天然氣輕烴回收工藝設計.doc

摘 要天然氣作為一種寶貴的資源在人民生活和工業(yè)部門中有著廣泛的應用。天然氣，它不僅是一種優(yōu)質(zhì)的清潔燃料，也是近代化學工業(yè)的重要原料來源。從天然氣中回收的輕烴分解出來的乙烯是有機合成產(chǎn)品的基礎原料，可以生產(chǎn)數(shù)百種合成材料，是世界上產(chǎn)量最多的化工中間產(chǎn)品。以天然氣凝液為原料生產(chǎn)乙烯，收率高、成本低、投資少。隨著科學技術(shù)的推廣及其人們安全意識的加強，不同行業(yè)都對生產(chǎn)過程中的高效率、可靠性、安全性、經(jīng)濟性及其科學性等提出了越來越高的要求。經(jīng)過四年的學習努力，為了進一步掌握和貫通所學的知識，對輕烴回收裝置增加了解，對輕烴回收裝置工藝再次做出了工藝設計，改善并增強整個裝置工藝的工藝流程。本文重點論述了：l）天然氣的化工作用，天然氣輕烴回收的目的，各種天然氣輕烴回收工藝及發(fā)展，輕烴的加工利用及其發(fā)展趨勢；2）了解輕烴回收工藝的流程和作用；3）輕烴回收裝置的工藝設計：分離器的設計，分子篩的設計，關鍵詞：輕烴回收裝置 工藝設計 天然氣 發(fā)展Abstract As a precious natural resource, natural gas is used widely in peoples life and industry. It is not only high grade and clean fuel, but also an important raw material of chemical industry in last history. Ethylene decompounded from light hydrocarbon is a base raw material of synthetic organic product, which can be used to made hundreds of synthetic material, and it is the most output intermediate product in the world. It is a beneficial and low cost way, need not much investment to produce ethylene by means of liquefied natural gas. With the popularization of science and technology and enhancement of peoples safety consciousness, different trades put forward higher requirement to efficiency rate, reliability, safe nature, economy and its science etc in the process. In order to improve labors environment and intension, cut down the reduction of output and stop production by mans factors, designing a high efficiencys control system for Light Hydrocarbon Recoverys apparatus, and it is important to improve and strengthen the grade of whole apparatus The main contents of this paper includes:1) This paper gives a overall summary of the function of natural gas chemical industry, the reason why we recover NGL, deep process ways of NGL and their development trends.2) Understand the process and the role of Light hydrocarbon recovery process 3) The design of light hydrocarbon Recovery UnitKeywords: Light Hydrocarbon Recovery, Process Design, Natural gas, Development目 錄1 緒論11.1 天然氣輕烴回收的目的11.2 輕烴回收工藝11.2.1 吸附法11.2.2 油吸收法21.2.3 冷凝分離法21.3 輕烴回收工藝方法進展41.3.1 國內(nèi)輕烴回收工藝的發(fā)展及現(xiàn)狀分析41.3.2 國外輕烴回收工藝的發(fā)展及現(xiàn)狀分析41.3.3 