某分子篩吸附脫水工藝設(shè)計-再生工藝計算

重慶科技學院輸工程》輸工程》課程設(shè)計報告學院:石油與天然氣工程學院專業(yè)班級：學生姓名：學號：設(shè)計地點（單位）K804設(shè)計題目:某分子篩吸附脫水工藝設(shè)計——再生工藝計算完成日期： 月日指導教師評語:成績（五級記分制）:指馬教師（簽字）：摘要井口出的天然氣幾乎為氣相水所飽和， 甚至會攜帶一定的液態(tài)水。天然氣中水分的存在往往會造成嚴重的后果：含有CO2和H2s的天然氣在有水存在的情況下形成酸而腐蝕管和設(shè)備；在一定條件下形成天然氣水合物而堵閥門、管道和設(shè)備；低管道輸送能，造成必要的動消耗。水分在天然氣的存在是非常的事，因此，需要脫水的要求為嚴格。天然氣脫水的方法一般包括低溫法、溶劑吸收法、固體吸附法、化學反應法和膜分離法等。低溫法脫水是用高壓天然氣節(jié)膨脹溫或用氣波機膨脹溫而實現(xiàn)的， 這種工藝適合于高壓天然氣；而對于低壓天然氣，要使用則必須增壓，從而影響過程的經(jīng)濟性。溶劑吸收法和固體吸附法目前在天然氣工業(yè)中應用較廣泛。本文主要研究固體吸附法脫水。固體吸附法就是用多孔固體顆選擇性地

吸附體中一定組分在其內(nèi)外表面上， 從而使體混合物得以分離的方法。具有一定吸附能的固體材稱為吸附劑， 被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)。而本文的固體吸附劑以分子篩作為探討的對象。分子篩具有很好的選擇吸附性、在高溫下吸附脫水等優(yōu)點，尤其是在氣體和液體進深脫水時特別適合。分子篩在使用過程中被氣體中所含水飽和，為使分子篩能夠繼續(xù)循環(huán)使用，就有分子篩的再生工藝過程。本文主要通過選取合適的分子篩然后計算分子篩的吸附水，和吸附的雙塔輪換過程和輪換時間，通過要脫附的水計算出再生氣的氣以及凝氣的氣， 和所需加熱爐的熱，以此來探討分子篩的再生工藝過程。關(guān)鍵詞：分子篩再生工藝再生氣凝氣熱目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 3\o"CurrentDocument"1緒論 6\o"CurrentDocument"國內(nèi)外現(xiàn)狀 6\o"CurrentDocument"脫水系統(tǒng)吸附劑的選擇 7\o"CurrentDocument"分子篩的種類與特點 8\o"CurrentDocument"分子篩吸附脫水原程 10\o"CurrentDocument"吸附周期 11\o"CurrentDocument"再生過程 11\o"CurrentDocument"再生操作 12\o"CurrentDocument"再生加熱與知 13\o"CurrentDocument"2再生工藝計算 15\o"CurrentDocument"物性基礎(chǔ) 15天然氣的基本組成 15\o"CurrentDocument"工藝選擇 16\o"CurrentDocument"在生熱負荷計算 17\o"CurrentDocument"再生氣計算 19卻氣計算 20\o"CurrentDocument"再生氣空塔速計算 21\o"CurrentDocument"3總結(jié) 23\o"CurrentDocument"參考文獻 2411緒論國內(nèi)外現(xiàn)狀天然氣作為清潔優(yōu)質(zhì)能源，在近來，其世界總氣產(chǎn)和消費呈持續(xù)增長的趨勢。