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第三章天然气脱水.ppt

来源：花匠小妙招时间：2025-10-29 04:53

1、第三章天然气脱水天然气脱水是指从天然气中脱除饱和水蒸气或从天然气凝液 NGL 中脱除溶解水的过程脱水的目的是防止在处理和储运过程中出现水合物和液态水符合天然气产品的水含量或水露点质量指标防止腐蚀因此在天然气露点控制或脱油脱水天然气凝液回收液化天然气及压缩天然气生产等过程中均需进行脱水天然气及其凝液的脱水方法有吸收法吸附法低温法膜分离法气体汽提法和蒸馏法等本章着重介绍天然气脱水常用的吸收法吸附法和低温法此外防止天然气水合物形成的方法也在本章中一并介绍防止天然气水合物形成的方法有三种在天然气压力和水含量一定的条件下将含水的天然气加热使其加热后的水含

2、量处于不饱和状态目前在气井井场采用加热器即为此法一例利用吸收法或吸附法脱水使天然气露点降低到设备或管道运行温度以下向气流中加入化学剂目前常用的化学剂是热力学抑制剂但自20世纪90年代以来研制开发的动力学抑制剂和防聚剂也日益受到人们的重视与应用天然气脱水是防止水合物形成的最好方法但出自实际情况和经济上考虑一般应在处理厂站内集中进行否则则应考虑加热或加入化学剂的方法关于脱水法将在下面各节中介绍本节主要讨论加入化学剂法第一节防止天然气水合物形成的方法一热力学抑制剂法水合物热力学抑制剂是目前广泛采用的种防止水合物形成的化学剂作用机理改变水溶液或水合物的化学位

3、使水合物的形成温度更低或压力更高目前普遍采用的热力学抑制剂有甲醇乙二醇二甘醇三甘醇等一使用条件及注意事项对热力学抑制剂的基本要求是尽可能大地降低水合物的形成温度不与天然气的组分反应不增加天然气及其燃烧产物的毒性完全溶于水并易于再生来源充足价格便宜冰点低实际上很难找到同时满足以上六项条件的抑制剂但是必要的目前常用的抑制剂只是在上述某些主要方面满足要求 1 甲醇一般来说甲醇适用于气量小季节性间歇或临时设施采用的场合如按水溶液中相同质量浓度抑制剂引起的水合物形成温度降来比较甲醇的抑制效果最好其次为乙二醇再次为二甘醇见表3 2 2 甘醇类甘醇类

4、抑制剂特点无毒沸点高二甘醇 244 8 三甘醇 288 在气相中的蒸发损失少可回收循环使适用于气量大而又不宜采用脱水方法的场合使用甘醇类作抑制剂时应注意以下事项为保证抑制效果甘醇类必须以非常细小的液滴例如呈雾状注入到气流中通常用于操作温度不是很低的场合中才能在经济上有明显的优点例如在一些采用浅冷分离的天然气液回收装置中如果管道或设备的操作温度低于0 最好保持甘醇类抑制剂在水溶液中的质量分数在60 70 之间见图3 1 以防止甘醇变成粘稠的糊状体使气液两相流动和分离困难 3 甲醇与甘醇类抑制剂的性能比较甲醇抑制剂投资费用低但气相损失大故操作费用高甘醇类抑制

5、剂投资费用高但操作费用低甲醇的抑制效果最好其次为乙二醇再次为二甘醇为防止甲醇气相损失甲醇适于低温操作甘醇类抑制剂适合较高温度操作低温可能导致其粘度太大当操作温度低于 40 时甲醇更适合因为甘醇的粘度大与液烃分离困难操作温度高于 40 且连续注入的情况下首选二甘醇甲醇具有中等程度的毒性可通过呼吸道食道及皮肤侵入人体人体中毒量为5 10mL 致死剂量为30mL 而甘醇类抑制剂无毒二注入抑制剂的低温分离法工艺流程三水合物抑制剂用量的确定自学内容注入气流中的抑制剂用量不仅要满足防止在水溶液相中形成水合物的量还必须考虑气相中与水溶液相呈平衡的抑制剂含量