國內(nèi)外輕烴回收技術(shù)的發(fā)展趨勢51.3.4 國內(nèi)外輕烴回收工藝差距52 設計說明書62.1 設計概述62.1.1 設計依據(jù)62.1.2 設計原則62.1.3 設計內(nèi)容62.1.4 相關標準62.2 主要設計參數(shù)說明72.3 工藝流程設計說明73 輕烴回收工藝計算93.1 分子篩吸附器設計計算93.1.1 設計計算中涉及的主要計算公式93.1.2 分子篩的直徑計算113.1.3 再生熱負荷計算123.1.4 再生氣量的計算133.1.5 冷卻氣量計算133.1.6 壓力降計算（吸附）143.1.7 轉(zhuǎn)效點計算143.1.8 傳質(zhì)區(qū)長度的計算143.1.9 吸附器材質(zhì)和壁厚計算153.2 板翅式換熱器的工藝計算153.2.1設計計算中涉及的主要計算公式163.2.2 翅片型式與結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇173.2.3 基本的設計計算183.2.4 翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)的選定193.2.5 傳熱膜系數(shù)203.2.6 翅片效率213.2.7 有效傳熱面積223.2.8 總傳熱系數(shù)（原料氣側(cè)面積為基準）233.3 分離器的工藝設計233.3.1 設計計算中涉及的主要計算公式243.3.2 分離器的工藝計算263.4 膨脹過程熱力計算303.4.1 進口條件計算303.4.2 出口條件計算313.4.3 原料氣經(jīng)膨脹后的凝析液量373.4.4 計算膨脹機所產(chǎn)生的功383.4.5 透平膨脹機的設計結(jié)果383.5 脫乙烷的工藝設計383.5.1 工藝設計中涉及到的計算公式393.5.2 脫乙烷塔進料組成413.5.3 脫乙烷塔塔頂溫度計算423.5.4 脫乙烷塔塔底溫度計算423.5.5 脫乙烷塔最小理論板層數(shù)計算423.5.6 脫乙烷塔塔徑計算433.5.7 脫乙烷塔高度計算443.5.8 填料塔除霧器計算443.5.9 脫乙烷塔壁厚設計計算453.5.10 塔底再沸器設計計算453.6 脫丙丁烷塔設計計算463.6.1 脫丙丁烷塔進料組成463.6.2 脫丙丁烷塔產(chǎn)品各組分組成計算463.6.3 脫丙丁烷塔塔頂溫度計算473.6.4 脫丙丁烷塔塔底溫度計算473.6.5 脫丙丁烷塔最小理論板層數(shù)計算473.6.6 脫丙丁烷塔最小回流比Rmin計算483.6.7 脫丙丁烷塔理論板層數(shù)確定493.6.8 脫丙丁烷塔進料板位置確定493.6.9 脫丙丁烷塔塔徑計算493.6.10 脫丙丁烷塔高度計算503.6.11 脫丙丁烷塔頂回流罐計算513.6.12 脫丙丁烷塔壁厚設計計算513.6.13 塔底再沸器設計計算523.7 管道選型說明523.7.1 幾種流體的流速523.7.2 主要管線劃分情況523.7.3 管線選擇標準53結(jié) 論54致 謝55參考文獻5655輕烴回收裝置工藝設計1 緒論1.1 天然氣輕烴回收的目的 天然氣就是地表下孔隙性地層發(fā)現(xiàn)的天生的烴類和非烴類混合物，它常和原油伴生在一起。天然氣嚴格的說也是石油，它是石油的氣態(tài)形式，大多數(shù)以甲烷為主，并包括乙烷、丙烷、丁烷和比丁烷重的烴類，以及可能存在的少量氮氣、二氧化碳、硫化氫、氦、氧、氫等氣體。 天然氣用作燃料具有很多優(yōu)點，容易燃燒，清潔無灰渣，發(fā)熱量大，熱值達9000-10000kca1/Nm3，使用方便，具有市場價格優(yōu)勢。而且天然氣是很好的化工原料，世界上氮肥工業(yè)、粘合劑工業(yè)、合成纖維工業(yè)、合成塑料工業(yè)等都是以天然氣為原料。從天然氣中分離出來的乙烷用以代替石腦油作生產(chǎn)乙烯的原料，液化石油氣也可作為生產(chǎn)乙烯的原料。美國、加拿大、墨西哥、法國等利用天然氣分離得到的丙烷、丁烷生產(chǎn)丙烯、丁二烯以及合成的醋酸、甲酸等基礎產(chǎn)品，進一步加工成用途廣泛的有機化工產(chǎn)品。國際權(quán)威界認為，本世紀將是天然氣的世紀。天然氣燃料具有很多優(yōu)點，但是天然氣的液烴無論是從市場價格還是以重量或發(fā)熱值為基準，都高于天然氣的價格。搞好輕烴回收可大大降低油氣損耗，提高資源的綜合利用程度，減少大氣污染，提高天然氣的整體經(jīng)濟效益，具有重要的現(xiàn)實意義。1.2 輕烴回收工藝 在不同的歷史時期，發(fā)展了不同的輕烴回收工藝，到現(xiàn)在其方法多種多樣，概括起來，有下面三種：吸附法、油吸收法和冷凝分離法。1.2.1 吸附法吸附法是利用固體吸附劑（如活性氧化鋁和活性炭）對各種烴類吸附容量不同，而使天然氣中各組分得以分離的方法。該法一般用于重烴含量不高的天然氣和伴生氣的加工過程，一般只限于加工小量天然氣。