分子篩脫水裝置的節能探究

陳 殿 張 霖 胡東明

(西南油氣田江油輕烴廠)

江油輕烴廠45×104m3/d輕烴回收裝置主要用于回收中壩氣田須二氣藏不含硫天然氣中的C3H8、C4H10及C5H12等以上輕烴組分。該裝置主要采用分子篩吸附脫水方法，原料氣經過分子篩床層的過程中，氣體中含有的氣相飽和水被分子篩吸附，滿足原料氣的水露點達到進入低溫系統的要求[1]。當分子篩吸附劑處于飽和狀態時，利用再生氣釋放出分子篩中所吸收的水分，即可使其重新恢復活性。

1 脫水系統工藝簡介

江油輕烴廠脫水系統主要由吸附塔、干燥塔、再生氣加熱爐、再生氣冷卻器及再生氣分離器等組成。其脫水工藝包括吸附和再生兩部分，采用雙塔(吸附塔、干燥塔)流程(圖1)：首先高壓原料氣進入分離器以除去氣體中帶來的游離液體及雜質等，然后進入分子篩干燥器以除去其所含的飽和水分，最后經過濾器后進入冷箱。

圖1 輕烴廠脫水工藝流程簡圖

2 影響分子篩脫水效果的因素

2.1吸附溫度

吸附塔在操作時對溫度變化很敏感，主要是由于吸附劑的濕容量會隨床層溫度的升高而下降，導致吸附效果變差。

2.2吸附周期和再生時間

吸附劑的濕容量和裝填量、原料氣的含水量、床層的高徑比、空塔氣速以及再生氣能耗等因素，均能夠決定吸附周期和再生時間的長短[2]。

2.3再生溫度

床層的再生溫度越高，分子篩的濕容量越大，脫水效果就越好，但溫度過高會影響其壽命。該分子篩要求再生溫度為200～300℃。如圖2所示為4月26日再生進口溫度變化曲線，可以看出床層溫度由55℃上升到290℃左右需要3h。

圖2 4月26日再生進口溫度曲線

2.4再生氣和冷卻氣流量

再生氣與冷卻氣的流量一般相同，主要取決于再生溫度和時間。

3 分子篩再生時間計算

3.1脫水裝置質量估算

3.1.1塔體質量估算

分子篩脫水裝置主體結構為立式圓筒型雙塔結構，其結構尺寸為：DN=1200mm，H=10640mm，δ=18mm。主要包括塔體圓筒質量、封頭質量、附件質量和裙座質量4部分。

塔體圓筒質量估算，根據資料查閱結果，得出分子篩塔圓筒結構的有效高度h1=6860mm，則塔體圓筒質量為：

封頭質量估算，可以近似將封頭看作兩個半球形狀，采用積分法進行估算：

附件質量估算，包括梯子平臺預焊件、對焊鋼法蘭、加厚接管、垂直吊蓋、對焊法蘭人孔、不銹鋼絲、絲網、柵板、支持圈及支持板等，查閱相關資料得出附件質量總和為:

mc=555kg

裙座質量估算，塔體的裙座可以看作一段圓筒結構，其有效高度h2=1400mm，則塔體裙座質量為：

則塔體結構總質量估算結果為：

m1=ma+mb+mc+md=5475.20kg

3.1.2分子篩和瓷球質量估算

查閱資料得出，脫水裝置分子篩的有效堆積高度為5 260mm，堆密度ρ2=700kg/m3，則分子篩的質量為：

塔的床層上層鋪φ200mm瓷球，下層鋪φ300mm瓷球，瓷球堆密度ρ3=2000kg/m3，則瓷球的質量為：

3.2再生氣熱負荷計算

在再生過程中，進口終了溫度取4月24～30日一周的平均溫度293.12℃，出口終了溫度為223.52℃。再生過程中的熱負荷主要來自于塔體熱負荷、分子篩熱負荷、瓷球熱負荷和吸附水的脫附熱4個方面。

考慮再生氣溫度對分子篩脫水效果的影響，故將4月26日再生氣出口溫度與對應時間進行統計，如圖3所示，再生出口溫度約從55℃經過一個跌落階段后，逐步升高到223.52℃，大約需要6h時間，其中出口溫度維持在200℃以上的時間為2h。

