天然气脱水修改课件

Southwest Petroleum University 5 Dehydration Processes nLiquid Desiccants nSolid Desiccants nExpansion Refrigeration nNew Dehydration Processes 1College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.1 Introduction 一、天然气脱水的主要原因 The major reasons for dehydrating natural gas are: 1、天然气会与其中所带的液体或水形成固体化合 物，造成堵塞阀门，设备甚至是整个管线。Natural gas can combine with liquid or free water to form solid hydrates that can plug valves, fittings or even pipelines. 2、造成腐蚀，特别是在CO2 和H2S存在的情况下 。 If not separated from the produced water, the natural gas is corrosive, especially when CO2and/or H2S are also present. 2College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.1 Introduction 3、 水会在管线中冷凝，从而造成段塞流。 Water can condense in the pipeline causing slug flow and possible erosion and corrosion. 4、 对于长输管线，会降低管线的输气能力。减 少天然气的热值。Water vapor increases the volume and decreases the heating value of the gas. 5、外输气必须满足气体质量标准。Sales gas contracts and/or pipeline specifications have a maximum water content. 3College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.1 Introduction 6、脱水能保证天然气在深冷的条件下装置能正常 运行。Dehydrating allows operation of cryogenic and refrigerated absorption plants without freeze-ups. 因此必须把大部分水脱除。 4College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.1 Introduction 二、脱水的方法二、脱水的方法 冷冻、加压法；冷冻、加压法； 液体吸收法；液体吸收法； 固体吸附法。固体吸附法。 目前普遍采用吸收法和吸附法脱水。目前普遍采用吸收法和吸附法脱水。 5College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.1 Introduction （一）（一）冷却脱水法冷却脱水法 1. 1. 直接冷却法直接冷却法 由于天然气的含水量随着温度的降低而减少，所以直由于天然气的含水量随着温度的降低而减少，所以直 接冷却降低天然气温度可以减少天然气的含水量，但此法接冷却降低天然气温度可以减少天然气的含水量，但此法 效率太低，难以达到气体露点要求，只能作为辅助手段。效率太低，难以达到气体露点要求，只能作为辅助手段。 2. 2. 加压冷却法加压冷却法 因为天然气含水量随压力的升高而减少，所以，增加因为天然气含水量随压力的升高而减少，所以，增加 天然气压力可以降低天然气的含水量，加压与冷却联合，天然气压力可以降低天然气的含水量，加压与冷却联合， 可提高天然气的脱水效率。但天然气加工中的加压、冷却可提高天然气的脱水效率。但天然气加工中的加压、冷却 并不是以脱水为目的，而是工艺需要。并不是以脱水为目的，而是工艺需要。 6College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 3. 3. 膨胀制冷冷却法膨胀制冷冷却法 当井口气的压力较高时当井口气的压力较高时 ，可以利用气体高压膨胀，可以利用气体高压膨胀 获得的低温使天然气冷却获得的低温使天然气冷却 脱水，当膨胀后的气体温脱水，当膨胀后的气体温 度较低时，开始用注入乙度较低时，开始用注入乙 二醇或二甘醇抑制剂的方二醇或二甘醇抑制剂的方 法，以抑制水合物的形成法，以抑制水合物的形成 。 5.1 Introduction 7College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 1.1.