离器内清除掉自由液体、夹带的湿气和固体颗。然后，湿天然气自上而下经吸附塔。水分子在床层的顶层首先被吸收。干的烃类气体是在穿过床层而被吸收的。当吸附剂的较上层部位由水饱和时，湿气中的水就开始置换在较低床层原来吸附的烃类。液体烃类也还被吸收一些。吸附周期在吸附器处气、进口湿气含水和干气点已经确定后， 吸附的周期主要由吸附剂的装填容和选用的实际有效的吸附容所决定。 在操作周期中应该保证有足够的再生和却时间，使分子筛中的水分能够被再生气完全带走和保证分子筛能够却到所需的温。操作的周期一般分为 8小时和24小时两种，选用较长的操作周期，当原气含水波动很大时，为保证干气点，可以缩短操作周期。再生过程吸附剂的再生过程是保证吸附剂能够循环正常使用的关键。对于一定的吸附剂，低温和升高压有于吸附的进， 而提高吸附剂的温和低压就有于吸附剂的脱附。常用的再生脱附方法主要有升温脱附和压脱时两种。压脱时虽有能耗低、再生时间短、操作方等优点，但由于被吸附的产品气体在脱时时能回收，且还需部分产品气作为吹扫之用，因而收低，在产品的纯与收间存在矛盾，工业上使用多。升温脱时是工业上常用的再生方法。这是基于所有的干燥剂的湿容是随

温上升而低这一特点来实现的。 通常采用预热的解析气体通过床层以升高吸附剂温使吸附质脱附，并将吸附质带出吸附剂床层，从而实现吸附剂再生的目的。加热再生完成后，吸附剂床层需要却，然后重新开始吸附操作。却过程通常以气进却。 气的吹入方向最好与吸附时的气方向相反，而且气中应含或少含吸附质。但如采用湿气却，却气应自上而下过床层，却气中水蒸气被床层上部干燥剂吸附，从而最大限低脱水周期中出口干气点。再生操作一般用经回收轻烃后的干气，基本含水分，维持压在300〜400KPa（绝），经加热炉或别个加热设备加热到250〜270℃进入需再生的吸附塔，自下而上经床层。再生气出塔温恒定在 180〜200℃，两小时后可认为再生结束，接着进吹。吹气用再生操作的气体，只是经加热，按设计规定，可以是自下而上动，也可以是自上而下动，待出口气温达 50℃左右，可认为吹结束，换至吸附状态备用，来完成一个周期。1加热方式通常在原气中抽出一部分气体加热后进去再生床层，然后再回到湿原气总管或与干燥后气体混合，进入输气干线。2在生温再生温是指吸附剂床层在再生加热时最后达到的最高温，通常近似取为此时再生气出吸附剂床层的温。再生温取决于吸附剂的性质和干气要求的点（或再生后床层的残余水含），且因使用的吸附剂的同而同。分子筛一般为200〜300℃，且温越高，再生后的吸附剂的湿容越大，同时也将缩短吸附剂的使用寿命。3再生气再生气大约为总原湿气体的 5%〜15%，由具体的操作条件而定，再生气应满足在规定时间内将再生吸附剂提高到规定的温。4在生需要的时间加热时间是指在再生周期中从开始用再生气加热吸附剂床层到床层达到最高温（有时，在此温下还保持一段时间）的时间，却时间是指加热完毕的吸附剂从开始用却气却到床层温低到指定值（如 50℃左右）的时间。对于操作周期为24小时的，再生加热时间约为总周期时间的65%〜68%，却时间约为30%，其余的2%〜5%的时间为升、压，倒阀门的备用时间。而对于操作周期为8小时的，再生加热时间约为总周期的50%〜55%，却时间约为 40%，其余为升、压辅助操作时间。如8小时吸附周期中，再生加热时间约为4.5h，却时间为 3h，备用和换时间约为 0.5h。再生加热与却为将床层却到原来吸附时的床层温，用干气却，与再生加热气相比，相差是很大。最终的知温一般在 40℃〜55℃，通常为50℃〜52℃。下图为再生加热与却过程的温变化曲线。2(H)2(H)点时间力图1.2再生加热与却过程温变化曲线图2为采用双塔程的吸附脱水装置8h再生周期（包括加热与却）的温变化曲线。