在吸附過程中一直要進行到吸附劑被重烴所飽和，然后停止吸附，而通過少量的熱氣流，將吸附床上的烴類脫附，經(jīng)冷凝分離出所需的產(chǎn)品。吸附法具有工藝流程簡單、投資少的優(yōu)點，但它不能連續(xù)操作，且運行成本高，產(chǎn)品范圍局限性大，因此應用不廣泛。1.2.2 油吸收法 油吸收法是基于天然氣中各組分在吸收油中的溶解度差異，而使不同的烴類得以分離。根據(jù)操作溫度的不同，油吸收法可分為常溫吸收和低溫吸收。常溫吸收多用于中小型裝置，而低溫吸收是在較高壓力下，用通過外部冷凍裝置冷卻的吸收油與原料氣直接接觸，將天然氣中的輕烴洗滌下來，然后在較低壓力下將輕烴解吸出來，解吸后的貧油可循環(huán)使用，該法常用于大型天然氣加工廠。采用低溫油吸收法C3收率可達到（8590%）,，C2收率可達到（2060%）。 油吸收法廣泛應用于上世紀60年代中期，但由于其工藝流程復雜，投資和操作成本都較高，上世紀70年代后，己逐步被更合理的冷凝分離法所取代。上世紀80年代以后，我國新建的輕烴回收裝置己較少采用油吸收法。1.2.3 冷凝分離法該法是利用原料氣中各組分冷凝溫度不同的特點，在逐步降溫的過程中依次將較高沸點的烴類組分冷凝分離出來。冷凝分離法最根本的特點是需要提供一定低溫位的冷量，使原料氣降溫，具有工藝流程簡單、運行成本低、回收率高的特點，目前在輕烴回收技術(shù)中得到廣泛應用。按冷量提供方式的不同可分為外加冷源法、自制冷法和混合制冷法。1.2.3.1 外加冷源法 天然氣冷凝分離所需要的冷量由獨立設置的冷凍系統(tǒng)提供。系統(tǒng)所提供冷量的大小與被分離的原料氣無直接關系，故又可稱為直接冷凝法。根據(jù)被分離氣體的壓力、組分及分離的要求，選擇不同的冷凍介質(zhì)。制冷循環(huán)可以是單級也可以是多級串聯(lián)。常用的制冷介質(zhì)有氨、氟里昂、丙烷或乙烷等，也可以多種冷凍介質(zhì)配合使用來獲得更低的溫度。由于環(huán)保因素，氨和氟里昂己被逐漸淘汰，在我國，丙烷制冷工藝應用于輕烴回收裝置還不到10年時間，但山于其制冷系數(shù)較大，制冷溫度為（-35-30），丙烷制冷劑可由輕烴回收裝置自行生產(chǎn)，無刺激性氣味，因此近兒年來，該項技術(shù)迅速推廣，我國新建的外冷工藝天然氣輕烴回收裝置基本都采用丙烷制冷工藝，一些原設計為氨制冷工藝的老裝置也在改造成丙烷制冷工藝。 外冷法的優(yōu)點是制冷系統(tǒng)制冷量不受原料氣的貧富程度的限制，對原料氣的壓力無嚴格要求，可根據(jù)回收率的要求確定原料氣被冷卻后的溫度，在裝置運轉(zhuǎn)中，可根據(jù)原料氣量和組成的變化以及季節(jié)性的氣溫變化來改變制冷量的大小。上世紀80年代之前，我國投產(chǎn)的輕烴回收裝置都采用單純的外制冷工藝流程。目前該方法仍是我國各油田采用較多的工藝方法之一。1.2.3.2 自制冷法 自制冷法主要用于回收C3或C2，它是利用原料氣進天然氣凝液回收裝置的壓力降產(chǎn)生制冷效應。制冷量取決于原料氣本身的壓力和組成，不設置獨立的制冷系統(tǒng)。這種效應的產(chǎn)生，現(xiàn)階段通常采用等嫡效率最高的透平膨脹機，此外還有熱分離機、節(jié)流閥等膨脹制冷方式。 (1)節(jié)流制冷法節(jié)流制冷法主要是依據(jù)焦耳一湯姆遜效應，較高壓力的原料氣通過節(jié)流閥降壓膨脹，使原料氣冷卻并部分液化，以達到分離原料氣的目的。該方法具有流程簡單、設備少、投資少的特點，但此過程效率低，只能使少量的重烴液化，故只有在氣體有壓力能可利用，處理量小，氣體重烴含量少和收率要求不高時才選用此方法。 (2)透平膨脹機制冷法 采用透平膨脹機制冷法的前提條件是有自由壓力能供利用的場合。當具有一定壓力的天然氣通過透平膨脹機時，其膨脹過程近似于等嫡膨脹過程，獲得膨脹功的同時，氣流的溫度將急劇下降。因此，氣流中的烴組分將被冷凝下來。 膨脹機制冷法的特點是流程簡單，設備數(shù)量少，維護費用低，公用工程消耗低，占地面積小，因此近年來采用的較多。但是當處理量過小時不宜采用，因為此時膨脹機效率較低，可考慮采用熱分離機。 (3)熱分離機制冷法 熱分離機裝置的流程與透平膨脹機裝置類似，主要差別是主冷設備不同，它是利用高能動力氣體由轉(zhuǎn)動(或靜止)的噴嘴分配進入末端封閉的容器，形成壓縮、膨脹，由動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿亩嘧冞^程。壓縮時放出的熱量由周圍環(huán)境吸收掉，而膨脹時則相似于等嫡過程使氣體降溫而達到制冷的目的。 熱分離機具有結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，省人省電，允許帶液工作的特點，適用于小氣量、帶液量大和氣源壓力較高的場所。但是國內(nèi)開發(fā)應用的熱分離機制冷技術(shù)，由于熱分離效率低、適應性差、技術(shù)性能差、質(zhì)量不過關等原因，在我國仍處于工業(yè)試驗階段。