常用脱水吸收剂常用脱水吸收剂 天然气吸收脱水就是利用对天然气中的水天然气吸收脱水就是利用对天然气中的水 蒸汽具有很强蒸汽具有很强亲和能力亲和能力的吸收剂与天然气逆流接的吸收剂与天然气逆流接 触来脱除天然气中的水份。常用的脱水剂是甘醇触来脱除天然气中的水份。常用的脱水剂是甘醇 类化合物和氯化钙水溶液。目前广泛采用的甘醇类化合物和氯化钙水溶液。目前广泛采用的甘醇 类化合物是二甘醇和三甘醇。类化合物是二甘醇和三甘醇。 ( (二二) )、吸收法、吸收法 5.1 Introduction 8College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 2.2.甘醇法脱水的优缺点甘醇法脱水的优缺点 投资较低投资较低 压降较小压降较小 甘醇法脱水为连续操作，而固体吸附剂法为间歇甘醇法脱水为连续操作，而固体吸附剂法为间歇 操作操作 采用甘醇法脱水时补充甘醇比较容易，而采用固采用甘醇法脱水时补充甘醇比较容易，而采用固 体吸附剂法脱水时从吸附塔（干燥器器体吸附剂法脱水时从吸附塔（干燥器器) )中更换固体吸附中更换固体吸附 剂费时较长剂费时较长 再生时，脱除水分所需热量较少再生时，脱除水分所需热量较少 杂质对甘醇脱水装置操作影响甚小杂质对甘醇脱水装置操作影响甚小 甘醇脱水装置脱水效果较好甘醇脱水装置脱水效果较好 5.1 Introduction 9College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 天然气的露点要求低于天然气的露点要求低于-32-32时，需要采用汽提法进行再时，需要采用汽提法进行再 生生。 甘醇受污染或分解后具有腐蚀性。甘醇受污染或分解后具有腐蚀性。 （三）、吸附法脱水（三）、吸附法脱水 吸附法是利用某些多孔性固体吸附剂对天然气中的水蒸汽的吸附法是利用某些多孔性固体吸附剂对天然气中的水蒸汽的 特殊吸附力来吸附脱除天然气中的水份。特殊吸附力来吸附脱除天然气中的水份。 甘醇法脱水与吸附法脱水相比，其缺点是：甘醇法脱水与吸附法脱水相比，其缺点是： 5.1 Introduction 10College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 脱水后的干气露点可低至脱水后的干气露点可低至-100-100，相当于水含量为相当于水含量为0.8mg0.8mgm m 3 3 。 对进料气压力、温度及流量的变化不敏感。对进料气压力、温度及流量的变化不敏感。 无严重的腐蚀及起泡无严重的腐蚀及起泡。 吸附法的缺点是：吸附法的缺点是： 需要两个或两个以上吸附器切换操作，故其投资及操作费用较高。需要两个或两个以上吸附器切换操作，故其投资及操作费用较高。 压降较大压降较大。 天然气中的重烃、天然气中的重烃、H H 2 2 S S和和COCO 2 2 等可使固体吸附剂污染。等可使固体吸附剂污染。 固体吸附剂颗粒在使用中易产生机械性破损。固体吸附剂颗粒在使用中易产生机械性破损。 再生时消耗的热量较多，在小流量操作时更为显著，再生时消耗的热量较多，在小流量操作时更为显著， 吸附法的优点是：吸附法的优点是： 5.1 Introduction 11College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 天然气工业应用的最早的脱水方法之一，这也是目前 天然气工业中应用最普遍的方法。 一、溶剂类型 天然气脱水常用的溶剂是甘醇类物质。 如二甘醇(DEG)、三甘醇(TEG)和四甘醇(TREG) DEGTEGTREG 12College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 1、甘醇溶液特性 分子中存在羟基和醚团，能与水中的H形成氢键。 2、应用情况 TEG溶液使用最广。优点：热稳定性好、易于再生、 吸湿性高、蒸气压低、损失量小、运行可靠、露点降大、 浓溶液不会固化等优点。 在美国，在溶剂吸收法装置中，三甘醇溶液占85。 在我国，因考虑各类甘醇产量及价格等因素，二甘醇 和三甘醇均有采用。 13College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 14College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 二、TEG脱水工艺流程 1、基本原理 利用气体吸收、解吸原理。 2、TEG脱水系统的构成 吸收系统：吸收天然气中的水分，让水分进入溶液。 再生系统：包括闪蒸罐、汽提塔、贫/富液换热器等。 对TEG溶液进行再生，除去溶液中的水分 3、TEG法原则工艺流程 TEG脱水原则工艺流程如下图。 15College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 16College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 17College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 4、主要设备作用 (1)原料气分离器 作用：分离原料气夹带的固体或液滴。