曲线1表示再生气进干燥器的温TH，曲线2表示加热和却过程中出干燥器的气体温，曲线3表示进湿气温。A段表示轻烃脱时阶段，B段表示吸附水脱附阶段，C段表示重烃脱时阶段，D段表示床层却阶段。Ta、Tb、TC、TD分别表示该阶段的平均温。由图2可知，再生开始时热再生气进入干燥器加热床层及容器，出床层的气体温逐渐由 T1升至T2，大约在116〜120℃时床层中吸附的水分开始大脱时，所以此时升温比较缓慢。待水分全部脱除后，继续加热床层以脱除脱附的重烃和污物。当再生时间大于4h时，离开干燥器的气体出口温达到180〜230℃，床层加热完毕。热再生气温T至少应比再生加热过程中所要求的最终离开床H层的气体出口温T4高19〜55℃，一般为38℃。然后，将知气通过床层进却，当床层温大约至 50℃时停止却。在一些要求深脱水的天然气液回收装置中，为避免吸附剂床层在却时被水蒸气预饱和，多采用脱水后的干气或其他来源干气作却气。有时，还可将知用的干气自上而下过吸附剂床层，使却气中所含的少水蒸气被床层上部的吸附剂吸附，从而最大限地低吸附周期中出口干气的水含。2再生工艺计算物性基础天然气的基本组成天然气组成如下表2.1所示：表2.1组分甲烷乙烷丙烷异丁烷正丁烷体积含95.60.60.080.020.01异戊烷正戊烷己烷二氧化＜氮气化氢0.010.0303.020.040.0264进温： 26℃进压： 5MPa设计规模：12万方/天要求脱水到1ppm以下由上表可以得出该组分中水气的组分（百分含）为：w=100—（95.6+0.6+0.08+0.02+0.01+0.01+0.03+3.02+0.04+0.0264）=0.5636所以水的百分含为 0.5636%工艺选择选用4A分子筛脱水，其特性如下：分子筛子类型：直径3.2mm球形分子筛的有效湿容：8kg（水）/100kg（分子筛）分子筛堆积密：660kg/m3操作周期为8小时，再生加热时间为4.5小时，再生却时间为3.2小时，操作换时间为0.3小时。加热炉进口温为 30℃，加热炉出口温为275℃。26℃,5000KPa下的密为 37.9kg/m3再生加热气进吸附器的压：5000kPa再生加热气进吸附器的温：260℃再生加热气出吸附器的温：200℃再生加热气出吸附器温：200℃下表为该吸附器的设计参数：表2.2吸附器设计参数参数吸附器筒体吸附件等钢材分子筛铺垫的瓷球水质kg1529.52555.52264401.92180.8

在生热负荷计算用贫干气加热，进吸附器温260℃，分子筛床层吸附终后温 t1=35℃(即床层温升5℃)，再生加热气出吸附器温200℃，t=1(260+200)=230床层的再生温是2 2 ℃在230℃时：分子筛比热为0.96kJ/(kg・℃)；钢材比热为0.5kJ/(kg・℃)；瓷球比热为0.88kJ/(kg・℃)；再生气在260℃/1733.72KPa的热焓为：一3776.58kJ/kg再生气在115℃/1733.72KPa的热焓为：一4167.30kJ/kg再生热负荷的计算如下：再生加热所需的热为Q，所以：Q=Q1+Q2+Q3十QQ=Q1+Q2+Q3十Q4式中 Q1——加热分子筛的热，kJ；Q2——加热吸附器本身(钢材)的热，kJ；Q3——脱附吸附水的热，kJ；Q4——加热铺垫的瓷球的热，kJ=m1c1(12-11)=m2c2(12-11)=m3x4186.8(2.5)W=%cp4((2-ti)(2.5)m式中 1 分子筛的重，kgm——吸附器筒体及附件等钢材的重，kgm吸附水的重，kgm——铺垫的瓷球的重，kg其中，4186.8KJ/kg是水的脱附热，cpi，cp2，cp4分别是上述各种物质的定压比热。