1.2.3.3 混合制冷法 為了最大限度地從天然氣中回收輕烴，要求的溫度更低，單一的制冷法一般難以達到，即便有時膨脹機制冷能達到溫度，但由于出口帶液問題，對富氣仍是不適用的，這時往往采用混合制冷法，即冷凍循環(huán)的多級化和混合冷劑制冷以及膨脹機加外冷的方式來實現(xiàn)。目前，輕烴回收工藝上應用最多的是外加冷劑循環(huán)制冷作為輔助冷源，膨脹制冷作為主冷源，并采取逐級冷凍和逐級分離出凝液的工藝措施來降低冷量消耗和提高冷凍深度，以達到較高的冷凝率，回收原料氣中絕大部分丙烷組份，達到回收目的。這種方法具有許多優(yōu)點：1)有兩個冷源，因此運轉(zhuǎn)適應性較大，即使外加制冷系統(tǒng)發(fā)生故障，裝置也能在保持較低收率情況下繼續(xù)運行。2)混合制冷法中的外加制冷系統(tǒng)比外加冷源法要簡單、容量小;外加冷源解決高沸點較重烴類冷凝問題，膨脹制取的冷量用在較低溫度位。3)此種流程組合即可提高乙烷、丙烷收率，又可大大減少裝置的能耗。1.3 輕烴回收工藝方法進展1.3.1 國內(nèi)輕烴回收工藝的發(fā)展及現(xiàn)狀分析 我國的天然氣分離輕烴回收技術(shù)起步較晚，四川約始于上世紀60年代開展了從天然氣中分離、回收C2液體產(chǎn)物的試驗工作，大約只相當于國外上世紀3040年代的“天然汽油時代”，由于工藝技術(shù)的限制，輕烴的收率很低，回收的產(chǎn)品僅作為工業(yè)或民用燃料，用途有限，發(fā)展緩慢。在上世紀7080年代，隨著北方各大油田陸續(xù)開發(fā)，其兼產(chǎn)的油田氣也登上了加工的舞臺，天然氣加工對象擴伸向C2產(chǎn)物。近年來，由于我國石油化工飛速發(fā)展和世界的能源危機，使天然氣及輕烴的需求量急劇增長，促使了我國輕烴回收技術(shù)的迅速發(fā)展。我國在國外技術(shù)經(jīng)驗的基礎上，設計出了適合國內(nèi)油氣田特點的工藝方法。目前國產(chǎn)裝置采用的主要工藝方法，歸納起來有:外部冷劑循環(huán)制冷；膨脹機制冷；冷劑制冷和膨脹制冷相結(jié)合的混合制冷。制冷溫度不低于50的淺冷裝置，大部分采用冷劑制冷或單級膨脹制冷，中深冷裝置大部分采用冷劑制冷和膨脹制冷相結(jié)合的混合制冷方法。目前，我國中深冷裝置主要用于提高C3收率，乙烷大部分都未回收。混合制冷主要優(yōu)點是制冷溫度低，產(chǎn)品收率高，對原料氣的變化適應性強，缺點是流程比較復雜，投資高，裝置的能耗也比較高。 國內(nèi)開發(fā)應用的熱分離機制冷技術(shù)，上世紀70年代中期進入油田伴生氣的加工行業(yè)，1984年浙大設計承建的兩套熱分離機回收輕烴裝置在遼河油舊投入使用。從此，國內(nèi)除節(jié)流、透平膨脹制冷外，熱分離機也開始應用于輕烴回收領域。1.3.2 國外輕烴回收工藝的發(fā)展及現(xiàn)狀分析國外的分離回收技術(shù)己有近100年的歷史，工藝較先進，一些國家在提高加工深度、增加收率、合理利用油氣資源上都取得了顯著的成績在不同的歷史時期，采用不同的回收方法。自上世紀70年代以來，國外以節(jié)能降耗，提高液烴收率為目的，對輕烴回收裝置進行了一些列改進，出現(xiàn)了許多新工藝。這些新工藝主要是在膨脹制冷流程和冷劑制冷流程基礎上加以改進而發(fā)展起來的。1.3.2.1 氣體過冷工藝(GSP)和液體過冷工藝(LSP) 此工藝是對工業(yè)標準單級膨脹制冷工藝(ISS)和多級膨脹制冷工藝(MTP)的改進。采用GSP工藝可在保持較高C2烴類收率的情況下，使原料氣中C2的容許含量高于膨脹制冷工藝的容許含量，而且功耗較低。1.3.2.2 直接換熱工藝(DHX)DHX工藝是埃索資源公司首先提出并在Judy Creek工廠實踐，叮收率由原來的72%增加到95%。實踐證明，在不回收乙烷的情況下，利用DHX工藝可很容易地對現(xiàn)有的膨脹制冷流程加以改造，多數(shù)情況下所用投資較少。1.3.2.3 混合冷劑制冷工藝 與傳統(tǒng)的單組分冷劑或階式制冷法相比，混合冷劑制冷(MRC)法采用的冷劑可根據(jù)冷凍溫度的高低配制冷劑的組分與組成一般是以乙烷、丙烷為主。當壓力一定時，混合冷劑在一個溫度范圍內(nèi)隨著溫度逐漸升高而逐步汽化，因而在換熱器中與待冷凍的天然氣的傳熱溫差很小，故其用效率很高。當原料氣與外輸干氣壓差甚小，或在原料氣較富的情況下，采用混合冷劑制冷法的工藝更為有利。1.3.3 國內(nèi)外輕烴回收技術(shù)的發(fā)展趨勢國內(nèi)外輕烴回收技術(shù)將以低溫分離法為主，向投資少、深分離、高效率、低能耗、橇裝化、自動化的方向發(fā)展。1.3.4 國內(nèi)外輕烴回收工藝差距近年來，輕烴回收作為油氣田新的經(jīng)濟增長點，越來越受到重視，我國輕烴回收技術(shù)水平取得了較大的進步，但從國內(nèi)外輕烴回收技術(shù)的現(xiàn)狀可以看出，我國輕烴回收技術(shù)與國外先進技術(shù)還有一定的距離。