分子筛脱水系统工艺技术研究

2018-05-24杜丽民

天然气化工—C1化学与化工 2018年2期

杜丽民，丁锋

（中石化中原石油工程设计有限公司濮阳区域项目部，河南濮阳 457001）

油田在开采过程中，在油层间会出现伴随石油液体出现的气体，这种气体通常称为伴生气[1]。其主要成分是甲烷，通常会含有大量的乙烷和碳氢重组分。为提高天然气的利用率，会对伴生气进一步的处理，将乙烷、丙烷、丁烷和重组分从气流中分离出来，它们可以被进一步加工，作为纯组分或天然气混合液(NGL)或LPG销售[2]。在天然气处理中，脱水是天然气深处理的必不可少的过程，脱水的目的是脱除天然气中的溶解水，从而防止处理和储运过程中出现水合物和液态水。脱水深度决定了天然气处理的深度与利用率[3]。

目前，天然气脱水方法主要有吸收法、吸附法、低温法、膜分离法、气体汽提法和蒸馏法等[4]，以上方法根据不同的工况进行选用。吸附法是指气体或液体与多孔的固体颗粒表面接触时，气体或液体分子与固体表面之间相互作用（范德华力）而停留在固体表面上，是气体或液体分子在固体表面上浓度增大的现象。本文主要对非洲某国天然气处理厂中脱水系统进行改造，介绍分子筛吸附法[5-8]主要设备的计算，对其他工程实际应用具有很好的参考意义。

1 基本条件

1.1 装置介绍

天然气处理厂设计规模为448.32×104m3/d（101.325kPa，20℃），压力为 11MPa，温度为 15.1℃，操作弹性为60%～125%。处理装置目前采用J-T阀制冷工艺路线，经过三甘醇脱水、脱乙烷塔、脱丁烷塔、脱戊烷塔分馏系统，装置产出干气、液化气、戊烷和稳定凝析油产品。为了回收更多的轻烃产品，提高天然气利用率，在已有设施基础上，增加深冷制冷设施，降低制冷温度。而目前的脱水系统已不能满足改造后需要的水露点要求，所以必须对现有的脱水系统进行改造。

1.2 工艺流程

1.2.1 介质组分

进脱水系统时天然气的组分见表1。

表1 原料天然气的组成Table 1 Composition of natural gas

1.2.2 分子筛脱水系统流程

分子筛脱水，采用差压再生工艺，原料气首先进入分子筛干燥器入口分离器进行过滤分离，后进入分子筛干燥器进行深度脱水，再通过干气过滤器脱除分子筛粉尘后，进入深冷单元。再生气压力为5.3MPa，通过再生气加热炉加热，加热后的再生气对分子筛床层自下而上吹扫再生，将分子筛中吸附的水分带出。含水的再生气从分子筛干燥器顶流出，进入再生气冷却器，冷却至40℃，由再生气分离器分出游离水后，再生气利用压力平衡返回外输气管网外输。

本设计分子筛干燥器采用3塔脱水工艺流程。其中2塔进行吸附操作，另1塔进行再生、冷却操作，整个操作程序为：吸附16h；再生8h，其中减压0.5h，加热 4h，冷却 2.5h，升压 0.5h，待用 0.5h。分子筛干燥器为周期性循环操作，采用时间控制程序自动切换，任意时刻，总有2塔在吸附，1塔在再生，交替循环运行。分子筛脱水工艺流程图见图1。

图1 分子筛脱水工艺流程图Fig.1 Processflow diagram of molecular sieve dehydration

2 分子筛脱水工艺计算[9,10]

2.1 分子筛干燥器计算

2.1.1 干燥器直径估算

首先，按照下式估算床层直径，即

式中，D1为干燥器直径床层直径，m；Qw为气体在工况下的体积流量，m3/h；为允许空塔流速，m/min，查图取4m/min。

根据吸附剂用量核算塔径，即

式中，Vw为吸附剂体积用量，m3。可由式(3)计算：

式中，G1为吸附剂脱除的水量，kg/τ；τ为吸附周期，h；Xs为吸附剂的动态饱和吸附量，kg（水）/100kg（吸附剂）；ρB为分子筛堆积密度，kg/m3。

干燥器直径估算即为

式中，D为计算的塔径，m。

2.1.2 采用雷督克斯公式计算空塔流速

空塔质量流速为

式中，Gg为空塔质量流速，kg/(m2·s)；C 为常数，取0.29；ρB为吸附剂堆积密度，kg/m3；ρg为天然气工况下密度，kg/m3；Dp为吸附剂的平均直径，m。

故空塔流速为

式中，v2为计算允许空塔流速，m/min。计算的空塔流速v2应小于允许空塔流速v1，否则应调整初选的塔径，直到满足要求。

2.1.3 传质区长度计算

式中，Hz为吸附剂传质长度，m；q为床层截面积水负荷，kg/(h·m2)，可由式(8)计算；Rs为相对湿度。

床层高度：

式中，Ht为吸附传质段前边线床层进口端距离，m；F为床层的横截面积，m2。

吸附剂有效吸附容量：

式中，X为吸附剂的有效吸附容量，kg（水）/100kg（吸附剂）；当 X＜Xs时，Ht才满足要求。

式中，H为床层总高度，m。床层总高度H是吸附饱和段与吸附传质段长度之和。

2.1.4 转效时间

取款人身份证复印件上的名字明白无误是宋月芝，照片黑乎乎的看不清楚，老福很难确认那是不是他见过的小宋。他把这两张纸装进塑料袋交给高超，叫他去做指纹鉴定，然后三个人离开银行，直奔罗家。

