天然气脱水固体吸附法.ppt

1 7.3 固体吸附法脱水 吸附脱水原理和工艺过程； 常用固体吸附剂的性质； 吸附脱水工艺流程及主要参数； 吸附脱水工艺计算。 2 一、吸附脱水原理和工艺过程 吸附是用多孔性的固体吸附剂处理气 体混合物，使其中一种或多种组分吸附于 固体表面上，其他的不吸附，从而达到分 离操作。 1. 1. 基本原理基本原理 3 水是一种强极性分子，分子直径（ 2.76 3.2 ）很小。不同的多孔性固体 的孔径是不同的，孔径大于3.2 的，都可 以吸附水。吸附能力的大小与多种因素有 关，主要是固体的表面力。 1. 1. 基本原理基本原理 4 2. 吸附类型 根据表面力的性质可将吸附分 为两大类型： n物理吸附 n化学吸附 5 （1）物理吸附 物理吸附是指流体中被吸附的分子与吸 附剂表面分子间为分子间吸引力范德华 力所造成，其吸附速度快，吸附过程类似 于气体凝聚过程。 6 物理吸附当气体压力降低或系统温度升高时 ，被吸附的气体可以容易地从固体表面逸出，而 不改变气体原来的性质，这种现象称为脱附。 吸附和脱附为可逆过程，工业上利用这种可 逆性，借以改变操作条件，使吸附的物质脱附， 达到使吸附剂再生、回收或分离吸附质的目的。 （1）物理吸附 7 化学吸附类似于化学反应。吸附时， 吸附剂表面的未饱和化学键与吸附质之间 发生电子的转移及重新分布，在吸附剂的 表面形成一个单分子层的表面化合物。吸 附中将放生的吸附热。 （2 2）化学吸附）化学吸附 8 化学吸附具有选择性，它仅发生在吸 附剂表面，且吸附速度较慢，是不可逆的 过程。要很高的温度才能把吸附分子释放 出来，并且释放出来的气体常已发生化学 变化，不复呈原有的性质。为了提高化学 吸附的速度，常常采用升高温度的办法。 （2 2）化学吸附）化学吸附 9 脱水吸附操作方式 在天然气脱水装置大多是采用半连续 操作，即固定床吸附。 10 4. 吸附的传质过程 图7-27 吸附转效曲线 11 5. 再生方法 对固定床气固吸附而言，主要有三 种再生方法： （1）温度转换再生法： 加热再生完全后，吸附剂需要冷却。 12 温度转换再生法示意图 13 （2）压力转换再生法： （3）冲洗解吸再生法：其原理是用某 种合适的气体冲洗吸附剂床层，达到解吸 而再生的目的，升高温度或降低压力均有 利于冲洗解吸。 5. 再生方法 14 二、常用固体吸附剂的性质 宏大的比表面积； 传热速度快； 很强的选择性 ； 能简便和经济地再生； 较高的机械强度和稳定的化学性质。 1. 1. 工业吸附剂应具备的性能工业吸附剂应具备的性能 15 2. 常用的吸附剂 目前工业上常用的吸附剂有活性氧化铝 、硅胶、分子筛和活性炭等。其中除活性 炭外，都可以应用于天然气脱水。 16 4. 常用吸收剂的性质 在天然气脱水中常用的吸附剂有三 种： n 活性氧化铝； n 硅胶； n 分子筛。 其主要物性如表7-4所示 。 17 表7-4 常用吸附剂的物性 18 （1）活性氧化铝 活性氧化铝是一种多孔、吸附能力较强 的吸附剂。对气体、蒸气和某些液体中的 水分有良好的吸附能力，再生温度175 315。国外天然气脱水常用的活性Al2O3 有F-1型粒状、H-151型球状和KA-201型球 状三种，其化学组成如表5-3-2所示。 19 表7-5 典型活性氧化铝组成 20 活性氧化铝吸附剂的特点 经活性氧化铝吸附脱水后，油田气的露 点最高点可达-73； 但再生时消耗热量多，选择性差，易吸 附重烃，呈碱性，不宜处理含酸性气体较 多的天然气。 