三甘醇与水的分离

1、天然气脱水第一节 天然气水合物第二节 甘醇脱水第三节 固体干燥剂脱水第四节 脱水方法选择1第一节 天然气水合物一、天然气饱和含水量二、天然气水合物2一、天然气饱和含水量 天然气饱和水含量的大小取决于温度、压力和气体组成。确定天然气饱和水含量的方法有三类：图解法、实验法和状态方程法。 根据气体内是否含有酸气，天然气饱和含水量与压力、温度的关系分为两类：一类为不含酸气(或酸气含量较少)的称甜气图，另一类为含酸性气体的称酸气图。31、甜气图 如图，天然气饱和水含量随压力、温度的变化关系。可见，压力越高、温度越低，饱和水含量越小。 在一定压力下与天然气饱和水含量相对应的温度称为天然气水露点。 在某一压

2、力下，水露点愈低，饱和含水量愈小。当气体实际温度高于水露点时，气体处于未饱和状态，无液态水析出；当气体实际温度低于水露点时，气体过饱和，有液态水析出。 4 当天然气相对密度0.6时，气体饱和水含量降低，可乘以相对密度修正系数进行修正。 天然气与含盐水接触也会降低天然气的饱和水含量，可乘以含盐修正系数进行修正。5水中含盐量，g/L；气体相对密度；气体温度，。62、酸气图 当压力小于2.0MPa时，酸气浓度对天然气含水量的影响不大，可以按甜气图查得。 高压时，天然气饱和含水量随酸气浓度的增大而增大。压力大于2.0 MPa时，可用Campbell法求酸性天然气含水量。 Campbell法： 按甜气查

3、得的天然气中水的质量浓度，mg/m3；CO2中水的质量浓度，mg/m3；H2S中水的质量浓度，mg/m3；气体组分摩尔分数。7天然气内饱和CO2的有效水含量 天然气内饱和H2S的有效水含量 83、饱和含水量的测试方法 有多种气体含水量测定方法，常见的有露点法、吸收质量法和KarlFischer（卡尔-费希尔）法。 1)露点法：在恒定压力下，气体以一定流量流经露点仪，仪器的测量腔室内有抛光金属镜面，其温度可人为控制精确调节并准确测定。随着镜面温度逐步降低，气体被水饱和时镜面上开始结露，此时的镜面温度即为水露点。由水露点查表可得气体饱和含水量。2)吸收法：气体通过充满P2O5的吸收管，吸收剂P2O

4、5吸收气体内的水分，精确测定P2O5的质量增加值和通过吸收管的气体量，即可求得气体内的含水量。3)Karl-Fischer法：利用卡尔-费希尔试剂吸收天然气中的水分，测出中和卡尔-费希尔试剂所需的天然气量即可求得气体的含水量。卡尔-费希尔试剂的配制： 8 mol吡啶+2 mol二氧化硫+15 mol甲醇+1 mol碘9二、天然气水合物 在一定温度和压力条件下、天然气的某些组分与液态水生成的一种外形像冰、但晶体结构与冰不同的笼形化合物称为天然气水合物。1、物理性质 白色固体结晶，外观类似压实的冰雪； 轻于水、重于液烃 ，相对密度为0.960.98； 半稳定性，在大气环境下很快分解。102、结构

5、采用X射线衍射法对水合物进行结构测定发现，气体水合物是由多个填充气体分子的笼状晶格构成的晶体，晶体结构有三种类型：I、II、H型。 1）I型晶体结构：体心立方结构，由46个水分子构成，共有8个笼状晶格，可容纳8个气体分子。其中6个大的（ 12个正五边形、2个正六边形组成的十四面体，平均自由直径0.59纳米）、2个小的（正五边形组成的十二面体，平均自由直径0.52纳米）。 分子式为S2L646H20 112）II型晶体结构：金刚石晶体立方结构，由136个水分子构成，共有24个笼状晶格，可容纳24个气体分子。其中8个大的（ 12个正五边形、4个正六边形组成的十六面体，平均自由直径0.69纳米）、1

6、6个小的（正五边形组成的十二面体，平均自由直径0.48纳米）。 分子式为S16L8136H20 12个正五边形、2个正六边形正五边形12个正五边形、4个正六边形123）H型晶体结构：对H型水合物尚处于研究中，知之甚少， H型水合物由34个水分子构成，共有6个笼状晶格，可容纳6个气体分子。其中1个大的（ 12个正五边形、8个正六边形组成的二十面体）、 2个中的（ 3个正四边形、6个正五边形、3个正六边形组成的十二面体）、3个小的（正五边形组成的十二面体）。 分子式为S3S2L134H20 13 由于晶格空腔有大有小，因此不同直径的气体分子会形成不同类型的气体水合物。 天然气中CH4、C2H6、C

