渤南終端處理廠分子篩吸附脫水工藝設計實例

謝小波，何金平，朱進全，夏華波，余 捷，孫延國

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司 天津300452)

0 引 言

自地層采出的天然氣及脫硫后的天然氣中一般都含有飽和水蒸氣，水分的存在會給天然氣的輸送和加工造成困難。天然氣在輸送和加工時需要冷卻的溫度越低，對其含水量的要求就越嚴格，因此必須對天然氣進行脫水處理，以達到規定的水汽含量指標。

1 脫水工藝的選擇

1.1 常規脫水工藝方法

1.1.1 低溫冷凝法

低溫冷凝是借助天然氣與水汽凝結為液體的溫度差異，在一定的壓力下降低溫度，使其中的水汽與重烴冷凝為液體，再借助液烴與水的相對密度差和互不相溶的特點進行重力分離。這種方法的效果顯著，但是為了達到較深的脫水程度，就應該有足夠的低溫，需要制冷設施，而對天然氣制冷又會導致水化物的產生，同時這樣會使脫水過程的工程投資和能耗增加，進一步提高天然氣處理成本。

1.1.2 化學試劑法

利用可以與天然氣中水發生化學反應的化學試劑與天然氣充分接觸，生成具有很低蒸汽壓的另一種物質，這種方法可以使天然氣中的水完全脫出，但因化學藥劑很難再生，工業上一般不采用。

1.1.3 溶劑吸收法

利用某些液體物質不與天然氣中的水發生化學反應，只對水有很好的溶解能力，溶解后的溶液蒸汽壓很低，且可以再生和循環使用，將天然氣中水汽脫出。這樣的物質有甲醇、甘醇等。由于吸收劑可以再生和循環使用，其脫水成本低，已在天然氣脫水中得到廣泛使用。

1.1.4 固體吸附法

利用某些固體物質比表面高、表面孔隙可以吸附大量水分子的特點來進行天然氣脫水，可使天然氣含水量降至 10-6，固體吸附劑一般容易被水飽和，但也容易再生，經過熱吹脫附后可多次循環使用。

1.2 分子篩吸附脫水法

通過以上的介紹，可知天然氣中脫水的常規方法一般采用溶劑吸收法和固體干燥劑吸附法。目前廣泛使用的是三甘醇吸收脫水和分子篩吸附脫水，這兩種方法應用的界限為要求凈化氣中含水量的多少。如果僅為保證天然氣在運輸過程中不產生水化物，用三甘醇吸收法脫水就可以。由于渤南終端天然氣處理工藝有深冷裝置，必須保證含水量達 10-6以下，就必須采用分子篩吸附脫水法。同時分子篩吸附法還可以除去天然氣中的CO2酸氣。

分子篩通常是一種人工合成的無機吸附劑，它是具有骨架結構的堿金屬或堿土金屬的硅鋁酸鹽晶體，通常分為X型和Y型。

分子篩作為吸附劑的優點為：固體吸附劑(干燥劑)吸附脫水，至少有硅膠、活性氧化鋁和分子篩 3種是經常使用的，而分子篩有更好的優點，在高溫下或吸附質濃度低(相對濕度小)時，比硅膠和活性氧化鋁吸附效果好得多，即使流體中水含量很低，還不是飽和狀態(例如幾倍 10-6)，分子篩仍有相當好的吸附容量，硅膠、活性氧化鋁則欠佳。吸附溫度即使高達90℃，分子篩仍有良好的吸附能力。分子篩可用于深度脫水，根據表 1選用 4A分子篩，平均直徑3.2mm。

表1 分子篩吸附參數設定表Tab.1 Adsorption parameter setting of molecular sieve

2 分子篩吸附器的設計計算

國內外項目大都采取短周期(8h)，2個吸附器。優點是裝填分子篩數量少，塔數量少，節省投資；再生次數少，對分子篩壽命有利，并且減少了切換操作的次數。缺點是如果分子篩質量不過硬，要想通過縮短操作周期來彌補，8h周期的回旋余地不大。渤南終端處理廠采用的就是以8h為1個周期的方式。