如砂子、管线 腐蚀产物、液烃以及井下作业用的化学药剂等。 思考：这些杂质对三甘醇脱水的影响有哪些？ 类型：卧式或立式分离器，内装金属网除沫器。 若原料气夹带有很多细小的固体粒子或液滴，可采用 过滤式分离器或水洗式旋风分离器。 分离器是保证TEG溶液清洁操作的重要设备。 18College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants (2)吸收塔 作用：气液传质场所，使气相中的水分转入TEG中。 类型：填料塔或者板式塔，塔顶设置除沫器。 思考：除沫器的功能是什么？ 小塔径多采用填料塔，海上平台多采用填料塔。 大直径多采用板式塔，因TEG溶液循环量小，为有利 气液传质，塔板一般用泡罩塔板，处理量大时用浮阀塔。 (3)闪蒸罐 作用：闪蒸出溶解在富TEG溶液中的烃类。 19College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 思考：为什么要闪蒸富TEG溶液中的烃类？ 参数：操作压力为0.350.53MPa，溶液的停留时间为 520min，重烃含量少的天然气，停留10min。 (4)过滤器 作用：除去TEG溶液中的固体粒子和溶解性杂质。 溶液中固体含量应低于0.01(质量分数)，以防止磨损 泵、堵塞换热设备、污染塔盘或填料、导致溶液发泡。 类型：固体过滤器、活性炭过滤器。 位置：设置在闪蒸罐的后面。 20College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 思考：过滤器为什么要设在闪蒸罐后面？ 活性炭过滤器可除去溶解性杂质，如高沸点的烃类、 表面活性剂、压缩机润滑油以及TEG降解产物等。 (5)再生塔和重沸器 作用：提浓富TEG溶液，蒸馏富TEG溶液中的水分。 类型：再生塔的精馏柱一般填充1.22.4m填料。 相当于23块理论塔板，其中1块为重沸器。 重沸器一般采用釜式，采用火管加热，在有条件的场 合也可以用蒸汽加热。 21College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 重沸器的作用重沸器的作用是用来提供热是用来提供热 量将富甘醇加热至一定温度，使量将富甘醇加热至一定温度，使 富甘醇中所吸收的水分汽化并从富甘醇中所吸收的水分汽化并从 精榴柱顶排放。除此以外，重沸精榴柱顶排放。除此以外，重沸 器还要提供回流热负荷以及补充器还要提供回流热负荷以及补充 散热损失。散热损失。 甘醇脱水装置是通过重釜器甘醇脱水装置是通过重釜器 温度来控制再生深度和贫甘醇浓温度来控制再生深度和贫甘醇浓 度。度。 5.2 Liquid Desiccants 22College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants (6)贫富液换热器 作用：控制进闪蒸罐和过滤器的富液温度，并回收贫 液的热量。 一般让富液升温至148左右进再生塔，以减轻重沸器 的热负荷。 类型：管壳式换热器。 也可在贫液缓冲罐中设置换热盘管来代替。 (7)缓冲罐 作用：贮存液体。 23College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 5、其它的TEG脱水工艺流程 TEG脱水的各种工艺流程，吸收部分大致相同 ，再生部分有所不同，目的是提高TEG的浓度。 (1)常压加热再生 (2)减压再生 24College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants (3)气体汽提再生 将TEG溶液与热的汽 提气接触，降低水蒸气的 分压。 可以提浓到99.95%， 露点降7585。 25College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants (4)共沸再生 再生时加入共沸剂， 与水形成低沸点共沸物， 可提浓到99.95%，露点 降7585。 优点：共沸剂在系统 中循环，无大气污染。 缺点：增加设备和汽 化共沸剂的能耗。 26College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 三、影响TEG脱水的主要因素 影响TEG脱水效果的主要因素是系统的操作条件。 1、进料气温度和压力 进料气温度不宜低于15 ； 一般说来，三甘醇装置的入口气体温度为2643 ； 若进料气压力低于三甘醇脱水最低操作压力（ 0.40MPa），应先将低压气体增压后再脱水。 27College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 2、吸收塔操作温度与压力 因TEG在塔内流量小，在气液接触后很快(经第1层塔 板)就接近气体的温度。