7、02、H2S可形成稳定的I型水合物。每个气体分子周围有68个水分子，即： CH46H2O C2H68H2O H2S6H2O C026H2O 大分子量组分C3H8和i-C4H10(异丁烷)仅能进入II型水合物内的大腔室，形成II型水合物。每个气体分子周围有17个水分子，即： C3H817H2O i-C4H1017H2O。 气体分子填满腔室的程度取决于外部压力和温度，腔室内充满气体分子程度愈高、水合物愈稳定。腔室未被气体分子占据时，结构处于亚稳定状态，称为相；气体分子占有腔室后形成稳定结构，称H相。 143、生成条件（1）气体处于水蒸汽的过饱和状态或者有液态水，即气体和液态水共存；（2）一定的压力

8、温度条件高压、低温；（3）气体处于紊流脉动状态，如：压力波动或流向突变产生搅动，或有晶种(固体腐蚀产物、水垢等)存在都会促进产生水合物。 因此，在孔板、弯头、阀门、管线上计量气体温度的温度计井等处极易产生水合物。154、图解法预测水合物的生成 即当水分条件满足时，预测生成水合物的压力、温度条件。 常用的图解法有两种，一种是只考虑气体相对密度的相对密度法，另一种是考虑相对密度和酸气含量的酸性气体图。（1）相对密度法 曲线左上方为水合物存在区。右下方为水合物不可能存在区。 已知气体相对密度，由图可查一定温度下生成水合物的压力，或在一定压力下生成水合物的温度。 回归相关式：16（2）酸性气体图 若天

9、然气中同时含有CO2和H2S时，将CO2折算成H2S含量，折算关系为1 mol H2S=0.75 mol CO2，求得H2S总含量。 根据气体压力、H2S含量、气体相对密度，可以查图得到水合物生成温度。 C3含量校正：根据H2S含量、气体内C3含量、气体压力可查得修正值。C3含量高时修正值为正，低时为负。 17 5、防止水合物生成的方法 破坏水合物的生成条件即可防止水合物的生成。主要有三种方法（1）加热气流，使气体温度高于气体水露点；（2）对天然气进行干燥剂脱水，使其露点降至操作温度以下；（3）向气流中注入抑制剂。目前广泛采用的抑制剂是水合物抑制剂，90年代以后开发的动力学抑制剂和防聚剂也日益

10、受到重视和使用。动力学抑制剂和防聚剂的共同特点是不改变生成水合物的压力、温度条件，而是通过延缓水合物成核和晶体生长或阻止水合物聚结和生长，从而防止水合物堵塞管道。 1）长距离输气管线水合物的预防措施 对于长距离输气管线要防止水合物的生成可以采用如下方法： 天然气脱水，降低气体内水含量和水露点 ； 提高输送温度，使气体温度高于气体水露点； 注入水合物抑制剂。 天然气脱水是长距离输气管线防止水合物生成的最有效和最彻底的方法。182）矿场采气管线和集气管线水合物的预防措施 采气管线上：气体通过控制阀或孔板时，气体压力降低，同时发生J-T效应，气体膨胀降温，使节流件下游易生成水合物而堵塞管线。 集气管

11、线：管线的热损失使气体温度降低，使下游易生成水合物而堵塞管线。 矿场采气管线和集气管线，防止水合物生成的方法：加热；注入抑制剂。 常用的加热设备是蒸汽逆流式套管换热器和水套炉。 6、水合物抑制剂 某些盐和醇类溶解于水中，吸引水分子，改变水合物相的化学位，降低气体水合物生成温度和或提高水合物生成压力，从而防止生成水合物。这类物质称水合物抑制剂或热力学抑制剂，俗称防冻剂。19 水合物抑制剂主要有两大类：氯化物和醇类。氯化物抑制剂 多数氯化物，如NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2和AlCl3等都能用作水合物抑制剂，其防冻效果为： Al3+Mg2+Ca2+Na+K+。 缺点：有腐蚀性并易在金属表

12、面沉积；只适用于处理小流量、露点要求不高的场合。因此，在实践中很少采用。醇类抑制剂 用作水合物抑制剂的醇类主要有：甲醇(MeOH)、乙二醇(EG)或二甘醇(DEG)，三者对比：甲醇使水合物生成温度的降幅最大，抑制效果最好，乙二醇次之，二甘醇最小。甲醇的凝点远低于乙二醇和二甘醇，因而甲醇适用于任何气体温度，而乙二醇不得用于温度低于-9、二甘醇不得用于低于-6的场合。20甲醇的蒸气压最高，容易汽化，可直接注入（一般不回收）；乙二醇与二甘醇的蒸气压低，必需经喷雾头将甘醇雾化成小液滴分散于气流内才能有效地抑制水合物的生成，乙二醇与二甘醇的气相损失小，需建回收装置回收、再生后循环使用。甲醇的投资低、但操