21 (2) 硅 胶 硅胶是粉状或颗粒状物质，粒子外 观呈透明或乳白色固体。分子式为mSiO2 nH2O，它是用硅酸钠与硫酸反应生成水凝 胶，然后洗去硫酸钠，将水凝胶干燥制成 。其典型组成如表7-6所示。 22 表7-6 典型硅胶的组成 23 硅胶吸湿量可达到40%左右。按孔隙大小， 分成细孔和粗孔两种。粗孔硅脱的比表面积（3 5）102m2/g，细孔硅胶约为（67）102m2/g 。天然气脱水用的是细孔硅胶，平均孔径20 30。 硅胶吸附水蒸气的性能特别好，且具有较高 的化学和热力稳定性。但硅胶与液态水接触很易 炸裂，产生粉尘，增加压降，降低有效湿容量。 (2) 硅 胶 24 （3）分子筛 分子筛是具有骨架结构的碱金属的硅 铝酸盐晶体。是的一种高效、高选择性的 固体吸附剂。其分子式如下： M2/nOAl2O3xSiO2yH2O M某些碱金属或碱土金属离子，如Li 、Na、Mg、Ca等； nM的价数； x SiO2的分子数； y水的分子数。 25 分子筛通常分为X型和A型两类。它们 的吸附机理是相同的，区别在于晶体结构 的内部特征。A型分子筛具有与沸石构造 类似的结构物质，所有吸附均发生在晶体 内部孔腔内。 （3）分子筛 26 X型分子筛能吸附所有能被A型分子 筛吸附的分子，并且具有稍高的容量。 13X型分子筛中吸附象芳香烃这样的大分 子。 （3）分子筛 27 表7-7 常用分子筛的性能表 28 具有选择性。 具有深度脱水特性。露点降大。 对极性分子具有很强的吸附性。 在较高的温度下仍然具有较强的吸附性 。 分子筛的主要特点 29 30 31 5. 吸附剂的选用 吸附法脱水时，应根据工艺要求作技术 经济比较，选择合适的吸附剂； 分子筛脱水宜用于要求深度脱水的场合 （1ppm以下），分子筛宜采用4A型或5A 型。 32 当天然气露点要求不很低时，可采用氧 化铝或硅胶脱水。氧化铝不宜处理酸性天 然气。 低压气脱水，宜用硅胶（或氧化铝）与 分子筛双层联合脱水。 5. 吸附剂的选用 33 三、吸附脱水流程及主要参数 目前用于天然气的吸附脱水装置多 为固定床吸附塔。为保证装置连续操作， 至少需要两个吸附塔。工业上经常采用双 塔流程（图7-31）和三塔流程（图7-32）。 1. 1. 吸附法脱水流程吸附法脱水流程 34 1在吸附的干燥器； 2在再生(包括热吹和冷吹)的干燥 器； 3程序切换阀；I含水天然气；II脱水后天然气 ； III热(冷)吹气入口；IV热(冷)吹气出口 图7-31 两台吸附器的运行图 35 1在吸附的吸附器；2在热吹的吸附器；3在冷吹的 吸附器；4程序切换阀；I含水天然气入口；II脱水 后天然气出口；III热吹气入口；IV热吹气出口；V 冷吹气入口；VI冷吹气出口 图7-32 三台吸附器时的运行图 36 图7-33 吸附脱水的原理流程图 37 2. 吸附法脱水工艺参数 吸附法脱水工艺主要由吸附操作和再 生操作组成，其操作参数应按照原料组成 、气体露点要求、吸附工艺特点等予以综 合比较确定。 38 （1）吸附操作温度 为了使吸附剂能保持较高的湿容量，除 分子筛外，其它各种吸附剂操作温度不宜 超过38，最高不能超过50，否则应考 虑使用分子筛作吸附剂。进床层的原料气 温度不宜过高，最高不超过50 。 39 （2）吸附操作压力 压力对吸附剂湿容量影响甚微，因此 ，吸附操作压力可由工艺系统压力决定， 但在操作过程中应注意压力平稳，避免波 动。