國內(nèi)天然氣資源豐富，發(fā)展輕烴回收技術(shù)具有重要的意義。2 設計說明書2.1 設計概述2.1.1 設計依據(jù)SY/T00762001天然氣脫水設計規(guī)范SY/T00772003天然氣凝液回收設計規(guī)范HG206521998塔設備GB/T90192001壓力容器公稱直徑2.1.2 設計原則本設計遵循降低能耗、提高回收率為原則，力求以最小的能耗得到最高的回收率為目的設計。根據(jù)原料氣中C3+含量及自身可利用的壓力降大小等因素選擇合適的制冷工藝。根據(jù)原料氣預冷溫度要求的脫水深度及原料氣組成等多方面選擇合適的脫水工藝流程。2.1.3 設計內(nèi)容本設計主要根據(jù)已知天然氣氣源工況進行凝液回收裝置工藝設計。其中包括分離器工藝設計、吸附塔工藝設計、冷箱及預冷分離器工藝設計、膨脹機工藝設計、脫乙烷和丙丁烷塔工藝設計六大部分。2.1.4 參考資料化學工程手冊編輯委員會.化學工程手冊（上、下）M.化學工業(yè)出版社，1989.余國骔.化工機械工程手冊M.化學工業(yè)出版社，2003.劉巍.冷換設備工藝計算手冊M.中國石化出版社，2003.錢頌文.換熱器設計手冊M.化工出版社，2002.中國石化上海工程有限公司.化工工藝設計手冊M.化學工業(yè)出版社，2003.鍋爐技術(shù)標準規(guī)范匯編M.中國標準出版社，2002.匯編技術(shù)委員會編.壓力容器相關標準匯編 M.中國標準出版社，2001.2.2 主要設計參數(shù)說明原料氣處理量為100104Nm3/d；進氣壓力為4.5Mpa；進氣溫度為38；出站壓力1.6 Mpa；LPG質(zhì)量指標： C23、 C53。原料氣氣體組成： 表2.1 原料氣組成 氣體組分C1C2C3nC4iC4nC5iC5N2莫爾分數(shù)0.83210.09710.04220.01120.01000.00300.00150.0029表2.2 物流參數(shù)表12345678流量(kmol/h)4013.164010.783228.78783.15448.163558.9512.56435.6壓力(MPa)4.54.51.64.51.51.51.41.4溫度(K)311223171.65223311.5283.54316.5406.5密度 (kmol/m3)1.9732.9571.95815.6539.7520.785110.5239.584分子量19.7219.8519.8740.5678.2519.3250.6378.25組成C10.83210.83260.89480.563200.732100C20.09710.09510.07450.18430.08340.01090.08540C30.04220.04020.01860.13820.72590.00030.745350nC4 0.010.0160.00160.0440.01040.00010.0640.1059iC4 0.01120.01520.00240.04760.006500.10650nC5 0.00150.0010.00010.00720.0173000.1822iC5 0.0030.00250.00040.01380.004300.00050.7119N20.00290.00240.00330.00100.0033002.3 工藝流程設計說明工藝流程設計：初始原料氣在進入流程之前，夾帶有油、游離水和泥沙等雜物，所以在原料氣的進口處設置一個原料氣的預分離器，由于臥式分離器在處理氣體流量很大的情況下，分離效果要優(yōu)于立式分離器，所以選用臥式分離器；由于原料氣中含水量較少，而且需要深度脫水，所以選用分子篩脫水，考慮到實際中是進行24小時生產(chǎn)，所以采用雙塔分子篩脫水裝置；為了減少生產(chǎn)中的能耗，提高效益，設置一個換熱器，并采用現(xiàn)在技術(shù)較先進的板翅式換熱器；氣體預冷后，可以分離出一部分的重組分，由于分離的流量不大，所以采用立式分離器；對于本設計由于原料氣氣質(zhì)條件較貧，來料氣壓力較高，與外輸干氣之間有相當?shù)膲翰羁梢岳?，則選用膨脹機制冷?，F(xiàn)有的膨脹機中透平膨脹機在各種場合運用最廣，所以本設計里液采用透平膨脹機；在最后的分離階段，采用現(xiàn)有技術(shù)較先進的填料塔，而填料中規(guī)整填料效果比散裝填料好，所以采用規(guī)整填料中運用較廣的金屬波紋板250Y型規(guī)整填料；凝液在脫乙烷塔內(nèi)脫除C2后，進入脫丙丁烷塔精餾，塔頂產(chǎn)生的氣體經(jīng)過冷凝即得到產(chǎn)品液化石油氣（LPG），塔底產(chǎn)生的液體即是輕油產(chǎn)品。最后的產(chǎn)品列于下表： 表2.3 產(chǎn)品說明表 壓力MPa溫度 回收率產(chǎn)量kg/h干氣1.6 3495.67987.6液化氣1.343.5 96.82586.3輕油1.339 98.73284.5圖2.1 輕烴回收工藝流程圖3 輕烴回收工藝計算3.1 分子篩吸附器設計計算分子篩是一種人工合成的無機吸附劑，它是具有骨架結(jié)構(gòu)的堿金屬或堿土金屬的硅鋁酸鹽晶體。