13、作费用高（常用于气量小、断续注人、防止季节性生成水合物和临时性管线和设备的防冻）；乙二醇和二甘醇投资高、但操作费用低（常用于气量大、需连续注入抑制剂的场合）。 甲醇对已形成的水合物有一定解冻作用。 甲醇具有中等毒性，需采取相应的防护措施。甘醇类抑制剂与液态烃的分离困难,造成一部分甘醇损失,因而甘醇抑制剂适用于温度较高的场合。与乙二醇相比，二甘醇的蒸气压低、气相损失小，但防冻效果不如乙二醇。 乙二醇和甲醇是最常用的水合物抑制剂。 21 甘醇水溶液的凝点（粘稠糊状）与其在水溶液中的质量浓度有关。 从图中可以看出，质量浓度6075时凝点最低，流动性最好。因此，在实践中常用该浓度范围的甘醇水溶液作为抑

14、制剂。 22第二节 甘醇脱水一、甘醇二、甘醇脱水原理流程三、三甘醇脱水典型流程四、甘醇再生方法五、甘醇脱水的主要设备六、甘醇污染和质量要求23 天然气脱水可以采用的方法有：甘醇吸收脱水、固体干燥剂吸附脱水、冷凝脱水以及国内外正在研发的膜分离脱水等。其中甘醇脱水和固体干燥剂脱水是油气田最常用的天然气脱水方法。 脱水深度用露点降表示，是指进入脱水装置前气体露点与脱水后气体露点之差。24一、甘醇1、甘醇 甘醇有很强的吸水性能。甘醇是乙二醇的缩聚物，称为多缩乙二醇，俗称甘醇。其化学通式为CnH2n(OH)2。 2个乙二醇缩聚生成一个二甘醇和一个水，二甘醇和乙二醇再缩聚可以生成一个三甘醇和一个水。2、与

15、二甘醇相比，三甘醇脱水的优点沸点高，因此可以在较高温度下再生，再生贫液浓度高，气体露点降高。蒸气压低，因而三甘醇的蒸发和被气体的携带损失小。分解温度高，热稳定性好，不易受热变质，对再生有利。脱水操作费用低。 因此，三甘醇脱水应用较为广泛。25二、甘醇脱水原理流程 甘醇脱水工艺主要由甘醇高压吸收和常压加热再生两部分组成。（少量甘醇蒸气）26三、三甘醇脱水典型流程1一吸收塔；2一气贫甘醇换热器；3一分流阀；4一冷却盘管；5一再生塔；6一重沸器；7一甘醇缓冲罐；8一贫富甘醇换热器；9一富甘醇预热换热器；10-闪蒸分离器；1 1一织物过滤器；12一活性炭过滤器；13一甘醇泵；14-涤气段底部的涤气段2

16、7四、甘醇再生方法1、降压再生：甘醇再生在常压下进行，降低重沸器压力至真空状态，在相同重沸温度下能提高甘醇溶液浓度。 2、汽提再生：以湿气或干气作为汽提气，在再生塔的高温下其为不饱和气体，在与甘醇富液接触中能够降低溶液表面的水蒸汽分压，从甘醇内吸收大量水汽，从而提高甘醇贫液浓度。汽提气可直接注入重沸器，也可经汽提柱注入，后者提浓效果更好。 1一再生塔；2一重沸器；3一贫液汽提柱；4-甘醇换热器。 283、共沸再生：在重沸器内，共沸剂与甘醇溶液中的残留水形成低沸点共沸物汽化，从再生塔顶流出，经冷却冷凝进入分离器分出水后，共沸剂用泵打回重沸器循环使用。 采用的共沸剂应具有不溶于水和三甘醇，与水能形

17、成低沸点共沸物，无毒，蒸发损失小等性质。常用的共沸剂是异辛烷。1一重沸器；2一再生塔；3一冷却器；4-共沸物分离器；5一循环泵；6一甘醇换热器。29五、甘醇脱水的主要设备 1、入口分离器 入口分离器的作用是分出进料湿天然气内的液体和固体杂质，如：游离水、液烃、泥沙和铁锈等固体杂质以及流程上游采气、集气过程中加人气流内的各种化学剂等。 进料湿天然气内液体和固体杂质的存在会带来以下几个方面的危害： 液烃及固体杂质使塔内甘醇容易发泡、堵塞塔板，降低甘醇脱水能力； 游离水增加了甘醇循环量、重沸器热负荷、热耗，以及甘醇损失量增多。 盐水可使钢材腐蚀，以及重沸器火管表面局部过热和结焦等。 因此，为保证脱水

18、质量并延长装置的使用寿命，必须在吸收操作之前进行液、固杂质的分离。 302、吸收塔1）组成 吸收塔的组成包括四部分：底部的涤气段：与入口分离器构成两级涤气，以减小气体杂质对甘醇的污染；中部吸收段；顶部的气贫甘醇冷却盘管：控制贫甘醇溶液与气体有合适的温差；捕雾器。2）类型 吸收塔可采用板式塔或填料塔 ：塔径小于035 m时，用常规填料塔。 大型脱水装置往往采用板式塔或规整填料塔。在相同气体处理量下，规整填料塔的塔径小，塔高比板式塔小。 313）塔板数量 塔板数量、甘醇贫液浓度和循环量是影响气体露点降的因素。塔板数愈多、甘醇贫液浓度愈高、循环量愈大则气体露点降愈大。其中塔板数量对气体露点降的影响最