若吸附塔放空过急，床层截面局部气 速过高，会引起床层移动和摩擦，甚至吸 附剂颗粒会被气流夹带出塔。 40 （3）吸附操作周期 吸附周期应根据气中含水量、空塔流 速、床层高径比（不应小于1.6）、再生能 耗、吸附剂寿命作技术经济比较，一般为 8h24h。 41 确定吸附脱水操作周期应考虑保证吸 附塔有足够的再生和冷却时间。对操作周 期为8小时的双塔流程： 加热时间：4.5小时； 冷却时间为3小时； 备用和切换时间：0.5小时。 （3）吸附操作周期 42 （4）再生气源和流量 再生气和冷吹气宜用净化后的干天然气 。两者都应回收。 大约为总原料湿气体的5%15%，由 具体操作条件而定。再生气体流量应足以 保证在规定时间内将再生吸附提高到规定 的温度。 43 （5）再生温度和冷却 再生气的入口温度应根据吸附剂类型和脱水深 度确定： 分子筛入口温度为232315； 硅胶 入口温度：234245 ； 氧化铝入口温度介于硅胶与分子筛之间而接 近于分子筛。 对两塔流程冷却床层的气体一般与再生气流量 相同，冷却气出口温度宜在50 以下。 44 （6）吸附剂的湿容量 静态吸附湿容量在指定温度和湿度 条件下的测量，动态吸附容量参考下列数 据： 氧化铝： 47kgH2O/100kg(吸附剂) 硅胶： 79kgH2O/100kg(吸附剂) 分子筛：912kgH2O/100kg(吸附剂) 45 四、吸附脱水工艺计算 对于吸附脱水工艺计算主要是确定：吸 附器直径、吸附剂用量和吸附床层高度、 吸附剂的湿容量、吸附操作周期、床层压 降、再生负荷和再生气用量等。 46 1. 吸附器直径D 吸附器直径取决于适宜的空塔流速， 适宜的高径比。实践证明，采用雷督克斯 的半经验公式计算出空塔流速的值，然后 用转效点核算是可行的。此半经验公式如 下： 47 G允许气体空塔质量流速，kg/（m2s）； g操作条件下气体密度，kg/m3； b吸附剂的堆积密度，kg/m3；。 dp 平均颗粒直径，m； C常数，气体自上而下流动C=0.250.32， 气体自下而上流动C=0.167。 (7-38) 1. 吸附器直径D 48 Qm气体质量流量，kg/h 。 1. 吸附器直径D 49 GPSA推荐方法 GPSA工程数据手册(1987版)推荐基于 压降为0.33psi/ft（7.53kPa/m ）时用图7-34 计算分子筛允许空塔气速Vg(m/h)。 Qv气体体积流量，m3/h。 50 图7-34 分子筛吸附器允许空塔流速 51 2. 吸附剂用量和床层高度 在知道吸附剂有效湿容量后，下式计算 吸附剂用量VD(m3)。 G1吸附剂脱出的水量，kg/h； x吸附剂的有效湿容量，kg水/100kg吸附剂 ； 吸附操作周期，h。 52 吸附床层高度hT(m) F床层的横截面积。 (5-3-11) 53 3. 传质区长度hz(m) A吸附剂系数，对于硅胶A=1，活性氧化铝 A=0.8，分子筛A=0.6； q吸附床层水负荷，kg/(hm2)； Vg 空塔气速，m/min； 进口天然气相对湿度，%。 (7-39) 54 吸附床层水负荷qkg/(hm2)： 3. 3. 传质区长度传质区长度h h z z (m(m) ) 55 GPSA气体加工工程数据手册（1987版 ）介绍一种吸附传质区长度hz(m)的计算方 法： Vg一空塔气速，m/min； Z=3.4（对3.2mm直径的分子筛）； Z=1.7（对1.6mm直径的分子筛）。 (7-40) 3. 