有效吸收温度进塔气体温度。 气体入塔温度，含水量，为达到指定露点，TEG循 环量，或要TEG的浓度，再生热负荷。 而且入塔气体温度还会影响塔内气体流速、三甘醇的 损失，入塔气温不宜48。 若入塔温度，TEG粘度就，导致溶液发泡，塔板效 率，雾沫夹带，损失量。入塔气温不宜15。 28College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 只要吸收塔的压力只要吸收塔的压力17MPa17MPa，温度在，温度在1010 1515时，干气的露点温度基本上与吸收压力无关时，干气的露点温度基本上与吸收压力无关 。 通常认为通常认为3.53.58MPa8MPa的脱水压力最经济。的脱水压力最经济。 5.2 Liquid Desiccants 29College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 3、贫甘醇入塔温度 贫甘醇入塔温度降低，可减少甘醇循环率，若吸收 塔的温度，会导致烃类在塔内冷凝而引发甘醇溶液发泡。 贫甘醇入塔温度太高，会使甘醇损失到干气中，一般 要求贫甘醇入塔温度比出塔干气温度高10。 4、贫甘醇进塔浓度 在甘醇循环率确定情况下，贫甘醇浓度越高，露点降 就越大。 一般要求贫甘醇浓度在98%99%(质)之间。 30College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 31College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 5、甘醇循环率 根据投和操作费用的实践证明：甘醇循环率一般为25 60L/kg水。 右图说明一味增 加TEG循环量也不能 提高露点降。 反而增加再生时 重沸器的负荷。 32College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 6、重沸器温度 重沸器的温度可控制水在贫甘醇中的浓度。 温度越高，贫甘醇浓度越大，但不能超过204，否则 甘醇的分解速率明显加大。 一般把重沸器温度限制在188199，甘醇浓度可保 持在98.2%98.5%。若需较高浓度时，可采用汽提再生、 减压再生或共沸再生。 7、重沸器压力 重沸器压力高于大气压时，会明显降低贫甘醇浓度。 33College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 在低于大气压时，能够得到较高的贫甘醇浓度。 但若使重沸器在真空状态下工作，会增加装置的复杂 性，因此一般是在常压下操作。 8、汽提气 若汽提气直接进入重沸器，贫 甘醇浓度可达99.6%； 若采用贫液汽提柱，汽提气从 汽提柱下方通入，不仅可减少汽提 气量，且贫甘醇浓度可达99.9%。 34College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 35College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 9、汽提塔温度 汽提塔蒸馏柱顶温度过高，甘醇会因过度蒸发，损失 增加。柱顶温度一般控制在99。 若温度太低，会有更多的水冷凝，增加重沸器的热负 荷，同时会在柱内产生液泛，一般不低于93。 若采用汽提法再生，柱顶温度可降至88。 四、TEG法脱水工艺计算 TEG脱水是基于吸收原理，首先要确定以下数据： 36College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 原料气数据：天然气组成、温度、压力、流量； 吸收条件：吸收温度、压力； 脱水要求：干气露点降，或干气露点(含水量)； 选择设计数据： A、根据脱水量选定甘醇循环量和吸收塔板数； B、根据露点降，选定所需要的贫甘醇进吸收塔的最 低浓度。 然后，进行物料与热量衡算以及设备尺寸计算。 37College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 1、吸收塔 采用多组分吸收中的平均吸收因子法。 式中：N理论塔板数； Np实际塔板； 板效 率； 水的活度系数；W0饱和含水量。 38College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 对填料塔，其高度HNpHETP (1)露点降t和脱水量 t原料气入口温度出塔干气露点 根据进出塔天然气含水量计算脱水量： 式中：qw吸收塔的脱水量，kg/hr； Win、Wout进出口天然含量，kg/103m3； q进料气流量，103m3/d。 39College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants (2)进塔贫甘醇浓度 根据天然气入口温度和干气露点确定。 此图表示平衡露 点 te，天然气与贫甘 醇接触一般难以达到 平衡露点。 