19、大。 根据脱水目的和对干气露点要求，吸收塔塔板数一般为412块。若为满足管输气的脱水要求，一般为68块。由于甘醇溶液容易发泡，塔板间必须有足够的间距，常为0.6 m。顶层塔板与捕雾器间距为1.5倍的塔板间距。 32已知：塔压、塔温、甘醇溶液进出塔器的浓度、进出塔气体水含量。求：理论平衡塔板数和实际塔板数。 吸收塔塔板数确定步骤：查出一定塔温下，不同甘醇浓度所对应的气体平衡露点。 33查出一定塔压下，不同平衡露点温度所对应的气体平衡水含量。 由此得到一定压力、温度条件下，不同甘醇浓度下所对应的气体平衡水含量。作出曲线ODB。34作出操作线 F点表示塔顶甘醇浓度和气体平衡水含量，A点表示塔底甘醇浓

20、度和气体平衡水含量，连线AF表示塔内气体含水量的变化情况，称操作线。35作图确定理论塔板数 由点A作垂线交ODB线于B点，说明进入塔底的湿气与甘醇富液接触、达到平衡状态时，气体达到B点所对应的水含量，即一块理论塔板达到的脱水效果；B点的水平线交AF线于C点，C点的垂直线交ODB线于D点，说明达到塔顶要求的气体水含量所需塔板数为CECD 。 理论塔板数=1+ CECD 36 每块理论塔板按4块实际塔板计，则： 实际塔板数=理论塔板数4 若采用填料塔，填料高度的确定：处理低露点气体时，每块理论塔板相当于2.4 m高的填料，处理中等露点气体时，每块理论塔板相当于1.2 m高的填料。4）塔径 按气体处

21、理量确定塔径：按能够分出120150m甘醇液滴粒径确定气体允许流速 375）操作参数（1）塔压 塔压的确定应考虑这样几个方面：塔压对吸收效果的影响：高压低温有利于吸收，当塔压小于20 MPa时，操作压力对气体露点降影响极小。塔压对处理量的影响：塔压增大，使原料气的饱和水含量降低，需要脱出的水量减少，可增大气体处理量。塔压对设备尺寸和壁厚的影响：塔压增大，在一定气体处理量下，塔内气体流速减小，可减小塔径，但壁厚增大。塔压的大小受原料气压力的制约。 因而，在考虑原料气压力的基础上，吸收塔压力和塔制造费用、操作成本间存在寻优问题。一般，塔压在3.48.3 MPa间的经济性较好。38（2）塔温 吸收塔

22、内液相负荷很小，塔的温度与原料气温度接近。 原料气温度的确定应考虑这样几个方面：对吸收效果的影响：一方面，温度愈低，气体与甘醇接触后的气体平衡露点愈低，脱水效果愈好；另一方面，温度太低使得甘醇粘度太大影响有效脱水，并容易和气体内的液烃生成稳定乳状液产生泡沫，因而要求不低于22 。 气体平衡露点与温度的关系39对处理量的影响：温度降低，原料气饱和含水量减小，需要脱出的水量减少，可增大气体处理量。对设备尺寸的影响：温度降低，在一定气体处理量下，塔内气体流速减小，可减小塔径。水合物问题：原料气温度应大于水合物生成温度。蒸发损失问题：温度愈高，蒸发损失愈大。塔温一般要求不得高于49，否则将导致甘醇蒸发

23、损失过大。 冷凝负荷和设备的投资问题：如果原料气温度过高，应经冷却后进塔。 因此应综合考虑冷凝能耗、设备投资、脱水效果和费用，从中寻找平衡，据此确定吸收塔温。推荐吸收塔温为2738。 40（3）甘醇贫液进塔温度 甘醇贫液进塔温度的确定应考虑这样两个方面：蒸发损失问题：贫液温度过高，甘醇蒸发损失增大，会被流出吸收塔的气体带走，为达到要求的气体露点降不得不增大甘醇循环量。 发泡问题：贫液温度也不能低于出塔气体温度，否则气液接触时气体骤冷会析出液烃，造成甘醇发泡。 甘醇贫液进塔温度一般高于出塔气体温度5左右。 41（4）甘醇浓度 贫液浓度：直接影响干气露点，在甘醇循环量和吸收塔塔板数一定的前提下，贫

24、液浓度愈高，干气露点愈低。富液浓度：塔底富液浓度对吸收塔底部几层塔板的脱水效果有影响，所以不能过低，而且富液浓度过低会增大重沸器热负荷。 一般控制贫、富液浓度差小于6%。 气体平衡露点与甘醇浓度的关系42（5）甘醇循环量 常以从气体中脱出单位质量水所需要的甘醇体积数来表示甘醇循环量。循环量的大小会影响到两方面： 气体的露点降：在吸收塔塔板数和甘醇贫液浓度一定的条件下，甘醇循环量愈大，气体的露点降就愈大 。 重沸器的热负荷：甘醇循环量正比于重沸器的热负荷。即甘醇循环量愈大，重沸器的热负荷愈大。 因此，在满足所需脱水深度的前提下，循环量应愈小愈好。近代大型脱水装置的循环量已减少到17 Lkg，小型

