再生工藝計算與冷凝器設計

1、摘 要此次課程設計我們組分到的是某分子篩吸附脫水工藝設計再生工藝計算與冷凝器設計。流程原料氣進料溫度40，進料壓力為3mp,設計規(guī)模15萬方/天，要求脫水到1ppm以下，總設計內容包括吸附工藝計算與吸附塔設計、站內管徑及壁厚設計、再生工藝計算與冷凝器設計、分離器設計計算和加熱器設計計算等。 天然氣脫水是提升天然氣質量的一個重要環(huán)節(jié)。分子篩吸附脫水是目前國外引進的，國內自行設計的都是固定床式，為保證連續(xù)工作，至少需要兩塔，經(jīng)常采用的是兩塔或三塔。本設計是再生工藝計算，分別從再生熱負荷計算、再生氣量計算、冷卻氣量計算、再生氣空塔速度計算幾個方面分析，并通過各個參數(shù)對冷凝器進行選型和選材等。關鍵詞：

2、再生氣、吸附、氣量計算、冷凝器目 錄1引言42 參數(shù)設計5 2.1 天然氣基礎資料5 2.2 天然氣基礎物性資料52.3 吸附器設計參數(shù)52.4 設計范圍62.5 設計依據(jù)63 再生工藝計算73.1 再生熱負荷計算73.2 再生氣量計算83.3 冷卻氣量計算83.4 再生氣空塔速度計算94 冷凝器設計114.1 冷凝器概念及原理114.1.1概念114.1.2冷凝原理114.2 制冷劑的選擇124.3 換熱器類型的選擇124.4換熱器材質的選擇134.5流速的選擇135 結束語156 參考文獻161引言目前國內外應用較廣泛,技術較成熟的天然氣脫水工藝有:低溫分離、固體吸附和溶劑吸收三種方法。而

3、固體吸附法中以分子篩脫水的應用最廣泛,技術最成熟可靠。分子篩脫水是一個物理吸附過程。物理吸附主要由范氏引力或擴散力所引起,氣體的吸附類似于氣體的凝聚,一般無選擇性,是可逆過程,吸附熱小,吸附所需的活化能小,所以吸附速度快,較易達到平衡。分子篩是一種具有立方晶格的硅鋁酸鹽化合物。分子篩具有均勻的微孔結構，它的孔穴直徑大小均勻，這些孔穴能把比其直徑小的分子吸附到孔腔的內部，并對極性分子和不飽和分子具有優(yōu)先吸附能力，因而能把極性程度不同，飽和程度不同，分子大小不同及沸點不同的分子分離開來，即具有“篩分”分子的作用，故稱分子篩。由于分子篩具有吸附能力高，熱穩(wěn)定性強等其它吸附劑所沒有的優(yōu)點，使得分子篩獲

4、得廣泛的應用。對于冷凝器，對某些應用來說，氣體必須通過一根長長的管子（通常盤成螺線管），以便讓熱量散失到四周的空氣中，銅之類的導熱金屬常用于輸送蒸氣。為提高冷凝器的效率經(jīng)常在管道上附加散熱片以加速散熱。散熱片是用良導熱金屬制成的平板。這類冷凝器一般還要用風機迫使空氣經(jīng)過散熱片并把熱帶走。一般制冷機的制冷原理壓縮機的作用2 參數(shù)設計列出天然氣基礎資料，和其他小組計算得出的天然氣物性資料、吸附器設計參數(shù)，以便接下來的再生工藝計算，并引出設計范圍和依據(jù)。2.1 天然氣基礎資料表2.1 天然氣組成組分c1c2c3ic4nc4ic5nc5co2n2h2omol%71.38.396.011.242.210

5、.640.792.534.212.14進料溫度：40進料壓力：3mpa設計規(guī)模：15萬方/天要求脫水到1ppm以下2.2 天然氣基礎物性資料（溫度40，壓力3mpa下）表2.2 天然氣的物性資料分子質量g/mol密度kg/m3相對密度粘度mpas壓縮因子含水量mg/m3定壓摩爾比熱j/(mol/k)22.327127.81310.7700.014280.9251920.7543.427此外，天然氣熱值為43400kg/m32.3 吸附器設計參數(shù)表2.3 吸附器設計參數(shù)參數(shù)吸附器筒體吸附件等鋼材分子篩輔墊的瓷球質量kg1529.52555.51776.48401.92此外，吸附塔直徑為0.8m，