6、以及抑制剂在液烃中的溶解量 1 抑制剂的气相损失量由于甲醇沸点低故其蒸发量很大甲醇在气相中的蒸发损失可由图3 2估计该图可外推至4 7MPa压力以上但在较高压力下由图3 2估计的气相损失偏低甘醇蒸发损失甚小其量可以忽略不计 Cm 抑制剂在水溶液中必须达到的最低浓度质量分数 t 根据工艺要求而确定的天然气水合物形成温度降 M 抑制剂相对分子质量甲醇为32 乙二醇为62 二甘醇为106 K 常数甲醇为1297 甘醇类为2222 t1 未加抑制剂时天然气在管道或设备中最高操作压力下形成水合物的温度 t2 即要求加入抑制剂后天然气不会形成水合物的最低温度 2 水溶液中最低抑制剂的

7、浓度 1 Hammerschmidt 1939 提出的半经验公式当用甲醇作抑制剂时水溶液中甲醇浓度低于20 25 当用甘醇作抑制剂时水溶液中甘醇浓度低于60 当水溶液中甲醇浓度较高 50 Nielsen等推荐采用以下计算公式 Cmol 为达到给定的天然气水合物形成温度降甲醇在水溶液中必须达到的最低浓度 x 上式在下列条件下应用可得到较满意的结果 2 水合物抑制剂用量 3 抑制剂在液烃中的溶解损失甲醇在液烃中的溶解损失和甲醇浓度系统温度有关可查有关图甘醇类抑制剂的损失主要是在液烃中的溶解损失再生损失甘醇类与液烃乳化造成分离困难而引起的携带损失等一般在0 01 0 07L m

8、3 甘醇类液烃在含硫液烃中甘醇类抑制剂的溶解损失约是不含硫液烃的3倍实际甘醇注入量向湿气管道中注入的实际甘醇量在设计时可取计算值但是应考虑比最低环境温度低5 的安全裕量如向气气换热器中的管板或向透平膨胀机入口气流中注入甘醇时实际甘醇量可高达计算值的3倍但是为防止透平膨胀机损坏最高甘醇注入量不应大于总进料量的1 质量分数甲醇的注入量在设计时一般取计算值的2 3倍具体用量应在实际运行中调整确定二动力学抑制剂自20世纪90年代以来人们又在研制一些经济实用和符合环保要求的新型水合物抑制剂即动力学抑制剂和防聚剂 1 动力学抑制剂动力学抑制剂在水合物成核和生长的初期吸附于

9、水合物颗粒的表面防止颗粒达到临界尺寸或者使已达到临界尺寸的颗粒缓慢生长从而推迟水合物成核和晶体生长的时间因而可起到防止水合物堵塞管道的作用由于其在水溶液相中所需要的最低质量浓度很低小于0 5 故尽管其价格很高但运行成本还是比热力学抑制剂低动力学抑制剂是一些水溶性或水分散性聚合物属于这类抑制剂的有N 乙烯基吡咯烷酮五元环羟乙基纤维素六元环和N 乙烯基己内酰胺等聚合物 2 防聚剂作用机理防聚剂是一些聚合物和表面活性剂使体系形成油包水 W O 型乳化液水相分散在液烃相中防止水合物聚集及在管壁上粘附而是成浆液状在管内输送因而就不会堵塞管道属于这类抑制剂的有烷基芳香

10、族磺酸盐及烷基聚苷等同样由于其在水溶液相中所需要的最低质量浓度很低小于0 5 故尽管其价格很高但运行成本还是比热力学抑制剂低低温法将天然气冷却至烃露点以下某一低温将天然气中的重烃与分离出来的方法也称冷凝分离法制冷方法膨胀制冷冷剂制冷和联合制冷用途含有重烃的天然气同时脱油脱水使其水烃露点符合商品天然气质量指标或管道输送的要求即通常所谓的天然气露点控制自20世纪中期以来国内外有不少天然气在井口集气站或处理厂中采用低温法控制天然气的露点一低温法脱油脱水工艺及应用1 膨胀制冷法将高压气体膨胀制冷获得低温使气体中部分水蒸气和较重烃类冷凝析出从而控制了其水

11、烃露点这种方法也称为低温分离 LTS或LTX 法大多用于高压凝析气井井口有多余压力可供利用的场合第二节低温法脱油脱水自学内容 2 冷剂制冷法通过冷剂循环制冷来降低天然气的温度使气体中部分水蒸气和较重烃类冷凝析出从而控制了其水烃露点天然气需要进行露点控制却又无压差可利用时可采用冷剂制冷法二影响低温法控制天然气露点的主要因素1 取样样品处理组分分析和工艺计算误差以及组成变化和运行波动等造成的偏差天然气取样样品处理组分分析和工艺计算误差以及组成变化和运行波动等因素均会造成偏差尤其是天然气中含有少量碳原子数较多的重烃时这些因素造成的偏差就更大 2 低温分离器对气流