25、装置多数为25 Lkg，最大不应超过59 Lkg。 433、闪蒸分离器 闪蒸分离器的作用是从甘醇富液内分出烃蒸气和凝析油。 甘醇中含烃带来的问题：含烃甘醇直接进入低压再生塔内将闪蒸出大量烃蒸气，增大再生过程的甘醇损失，甚至破坏陶瓷填料。 闪蒸分离器的操作压力大多为0.240.34 MPa，操作温度为75.93 ，甘醇停留时间为1530 min。 444、过滤器 甘醇溶液往往采用织物过滤器和活性炭过滤器进行过滤。 织物过滤器由布、纸、或玻璃纤维织物为过滤介质，用来除去甘醇溶液内大于5m的固体颗粒，以防止甘醇泵磨损、甘醇发泡、吸收塔和再生塔污染、重沸器火管产生局部过热点、金属腐蚀等问题。 活性炭过

26、滤器主要是用于清除甘醇溶液内含有的液烃、泵、压缩机等增压设备的润滑油以及流程上游注入的各种化学剂等杂质。455、再生塔1）类型 再生塔大多采用填料塔，充填1.22.4 m高的陶瓷或不锈钢填料，甘醇循环量愈大、热负荷愈大则需要的填料高度愈大。大型装置有时也采用板式塔。2）组成 再生塔由再生段和顶部冷却盘管两部分组成。顶部冷却盘管以甘醇富液为冷剂，使升至塔顶的部分水蒸汽和甘醇蒸气冷凝，作为再生塔塔顶回流。3）塔径 再生塔塔径与甘醇流量有关，甘醇流量愈大、塔径愈大。经验公式为： 单位：m单位：L/min464）温度 再生塔的富液进塔温度一般控制在95149 之间。进塔温度愈高，再生效果愈好，而且重沸

27、器热负荷愈小。 用塔顶冷却盘管中甘醇富液流量可以控制塔顶温度和回流量。塔顶温度过高使甘醇蒸发损失增大；温度过低则回流量过大，塔温降低，影响贫液浓度并增加重沸器负荷。一般，塔顶温度控制在9899，有汽提气时塔顶温度可降至88左右。 476、重沸器 重沸器热负荷由四部分组成：富液加热至再生温度所需热量；富液内水蒸发所需的热量；塔顶回流再蒸发所需的热量；塔的散热损失。 塔的热损失和塔的大小有关，通常为5321MJh。为减少热损失塔下半部分应有保温层；为产生塔顶回流，塔上半部分常裸露。 重沸器的加热方式有两种：直接式加热或以油、过热蒸汽为热媒的间接式加热。 重沸器温度的确定应考虑两个方面： 重沸器温度

28、对甘醇浓度的影响：温度愈高，甘醇浓度愈大。 甘醇热稳定性：重沸器温度必须低于甘醇的分解温度。 重沸器温度一般控制在187199 之间。 487、甘醇泵 甘醇泵的作用是为甘醇贫液提供压能产生甘醇循环。 甘醇泵可采用用气体驱动、富甘醇驱动、或电机驱动的多缸往复泵。 小型装置常用塔底流出的富甘醇为动力，将贫甘醇增压后送入吸收塔。 每套天然气脱水装置需要设置两台甘醇泵，一台运行、一台备用。条件容许时，两台甘醇泵可采用不同的动力源，以保证装置的连续运行。 49六、甘醇污染和质量要求 使甘醇变质的因素有：热降解：因此再生温度不能太高。盐污染：盐来源于采出水，甘醇再生时盐残留于甘醇内，使甘醇盐含量愈来愈多，

29、降低再生质量，而且盐会在重沸器火管上沉积，缩短重沸器寿命。液烃污染：产生液烃的原因有：a)湿气涤气效果差；b)进塔甘醇贫液温度低于干气温度；c)闪蒸分离器和活性炭过滤器效果差；d)在寒冷气候下吸收塔塔身温度过低导致近壁处气体的冷凝；e)气体与甘醇接触中有部分烃类溶解于甘醇中。油泥积聚：气体内携带的固体杂质和液烃结合，会形成一种粘稠的黑色胶状物质，称为油泥。发泡 氧化 腐蚀 5051第三节 固体干燥剂脱水 一、吸附过程二、吸附剂种类三、吸附剂的再生四、吸附塔的内部结构五、吸附脱水原理流程六、吸附脱水设计七、吸附脱水操作和参数52 固体干燥剂脱水属于固体吸附法。 固体表面对临近气体（或液体）分子存