分子篩通常分為X型和A型兩類。它們的吸附機理是相同的，區(qū)別在于晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部特征。A型分子篩具有與沸石結(jié)構(gòu)類似的物質(zhì)，所有吸附均發(fā)生在晶體內(nèi)部孔腔內(nèi)。X型分子篩能吸附所有能被A型分子篩吸附的分子，并且具有稍高的容量。分子篩表面具有較強的局部電荷，因而對極性分子和不飽和分子有很高的親和力。在脫水過程中，分子篩作為吸附劑的顯著特點是：1具有很好的選擇吸附性。分子篩能按照物質(zhì)的分子大小進行選擇吸附。由于一定型號的分子篩其孔徑大小一樣，所以一般說來只有比分子篩孔徑小的分子才能被分子篩吸附在晶體內(nèi)部的孔腔內(nèi)，大于孔徑的分子就被篩去。通過選用適當型號的分子篩，可以達到選擇性的吸附水，減少甚至消除其他氣體成分的共吸附作用，因而更加提高了吸附水的能力。經(jīng)分子篩干燥后的氣體，一般含水量可達到（0.110）ppm，冷凝分離法輕烴回收裝置中多用4A，5A等分子篩做吸附劑，可以將天然氣干燥至低露點。2具有高效吸附特性。分子篩在低水汽分壓、高溫、高氣體線速度等苛刻的條件下仍然保持較高的濕容量。這是因為分子篩的表面積大于一般的吸附劑，達（700900）m2/g。隨著相對濕度進一步降低，分子篩的濕容量與其他干燥劑相比相對地提高，因而分子篩用于天然氣深度脫水時較其他吸附劑優(yōu)越。3.1.1 設計計算中涉及的主要計算公式1）分子篩的允許氣體質(zhì)量流量： (3.1)式中 允許的氣體質(zhì)量，kg/(m2s)；系數(shù)，氣體自上而下流動，值在0.250.32；自下而上流動，取0.167；分子篩的堆密度，kg/m3；氣體操作條件下的密度，kg/m3；分子篩的平均直徑 m。2）氣體通過床層的壓力降： (3.2)式中 壓降，kPa； 床層高度，m； 氣體粘度，mPas； 氣體流速，m/min； 氣體操作條件下的密度，kg/m3。3) 操作條件下氣體流量 (3.3)式中 標準條件下的壓力，MPa； 標準條件下的流量，m3/h； 標準條件下的溫度，K。4）轉(zhuǎn)效點的計算 (3.4)式中 達到轉(zhuǎn)效點的時間，h；X 選用的分子篩有效吸附容量，；分子篩的堆密度，kg/m3；整個床層長度，m；q 床層截面積的水負荷, kg/(m2h)。 5)吸附傳質(zhì)區(qū)長度 (3.5)式中 吸附傳質(zhì)區(qū)長度，m；A系數(shù)，分子篩A = 0.6，硅膠 A = 1，活性氧化鋁A = 0.8；q床層截面積的水負荷，kg/(m2h)；空塔線速（氣體流速），m/min；進吸附氣體相對濕度，。采用膨脹制冷法回收輕烴的裝置,由于原料氣需要深度的制冷（一般采用原料氣制冷的溫度在-70以下）因而需要對原料氣進行深度脫水。由于采用分子篩做吸附劑脫水可以達到比較大的露點降。因而這種方法廣泛應用與輕烴回收裝置中。采用球形4A分子篩吸附脫水，已知4A分子篩的顆粒直徑為3.2mm，堆密度為660Kg/m3，吸附周期采用8小時，加熱再生時間為4.2小時，冷卻時間為3.2小時。天然氣處理量： Qg=10010Nm/d (101.325kPa，0)工況下密度是： 28.1337 kg/m3分子篩的顆粒直徑： D=3.2mm操作壓力： P=4.5MPa操作溫度： T=38堆密度： =660 kg/m3吸附周期： T1=8h再生時間： T2=4.2h冷卻時間： T3=3.2h技術(shù)要求：. 吸附操作：操作溫度：T = 273 + 38 = 311 K操作壓力：P = 4.5MPa吸附劑的使用壽命：23年. 再生操作：操作周期 T = 8 小時. 分子篩吸附水儲量為 8 kg(H2O)/100kg(吸附劑)3.1.2 分子篩的直徑計算原料氣在P=4.5Mpa,t=38校正后的飽和水含量查天然氣集輸工程圖21為1800g/1000m3，按全部脫去考慮，需脫水量：10001.80/24=75kg/h操作周期8小時，總共脫水：875=600kg根據(jù)查圖法，天然氣的相對密度取0.6，查圖118，壓縮系數(shù)Z=0.9055。操作條件下的氣體量： 0.296m3/s天然氣的平均分子量為：18.1095已知=660kg/m3, g41.8 kg/m3，=3.2mm，根據(jù)氣體自上而下流動，C值在0.250.32；自下而上流動，C取0.167，最后C取0.29，將數(shù)據(jù)代入公式： 5.057kg/m2s吸附器的截面積： 2.02 m2則直徑m，取D=1.6m分子篩有效吸附容量取8 kg(H2O)/100kg(吸附劑)，則吸附器需要分子篩質(zhì)量：kg，其體積為 m3，床層高度為m，徑比：3.1.3 再生熱負荷計算用原料氣做再生氣進行加熱，天然氣的相對分子質(zhì)量M = 17.1559，進吸附塔溫度為260，分子篩床層吸附終了溫度43（即床層升溫5），再生加熱出吸附器溫度為200，床層再生溫度1/2(260+200)=230，預先計算在230時，分子篩的比熱Cp1=0.96 kJ/(kg)，鋼材比熱Cp2=0.5 kJ/(kg)，水的吸附比熱Cp3=4186.8 kJ/(kg)，瓷球比熱Cp4=0.88 kJ/(kg)，吸附筒體是壓力容器。