12、中微米级和亚微米级雾状液滴的分离效率不能达到100 气流中所携带的雾状水滴或液烃雾滴都会使天然气水露点或烃露点升高 3 一些凝析气或湿天然气脱除部分重烃后仍具有反凝析现象其烃露点在某一范围内随压力降低反而增加天然气的水露点随压力降低而降低其它组分对其影响不大但是天然气的烃露点与压力关系比较复杂先是在反凝析区内的高压下随压力降低而升高达到最高值临界凝析温度后又随压力降低而降低甘醇的一般物理性质甘醇脱水工艺流程甘醇脱水工艺主要设备甘醇脱水工艺参数第三节吸收法脱水二甘醇 DEG 三甘醇 TEG 均为乙二醇的缩合物反应式为二甘醇三甘醇二甘醇沸点 245 0 分解温度 16

13、4 4 三甘醇沸点 287 4 分解温度 206 7 因为三甘醇沸点高蒸汽压低吸收脱水过程蒸发损失少且分解温度高所以脱水过程广泛应用的是三甘醇甘醇的一般性质一甘醇脱水的工艺流程及应用由于三甘醇脱水露点降大成本低运行可靠以及经济效益好故广泛采用现以三甘醇为例对吸收法脱水工艺和设备进行介绍一三甘醇脱水工艺及设备1 工艺流程 2 主要设备 1 吸收塔可以是板式塔或填料塔板式塔适用于粘性液体或低液气比的场合总塔板效率一般为25 30 由于甘醇易起泡所以板式塔的板间距应当加大应大于0 45m 最好0 6 0 75m 塔顶设有捕雾器用于除去 5 m的甘醇液滴使干气

14、中携带的甘醇量小于0 016g m3 捕雾器到干气出口的间距不宜小于吸收塔内径的0 35倍顶层塔板到捕雾器的间距则不应小于塔板间距的1 5倍 2 进口气涤器除掉进塔气体中的液体或固体杂质这些杂质对三甘醇脱水的影响是游离水增加了甘醇溶液循环量重沸器热负荷及燃料用量溶于甘醇溶液中的液烃或油芳香烃或沥青胶质可降低甘醇溶液的脱水能力并使甘醇溶液起泡携带的盐水随天然气一起采出的地层水中溶解有很多盐类盐水溶于甘醇后可使碳钢尤其可使不锈钢产生腐蚀盐沉积在重沸器火管表面上还可使火管表面产生热斑或局部过热甚至烧穿井下化学剂诸如缓蚀剂酸化及压裂液等均可使甘醇溶液起泡并具有腐

15、蚀性如果沉积在重沸器火管表面上也可使火管表面产生热斑固体杂质诸如泥沙及铁锈或FeS等腐蚀产物他们可促使甘醇溶液起泡使阀门及泵受到侵蚀并可堵塞塔板或填料由此可见进口气涤器是甘醇脱水装置的一个十分重要的设备很多处理量较大的甘醇脱水装置都在吸收塔之前设有气涤器甚至还有过滤分离器 3 闪蒸分离器低压下分出富甘醇中所吸收的重烃类气体以防重烃使甘醇乳化及减少再生系统精馏柱顶的气体和甘醇损失量为使闪蒸气不经压缩即可用作燃料气并保证闪蒸分离后的富甘醇有足够的压力流过过滤器及贫富甘醇换热器等设备闪蒸分离器的压力最好在0 27 0 62MPa 4 再生精馏塔由吸收塔来的富甘醇在再生塔精

16、馏柱和重沸器内进行再生再生塔可用板式塔或填料塔精馏柱顶部设有冷却盘管可使部分水蒸气冷凝成为精馏柱顶的回流从而使柱顶温度得到控制并可减少甘醇损失量无汽提气时塔顶温度控制在99 有汽提气时塔顶温度控制在88 当回流量约为水蒸气排放量的30 时由柱顶排放的水蒸气中甘醇损失量非常小 5 重釜器重沸器的作用是用来提供热量将富甘醇加热至一定温度使富甘醇中所吸收的水分汽化并从精榴柱顶排放除此以外重沸器还要提供回流热负荷以及补充散热损失甘醇脱水装置是通过重釜器温度来控制再生深度和贫甘醇浓度重釜器温度和贫三甘醇浓度的关系见右图由右图可知釜温越高贫甘醇浓度越高若要求贫甘醇浓度