圖3 4月26日再生出口溫度曲線

再生進口終了溫度為293.12 ℃，分子篩床層吸附后溫度29.12 ℃(即床層溫升5 ℃)，再生出口終了溫度為223.52 ℃，因此在對再生氣熱負荷的估算過程中，可以將床層平均再生溫度參數設為T1：

T1=0.5×(293.12+223.52)=258.32℃

塔體熱負荷計算，在258.32 ℃時，鋼材比熱為0.50kJ/(kg·℃)，則塔體的熱負荷為：

Q1=m1CpΔt=5475.20×0.5×(258.32-29.12)

=627457.92kJ

分子篩熱負荷計算，在258.32 ℃時，分子篩比熱為0.96 kJ/(kg·℃)，則分子篩的熱負荷為：

Q2=m2CpΔt=3916.15×0.96×(258.32-29.12)

=861678.32kJ

瓷球熱負荷計算，在258.32 ℃時，瓷球比熱為0.88 kJ/(kg·℃)，則瓷球的熱負荷為：

Q3=m3CpΔt=1063.59×0.88×(258.32-29.12)

=214521.85kJ

吸附水分的脫附熱，查閱資料得到吸附水的脫附熱比為4 186.8kJ/kg，則吸附水的脫附熱為：

Q4=4186.8·m水=4186.8×5.46=22859.93kJ

由于在再生氣加熱過程中，存在10%的熱量損失，則再生氣的總熱負荷為：

Q=1.1×(Q1+Q2+Q3+Q4)=1899169.82kJ

3.3再生時間估算

根據再生氣的熱負荷以及再生氣在該條件下的比熱值，計算出再生時間。在此，由于再生氣為透平膨脹機增壓端的干氣，其甲、乙烷含量達到98%以上，為計算方便忽略其他組分[3]。

再生出口的平均溫度：

tm=0.5×(223.52+29.12)=126.32℃

單位質量再生氣的熱負荷：

Δt=293.12-0.5×(223.52+29.12)=166.80℃

qH=CpΔt=1.35×(293.12-126.32)=225.18kJ/kg

完成再生所需的再生氣質量：

完成分子篩再生所需要的時間：

3.4冷吹氣熱負荷計算

同理，根據圖3可以得出冷吹的終了溫度為55℃，冷吹氣的熱負荷主要來自于3個方面：塔體結構熱負荷、分子篩熱負荷和瓷球熱負荷。

塔體結構熱負荷計算，在258.32 ℃時，鋼材比熱0.50kJ/(kg·℃)，則塔體結構的熱負荷為：

Q1=m1CpΔt=5475.20×0.5×(258.32-55)

=556608.83kJ

分子篩熱負荷計算，在258.32 ℃時，分子篩比熱0.96 kJ/(kg·℃)，則分子篩的熱負荷為：

Q2=m2CpΔt=3916.15×0.96×(258.32-55)

=764382.35kJ

瓷球負荷計算，在258.32 ℃時，瓷球比熱為0.88 kJ/(kg·℃)，則瓷球的熱負荷為：

Q3=m3CpΔt=1063.59×0.88×(258.32-55)

=190299.23kJ

由于冷卻時存在10%的能量損失，冷卻氣需要帶走的總熱負荷為：

Q=1.1×(Q1+Q2+Q3)=1662419.45kJ

3.5冷吹時間估算

根據冷吹氣需要帶走的熱量以及該條件下單位質量冷吹氣焓降值，得出裝置的冷吹時間。

干燥器在冷卻階段的平均溫度ti為：

ti=0.5×(258.32+55)=156.66℃

冷吹氣的溫度ta=33.65℃, 床層溫度自258.32℃降到55℃，干氣在溫度為156.66℃，壓力為1.72Pa下的熱焓為-3 986.71kJ/kg；干氣在溫度為33.65℃，壓力為1.72MPa下的熱焓為-4 218.36 kJ/kg，則單位質量冷吹氣的焓降值為：

qH=(h|156.66-h|33.65)=-3986.71-(-4218.36)