預先估計其包括器內(nèi)附屬設備的質(zhì)量為13200kg，床層上下各鋪150mm瓷球，瓷球堆密度2200 kg/ m3，共重約1678kg kJ kJ kJ kJ kJ式中 Q1加熱分子篩的熱量，KJ；Q2加熱吸附器本身(鋼材)的熱量，kJ；Q3脫附吸附水的熱量，kJ；Q4加熱鋪墊的瓷球的熱量，kJ；m1分子篩的質(zhì)量，kg；m2吸附器筒體及附件等鋼材的質(zhì)量，kg；m3吸附水的質(zhì)量，kg；m4鋪墊的瓷球的質(zhì)量，kg。加上10熱損失，則是5905693kJ。設再生加熱時間為4.5小時，則每小時加熱量是5905693/4.2=1406117kJ/h。3.1.4 再生氣量的計算再生氣在230時的平均比熱是3.14kJ/(kJ)，再生氣溫降是：每千克再生氣給出熱量：kJ/kg需要再生氣的量為：kg/h3.1.5 冷卻氣量計算床層溫度自230降到43，則冷卻熱負荷如下： kJ kJ kJ共計2933115 kJ，冷卻氣進口38。設冷卻時間3.2小時（可變），每小時移卻熱量2933115/3.2=888822.7kJ/h。冷卻氣平均比熱在130時為2.9 kJ/(kg)，冷卻氣溫差100，需冷卻氣量888822.7/(2.9100)3065kg/h。3.1.6 壓力降計算（吸附）現(xiàn)已知床層高5.64m，即L=5.64m，由有關圖表知此狀態(tài)下mPas，再查表得： kg/m3 m/min，kPa由于加熱和冷卻時壓降都很小，可不計算。3.1.7 轉(zhuǎn)效點計算， kg/m3，m，kg/( m2h)代入數(shù)據(jù)：h符合原設計吸附8小時的要求。3.1.8 傳質(zhì)區(qū)長度的計算 A=0.6，=100 ，q=37.23kg/( m2s)， m/min代入數(shù)據(jù)：m3.1.9 吸附器材質(zhì)和壁厚計算 油氣對鋼材的腐蝕性不大，溫度在38，壓力為4.5MPa，故選取16MmR合金鋼，由文獻7可得壁厚公式：式中 P分離器操作壓力，MPa； D分離器直徑，m； 焊縫系數(shù)，取 0.8。 鋼材屈服極限，取170算得 =17.55mm取 18mm水壓試驗： 式中：試驗壓力，MPa； D分離器直徑，m； 有效壁厚，mm。 PT1.25P=1.254.55.625 C=121.610.4 140.5查參考文獻7表得16MnR合金鋼的345 MPa。又有0.90.90.8345259，則0.9。壁厚18mm滿足要求。3.2 板翅式換熱器的工藝計算這是一種緊湊式換熱器口目前在空分和輕烴回收中廣泛應用。它的特點如下：1)傳熱效率高，由于翅片對流體的擾動使熱邊界層不斷破裂；2)緊湊輕巧，由于采用特殊結(jié)構(gòu)和使用鋁合金傳熱面積可1500-2500m2/m3相當于管殼式換熱器的10-20倍。由多層通道疊合組成；3)適應性和互換性大，能適用于氣一氣、氣一液、液一液間不同流體的換熱。通過各種通道布置和組合還能適應逆流、錯流、多股流的換熱，工業(yè)上可成批生產(chǎn)，降低成本；4)制造工藝復雜。容易堵塞，清洗困難。缺點：1)由于流道較小，容易堵塞。一旦堵塞后，清洗較困難，因而使用介質(zhì)一般要求以清潔為宜，最好在物料進口前進行過濾；2)檢修、探傷很困難?；窘Y(jié)構(gòu)：板翅式換熱器的基本結(jié)構(gòu)形式是相同的，在二塊平的金屬板中間夾持一組波形翅片，兩邊以封條密封而組成一個單元體（見圖3.1）。對各個單元體進行不同的疊積，并適當?shù)嘏帕?，用釬焊焊牢，就一可得到各種不同流向的組裝件，稱為板束。在板束的頂、底部還各留有一層主要起絕緣作用的假翅片層(或稱工藝層)。再將半圓封頭用氫弧焊焊在板束上，就制成了一個板翅式換熱器。 圖3.1 單元體分解圖原料氣進入分離器后將液體分離（凝析液等）。氣體進入分子篩干燥器，干燥到露點比工藝過程中最低溫度還低10，流入氣氣換熱器中冷卻，冷源來自脫乙烷塔頂部流出來的貧氣。3.2.1設計計算中涉及的主要計算公式1）翅片效率：根據(jù)長桿導熱機理可以得到下列表達式: (3.6)式中 翅片效率； 雙曲正切函數(shù)； P翅片參數(shù)，。的計算如下：熱流體隔在兩冷流體之間：；兩冷流體之間隔兩熱流體：。2）翅片表面效率： (3.7)式中 二次傳熱面積與總傳熱面積的比值。3）傳熱系數(shù)的計算 (3.8) (3.9)式中 分別為熱、冷流體側(cè)面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，kcal/m2h； 分別為熱、冷流體側(cè)面給熱系數(shù)，kcal/m2h； 分別為熱、冷流體側(cè)面翅片全效率； 分別為熱、冷流體側(cè)面?zhèn)鳠崦娣e，m2。