17、更高可采用汽提法负压法或共沸法 3 工艺参数的选择优良的设计方案和合适的工艺参数是保证甘醇脱水装置安全可靠运行的关键吸收和再生系统主要设备的主要工艺参数如下吸收塔吸收塔的脱水负荷和效果取决于原料气的流量温度压力和贫甘醇的浓度温度及循环流率原料气流量吸收塔的塔板通常均在低液气比的吹液区操作如果原料气量过大将会使塔板上的吹液现象更加恶化这对吸收塔的操作极为不利但是对于填料塔来讲由于液体以润湿膜的形式流过填料表面因而不受吹液现象的影响原料气温度压力由于原料气量远大于甘醇溶液量所以吸收塔内的吸收温度近似等于原料气温度吸收温度一般在15 48 最好在2

18、7 38 温度低于15 甘醇溶液粘度增加更易起泡温度大于48 增加装置脱水负荷脱水效果差贫甘醇进吸收塔的温度和浓度由图可知当吸收温度一定时随着贫甘醇浓度增加出塔干气的平衡露点显著下降吸收温度降低出塔干气的平衡露点也下降将使甘醇粘度增加起泡增多预测的平衡露点比实际露点低其差值与甘醇循环流率理论塔板数有关一般为6 11 贫甘醇进吸收塔的温度应比塔内气体温度高3 8 如果贫甘醇温度比气体低就会使气体中的一部分重烃冷凝促使溶液起泡反之贫甘醇进塔温度过高甘醇汽化损失和出塔干气露点就会增加很多甘醇循环流率原料气在吸收塔中获得的露点降随着贫甘醇浓度甘醇循环流率和吸

19、收塔塔板数或填料高度的增加而增加因此选择甘醇循环流率时必须考虑贫甘醇进吸收塔时的浓度塔板数或填料高度和所要求的露点降甘醇循环流率通常用每吸收原料气中1kg水分所需的甘醇体积量 m3 来表示故实际上应该是比循环率三甘醇循环流率一般选用0 02 0 03m3 kg水也有人推荐为0 015 0 04m3 kg水如低于0 012m3 kg水就难以使气体与甘醇保持良好的接触当采用二甘醇时其循环流率一般为0 04 0 10m3 kg水再生塔甘醇溶液的再生深度主要取决于重沸器的温度如果需要更高的贫甘醇浓度则应采用汽提法等通常采用控制精馏柱顶部温度的方法可使柱顶放空的甘醇损

20、失减少至最低值重沸器温度离开重沸器的贫甘醇浓度与重沸器的温度和压力有关由于重沸器一般均在接近常压下操作所以贫甘醇浓度只是随着重沸器温度增加而增加三甘醇和二甘醇的理论热分解温度分布为206 7 和164 4 故其重沸器内的温度分别不应超过204 和162 汽提气当采用汽提法再生时可用图3 9估算汽提气量如果汽提气直接通入重沸器中此时重沸器下面的理论板数Nb 0 贫三甘醇浓度可达99 6 如果采用贫液汽提柱在重沸器和缓冲罐之间的溢流管高约0 6 1 2m 充填有填料汽提气从贫液汽提柱下面通入与从重沸器来的贫甘醇逆向流动充分接触不仅可使汽提气量减少而且还使贫甘醇浓度高达

21、99 9 精馏柱温度柱顶温度可通过调节柱顶回流量使其保持在99 左右柱顶温度低于93 时由于水蒸气冷凝量过多会在柱内产生液泛甚至将液体从柱顶吹出柱顶温度超过104 时甘醇蒸气会从柱顶排出如果采用汽提法柱顶温度可降至88 二甘醇脱水工艺计算自学进行甘醇脱水工艺计算时首先需要确定以下数据原料气流量 m3 h 原料气进吸收塔的温度吸收塔压力 MPa 原料气组成或密度以及酸性组分 H2S CO2 含量要求的露点降或干气离开吸收塔的露点除此之外还需根据脱水量选定甘醇循环流率吸收塔塔板数或填料高度以及根据要求的露点降选定贫甘醇进吸收塔的最低浓度一吸收塔吸收塔