30、在吸附力，在固体表面可捕捉临近的气液分子，这种现象称吸附。其具有吸附平衡性和吸附热效应。 气体与固体吸附剂接触时，有一定量的气体被吸附。被吸附的气体，由于热运动又会发生脱附，脱附速度随固体表面被吸附气体量的增加而增大。最后在一定温度和压力下，脱附速度和吸附速度相等，便达到了吸附平衡。 在平衡条件下，单位质量吸附剂吸附物质的多少，称平衡吸附量，简称吸附量。 53 吸附量的大小与温度和压力有关。如图，CO2在木炭上的等温吸附线。可见，吸附量随温度的升高而减小，随吸附质在气相中分压的增大而增大。吸附剂的这种性质表明，高压、低温有利于吸附。 54 在气体脱水工业中，吸附量的大小以湿容量表示，是指每10

31、0g吸附剂吸附水蒸汽的克数。 湿容量又分为静态平衡湿容量和动态平衡湿容量。处于静止条件下测定的吸附剂的吸附量称静态平衡湿容量；处于流动条件下测定的吸附剂的吸附量称动态平衡湿容量。动态湿容量约为静态湿容量的4060。 吸附剂湿容量随使用时间延长而降低，开始时湿容量降低很快，之后降低缓慢，最终降低至某一很低的水平上，失去脱水能力而更换。因而，吸附剂脱水设计中不可能以动态平衡湿容量确定所需的吸附剂用量，一般约取70动态平衡湿容量为设计湿容量，或称有效湿容量。 55 根据吸附力的不同，吸附分为化学吸附和物理吸附两种。 若气体和固体原子间以某种化学键结合、形成新的物质并以单层分子形式附着于固体表面上，称

32、化学吸附，多数为不可逆过程。 若气体和固体间依靠范德华力，使固体表面形成多层被吸附的气体分子，称物理吸附，是可逆过程。逆过程称为再生、活化或脱附。 固体干燥剂脱水属于物理吸附。56一、吸附过程 吸附装置为固定床吸附塔，即在立式圆柱筒体内充填多孔性固体吸附剂。塔顶为湿气进口，塔底为干气出口。 1、单组分的吸附过程 如图，流出吸附床的气体水浓度随时间而变化。开始水浓度极低，tB时刻水浓度开始增加，最终床出口气体水浓度与进口相等。tB称为吸附过程的转效点，相应的水浓度CB为转效点浓度，浓度随时间变化曲线称转效曲线。 57 如图为吸附床示意图 。吸附床层从开始吸附到停止使用而再生，在吸附过程的不同时期

33、，吸附床层的吸附情况是不同的。 图中阴影部分为吸附传质段，吸附剂仍然有吸附脱水作用；在吸附传质段后边线BB上方的吸附剂已被水饱和，称饱和吸附段；在吸附传质段前边线AA下方，吸附剂尚未吸附水汽，称未吸附段。 随含水气体不断通过吸附床，吸附传质段不断向下移动，当传质段前边线AA达到床层出口端，即吸附过程转效点达到出口端时，流出床层的气体中，水浓度开始迅速上升。 582、多组分的吸附过程 吸附剂在吸水的同时也吸附甲醇、硫化氢和硫醇、二氧化碳和烃类。根据吸附质和吸附剂亲和力的强弱，优先吸附的顺序为：水、甲醇、硫化氢和硫醇、二氧化碳，之后为烃类。烃类按分子量大小排序，由重到轻。按吸附顺序各组分转效曲线沿

34、床长的分布如图所示。 59二、吸附剂种类 用于天然气脱水的吸附剂主要有三种：硅胶、活性氧化铝和分子筛。1、硅胶 主要成分为SiO2，含微量Al2O3和水。用于脱水的硅胶有粉状、圆柱条状和球状三种，并有细孔（2040，600700m2g）和粗孔（80100 ，300500 m2g）之分。 缺点：与液态水接触易炸裂，因此除尽量防止液态水外，通常需要在气体进口处加一层不易为液态水破坏的吸附剂。若气流内存在防腐剂，由于硅胶的再生温度不足以使防腐剂脱附，造成防腐剂在硅胶上结焦，影响脱水效果。易于为液态烃堵塞。 602、活性氧化铝 主要成分为Al2O3，并含有少量其他金属化合物（Na2O、Fe2O3等）和

35、水。活性氧化铝也有细孔（约72 ）和粗孔（120130 ）之分，商用活性氧化铝做成粒径37 mm的球状和圆柱条状。活性氧化铝的比表面积210350m2g。 缺点：处理酸性天然气时，氧化铝能促使H2S与气体生成COS。吸附剂加热再生时，吸附床内残留固态硫，造成堵塞，影响正常脱水。易于为液态烃堵塞。 613、分子筛 分子筛是一种人工合成的碱金属或碱土金属的硅铝酸盐晶体。其分子式的通式为： SiO2分子数与Al2O3分子数之比称为硅铝比，在数值上等于x。1）分子筛的类型 根据硅铝比的不同，分子筛分为三种类型：A型（硅铝比为2），X型（硅铝比为2.5）和Y型（硅铝比为36）。 对于相同的类型（即硅铝比