6、高度為5.2m2.4 設計范圍 根據(jù)重慶科技學院油氣集輸課程設計任務書，設計范圍為某分子篩吸附脫水工藝再生工藝計算與冷凝器設計2.5 設計依據(jù)油田油氣集輸設計技術手冊；gb50350-2005油氣集輸設計規(guī)范；sy0076t天然氣脫水設計規(guī)范-2008；油氣集輸設計規(guī)范與工程技術標準及集輸安全規(guī)范實用手冊。3 再生工藝計算3.1 再生熱負荷計算用貧干氣加熱，進吸附器溫度260，分子篩床層吸附終了后溫度t1=35（即床層溫升5），再生加熱器出吸附器溫度200，床層再生溫度t2=1/2（260+200）=230 預先計算在230時，分子篩比熱0.96kj/(kg),鋼材比熱0.5 kj/(kg)，

7、瓷球比熱0.88 kj/(kg)。 再生器在260，1377.72kpa的熱焓：-3376.58kj/kg，再生器在115，1377.72kpa的熱焓：-4167.30kj/kg。再生熱負荷計算如下：再生加熱所需的熱量q，則： q熱=q1+q2+q3+q4 （3.1.1）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加熱輔墊的瓷球的熱量，kj。所以，q1=m1 cp1(t2-t1)=1776.480.96(230-35)=332557.1kj （3.1.2） q2=m2 cp2(t2-t1)=2555.50.5(230-35)=

8、249161.3 kj q3=m3 4186.8=278.124186.8=1164432.8 kj q4=m4cp4(t2-t1)=401.920.88(230-35)=68969.5 kj式中m1,m2,m3,m4分別是分子篩的重量，吸附器筒體及吸附件等鋼材的重量，吸附水的重量和輔墊的瓷球的重量。4186.8j/kg是水的脫附熱，cp1,cp2,cp3,cp4分別為上述各物質的定壓比熱。加10%的熱損失: q=1.1(q1+q2+q3+q4) （3.1.3）=1.1（33255.7+249161.3+1164432.8+68969.5）=1667401.23kj設再生加熱的時間是4.5h,

9、每小時加熱量為： q=1667401.234.5=370533.6kj/h （3.1.4）3.2 再生氣量計算再生氣出口平均溫度：1/2（200+35）=117.5，壓力2913.7kpa，其熱焓為-4226kj/kg。再生氣在260、4500kpa的熱焓：-3826kj/kg。每千克再生氣給出熱量： q=(h|260-h|117.5)=-3826-(-4226)=400kj/kg （3.2.1）每小時再生氣量： q=370533.6/400=926.3kg/h換算成標準條件下（20,101.325kpa）的體積流量為1297.7m3/h加熱器所需面積校核：再生加熱氣4500kpa,260下的

10、pg =17.44kg/m3,氣體從下往上流則c取0.167，加熱氣允許質量流量：g=(cpbpgdp)0.5=(0.16766017.440.0032)0.5=2.48kg/(m2s) （3.2.2）式中 g允許的氣體質量流速，kg/(m2s); c系數(shù)，氣體自上向下流動，c值在0.250.32；自下向上流動，c值是0.167；pb分子篩的堆密度，kg/m3;pg氣體在操作條件下的密度，kg/m3;dp分子篩平均直徑（球形），或當量直徑條形，m。再生加熱所需面積：f=q/g=926.3/(2.483600)=0.104m2 （3.2.3）根據(jù)上組做出數(shù)據(jù)：吸附塔直徑為0.8m，吸附塔高度為5

11、.2m，所以算的吸附器床層面積為2.612m2,所以足夠滿足要求。3.3 冷卻氣量計算將床層溫度自230冷卻到30，根據(jù)公式（3.1.2）則冷卻熱負荷如下：q1=m1 cp1(t2-t1)=1776.480.96(230-30)= 341084.16kj q2=m2 cp2(t2-t1)=2555.50.5(230-30)=2555550 kj q4=m4cp4(t2-t1)=401.920.88(230-30)=70737.92 kj加10%的裕量，根據(jù)公式（3.1.3）:q冷=1.1(q1+q2+ q4)=1.1（341084.16+2555550+70737.92）=3264109.28

12、8kj設冷卻時間3.2小時，每小時移去熱量3264109.288/3.2=1020034.153kj/h冷卻器進口溫度30，壓力4500kpa，其熱焓為-4448 kj/kg。而出口平均溫度：1/2（230+30）=130，壓力4500kpa，其熱焓為-4193kj/kg。每千克再生氣給出熱量，根據(jù)公式（3.1.4）： q=(h|130-h|30)=-4193-(-4448)=255kj/kg每小時需冷卻氣量： q=1020034.153/255=4000.13kg/h換算成標準條件下（20,101.325kpa）的體積流量為5603.2m3/h冷卻器所需面積校核，根據(jù)公式（3.2.2）：冷卻