因此出塔干气露 点tr平衡露点： tetr(5.58.3) 40College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants (3)甘醇循环量 新出版的GPSA第11版中给出了循环量的关系图： N=2 N=2.5 41College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants (4)塔径计算 根据吸收塔允许的空塔气速计算： 允许空塔气速可由下式确定： 板间距，mmK值 4500.0366 5600.0457 6000.0488 42College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 2、闪蒸罐 根据液体的停留时间来确定。溶液一般在罐内停留时 间为520min，重烃含量少的天然气，停留10min。 式中：V要求的沉降容积，m3； qL甘醇循环量，m3/h； LG甘醇循环率，m3/kg水； qw脱水量，kg/h； t停留时间，min。 43College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 3、再生塔 富甘醇再生实质是甘醇和水混合物的蒸馏过程。它们 沸点相差大，又不形成共沸物，容易分离。 理论塔板数一般取23块，其中在一个理论板可为重 沸器。 再生塔直径D需由底部的气、液负荷来确定，也可由 下述经验式确定： 汽提柱内填料高度一般取1.21.6m。 44College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 4、重沸器热负荷 甘醇温升的显热，mCpt； 脱除水分的汽化热； 作为回流的负荷(一般取水分汽化热的25%)； 热损失，一般按总负荷的10%计入。 重沸器热负荷也可根据下式快速估算： 5、汽提气的用量 汽提气用量由下图确定。 45College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 46College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 五、TEG法脱水操作注意事项 1、保持甘醇洁净 防止或减缓甘醇损失过大和设备腐蚀的关键是保持甘 醇洁净。 (1)氧气串入系统 含有氧气时会使甘醇氧化变质，生成腐蚀性有机酸。 甘醇储罐没有采用惰性气体密封、注醇泵泄漏以及进 料气中可能含氧都会使氧气进入系统。 47College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 因此，甘醉储罐的上部空间应该采用微正压的干气或 氮气密封；防止甘醇泵出现泄漏。 必要时，可向脱水系统中注入抗氧化剂(如乙醇胺) 。 (2)降解 富甘醇再生时如果温度过高会降解(热降解)变质。 采用三甘醇脱水，再沸器温度应低于204 ，火管传 热表面的热流密度则应小于25kw/m2。 定期对火管传热表面上的油污和盐类沉积进行检查并 及时清扫。 48College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants (3)PH值降低 若天然气中含有H2S或CO2时，应先脱硫，后脱水。 装置在运行过程中，PH值会不断下降。 甘醇溶液的PH应控制在7.07.5，不能高于88.5， 否则溶液会发泡，产生黑色沉淀。 (4)盐污染 盐沉积在重沸器火管表面会产生热斑，使火管烧穿。 当甘醇中盐含量大于0.0025%(W)时，就应将甘醇排放 掉，并对装置进行清扫。 49College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants (5)液烃 原料气可携带液烃进入甘醇溶液。 若贫甘醇进塔温度比出塔干气低，会使气体中重烃冷 凝析出的。 甘醇溶液会吸收少部分烃类。 (6)起泡 物理原因：吸收塔内气体流速过高。 化学原因：被固体余质、盐分、缓蚀剂和液烃污染。 必要时可注入消泡剂防止甘醇溶液起泡。 50College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.2 Liquid Desiccants 2、再生塔 再生塔塔顶有大量气体放空，可能会携带甘醇蒸汽。 因此，对汽提再生装置要保证甘醇损失最小。 3、吸收塔 塔内元件要保证气-液充分接触，塔板必须清洁，避免 溶液发泡。 51College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 一、基本概念 吸附：指气体或液体与多孔固体表面接触，气体或液 体与固体表面分子之间相互作用而停留在表面上的现象。 吸附质：被吸附的气体或液体。 吸附剂：吸附气体或液体的固体 (当吸附质是水蒸气或 水时，吸附剂又称为干燥剂)。 湿容量：单位质量吸附剂吸附水分能力的大小，kg吸 附质/100kg吸附剂。 