=231.65kJ/kg

完成冷卻所需冷吹氣的質量為：

完成冷吹所需要的時間為：

3.6計算結果分析

現階段江油輕烴廠分子篩脫水裝置再生時間每組控制在6h左右，平均每天再生氣加熱爐的耗氣量為1 040m3。根據理論計算得出：完成一組分子篩再生所需的再生氣質量為8 434.01kg，需要4.34h便可完全脫去分子篩所吸附的飽和水。

但在以上的理論計算中忽略了兩點：被分子篩吸附的烴類，未脫附前所吸收的熱量以及脫附熱；分子篩吸附水在未脫附前的吸收熱。根據《天然氣工程手冊》的計算原理，實際再生時間須在4.34h的基礎上增加5%～10%的時間裕量。因此，修正后的再生時間此時為4.77h，理論上完全可以使脫水裝置出口原料氣中的水含量達到生產要求[4]。根據以上計算結果對比現場實際情況，則可以達到減小燃料氣消耗量，進一步降低裝置能耗的目的，其理論依據如下。

現階段再生氣加熱爐平均每小時耗氣量為：

若將分子篩的再生時間按理論計算結果，則每天節約耗氣量為：

V1=V燃料氣-q·t1=(520-86.67×4.77)×2=213.17m3

若將每月時間計為30天，則月耗氣量的節省量為：

V2=30V1=30×213.17=6395.05m3

4 節能降耗建議

以上計算是以現場裝置實際運行參數為基礎，對分子篩脫水裝置再生時間進行理論計算并加以分析。主要是為了保證裝置在正常運行的條件下，可以減小燃料氣消耗量，進一步降低裝置能耗。

4.1調整雙塔切換周期

切換周期的長短不僅會影響分子篩所吸附飽和水的總量，而且對于裝置整體能耗也有重要影響[5]。通過近幾年的觀察，按照脫水塔12h切換的經驗操作法至少能滿足54×104m3/d處理量的要求。根據資源變化情況，該裝置目前處理量約為33×104～37×104m3/d，結合脫水塔4A分子篩自身特點，通過延長每組吸附塔的吸附時間，讓水平衡段變長，使分子篩吸附水后趨向飽和，減少分子篩的吸附總容量。建議將目前的12h切換期延長至18～20h，以減少分子篩再生次數，延長分子篩使用壽命，降低裝置能耗和勞動強度。通過現場試驗將切換周期變更為18h，并采用在線水含量分析儀監測原料氣含水量，監測結果完全滿足生產要求。

4.2控制再生時間

再生時間是保證脫水裝置運行效果的一個重要因素，而控制再生時間必須以再生質量為前提，適當地縮短現裝置再生時間，既能夠保證經脫水處理后的原料氣中水露點完全滿足規定標準，又能夠減少燃料氣消耗量，降低裝置能耗[6]。

5 結束語

現江油輕烴廠分子篩塔再生時的操作壓力為1.60～1.75MPa，根據《飽和水蒸氣表》得出在該壓力范圍內，其對應的沸點溫度為200～210℃。因此可推斷，如要分子篩在吸附后得到充分的再生，則再生溫度不應該低于200℃。根據理論計算結果得出江油輕烴廠脫水裝置再生時間應為4.77h，故應當適當縮短再生時間，使其控制在4.8～5.0h以內，初步估算每日能減少約2.46 h的加熱時間，則每天可節約燃料213.17m3，一月按照30天計算可節約6 395.05m3燃料氣，預期效果相當可觀。

[1] 王遇冬，王璐.我國天然氣凝液回收工藝的近況與探討[J].石油與天然氣化工，2005，34(1)：11～13.

[2] 胡曉敏，陸永康，曾亮泉.分子篩脫水工藝簡述[J].天然氣與石油，2008，26(1)：39～41.

[3] 王金星.深冷裝置分子篩脫水效果研究[D]. 大慶：大慶石油學院，2008.

[4] 褚林.天然氣加工工程[M].北京：石油工業出版社，1996：23～26.

[5] 劉曉輝，周永賢，金偉.4A球形分子篩干燥器的優化[J].天然氣工業， 2010，30(3)：91～94.

[6] 李明，魏志強，張磊，等.分子篩脫水裝置節能探討[J].石油與天然氣化工，2012，41(2):156～120.