13、氣4500kpa,30下的pg =33.88kg/m3,氣體從下往上流則c取0.167，加熱氣允許質量流量：g=(cpbpgdp)0.5=(0.16766033.880.0032)0.5=3.457kg/(m2s)再生加熱所需面積：f=q/g=4000.13/(3.4573600)= 0.3214m2同上，根據(jù)上組做出數(shù)據(jù)：吸附塔直徑為0.8m，吸附塔高度為5.2m，所以算的吸附器床層面積為2.612m2,所以足夠滿足要求。 冷卻氣量和熱吹氣量不等，實際操作中考慮到氣量波動，為了使裝置操作平穩(wěn)，冷吹氣量和熱吹氣量均采用4000.13kg/h（標準條件下20,101.325kpa）。 根據(jù)syt

14、0076-2003天然氣脫水設計規(guī)范介紹，床層不能有任何摩擦和振動，所以吸附與再生進行切換時應控制升壓與泄壓速度，一般要求小于0.3mpa/min。此設計的吸附塔吸附、再生、冷卻均在4.5mpa的操作壓力下進行，床層運行穩(wěn)定。3.4 再生氣空塔速度計算再生時再生氣壓力，原則上根據(jù)外輸系統(tǒng)壓力決定。經(jīng)過吸附器壓降一般在1020kpa。設再生加熱氣1380 kpa，再生加熱氣量4000.13 kg/h,m=17。其體積量為： （4000.13/17）22.4=527 m3/h操作時體積：v=5271/3600101.32/1382(230+273)/273=0.20m/s空氣塔流速：w=0.20/

15、2.612=0.0766m/s通過雷督克斯公式核算，c取0.167， pg=（4000.13/3600）/0.20=5.556kg/m3 g=(0.1676605.5560.0032)0.5=1.400kg/(m2s)需空塔截面積f=0.73/1.400=0.52 m2，由于吸附器床層面積為2.612m2,所以足夠滿足要求。有gpsa推薦文本（見圖3.1 分子篩吸附脫水器允許空塔流速），在200psia時，查的直徑0.0032m球形分子篩的空塔速度0.4573m/min,這是在壓力降為2.3kpa/m床層的情況下。 再生壓力曲線只畫到200psia（1379 kpa絕）。再生壓力在400500

16、kpa也是可以的，如果設再生氣加熱氣壓力410 kpa（絕）。同理計算，仍符合要求。只要空塔速度符合要求。再生壓力低一些，對脫附更有利一些，只要滿足外輸干氣壓力的要求就可以。圖3.1 分子篩吸附脫水器允許空塔流速4 冷凝器設計4.1 冷凝器概念及原理4.1.1概念石油化學工業(yè)中用冷凝器使烴類及其他化學蒸氣冷凝。在蒸餾過程中，把蒸氣轉變成液態(tài)的裝置稱為冷凝器。所有的冷凝器都是把氣體或蒸氣的熱量帶走而運轉4.1.2冷凝原理 壓縮機吸入從蒸發(fā)器出來的較低壓力的工質蒸汽，使之壓力升高后送入冷凝器，在冷凝器中冷凝成壓力較高的液體，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后，成為壓力較低的液體后，送入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)而成為

17、壓力較低的蒸汽，從而完成制冷循環(huán)。 天然氣在常溫常壓是氣態(tài)，冷凝分離就是在一定壓力下將天然氣中的c3+（或c2+）在低溫冷凝進行分離。冷凝分離需要冷量。工業(yè)上火的冷量的方法是多種多樣的，但從原理上說基本可以分為冷劑制冷和氣體膨脹制冷兩大類。冷劑制冷是利用某些物質（制冷工質）在相變（如融化、氣化、升華）時的吸熱效應產(chǎn)生冷量。在天然氣凝液回收中常用乙烷、丙烷、氨、氟利昂-12等（見表4.1）由液體氣化為氣體的吸熱制冷。這就要耗功，用壓縮機將氣體壓縮升壓、冷凝液化、蒸發(fā)吸熱、氨也可以用于吸收制冷，這就要消耗熱能，要饞生冷量必須消耗能量。表4.1 常用制冷劑性質4.2 制冷劑的選擇 選用氨做制冷劑，氨