52College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 气体或液体与固体表面之间的作用力不同，分为： 1、物理吸附(physical adsorption) (1)作用力 依靠吸附质分子与吸附剂表面之间的范德华力。 (2)过程特点 无化学反应发生，吸附速度很快； 二、吸附分类 53College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 吸附与脱附是可逆过程； 当压力降低或温度升高时，被吸附的气体可以很容 易地从固体表面脱附。 不改变气体原来性质。 54College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 2、化学吸收(chemisorption) (1)作用力 吸附质与吸附剂表面的未饱和化学键力作用的结果。 (2)过程特点 因有化学键的作用，吸附热效应很大； 具有选择性，吸附速度较慢； 吸附过程往往是不可逆的； 脱附出来的气体性质往往要发生变化。 55College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 由于物理吸附过程是可逆的，天然气的固体吸附脱水 剂过程多采用物理吸附。 三、天然气工业常用吸附剂 1、固体吸附剂应具有的特性 具有多孔性，且比表面积大 比表面积，其吸附容量(或湿容量) 。天然气脱水用 吸附剂的比表面积一般在500800m2/g。 具有选择性 对天然气中的不同组分具有选择性吸附作用。 56College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 高传质速率 要求吸附速度快，在瞬间即可达到平衡。 再生方便，寿命长 能简便而经济地再生，且在使用过程中能保持较高的 吸附容量，使用寿命长。 颗粒大小均匀、强度高 颗粒大小适度而且均匀，具有高机械强度以防止破碎 和产生粉尘。 具有良好的化学稳定性、热稳定性，价格便宜等。 57College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 2、气体脱水常用吸附剂 (1)硅胶(silica gel) 分子式：mSiO2nH2O。天然气脱 水多用细孔硅胶。 平均孔径24nm，比表面积约500 700m2/g。 (2) 活性氧化铝(activated aluminium oxide ) 天然铝土(活性成分Al2O33H2O)，经过加热活化，脱 除吸附的一部分水后得到的多孔、高吸附容量的物质。 58College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 主要成分为Al2O3，细孔平均孔 径约7.2nm，比表面积300m2/g。 (3)活性铝土矿 将铝钒土矿在加热情况下驱水制 得的坚硬红棕色固体颗粒。 组成：Al2O3、Fe2O3、SiO2、TiO2、CaO、MgO 。 (4)分子筛(molecular sieve) 化学式：Mex/n(AlO2)x(SiO2)ymH2O，气体脱水 常用4A分子筛，孔径约0.48nm，比表面积8001000m2/g 。 59College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 4A分子筛基本组成为硅铝 酸钠，孔径为0.4nm(4)。 分子筛的特点：吸附选择 性强、高效湿容量、使用寿命 长、不易被液态水破坏。 天然气吸附脱水常用的吸 附剂是分子筛。 60College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 四、吸附脱水工艺流程 吸附脱水工艺流程由脱水(吸附)与再生两部分组成。 61College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 62College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 63College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 五、影响吸附脱水效率的因素 1、分子筛的粉化与结块 (1)分子筛形状 条状与球状分子筛相比，条状分子筛更容易因相对位 移而产生较大的剪切力，造成分子筛磨损。 (2)流动状况的影响 流速高会使颗粒间发生剧烈的相互碰撞，降低机械强 度，严重的会造成粉化。 64College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 压力突变：在生产中，造成流速过高的原因往往是吸 附塔切换太快，造成分子筛床层受压突变。 升降压速度过快：若吸附塔切换时升降压速度过快， 会引起颗粒间的剧烈碰撞，造成分子筛粉碎。 气流冲刷：运转过程中，频繁的升降压操作将使分子 筛受到气流的反复冲刷，磨耗严重，产生大量的粉尘。 