36、相同），形成分子筛的金属离子不同，分子筛的孔径不同，在几到十几个 。622）分子筛的吸附特性选择吸附性： 分子筛的孔径小于硅胶和活性氧化铝的孔径，只有分子直径小于筛孔直径的气体分子才能进入筛孔内被吸附，因此分子筛的吸附具有很强的选择性。优选吸附性： 分子筛表面具有大量较强的局部电荷，为极性物质。因而，对于那些能够进入筛孔内的分子，其优先吸附其中极性强的分子。水是强极性分子，所以分子筛是干燥脱水的优良吸附剂。 63高效吸附性： 分子筛的高效吸附性主要表现在两个方面： 如图，三种吸附剂的湿容量与相对湿度的关系。可见，相对湿度愈小，湿容量愈小。但当相对湿度较低时分子筛仍有很好的吸附性能。64 如图，

37、三种吸附剂的湿容量与温度的关系。可见，温度愈高，湿容量愈小；但当温度较高时分子筛仍有很好的吸附性能。654、吸附剂对比和选择 吸附剂的选择通常主要是考虑价格、工艺条件和脱水要求等方面：硅胶与分子筛的价格相差不多，氧化铝的价格约为分子筛的一半。相对湿度愈大，湿容量愈大；而且在相对湿度较高时，硅胶和氧化铝的湿容量高于分子筛，所以硅胶和氧化铝适用于气体水含量较大的场合 。分子筛在相对湿度较小时有较高湿容量，因此适用于气体深度脱水，要求干气露点很低的场合。比如天然气冷凝法轻烃回收之前必须用分子筛脱水。随温度升高，分子筛湿容量的降低相对较慢，故必须在较高温度下脱水时，应采用分子筛。 66三、吸附剂的再生

38、 吸附剂的再生是为了除去吸附质，恢复吸附剂活性。吸附剂的再生过程就是吸附剂的脱附过程。工业上常用的再生方法是升温脱附，因为温度愈高，湿容量愈小。 通常是用脱过水的天然气作为再生气体，将其加热到一定高温，从塔底进入，自下而上穿过整个床层，利用再生气所具有的高温使吸附剂在吸附过程中所吸附的水分汽化，并被再生气携带从顶部出塔。 脱附完成后，吸附床层的温度很高，不利于吸附。因此需要用冷干气进行冷却，这一过程称为冷吹。冷却后的塔方可进行吸附操作。 再生气和冷吹气都是从塔底进入，这样可以确保在吸附操作中未吸附脱水的床层区域在再生操作中没有含水气流过，使吸附床层底部的吸附剂得到完全再生。67四、吸附塔的内部

39、结构 支撑隔栅：支撑吸附剂和瓷球重量。 瓷球：使气流比较均匀分布，再生时顶部瓷球还有压住吸附剂、防止吸附剂被吹跑的作用。 支撑隔栅上的丝网：防止瓷球和吸附剂漏下。 吸附剂床层上的浮动丝网：防止吸附剂漏出。68五、吸附脱水原理流程 为保证连续生产，流程中必须包括吸附、再生和冷吹三道工序。可以采用两塔流程或三塔流程。如图为两塔流程。 再生气量为原料气质量流量的510。一般情况下采用脱过水的干气作为再生气。69六、吸附脱水设计1、循环周期 吸附周期应根据湿气中含水量、再生能耗、吸附剂寿命等进行综合确定。吸附周期长，意味着再生次数少，吸附剂寿命长，但床层较长，固定投资较高。 常见的吸附循环为8 h，也

40、有用16和24 h的。若用两塔流程，吸附时间=再生时间+冷却时间，还需要一定的切换等辅助操作时间。 循环周期还分长周期和短周期。转效点到达床出口时进行塔切换的称长周期；吸附传质段前边线达到床层长度5060时就进行塔切换的称短周期。 要求干气露点低时应采用短周期。气体处理量一定时，短周期意味着需要较多的吸附剂，增大吸附塔的高度。 70 循环周期8 h、分子筛再生塔再生和冷吹过程的典型温度变化如图。t0冷气温度；t1冷却温度；t2再生温度；t3热气温度；384411285565%3545%712、吸附塔设计 气体压力和处理量一定时，塔径愈大、塔内气流速度愈低、吸附剂吸湿容量愈大、脱水效果愈好，但塔