從今后我國經(jīng)濟和社會發(fā)展看，加快天然氣的開發(fā)用，對改善能源結(jié)構(gòu)，保護生態(tài)環(huán)境，提高人民生活質(zhì)，具有十分重要的戰(zhàn)意義。天然氣作為液化裝置的燃氣，首先必須對其進預處。天然氣預處主要是脫除其中的有害雜質(zhì)及深過程中可能結(jié)晶的物質(zhì)，也就是天然氣中的H2SH2S、CO2、^、重烴和汞等雜質(zhì)天然氣預處主要目的有：①避免低溫下水與烴類組分凍結(jié)而堵設(shè)備和管道，低管線的輸氣能；②提高天然氣的熱值，滿足氣體質(zhì)標準；③保證天然氣在深條件下液化裝置能正常運；④避免腐蝕性雜質(zhì)腐蝕管道及設(shè)備。目前國內(nèi)外應用較廣泛，技術(shù)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。而固體吸附法中以分子篩脫水的應用最為廣泛，技術(shù)最成熟可靠。在對國內(nèi)外脫水技術(shù)調(diào)研和查閱相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，總結(jié)天然氣開采后的各種脫水工藝，并對其原、工藝特點等進概括分析 ，同時也對其在國內(nèi)的應用現(xiàn)狀進總結(jié)，并分析運中存在的一些問題。通過對比發(fā)現(xiàn)，分子篩脫水法達到的天然氣點最低，一般用于深脫水的環(huán)境。分子篩脫水法屬于固體吸附法，吸附劑是人工合成沸石，是一種由SiO4和八104四面體組成的硅鋁酸鹽晶體。其中大孔徑均勻的微細孔道和排整齊的空腔只允許直徑比其小的分子進入，從而實現(xiàn)選擇性吸收，工藝主要包括脫水/再生干燥器和再生加熱系統(tǒng)。分子篩脫水法具有吸附選擇性強，高效的吸附容，使用壽命較長，被液態(tài)水破壞等優(yōu)點。目前其主要產(chǎn)品掌握在歐美等國家,如美國UOP公司的天然抗酸性分子篩AW-300、500型，可實現(xiàn)對HCl、H2O、NO2等酸性氣體的吸收。分子篩是一種非常適合深脫水的干氣體干燥劑，脫水后干氣含水最低可至10-6，點可低至-100℃，一般常用于天然氣液化前的脫水工藝中。但設(shè)備投資和操作費用昂貴是其弊端，在滿足相同點建一座 2.8x105m3/d處的凈化站，其所需的費用比TEG法多53%，同時再生能耗大，吸附劑價格高，因此其主要用于滿足獲得較低點的工藝。脫水系統(tǒng)吸附劑的選擇目前在天然預處過程中，主要使用的固體吸附劑有活性氧化鋁、硅膠和分子篩三大類?；钚蕴康拿撍苌跷ⅲ饕糜趶奶烊粴庵谢厥找簾N。活性氧化年是一種極性吸附劑它對多數(shù)氣體和蒸汽是穩(wěn)定的，是沒有毒性的堅實顆，浸入水或液體中軟化、溶脹或破，抗沖擊和抗磨損的能強。它常用于氣體、油品和石油化工產(chǎn)品的脫水干燥?；钚匝趸X干燥后的氣體點可低達-73℃。循環(huán)使用物化性能變化大。為防止生成膠質(zhì)沉淀，活性氧化年宜在 177?316℃下再生，即床層再生氣體在出口時最低溫需維持在 177℃，方可恢復至原有的吸附能，因此其再生耗熱較高。活性氧化鋁吸附重烴后，再生時清除?；钚匝趸X呈堿性，可與無機酸發(fā)生化學反應?故宜處酸性天然氣。硅膠是一種親水性的極性吸附劑。硅膠對極性分子和飽和烴具有明顯的選擇性，因此可用于天然氣脫水。硅膠的吸附性能和其它吸附劑大致相同，一般可使天然氣的點達-60℃。硅膠很容再生，再生溫為 180?200℃。雖然硅膠的脫水能很強，但于被水飽和，且與液態(tài)水接觸很爆，產(chǎn)生粉塵。分子篩是一種天然或人工合成的沸石型硅鋁酸鹽。在分子篩的結(jié)構(gòu)中有許多孔徑均勻的孔道與排整齊的孔穴。