/、、根据题可选t2=230℃，t1=35℃所以：Q1=m1c1(t2-t1)=2264x0.96x(230-35)=423820.8kJQ2=m2c2(t2-t1)=4085x0.5x(230-35)=398287.5kJQ3=m3x4186.8=180.8x4186.8=756973.4kJQ4=m4c4(t2-t1)=401.92x0.88x(230-35)=68970kJ在加热的过程中，认为热有 10%的损失可得：QT.1QT.1Q+Q+Q+Q)(2.5)=1.1x(423820.8+398287.5+756973.4+68970)=1812856.9KJ设再生加热时间t=4.5小时，每小时加热为：q=—tQ1812856.9q=—tQ1812856.94.5=402857kJ/h2.3再生气计算再生气在230℃时的平均比热为3.14kJ/(kg℃)，再生气温是：At=260—2(35+200)=142.5℃每千克再生气给出的热：qH=CAt=3.14义142.5=447.5kJ/kg每小时所需的再生气：G=q-=402857=900.2kg/hqH 447.5换算成标准条件下(20℃，101.325kPa)的体积为 1186.1iWh。加热气所需面积设核：再生加热气5000kPa，260℃下的pg=17.41kg/m3，气体从下往上则 C取0.167，加热气允许质：G=CppD%=(0.167x660x17.41x0.003》5=2.48kg/(m•s)bgP式中G 允许的气体质速，kg/(m2•s)C,, …， C ,——系数，气体自上向下动， 值在0.25〜0.32；自下向上动，C值是0.167；b 分子筛的堆密， kg/m3pg 气体在操作条件下的密，kg/m3Dp——分子筛平均直径(球形)，或当直径条形，m再生加热气所需面积：991.52.48991.52.48x3600=0.111m2吸附器的床层面积为2.56m2，所以满足要求。却气计算将床层温自 230℃却到 30℃，则对热负荷如下：Q1=加:1(12-11)=2264x0.96x(230—30)=434688KJQ2=m2c2(12-11)=4085x0.5x(230-30)=408500kJQ4=m4c4(12-11)=401.92x0.88x(230-30)=70738kJ再加上10%的对裕：Q冷=1.1(Q1+Q2+Q4)=1005318.6kJ对气进口为 30℃，则：由于对的时间为 3.2小时，所以每小时移去的热为：Q 1005318.6「一”2一7q=±冷二=314162kJ/h移t3.2对气平均比热在 130℃时是2.9KJ/(kg.℃),对气温差 =100℃需知气每小时为q=314162=1083.3kg/h100x2.9换算成标准条件下(20℃，101.325kPa)的体积为 1427.4iWh。对气所需面积效核：对气 5000kPa，30℃下的pg为33.88kg/m3，气体从下往上则C取0.167,加热气允许质：G=CppD).5=(0.167x660x33.88x0.0032力5=3.457kg/(m2-s)bgP再生加热气所需面积：

厂q1086.3八A”F=_= =0.085m2G3.57x3600吸附床层的面积为2.56m2，所以满足要求。吹气和热吹气等。 实际操作中考虑到气波动，为使装置操作平稳，吹气和热吹气均采用1427.4m3/h(20℃，101.325kPa)。再生气空塔速计算再生时再生气压，原则上根据外输系统压决也，经过吸附器压一般在10〜20KPa。设再生加热气1