3.2.2 翅片型式與結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇在換熱器的選型設計中，一般根據(jù)換熱器的使用場合、用戶要求、換熱表面的特點、工作壓力、工作溫度，選擇換熱器的類型。而對于板翅式換熱器，翅片型式與翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇是設計、選型的第一步。其選擇的原則大致有以下幾點：1）鋸齒翅片對促進流體的擾動，破壞熱阻邊界層十分有效，屬高性能翅片，j因子、f因子相應地均大于平直翅片。鋸齒翅片是目前板翅式換熱器中，應用最廣泛的高效能翅片，其換熱與流動特性隨切開長度而變，切開長度越短，傳熱性能越好，但流動阻力也相應增大。鋸齒翅片廣泛用于需要強化換熱的場合，例如板翅式換熱器的氣體通道應首先考慮采用。2）平直翅片其換熱特性、流動阻力特性與管內(nèi)流動相似，在相同的雷諾數(shù)Re值下，j因子、f因子值相對較低，多用于流動阻力要求嚴格而自身換熱系數(shù)較大的場合。平直翅片相對于其他型式翅片，具有較高的強度，故在高壓板翅式換熱器中多有采用。3）多孔翅片通過翅片的沖孔，使熱阻邊界層不斷破裂、更新，從而強化換熱，但在沖孔的同時，也使換熱面積減少、翅片強度削弱。多孔翅片多用作導流片，使氣、液均布，亦用于相變換熱的再沸器、冷凝蒸發(fā)器。4）翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇主要取決于換熱系數(shù)，在換熱系數(shù)較小的場合，宜采用高而薄的翅片(即翅高hf較大、翅厚較薄的翅片)，著眼于增大換熱面積;而在換熱系數(shù)較大的場合，宜采用低而厚的翅片(即翅高hf較小、翅厚較厚的翅片)，這樣可具有較大的翅片效率;同時翅片參數(shù)的選擇還要考慮標準化，盡量減少系列品種、盡量套用制造廠商已有的翅片規(guī)格，以降低成木。翅片選型與參數(shù)選擇尚有許多定性、定量的分析方法，由于這是屬于比較專門、深人的設計理論，不能詳盡。3.2.3 基本的設計計算根據(jù)原始數(shù)據(jù)，設計一個板翅式換熱器將從分子篩中出來的原料氣冷卻，用-81.6的干氣將原料氣從38冷卻到-61。其中冷源是由脫烷塔頂部留出的-81.61的干氣，原料氣的入口壓力是4500kPa。(1)原料氣在平均溫度為50時的物理性質(zhì)：比熱C=2.06 kJ/(kg)粘度mPas(2)傳熱量 kJs(3)傳熱面積對數(shù)平均溫差T1m為：參照工藝流程，并由文獻12-16圖求得的低溫分離器內(nèi)氣體溫度，采用逆流方式。已知： 熱天然氣： K K 冷天然氣： K K 3.2.4 翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)的選定表3.1選用鋸齒型翅片，傳熱中心部的尺寸如下名稱符號單位原料氣側(cè)干氣側(cè)傳熱中心部寬LWm1.01.3翅片數(shù)nnm2.41022.4102翅片高Lm10.010-310.010-3翅片厚m0.1810-30.1810-3翅片間隙mm4.010-34.010-3層數(shù)N1011翅片長Ym1.31.0原料氣側(cè)傳熱面積Aa 翅片： =61.0 m2 平板： =25.0 m2傳熱面積合計：86.0 m2干氣側(cè)傳熱面積 翅片： =67.1 m2 平板： =27.5 m2傳熱面積合計：94.6 m23.2.5 傳熱膜系數(shù) 原料氣側(cè)流道截面積 m2 原料氣的質(zhì)量速度G kg/ m2s 原料氣流道當量直徑D m 原料氣側(cè)雷諾數(shù) =4139圖3.2 傳熱因子與雷諾數(shù)的關系查上圖3.2可知傳熱因子jH為：jH=0.0032則原料氣側(cè)的傳熱膜系數(shù)ha為： =348kcal/m2h綜上所述，同理可得：干氣側(cè)傳熱膜系數(shù)=7500 kcal/m2h。3.2.6 翅片效率流道結(jié)構(gòu)是由空氣流道與蒸汽流道相互一層一層交錯重迭而成的。這種翅片效率可以視為與立式翅片(軸向翅片)的效率相同，即翅片效率可用下式表示：式中 翅片效率； 雙曲正切函數(shù)； P翅片參數(shù)，；的計算如下：熱流體隔在兩冷流體之間：；兩冷流體之間隔兩熱流體：。圖3.3 / 的值由以上的數(shù)據(jù)和公式可得：原料氣側(cè)的翅片效率：原料氣側(cè)污垢系數(shù)r=0時，則=160=0.8=0.830干氣側(cè)污垢系數(shù)r=0時，則 =750 =3.75 =0.263.2.7 有效傳熱面積 (3.10)式中 平板表面積，m2； 翅片表面積，m2。原料氣側(cè)有效傳熱面積 =75.63 m2干氣側(cè)有效傳熱面積 =44.9 m23.2.8 總傳熱系數(shù)（原料氣側(cè)面積