這些孔穴僅提供很大的比表面， 而且它只允許直徑比孔徑小的分子進入，而比孔徑大的分子則能進入，從而使分子篩吸附分子有很強的選擇性。分子篩的種類與特點天然氣脫水過程中常用的分子篩有3A、4A、10X及13X型，主要用于體的干燥、分離和除雜等。因其具有很大的表面積和孔容，可以吸附大的體，尤其對水，即使在很低的分壓和濃下，任有相當高的吸附容。如用 4A分子篩時，可以排除甲烷以外的水和其它烴類。以下表為這4類分子篩的性質(zhì)。表1.1分子篩的性質(zhì)型號孔徑濕容（在175mmHg25℃）%二氧化硅與氧化鋁的比值吸附質(zhì)分子排除的分子應用范圍3A3.2-3.3202直徑小于3A的分子如H2O、NH3等乙烷等直徑大于3A的分飽和及飽和烴脫水。甲醇、乙醇脫水4A4.2-4.7222直徑小于4的分子，包括以上各分子及乙醇、H2O、CO2、SO2、C2H4、C2H6、C3H8直徑大于4A的分子，如丙烷等飽和烴脫水，凍系統(tǒng)干燥劑

10X8282.5直徑小于8A的分子包括以上各分子及異構(gòu)烷烴，烯烴及苯正丁基胺及大的分子芳烴分離13X1028.52.5直徑小于10A的分子，包括以上分子及二正內(nèi)基胺3H9）3N及大的分子同時脫水，CO2、H2O脫，脫醇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濕容。在天然氣凈化過程中，常見的幾種物質(zhì)分子的公稱直徑見表。其中，H2O、CO2和H2s分子的直徑小于4x10-10m，烴類分子的直徑均大于4x10-10m。表1.2常見的幾種分子公稱直徑分子公稱直徑（10-10m）分子公稱直徑（10-10m）H22.4CH44CO22.8C2H64.4N23C3H84.9H2O3.2nC4?nC224.9H2s3.6】C4?】C225.6CHOH34.4苯6.7從表1和表2可以看出，要用分子篩脫水，選擇4A（或者3A）A子篩是比較合適的，因為3A分子篩的孔徑為（3?3.3）x10-10m，4A分子篩的孔徑為（4.2?4.7）x10-10m，水的公稱直徑為3.2x10-10m。4A分子篩僅可以吸附水同時

還可以吸附CO2、H2s等雜質(zhì)。在上游的脫碳裝置出現(xiàn)短時間波動而導致天然氣沒有達標時，分子篩可以發(fā)揮一定的凈化作用，因此本項目選擇4A分子篩作為脫水吸附劑。分子篩吸附脫水原程天然氣脫水的吸附設(shè)備多采用固定床吸附塔。為保證干氣的連續(xù)生產(chǎn)必須循環(huán)操作，要用許多個并聯(lián)的吸附床。床的數(shù)和安排形式，從兩個交替的吸附塔到多個塔等。在每個塔內(nèi)，三種同的功能或循環(huán)必須交替地起作用。這三個循環(huán)是：吸附或干燥氣循環(huán)，加熱或再生循環(huán)，以及卻循環(huán)。再生氣簿1-再生氣壓縮機水分離器再生氣冷卻器水濕天然氣進口j分離器T脫水移掉污X再生氣簿1-再生氣壓縮機水分離器再生氣冷卻器水濕天然氣進口j分離器T脫水移掉污X到打開再生與冷卻再生氣再生氣加熱器干氣圖1.1分子篩吸附脫水原程在吸附周期中，濕天然氣要首先進入進口分離器，并在分離器內(nèi)清除掉自由液體、夾帶的濕氣和固體顆。然后，濕天然氣自上而下經(jīng)吸附塔。水分子在床層的頂層首先被吸收。干的烴類氣體是在穿過床層而被吸收的。當吸附劑的較上層部位由水飽和時，濕氣中的水就開始置換在較低床層原來吸附的烴類。液體烴類也還被吸收一些。吸附周期在吸附器處氣、進口濕氣含水和干氣點已經(jīng)確定后， 吸附的周期主要由吸附劑的裝填容和選用的實際有效的吸附容所決定。 