转效时间是验证床层总高度H计算是否合适的重要参数，其计算公式如下：

式中，θB为转效时间，h。

当转效时间θB大于吸附时间τ时，则吸附剂处于未饱和状态，床层高度计算合适。

2.1.5 床层压降

式中，Δp 为床层压降，kPa；μ 为气体粘度，Pa·s；B、C为常数，分别取4.155和0.00135。

2.2 热负荷计算

加热干燥器壳体所需显热：

式中，Q1加热干燥器壳体所需显热，kJ；G为塔体的质量，kg；C1为干燥器壳体材料在加热过程中的平均比热容，kJ/(kg·℃)；t2为加热过程结束时床层温度，近似取再生气出干燥器温度，℃；t1为再生过程开始时床层温度，近似取湿气进干燥器温度，℃。

加热吸附剂所需的显热：

式中，Q2为加热吸附剂所需的显热，kJ；Gs为吸附剂的质量，kg；C2为吸附剂在加热过程中的平均比热容，kJ/(kg·℃)。

脱除床层吸附水的脱附热：

式中，Q3为脱除床层吸附水的脱附热，kJ；ΔH为水的脱附热，通常取4186.8kJ/kg；G2为每周期的吸附水量，kg。

加热瓷球所需的显热：

式中，Q4加热瓷球所需的显热，kJ；Gz为瓷球的质量，kg；C4为瓷球在加热过程的平均比热容，kJ/(kg·℃)。

干燥剂再生加热过程中所需的总热负荷（Q）即为：

其中考虑热损失加热过程总热负荷的10%。

3 结果与分析

3.1 计算结果

3.1.1 分子筛干燥器计算结果

原料天然气的操作压力P为11MPa，操作温度T为15.1℃，天然气在工况下的体积流量Qw为468.55m3/h，天然气工况下密度ρg为194.5kg/m3，天然气中水含量G水为19.56kg/h，气体粘度μ为0.02154Pa·s，吸附周期 τ为 16h，再生周期为 8h。

本工程设计采用4A型分子筛作为脱水吸附剂。4A型分子筛是一种性能优良、具有高吸附容量、高吸附选择性且再生稳定的吸附剂，对极性、不饱和化合物和易极化分子（特别是水）有很大的亲和力。其主要成分是碱金属硅铝酸钠，具有均一的孔径（0.42～0.47nm）和较大的比表面积。分子直径小于分子筛晶体孔穴直径的物质可以被分子筛吸附，否则将被排斥。由于水分子直径为0.27～0.31nm，所以4A型分子筛被广泛应用于深度脱水。

吸附剂选用4A圆形分子筛，其平均直径为0.0032 m，动态饱和吸附湿容量Xs大于12%，设计的平衡湿容量为 12kg（水）/100kg（吸附剂），有效吸附容量 X为 0.4，ρB为吸附剂堆积密度，取700kg/m3。

表2 分子筛干燥器计算结果Table 2 Calculation results of molecular sieve dryer

3.1.2 热负荷计算结果

其中，塔体的质量G为28000kg，干燥器壳体的平均比热容C1为0.5kJ/(kg·℃)，加热过程结束时床层温度t2为220℃；再生过程开始时床层温度t1为15.1℃；再生气进入干燥器床层的温度为260℃。吸附剂的质量Gs为4100kg，吸附剂在加热过程中的平均比热容C2为0.963kJ/(kg·℃)，水的脱附热ΔH为4186.8kJ/kg，瓷球的质量Gz为4068kg；C4为瓷球在加热过程的平均比热容，4964.5kJ/(kg·℃)

表3 脱水系统热负荷计算结果Table 3 Dehydration system heat load calculation results

3.2 结果分析

采用4A分子筛为例，详细介绍了吸附法脱水系统的计算。平衡湿容量是判别固体吸附剂优劣、确定吸附剂用量的重要依据。在气体脱水过程中，影响平衡湿容量的因素很多，除了气体中各组分的沸点、吸附剂比表面积和堆积密度外，水汽中的相对湿度、吸附温度和吸附剂的原始或残余水含量等都影响平衡湿容量和气体脱水后的露点[11-14]。所以在设计时，要特别注意。转效时间是判别脱水周期是否满足设计要求的重要参数，本设计中转效时间为17.13h，小于脱水周期18h，满足设计要求。床层压降一般应小于35kPa，本设计床层压降仅为13.18kPa。原料气压力为11MPa，而再生气压力为5.3MPa，故在干燥器切换时用控制升压和降压速度，一般控制在0.3MPa/min以下。本设计升压和降压速度控制在0.2MPa/min左右。采用干气再生，脱水后的湿天然气经冷却、过滤后直接进入到外输管网中。经测量，外输气水露点为-58.9℃，满足外输气水露点设计要求，同时减少了再生气压缩机，节约了投资。在实际运行中还可将未加热的再生气与干燥器出口再生气进行换热，节约能耗的同时可降低空冷器（AC-101）的热负荷，节约投资。