設計條件：渤南終端處理廠天然氣最大處理量1400000m3/d，平均分子量 19.75，相對密度ρ′＝M天/ M空＝19.75/28.97＝0.68，吸附壓力 3100kPa，吸附溫度 30℃，含飽和水，操作周期 8h，要求脫水到10-6以下(即水露點≤-100℃)。用球形分子篩，平均直徑3.2mm。分子篩堆密度660kg/m3。

2.1 吸附器直徑設計計算

原料氣在3100kPa，30℃，查《燃氣概論》38頁表2-1校正后的飽和含水量為1300kg/Mm3，按全部脫去考慮，則：

需脫水量：1400000×0.0013＝1820kg/d＝75.8kg/h

操作周期8h，總共脫水：8×75.8kg/h＝606.7kg

在近似計算時，當天然氣相對密度ρ′在 0.5～0.9范圍內，可用下列經驗公式計算天然氣的臨界值：

計算壓縮系數：

天然氣對比參數：

Tr＝T/Tc＝303/212.7＝1.4

Pr＝P/Pc＝3.1/4.6＝0.7

查《燃氣概論》33頁圖1-18，得Z＝0.89。

操作條件下的氣體體積流量為：

式中：Q 為氣體流量，m3/s；Qg為天然氣處理量，m3/d；P 為吸附壓力，MPa；T為氣體開氏溫度，K；Z為壓縮因子。

賦值計算如下：

吸附器直徑取決于適宜的空塔流速，適宜的高徑比。下面采用雷督克斯的半經驗公式試算一個空塔流速值，再用轉效點進行核算，證明其可行性：

式中：G為允許的氣體質量流速，kg/(m2·s)；C為系數(氣體自上向下流動，C值在 0.25～0.32；自下向上流動，C值是0.167)；bρ為分子篩的堆密度，kg/m3；gρ為氣體在操作條件下的密度，kg/m3；Dp為分子篩的平均直徑(球型)，或當量直徑(條形)，m。

G＝(0.29×660×29.5×0.0032)′＝4.25kg/(m2·s)

由F＝πD2/4得分子篩吸附器直徑：

D＝(4F/π)0.5＝(4×3.35/3.14)0.5＝2.07m

取直徑：D＝2.1m

分子篩有效吸附容量為8kg水/100kg分子篩。

吸附器需裝分子篩：606.7/0.08＝7583.3kg

其體積為：7583.3/660＝11.5m3

分子篩高徑比：hT/D＝1.63(一般高徑比為 2左右最好，不能小于1.5)。

2.2 吸附傳質區長度

式中：vg為空塔流速，m/min；hz為吸附傳質區長度，m；Z＝3.4(對直徑為 3.2mm 的分子篩)；hZ= 0 .435(8.6/35)0.3× 3 .4＝0.9m(空塔流速無問題，hT＞2hz)。

2.3 轉效點計算

式中：Bθ為到達轉效點的時間，h；x為選用的分子篩有效吸附容量，%；hT為整個床層的長度，m；q為床層截面積的水負荷，kg/(m2·h)。其他符號意義同前。

床層截面積的水負荷：

因為渤南終端項目采用 8h周期所以設計滿足要求。

現場實際投用設備的直徑是 2.4m，分子篩床層高度4m，分子篩體積為18.0864m3。這表明，目前大港設計院對分子篩吸附器的設計是完全可以達到和滿足生產要求的。

2.4 再生計算

吸附操作達到轉效點后，失去吸附能力，需將吸附的水脫掉，恢復吸附能力，這就是再生。再生最好用干氣(露點溫度低)，加熱后流經分子篩床層，將吸附的水脫附，再生氣進吸附器溫度一般為 2600℃左右。當再生氣出吸附器溫度升到 180～2000℃，可認為再生完畢。