在操作周期中應該保證有足夠的再生和卻時間，使分子篩中的水分能夠被再生氣完全帶走和保證分子篩能夠卻到所需的溫。操作的周期一般分為 8小時和24小時兩種，選用較長的操作周期，當原氣含水波動很大時，為保證干氣點，可以縮短操作周期。再生過程吸附劑的再生過程是保證吸附劑能夠循環(huán)正常使用的關(guān)鍵。對于一定的吸附劑，低溫和升高壓有于吸附的進， 而提高吸附劑的溫和低壓就有于吸附劑的脫附。常用的再生脫附方法主要有升溫脫附和壓脫時兩種。壓脫時雖有能耗低、再生時間短、操作方等優(yōu)點，但由于被吸附的產(chǎn)品氣體在脫時時能回收，且還需部分產(chǎn)品氣作為吹掃之用，因而收低，在產(chǎn)品的純與收間存在矛盾，工業(yè)上使用多。升溫脫時是工業(yè)上常用的再生方法。這是基于所有的干燥劑的濕容是隨

溫上升而低這一特點來實現(xiàn)的。 通常采用預熱的解析氣體通過床層以升高吸附劑溫使吸附質(zhì)脫附，并將吸附質(zhì)帶出吸附劑床層，從而實現(xiàn)吸附劑再生的目的。加熱再生完成后，吸附劑床層需要卻，然后重新開始吸附操作。卻過程通常以氣進卻。 氣的吹入方向最好與吸附時的氣方向相反，而且氣中應含或少含吸附質(zhì)。但如采用濕氣卻，卻氣應自上而下過床層，卻氣中水蒸氣被床層上部干燥劑吸附，從而最大限低脫水周期中出口干氣點。再生操作一般用經(jīng)回收輕烴后的干氣，基本含水分，維持壓在300?400KPa（絕），經(jīng)加熱爐或別個加熱設(shè)備加熱到250?270℃進入需再生的吸附塔，自下而上經(jīng)床層。再生氣出塔溫恒定在 180?200℃，兩小時后可認為再生結(jié)束，接著進吹。吹氣用再生操作的氣體，只是經(jīng)加熱，按設(shè)計規(guī)定，可以是自下而上動，也可以是自上而下動，待出口氣溫達 50℃左右，可認為吹結(jié)束，換至吸附狀態(tài)備用，來完成一個周期。1加熱方式通常在原氣中抽出一部分氣體加熱后進去再生床層，然后再回到濕原氣總管或與干燥后氣體混合，進入輸氣干線。2在生溫再生溫是指吸附劑床層在再生加熱時最后達到的最高溫，通常近似取為此時再生氣出吸附劑床層的溫。再生溫取決于吸附劑的性質(zhì)和干氣要求的點（或再生后床層的殘余水含），且因使用的吸附劑的同而同。分子篩一般為200?300℃，且溫越高，再生后的吸附劑的濕容越大，同時也將縮短吸附劑的使用壽命。3再生氣再生氣大約為總原濕氣體的 5%?15%，由具體的操作條件而定，再生氣應滿足在規(guī)定時間內(nèi)將再生吸附劑提高到規(guī)定的溫。4在生需要的時間加熱時間是指在再生周期中從開始用再生氣加熱吸附劑床層到床層達到最高溫（有時，在此溫下還保持一段時間）的時間，卻時間是指加熱完畢的吸附劑從開始用卻氣卻到床層溫低到指定值（如 50℃左右）的時間。對于操作周期為24小時的，再生加熱時間約為總周期時間的65%?68%，卻時間約為30%，其余的2%?5%的時間為升、壓，倒閥門的備用時間。而對于操作周期為8小時的，再生加熱時間約為總周期的50%?55%，卻時間約為 40%，其余為升、壓輔助操作時間。如8小時吸附周期中，再生加熱時間約為4.5h，卻時間為 3h，備用和換時間約為 0.5h。再生加熱與卻為將床層卻到原來吸附時的床層溫，用干氣卻，與再生加熱氣相比，相差是很大。最終的知溫一般在 40℃?55℃，通常為50℃?52℃。下圖為再生加熱與卻過程的溫變化曲線。2(H)2(H)點時間力圖1.2再生加熱與卻過程溫變化曲線圖2為采用雙塔程的吸附脫水裝置8h再生周期（包括加熱與卻）的溫變化曲線。曲線1表示再生氣進干燥器的溫TH，曲線2表示加熱和卻過程中出干燥器的氣體溫，曲線3表示進濕氣溫。