22、的工艺计算主要包括塔板填料型式及塔板数三甘醇溶液循环量塔径1 吸收塔脱水量由要求的干气的含水量查右图得到干气露点将此露点值减少3 6 查右图得到贫三甘醇的浓度 2 贫甘醇进塔的浓度 3 甘醇循环流率原料气在吸收塔中的脱水深度也可用其脱水率表示其定义为 3 4 式中原料气进吸收塔时的水含量干气离开吸收塔时的水含量不同吸收塔理论板数时贫甘醇浓度甘醇循环流率和脱水率的关系见教材图3 11至图3 15 当原料气所要求的露点降吸收塔温度压力等参数已知时可由图3 11至图3 15选择合适的贫甘醇浓度甘醇循环流率和吸收塔塔板数或填料高度 4 吸收塔的直径先由以下公式求出

23、允许空塔速度再根据进料气体流量求出塔径 5 闪蒸分离器的计算二再生塔 1 精馏柱富甘醇再生过程实质上是甘醇和水两组分混合物的蒸馏过程甘醇和水的沸点差别很大又不生成共沸物故较易分离因此精馏柱的理论板数一般为3块即底部重沸器填料段和顶部回流冷凝器各1块富甘醇中吸收的水分由精馏柱顶排放大气再生后的贫甘醇由重沸器流出精馏柱一般选用不锈钢填料其直径可根据柱内操作条件下的气速和喷淋密度计算也可按下式来估算式中精馏柱直径 mm 甘醇循环流率 m3 kg水吸收塔的脱水量 kg h 三提高贫甘醇浓度的方法除最常用的汽提法负压法外目前还有一些可提高甘醇浓度的专利方法如下

24、1 DRIZO法DRIZO法即共沸法见图3 16所示此法是采用一种可汽化的溶剂作为汽提剂离开重沸器汽提柱的汽提气溶剂蒸气与从精馏柱出来的水蒸气和BTEX 即苯甲苯乙苯和二甲苯一起冷凝后再将水蒸气排放到大气 DRIZO法的优点是所有BTEX都得以回收三甘醇的浓度可达99 999 而且不需额外的汽提气 DRIZO法适用于需提高甘醇浓度而对现有脱水装置进行改造或需要更好地控制BTEX和CO2排放的场合 2 COLDFINGER法COLDFINGER法不使用汽提气而是利用一个插入到缓冲罐气相空间的指形冷却管将气相中的水烃蒸气冷凝从而提高了贫甘醇浓度冷凝水和液烃从收液盘中排

25、放到储液器内并周期性地泵送到进料中 COLDFINGER法再生系统工艺流程示意图见图3 17 COLDFINGER法可获得的贫三甘醇浓度为99 96 3 CLEANOL 法CLEANOL 法中包含了提高甘醇浓度和防止空气污染的两项措施该法采用的汽提剂是BTEX 在重沸器中汽化后作为汽提气与水蒸气一起离开精馏柱顶去冷凝分离分出的BTEX经蒸发干燥后循环使用含BTEX的冷凝水经汽化后回收其中的BTEX 回收BTEX后的净水再去处理 CLEANOL 法可获得浓度为99 99 的贫甘醇此法不使用任何外部汽提气而且无BTEX或CO2排放此法可很容易地用于一般的甘醇再生系统中表3 5不同再

26、生方法可达到的三甘醇浓度四甘醇污染的原因及对策防止或减缓甘醇损失过大和设备腐蚀的关键是保持甘醇洁净实际上甘醇在使用过程中将会受到各种污染产生这些污染的原因和解决办法如下氧气串入系统甘醇易氧化变质生成腐蚀性有机酸故应防止氧气串入系统亦可向脱水系统中注入抗氧化剂其量为1 2g L甘醇高温降解富甘醇在再生时如果温度过高会降解热降解变质因此当采用三甘醇脱水时重沸器温度应低丁204 火管传热表面的热流密度则应小于25kw m2 同时还应定期对火管传热表面上由于油污和盐址类沉积引起的热斑进行检查并及时清扫 PH值降低当进料气中含有硫化氢和二氧化碳时会使甘醇溶液呈酸性并