41、造价增大。因而，设计吸附塔时应在塔径和气流速度间作出某种折中，并应考虑床层的高径比。1）气体最大空塔速度 气体空塔速度过大容易扰动床层，并使吸附床压降增大，压碎吸附剂颗粒。气体最大空塔速度的经验式为：2）单位床高压降 吸附剂装填量一定时，塔径愈大、压降愈小。单位床高压降可用下式表示： A常数，与吸附剂颗粒大小有关。B、C常数，与颗粒大小和形状有关。723）床层高度 长周期吸附塔的床层高度有两部分组成，即饱和区和传质区。 饱和区吸附剂用量（质量）=气体脱水量/吸附剂设计湿容量（表8-5可查） 饱和区体积=饱和区吸附剂质量/散装密度（表8-5可查） 饱和区高度=饱和区体积/塔截面积 传质区高度按下

42、式确定： 4）床层高径比 床层高径比一定要合适。直径过大，易产生沿塔截面气体流速分布不均；直径太小，则床层高度大，使得床层压降过大。根据文献和实践经验，推荐L/D=22.5，脱水效果良好。系数，与吸附剂颗粒大小有关。73七、吸附脱水操作和参数 吸附脱水系统的合理设计和正确操作是延长吸附剂寿命、节省运行能耗和费用的关键。主要考虑这样几个方面：1、原料气压力和温度 原料气压力和温度应综合考虑脱水系统上下游工艺要求。1）原料气温度的确定要考虑三个方面：温度愈低，原料气的含水量愈小，吸附负荷愈低；温度愈低，吸附剂的湿容量愈大，吸附效果愈好；温度不能低于水合物形成温度。 一般原料气经压缩、冷却后温度控制

43、在3850。多在45 左右。742）原料气压力的确定要考虑两个方面：压力愈高，吸附剂湿容量愈大，吸附效果愈好；后续工艺所需压力。 但压力对湿容量的影响比温度小得多。所以，吸附操作压力主要按后续工艺所需压力决定。一般原料气压力控制在3.48.3 MPa。 在操作中应避免原料气压力波动而扰动吸附剂床层。752、保持脱水系统洁净 系统内出现游离水、液烃、腐蚀产物、化学剂、蜡、泥沙等杂质，将影响吸附剂湿容量和使用寿命。要保持脱水系统洁净，必须做好以下几方面的工作：设置入口分离器或涤气器对原料湿气进行净化，入口分离器或涤气器是保持脱水系统洁净的的关键设备。新建系统投产前，应对系统进行干燥处理。自再生塔塔

44、顶流出的热再生气经冷却、分离出凝液后掺入原料气返回脱水流程，要求其与原料气的温度应尽量一致，温差不应大于10，防止回掺气骤冷产生冷凝液烃和水。在确保不生成水合物的前提下，应尽量降低再生分离器温度，尽可能多地从再生气中分出水和液烃等脱附物。经常检查再生分离器排出液体的PH值，有助于确定系统的腐蚀倾向。 763、保持吸附剂长效 吸附剂长效的保持，要做到以下几点： 在吸附剂制造商提供的再生温度范围内，使用较高的再生温度(一般230315)。尽可能的使被吸附水和其他杂质脱附，以免吸附剂内残留吸附质，而影响脱水效率和吸附剂寿命。用干气进行再生和冷吹操作。这样可以确保在吸附操作中未吸附脱水的床层区域在再生

45、操作中没有含水气流过，使吸附床层底部的吸附剂得到完全再生。而且温度可冷却至100以下、略高于原料气温度。 吸附塔实际操作压力不应低于设计压力太多。因为在一定气体处理量下，压力愈低则吸附塔内气体流速愈高，可能对吸附剂产生扰动，使吸附剂磨损、破碎。需要改变吸附塔压力时，应缓慢增压或减压，避免扰动吸附剂床层。压力变化速度一般控制在240kPamin以下。77 4、节能 节能的措施： 尽量利用废热再生； 吸附塔采用内保温层； 目前多数吸附脱水装置采用8 h循环周期，较大吸附塔的最优循环周期应为1012 h。吸附剂湿容量随使用时间而变，不采用定时切换吸附周期，按脱水后干气露点灵活确定吸附周期，吸附床达到

46、最大吸湿负荷时再生将减少再生热耗； 用再生气流量控制阀提取再生气时降低了原料气的压力，如果改用压缩机循环再生气，则能够降低能耗； 据统计，从吸附塔脱出1 kg吸附水需消耗热1516 MJ，若热耗过大应查清原因。78第四节 脱水方法选择一、其他脱水方法二、吸收与吸附脱水比较三、天然气脱水方法的选择79一、其他脱水方法 除上述广泛应用的脱水方法外，还可以采用压缩、冷却、CaCl2吸收及膜分离等方法脱除天然气中的水分。1、低温分离法 由于多组分混合气体中各组分的冷凝温度不同，在冷凝过程中高沸点组分先凝结出来，这样就可以使组分得到一定的分离。冷却温度越近，分离程度越高。现在气田上多采用高压天然气节流膨胀制冷后低温分离脱出天然气中一部分水分的方法冷分离法。在油田伴生气脱水中采用的膨胀机制冷脱水也是一种冷分离。该方法流程简单，成本低廉。可达到的水露点略高于其降温所达到的最低温度，同时满足烃露点的要求。特别适用于高压气体；