气流分布不均：进气或分子筛装填不均，形成偏流、 沟流也会加剧分子筛颗粒间的相互摩擦，导致粉化。 65College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants (3)温度和液态水的影响 再生温度过高，使烃类在分子筛孔道内部结焦，使分 子筛结块，失去活性。再生一般为232315。 分子筛再生时温度变化太快，剧烈的热胀冷缩也会导 致分子筛破碎。 分子筛吸附水分是一个放热过程。若原料气中含有液 态水直接与之接触，会放出大量的热量，导致温度迅速上 升，破坏分子筛的性能。 分子筛减压时，因节流效应，温度会大大降低。 66College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 若存在液态水，将被冷却结冰，因体积膨胀，会使分 子筛胀裂粉化，缩短分子筛的使用寿命。 (4)油的影响 油类物质是分子筛的忌讳，油类物质能附在分子筛的 表面，堵塞分子筛孔穴。 特别是再生时，高温有可能使油碳化，造成孔穴的堵 塞，严重时会造成分子筛结块。 2、湿容量的变化 (1)温度对吸附剂湿容量的影响 67College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 68College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 69College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 吸附温度越高，吸附剂的湿容量越小。 水分的分压越高，温度越低，分子筛的湿容量越高。 天然气的饱和含水量对温度十分敏感，在天然气进分 子筛干燥器时，应尽量保持温度稳定。 控制原料在较低的温度下进入吸附塔，原料气的含水 量较低，分子筛还可维持一个较高的吸附湿容量。 一般床层的吸附温度不要超过50。 (2)气体线速度对湿容量的影响 70College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 71College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 吸附塔内气体的线速度愈高，吸附剂的湿容量愈低。 即是说分子筛脱水时，气体线速度过大是不利的。 应选择合适的气体线速度，以维持一个高的湿容量， 同时也可防止颗粒间的剧烈碰撞，造成颗粒粉碎。 六、干燥器结构 吸附脱水装置由分离器、干燥器、过滤器、再生气加 热器、再生气冷却器等构成。 干燥器的结构如下图。 72College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 1-入口喷嘴/装料； 2、9-挡板； 3、8-取样口及温度计插 孔； 4-分子筛； 5、13-陶瓷或石块； 6-滤网； 7-支承 梁； 10-支撑栅； 11-排料 口； 12-浮动滤网 73College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 七、吸附脱水过程特性和工艺计算 1、平衡湿容量与有效湿容量 (1)平衡湿容量 在一定T下，新鲜吸附剂与一定湿度的天然气体充分 接触，水蒸气在两相中达到平衡时的湿容量。 静态平衡湿容量：在静态条件下测定的平衡湿容量。 动态平衡湿容量：在动态条件下测定的平衡湿容量。 (2)有效湿容量 74College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 根据经验和经济等因素以及整个吸附剂床层不可能完 全利用而确定的设计湿容量。 吸附过程计算时，采用的是动态平衡湿容量和有效湿 容量。 动态平衡湿容量一般是静态湿容量的4060。 2、吸附过程与透过曲线 (1)单组分吸收 在吸附过程中，床层被分成几个部分，如下图所示。 75College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 饱和吸附段 水分浓度为C0的湿气自 上而下流过吸附剂床层时， 最顶部的吸附剂立即被水分 饱和。 这部分吸附剂床层称为 饱和吸附区。 吸附时，在饱和吸附区中，吸附剂就不能再吸附湿气 中的水蒸气。 76College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Southwest Petroleum University 5.3 Solid Desiccants 吸附传质段 当湿气继续向下流过床 层时，湿气中的水蒸气又被 吸附饱和区以下的吸附剂所 吸附。 形成吸附传质区MTZ。 在吸附传质区中，吸附剂床 层上的水含量自上而下从接近饱和到接近于零之间变化，形 成一条S形的吸附负荷曲线。 77College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU Sou