27、具有严重的腐蚀性可通过加入硼砂三乙醇胺等碱性化合物中和盐污染盐沉积在重沸器火管表面可以产生热斑并使火管烧穿当甘醇中盐含量大于0 0025 w 时就应将甘醇排放掉并对装置进行清扫液烃如果系统中有液烃存在液烃将随富甘醇进入再生系统使在精榴柱内向下流入重沸器内并迅速汽化造成大量甘醇被气体从塔顶带出淤渣如果系统中含有固体杂质这些杂质会与焦油状烃类合在一起最后会沉淀出来并形成具有磨损性的黑色粘碉状物它们不仅会使甘醇泵和其它设备受到侵蚀引起吸收塔塔板及精馏柱的填料堵塞还会沉积在重沸器火管传热表面产生热斑因此不论是富甘醇还是贫甘醇都要进行过滤以使其中的固体杂质含量小于0

28、01 w 起泡甘醇起泡有物理上的原因和化学上的原因吸收塔内气体流速过高是甘醇起泡的物理原因甘醇被固体杂质盐分缓蚀剂和液烃污染则是其起泡的化学原因可注入消泡剂常用的消泡剂有含硅的破乳剂高分子醇类以及乙烯和丙烯的嵌段聚合物表3 7三甘醇质量的最佳值正常操作期间甘醇脱水装置的三甘醇损失量一般不大于15mg m3天然气二甘醇损失量一般不大于22mg m3天然气第四节吸附法脱水吸附分离是利用气体或液体中各组份在吸附剂表面吸附能力的差别而使其分离的方法按流体分子与吸附剂表面分子作用力不同可分为二类物理吸附范德华力特点放热小冷凝热润湿热有可逆性增加压力或降低温度

29、有利于吸附降低压力提高温度有利于脱附吸附剂可循环使用化学吸附剩余力场剩余价力特点吸附热大接近于化学反应热被吸附分子至少会发生变形可逆性小这种过程很少用于混合物的分离吸附作用由于吸附剂固体表面力的作用而产生的脱附作用由于吸附质分子在吸附剂表面上的热运动而形成的当吸附速率脱附速率时即达到了吸附平衡当吸附剂用于天然气脱水时吸附剂吸附水的量又称为吸附剂湿容量固体吸附剂的吸附容量或湿容量与被吸附气体的特性和分压固体吸附剂的持性吸附剂的比表面积和孔隙率以及吸附温度等有关吸附质与吸附剂表面之间的吸引力主要决定于气体和固体表面的特性故吸附容量可因吸附质一

30、吸附剂体系不同而有很大差别天然气脱水过程要求吸附剂应具有以下特性必须是多孔性的具有较大吸附比表面积的物质用于天然气脱水的吸附剂比表面积般都在500 800m2 g 比表面积越大其吸附容量或湿容量越大对流体中的不同组分具有选择性吸附作用亦即对要脱除的组分具有较高的吸附容里具有较高的吸附传质速度在瞬间即可达到相间平衡能简便而经济地再生且在使用过程中能保持较高的吸附容量使用寿命长一吸附剂的类型及选择工业用的吸附剂通常是颗粒状的为了适应工业应用的要求吸附剂颗粒在大小几何形状等方面应具有一定的特性例如颗粒大小适度而且均匀同时具有很高的机械强度以防止破碎和产

31、生粉尘粉化等具有较大的堆积密度有良好的化学稳定性热稳定性以及价格使宜原料充足等一吸附剂的类型目前常用的天然气干燥剂有活性氧化铝硅胶和分子筛三类一些干燥剂的物理性质见表3 8 1 活性氧化铝活性氧化铝是一种极性吸附剂以部分水合与多孔的无定形Al2O3为主并含有少量其它金属化合物比表面积可达250m2 g以上湿容量大常用于水含量高的气体脱水呈碱性可与无机酸发生反应不宜用于酸性天然气脱水微孔孔径极不均匀没有明显的吸附选择性在脱水时还能吸附重烃且在再生时不易脱除采用活性氧化铝干燥后的气体露点可达 70 2 硅胶硅胶是一种晶粒状无定形氧化硅分子式为Si

32、O2nH2O 其比表面积可达300m2 g 硅胶为极性吸附剂它在吸附气体中的水蒸气时其量可达自身质量的50 即使在相对湿度为60 的空气流中微孔硅胶的湿容量也达24 常用于水含量高的气体脱水硅胶在吸附水分时会放出大量的吸附热易使其破裂产生粉尘它的微孔孔径也极不均匀没有明显的吸附选择性采用硅胶干燥后的气体露点可达 60 3 分子筛目前常用的分子筛系人工合成沸石是一种硅铝酸盐晶体由SiO4和AlO4四面体组成在分子筛晶体中存在着金属阳离子以平衡AlO4四面体中多余的负电荷分子筛化学结构式如下其中 M 金属离子可以是K Na Ca2 等n 离子的价数 X 称为硅铝比具