18、是油田氣凝液回收常用制冷劑之一。其優(yōu)點是在冷凝器中工作壓力一般不大于1700kpa.在常壓下蒸發(fā)溫度為-33.4，單位容積制冷量大，在冷凝溫度25，蒸發(fā)溫度-15時達2216.1kj/m3。氨不溶于潤滑油，泄露時容易發(fā)現(xiàn)，價廉易得。氨的缺點是能燃燒爆炸?？諝庵泻边_1625%（v）可引起爆炸，含氨1115%（v）時可點燃，有刺激性臭味對人體有一定毒性，對銅和銅合金有腐蝕作用，氨在常壓的蒸發(fā)溫度僅-33.4，如果與被冷卻介質有6溫差，被冷卻介質只能達-27.4，制冷溫度不夠低，用丙烷丙烯或乙烷乙烯可獲耕地的制冷溫度。 采用單一冷劑蒸汽壓縮制冷中無液相過冷。制冷是用壓縮機做功，將在制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器內

19、吸收熱量氣化的冷劑蒸汽壓縮到一定壓力，用水冷或其他介質冷卻冷凝，冷凝液體經(jīng)結論膨脹之后進入蒸發(fā)器與需要冷卻的介質(天然氣)換熱（冷），冷劑液體蒸發(fā)，再返回壓縮機入口，周而復始完成一個循環(huán)，如圖4.2：圖4.2 無液相過冷制冷劑制冷循環(huán)圖4.2的（b）和（c）是這個制冷循環(huán)在t-s圖和p-h圖上的表示。點1帶點2是壓縮工程，點2到點4是等壓冷卻冷凝過程，點4到點5是等焓節(jié)流過程，點5到點1是蒸發(fā)過程。4.3 換熱器類型的選擇 列管式換熱器的結構簡單、牢固，操作彈性大，應用材料廣，歷史悠久，設計材料完善，并已有系列化標準，特別是在高溫、高壓和大型換熱設備中占絕對優(yōu)勢。所以本次設計過程中的換熱器都選

20、用固定管板式換熱器4.3.1固定管板式換熱器的結構圖4.3 固定管板式換熱器1折流擋板 2管束 3殼體 4封頭 5接管 6管板 定管板式換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，它的結構簡單，在相同的殼體直徑內，排管最多，比較緊湊，由于這種結構使殼側清洗困難，所以殼程益用于不易結垢和清潔的流體。當管子和殼體的壁溫差大于50時，應在殼體上設置溫差補償膨脹節(jié)，依靠膨脹節(jié)的彈性變形可以減少溫差應力。膨脹節(jié)的形式較多，常見的有u形、平板形等幾種。由于u形膨脹節(jié)的繞行與強度都比較好，所以使用得最為普遍。當管子與殼體的壁溫差大于60和殼程壓強超過0.6mpa，時，由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補

21、償作用，就應考慮其他結構。有次可見，這種換熱器比較是個于溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。4.4換熱器材質的選擇 在進行換熱器設計時，換熱器各種零部件的材料，應根據(jù)設備的操作壓力、操作溫度。流體的腐蝕性能以及對材料的制造工藝性能等要求來選取。 由于碳鋼價格低，強度較高，對堿性介質的化學腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無耐腐蝕性要求的環(huán)境中應用是合理的。 本次設計中所涉及的換熱器中流體大部分為水，腐蝕性較弱，所以本次設計中的換熱器的鋼材和殼材都選用碳鋼。4.5流速的選擇 在選擇流速時，還需要考慮結構上的要求。例如，選擇高的流速，使管子的數(shù)目減少，對一定的傳熱面積，不得不采用較長的管子或增加

22、程數(shù)。管子太長不易清洗，且一般管長都有一定的標準；單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟炔钕陆?。下表列出工業(yè)一般采用的流體流速范圍。見表4.4：表4.4 換熱器常用流速范圍由表4.4得管內循環(huán)水流速范圍為1m/s2m/s,現(xiàn)取管內流速2.0m/s。管程流速1.848m/s，殼程流速0.2028m/s。殼程內徑600mm,管長6000mm。則接管內徑為，查標準，取管程流體的進出口接管為125x4mm。查相關資料取折流板厚度d=8mm,管孔d=19.8mm.。5 結束語 設計結論，本組分配設計為某分子篩吸附脫水工藝設計計算與冷凝器設計，首先本小組分別計算了再生熱負荷計算，再生加熱所需熱量值q為1667401.23kj