2.4.1 再生加熱氣用量計算

再生加熱所需的熱量為Q，則：

Q＝Q1+Q2+Q3+Q4

式中：Q1為加熱分子篩的熱量，kJ；Q2為加熱器本身(鋼鐵)的熱量，kJ；Q3為脫附吸附水的熱量，kJ；Q4為加熱鋪墊的瓷球的質量，kJ。

算出 Q后加 10%的熱損失，設吸附后床層溫度是t1，熱再生氣進出口平均溫度為t2。則：

Q1＝m1×Cp1(t2-t1)

Q2＝m2×Cp2(t2-t1)

Q3＝m3×4186.8

Q4＝m4×Cp4(t2-t1)

式中：m1、m2、m3、m4分別是分子篩的質量、吸附器筒體及附件等鋼材的質量、吸附水的質量和鋪墊的瓷球的質量。4186.8kJ/kg是水的脫附熱，Cp1、Cp2、Cp4分別是上述各物質的定壓比容。

利用經分子篩干燥后的干氣，分子量 M＝16，進吸附塔溫度 260℃，分子篩床層終了后溫度 35℃(即床層升溫 5℃)，再生氣加熱氣出吸附器溫度200℃，床層再生平均溫度是：

(260+200)/2＝230℃

已知在230℃時，分子篩比熱 0.96kJ/(kg·K)，鋼材比熱 0.5kJ/(kg·K)，瓷球比熱 0.88kJ/(kg·K)，預先估算分子篩質量 11950kg，瓷球質量 3080kg，金屬總質量35630kg，吸附水質量606.7kg。則：

Q1＝11950×0.96(230-35)＝2237040,kJ

Q2＝35630×0.5(230-35)＝3473925kJ

Q3＝606.7×4186.8＝2540131.5kJ

Q4＝3080×0.88(230-35)＝528528kJ

Q＝Q1+Q2+Q3+Q4＝8779624.5kJ

加10%的熱損失，則是9657587.0kJ。

設再生熱吹時間 4.3h，每小時加熱量是9657587.0/4.3＝2245950kJ/h

再生氣在230℃時的平均比熱3.14kJ/(kg·K)

再生氣溫降是：

式中：t1為吸附后床層溫度，℃；為再生加熱結束時氣體出口溫度，℃；t3為再生氣進吸附器時的溫度，℃；每千克再生氣給出的熱量：

qH＝CpΔt＝3.14×142.5＝447.5kJ/kg

需再生熱氣量：

G熱＝2245950.4/447.5＝5018.9kg/h

2.4.2 冷卻氣量計算

加熱后床層溫度很高，需通入冷的干氣冷卻，冷卻到原來吸附開始時的溫度，設此值為′冷卻吸附塔需移去的熱量。

床層溫度自 2300℃降到 300℃，則冷卻熱負荷如下：

Q1＝11950×0.96(230-30)＝2294400kJ

Q2＝35630×0.5(230-30)＝3563000kJ

Q4＝3080×0.88(230-30)＝542080kJ

Q＝Q1+Q2+Q4＝6399480kJ

設冷卻時間為3.3h，每小時移去熱量：

6399480÷3.3＝1939236.4kJ/h

冷氣平均比熱在1300℃時是2.9kJ/(kg·K)。

每千克冷卻氣移去的熱量為：

2.9×100＝290kJ/kg

需冷卻氣量：G冷＝1939236.4/290＝6687kg/h

一個周期8h內需氣量G＝4.3G熱+3.3G冷＝4.3×5018.9+3.3×6687＝43648.4kg/8h

現場的再生氣量為20 萬m3/d，滿足要求。

3 結 論

按照渤南終端處理廠的天然氣再生氣量20萬m3/d計算進行設計：

①分子篩干燥器直徑 2.4m，高度 4m，體積18.0864m3。

②分子篩入口分離器直徑1.8m，高度8m，進出口直徑均為25cm。

③再生氣分水罐直徑0.8m，高度4m，進出口直徑均為100mm。

④調節閥直徑 50mm，分子篩出口過濾器直徑1m。