33、有许多排列整齐大小均一的孔道孔道之间通过孔口相互联结孔口大小与分子大小相近分子筛的类型硅铝比 X 不同分子筛类型不同分为A X Y型分子筛金属离子不同分子筛孔口直径不同同类分子筛又有不同的牌号例如 3A 4A 5A型分子筛等对不同类型分子筛可总结为 1 分子筛的结构特点分子筛类型AXY硅铝比 X 22 55对于A型分子筛则有分子筛名称3A4A5A金属离子K Na Ca 分子筛的两种效应筛分效应有效直径小于孔口的分子才可进入孔道被吸附吸附效应进入孔道的分子照极性强弱去吸附 2 不同类型分子筛具有很好的吸附选择性 3A分子筛平均孔径3 1 10 10m 只允

34、许H2O 2 7 3 1 CH4直径小于3 的分子进入孔道不吸附乙烷 4A分子筛只允许H2O CH4 C2H6 CO2 H2S等直径小于4 的分子进入孔道吸附不吸附丙烷若希望同时吸附CO2和H2S 则不应选择3A而应选择4A分子筛 5A分子筛允许各中直链烷烃进入孔道常用于正异构烷烃分离用于天然气脱水则选择性差失去了筛选作用只靠极性差别吸附不作为干燥吸附剂用 3 分子筛用作干燥剂时的特点具有很高的吸附性能在很低的水蒸汽分压下仍有较大的吸附容量可使干燥后气体中水的含量达到1ppm以下相当于气体露点为 101 湿容量随温度的变化很小分子筛经反复再生后其湿容量可以基本

35、保持不变而硅胶和氧化铝的湿容量在23 59 时则下降约50 多次再生后可下降2 3 使用寿命较长由于分子筛可有选择性地吸附水可避免因重烃共吸附而使吸附剂失活故可延长分子筛的寿命分子筛不易被液态水破坏由于分子筛不易被液态水破坏故可用于有液态水的气体脱水 4 复合固体吸附剂复合固体吸附剂就是同时使用两种或两种以上的吸附剂通常是将硅胶或活性氧化铝与分子筛串联使用湿气先通过硅胶或活性氧化铝床层再通过分子筛床层目前天然气脱水普遍使用活性氧化铝和4A分子筛串联的双床层其特点如下所述 1 既可以减少投资又可保证干气露点 2 活性氧化铝可作为分子筛的保护层当气体中携带有液态水

36、液烃缓蚀剂及胺类化合物时位于上部床层的活性氧化铝除用于气体脱水外还可作为下部分子筛床层的保护层 4 活性氧化铝的价格较低活性氧化铝的价格不仅比4A分子筛低而且比湿溶量相同的硅胶在t 30 时与活性氧化铝具有相同平衡湿容量也低由于活性氧化铝与4A分子筛组成的复合固体吸附剂床层具有以上持点故近几年来在天然气脱水中得到广泛应用 3 活性氧化铝再生时能耗比分子筛低因为活性氧化铝的吸附热比分子筛要低故其再生时的能耗也低二固定床吸附过程特性及计算吸附剂床层内的吸附过程几个概念吸附过程计算干燥器工艺计算再生过程工艺计算设湿天然气中水的浓度为C0 吸附床内水的原始浓度为零床层

37、内水被吸附的过程如下图一吸附传质过程吸附波二固定床吸附过程特性及计算透过曲线二几个概念吸附负荷曲线吸附波在吸附剂床层中吸附质沿床层不同高度的浓度变化曲线称为吸附负荷曲线或吸附波破点床层出口气体中水的浓度刚刚开始发生变化上升的点 tb 称为破点透过穿透曲线从破点到整个床层达到饱和时床层出口端气体中水浓度随时间的变化曲线叫透过曲线吸附剂平衡吸附湿容量当床层达到完全饱和时吸附剂的吸附量叫平衡吸附量 g H2O 100g 吸附剂动态有效吸附湿容量吸附过程达到破点时吸附剂的吸附量叫动态穿透吸附量三吸附过程工艺计算 1