A段表示輕烴脫時階段，B段表示吸附水脫附階段，C段表示重烴脫時階段，D段表示床層卻階段。Ta、Tb、TC、TD分別表示該階段的平均溫。由圖2可知，再生開始時熱再生氣進入干燥器加熱床層及容器，出床層的氣體溫逐漸由 T1升至T2，大約在116?120℃時床層中吸附的水分開始大脫時，所以此時升溫比較緩慢。待水分全部脫除后，繼續(xù)加熱床層以脫除脫附的重烴和污物。當再生時間大于4h時，離開干燥器的氣體出口溫達到180?230℃，床層加熱完畢。熱再生氣溫T至少應比再生加熱過程中所要求的最終離開床H層的氣體出口溫T4高19?55℃，一般為38℃。然后，將知氣通過床層進卻，當床層溫大約至 50℃時停止卻。在一些要求深脫水的天然氣液回收裝置中，為避免吸附劑床層在卻時被水蒸氣預飽和，多采用脫水后的干氣或其他來源干氣作卻氣。有時，還可將知用的干氣自上而下過吸附劑床層，使卻氣中所含的少水蒸氣被床層上部的吸附劑吸附，從而最大限地低吸附周期中出口干氣的水含。2再生工藝計算物性基礎(chǔ)天然氣的基本組成天然氣組成如下表2.1所示：表2.1組分甲烷乙烷丙烷異丁烷正丁烷體積含95.60.60.080.020.01異戊烷正戊烷己烷二氧化＜氮氣化氫0.010.0303.020.040.0264進溫： 26℃進壓： 5MPa設(shè)計規(guī)模：12萬方/天要求脫水到1ppm以下由上表可以得出該組分中水氣的組分（百分含）為：w=100—（95.6+0.6+0.08+0.02+0.01+0.01+0.03+3.02+0.04+0.0264）=0.5636所以水的百分含為 0.5636%工藝選擇選用4A分子篩脫水，其特性如下：分子篩子類型：直徑3.2mm球形分子篩的有效濕容：8kg（水）/100kg（分子篩）分子篩堆積密：660kg/m3操作周期為8小時，再生加熱時間為4.5小時，再生卻時間為3.2小時，操作換時間為0.3小時。加熱爐進口溫為 30℃，加熱爐出口溫為275℃。26℃,5000KPa下的密為 37.9kg/m3再生加熱氣進吸附器的壓：5000kPa再生加熱氣進吸附器的溫：260℃再生加熱氣出吸附器的溫：200℃再生加熱氣出吸附器溫：200℃下表為該吸附器的設(shè)計參數(shù)：表2.2吸附器設(shè)計參數(shù)參數(shù)吸附器筒體吸附件等鋼材分子篩鋪墊的瓷球水質(zhì)kg1529.52555.52264401.92180.8

在生熱負荷計算用貧干氣加熱，進吸附器溫260℃，分子篩床層吸附終后溫 t1=35℃(即床層溫升5℃)，再生加熱氣出吸附器溫200℃，t=1(260+200)=230床層的再生溫是2 2 ℃在230℃時：分子篩比熱為0.96kJ/(kg?℃)；鋼材比熱為0.5kJ/(kg?℃)；瓷球比熱為0.88kJ/(kg?℃)；再生氣在260℃/1733.72KPa的熱焓為：一3776.58kJ/kg再生氣在115℃/1733.72KPa的熱焓為：一4167.30kJ/kg再生熱負荷的計算如下：再生加熱所需的熱為Q，所以：Q=Q1+Q2+Q3十QQ=Q1+Q2+Q3十Q4式中 Q1——加熱分子篩的熱，kJ；Q2——加熱吸附器本身(鋼材)的熱，kJ；Q3——脫附吸附水的熱，kJ；Q4——加熱鋪墊的瓷球的熱，kJ=m1c1(12-11)=m2c2(12-11)=m3x4186.8(2.5)W=%cp4((2-ti)(2.5)m式中 1 分子篩的重，kgm——吸附器筒體及附件等鋼材的重，kgm吸附水的重，kgm——鋪墊的瓷球的重，kg其中，4186.8KJ/kg是水的脫附熱，cpi，cp2，cp4分別是上述各種物質(zhì)的定壓比熱。