38、估算干燥剂床层直径估算的层直径 m 气体在操作态下的体积流量允许空塔流速可由表3 17或图3 34查的首先按照下式估算床层直径即式中然后将计算到的床层直径D1圆整为工程设计中实际可以采用的数值D2 并计算出相应的空塔气速V2 再按D2和V2进行下一步计算 2 分子筛床层高度和气体流过床层压降干燥剂床层由饱和吸附段吸附传质段和未吸附段三部分组成饱和吸附段通常假定由吸附饱和段脱除全部需要脱除的水分由每个周期所需要的脱水量除以干燥剂的饱和湿容量即可得到吸附饱和段的干燥剂量 SS 吸附饱和段分子筛装填量 Kg 式中 Wr 每个脱水周期的脱水量 Kg 周期 Css CT 分子筛湿

39、容量温度校正因子然后再由下式计算饱和吸附段的长度吸附饱和段床层长度 m 实际采用的床层直径 m 分子筛堆积密度 kg m3 2 吸附传质段吸附传质段的长度可按下式估算式中吸附传质段长度 m 系数对于的分子筛对于的分子筛气体空塔气速 m min 床层总高度床层总高度是吸附饱和段与吸附传质段长度之和在床层上下应有1 8 1 9m的自由空间以保证气流进行适当分配通过计算确定再生气的量再生气加热负荷冷却气的量冷却热负荷 1 再生气的选择根据对干燥气露点要求可选择湿气或干气作再生气在再生过程中将吸附器加热到同样的温度采用湿气作再生剂时脱水操作中出口干气的露点相对

40、较高例如都将床层加热到204 当用干气作再生器时脱水操作中出口干气的水露点是 76 而用湿气作再生器时脱水操作中出口干气的水露点上升到 39 为使吸附剂再生完全保证出口干气较低的露点一般是用干气作再生气 2 加热过程总热负荷和再生气量的计算加热过程曲线见图5 9 3 再生过程工艺计算自学 A阶段升温烃的脱附认为烃在TA T1 T2 2下脱附 B阶段水的脱附认为所有的水在TB温度下全部脱掉 C阶段重烃脱附认为在TC下脱掉重烃 D阶段冷却阶段总热负荷包括显热负荷塔体吸附剂及其它内容物有T1 T4 轻烃由T1 TA 水由T1 TB 重烃由T1 TC 潜热负荷轻

41、烃水重烃等全部吸附物的脱附热水在氧化铝和硅胶上的脱附热为778KCal kg 在分子筛上的脱附热为1000KCal kg 烃在硅胶氧化铝和分子筛上的脱附热均为111KCal kg 由图5 9可知吸附器再生冷却过程主要四个阶段计算步骤为计算加热过程总负荷确定合适的加热时间 h 计算再生气所提供的热负荷包括未知数再生气量使以上两步计算的值相等求出再生气量取与加热过程相同的气量计算冷却过程时间 c 判断 h c 吸附周期否则适当增加加热过程时间相应增加再生气流量重复直至条件满足详细计算过程参见书中再生周期中干燥器加热和冷却过程工艺计算及例5 2 3 再生冷却过

42、程再生气量的计算步骤三固体吸附剂脱水工艺固体吸附剂脱水工艺流程工艺参数选择干燥器结构 1 采用湿气或进料气作再生气 1 固体吸附剂脱水工艺流程特点再生器用量约占进料量的5 10 由于采用湿气作再生气脱水操作中的干气露点仅能达到约为 39 由于脱水干燥时干燥器内的气速很大为减少床层的扰动原料气自上而下通过床层三固体吸附剂脱水工艺 2 采用干气作再生气特点由于用干气再生出口干气的露点可降低至 100 以下再生操作时再生气自下而上其原因是 a 防止床层下部重新被水污染 b 可使床层下部再生更完全以保证天然气的露点要求 c 虽然床层下部没有吸附水但吸附力大量烃类

43、其脱附后流向床层上部起到再生气的作用 1 吸附周期吸附周期长则再生次数少吸附剂寿命长但床层长投资高对于含水量较高的天然气易采用较短的周期对于含水量较低的天然气易采用较长的周期通常取吸附周期8 24小时 2 吸附温度根据吸附过程原理吸附是一放热反应吸附温度越高吸附剂湿容量越小为保证吸附剂有较高的湿容量吸附温度一般不超过50 3 再生温度再生温度越高吸附剂再生越完全但其有效使用寿命越短分子筛的再生温度一般为232 315 4 加热与冷却时间分配对于两塔流程加热时间为65 75 的吸附时间冷却时间为25 35 吸附时间对于三塔流程吸附时间再生时间冷却时间 2 工艺参数选择 3 干燥器结构