/、、根據(jù)題可選t2=230℃，t1=35℃所以：Q1=m1c1(t2-t1)=2264x0.96x(230-35)=423820.8kJQ2=m2c2(t2-t1)=4085x0.5x(230-35)=398287.5kJQ3=m3x4186.8=180.8x4186.8=756973.4kJQ4=m4c4(t2-t1)=401.92x0.88x(230-35)=68970kJ在加熱的過程中，認為熱有 10%的損失可得：QT.1QT.1Q+Q+Q+Q)(2.5)=1.1x(423820.8+398287.5+756973.4+68970)=1812856.9KJ設(shè)再生加熱時間t=4.5小時，每小時加熱為：q=—tQ1812856.9q=—tQ1812856.94.5=402857kJ/h2.3再生氣計算再生氣在230℃時的平均比熱為3.14kJ/(kg℃)，再生氣溫是：At=260—2(35+200)=142.5℃每千克再生氣給出的熱：qH=CAt=3.14義142.5=447.5kJ/kg每小時所需的再生氣：G=q-=402857=900.2kg/hqH 447.5換算成標準條件下(20℃，101.325kPa)的體積為 1186.1iWh。加熱氣所需面積設(shè)核：再生加熱氣5000kPa，260℃下的pg=17.41kg/m3，氣體從下往上則 C取0.167，加熱氣允許質(zhì)：G=CppD%=(0.167x660x17.41x0.003》5=2.48kg/(m?s)bgP式中G 允許的氣體質(zhì)速，kg/(m2?s)C,, …， C ,——系數(shù)，氣體自上向下動， 值在0.25?0.32；自下向上動，C值是0.167；b 分子篩的堆密， kg/m3pg 氣體在操作條件下的密，kg/m3Dp——分子篩平均直徑(球形)，或當直徑條形，m再生加熱氣所需面積：991.52.48991.52.48x3600=0.111m2吸附器的床層面積為2.56m2，所以滿足要求。卻氣計算將床層溫自 230℃卻到 30℃，則對熱負荷如下：Q1=加:1(12-11)=2264x0.96x(230—30)=434688KJQ2=m2c2(12-11)=4085x0.5x(230-30)=408500kJQ4=m4c4(12-11)=401.92x0.88x(230-30)=70738kJ再加上10%的對裕：Q冷=1.1(Q1+Q2+Q4)=1005318.6kJ對氣進口為 30℃，則：由于對的時間為 3.2小時，所以每小時移去的熱為：Q 1005318.6「一”2一7q=±冷二=314162kJ/h移t3.2對氣平均比熱在 130℃時是2.9KJ/(kg.℃),對氣溫差 =100℃需知氣每小時為q=314162=1083.3kg/h100x2.9換算成標準條件下(20℃，101.325kPa)的體積為 1427.4iWh。對氣所需面積效核：對氣 5000kPa，30℃下的pg為33.88kg/m3，氣體從下往上則C取0.167,加熱氣允許質(zhì)：G=CppD).5=(0.167x660x33.88x0.0032力5=3.457kg/(m2-s)bgP再生加熱氣所需面積：

廠q1086.3八A”F=_= =0.085m2G3.57x3600吸附床層的面積為2.56m2，所以滿足要求。吹氣和熱吹氣等。 實際操作中考慮到氣波動，為使裝置操作平穩(wěn)，吹氣和熱吹氣均采用1427.4m3/h(20℃，101.325kPa)。再生氣空塔速計算再生時再生氣壓，原則上根據(jù)外輸系統(tǒng)壓決也，經(jīng)過吸附器壓一般在10?20KPa。設(shè)再生加熱氣1