传质区长度hz(m) 56 4. 吸附剂的有效吸附容量 x吸附剂的有效吸附容量，kg水/100kg吸附剂； xs吸附剂的动态平衡湿容量，kg水/100kg吸附剂 ； hz 吸附传质区的长度，m； hT床层进口端距吸附传质段前沿的长度，m。 57 当吸附操作在转效点结束时，未用吸附 段床层高度为零，此时hT即为床层总高度 ，而x为吸附剂转效点的湿容量。常数0.45 是一个均值，它是吸附段长度的函数，其 变化范围仅为0.400.52。 如果xxs，则 hT才能满足要求。 4. 吸附剂的有效吸附容量 58 5. 气体压降P(kPa) GPSA气体加工工程数据手册（1987版 ）推荐按修正的埃尔根（Ergun）公式计 算 ： 气体粘度，mPas；g气体密度，kg/m3； Vg气体空塔流速，mt/min；B、C常数，其 值由表5-3-5给出。 (7-42) 59 B和C的值 分子筛BC 3.2mm直径球形4.1550.00135 3.2mm圆柱条形5.3570.00188 1.6mm直径球形11.2780.00207 1.6mm圆柱条形17.6600.00319 60 吸附塔压降限制 吸附时气体通过床层的压降宜小于 0.035MPa，不宜高于0.055MPa，否则应重 新调整空塔气速。 61 6. 转效时间B（h） 验证转效时间B与确定的吸附周期是 否一致。 (7-41) 62 吸附塔计算步骤 计算吸附水量，选取吸附有效湿容量； 计算床层直径 D，圆整并确定外径； 计算吸附用量和床层总高度； 计算压降，若P55kPa，则调整D，重 复计算； 校核吸附周期，若不符，则从开始重新 计算。 63 7. 吸附再生与冷却过程计算 一般吸附剂的再生温度为175260 。用分子筛时，再生温度可高至260 370。脱水后干气露点可降至-100 。再 生操作压力通常与吸附操作压力相同，偶 而采用较低压力再生以提高被吸附分子的 脱附能力。再生过程的温度变化曲线。 64 再生过程的温度变化曲线 65 吸附剂的再生过程可划分为A、B、C、D四 个阶段，在A阶段，烃类全部被脱附，水的脱附 集中在阶段B，阶段C主要清除重烃等不易脱附 的物质，增加再生后吸附剂的湿容量，阶段D则 冷却床层至吸附温度。T2110， T3127， TB116，T4175260。再生气体温度和流 量控制了每一阶段的时间 。 7. 吸附再生与冷却过程计算 66 （1）再生气用量计算 再生加热所需的热量为Q，则 Q1加热分子筛的热量，kJ； Q2加热吸附器本身(钢材)的热量，kJ； Q3脱附吸附水的热量，kJ； Q4加热铺垫的瓷球的热量，kJ。 吸附器的结构示意图如图7-37。 (7-43) 67 图7-37 吸附器结构示意图 68 设吸附后床层温度是t1 ，热再生气 进出口平均温度为t2 ，则： (7-45) (7-44) (7-46) (7-47) 69 m1、m2、m3、m4分别是分子筛、吸附器筒 体及附体等钢材、吸附水和铺垫物的质量，kg； 4186.8是水的脱附热， kJ/kg； Cp1，Cp2，Cp4分别为分子筛、吸附器筒体 及附体等钢材、铺垫物的定压比热，kJ/(kg) ； 式式(7-44) (7-44) 式式(7-47) (7-47) 符号的意义符号的意义 70 再生气用量G（kg/h）： qh每kg再生气所放出的热量，kJ/kg； h再生加热时间，h； （1 1）再生气用量计算）再生气用量计算 71 Cp再生气的定压比热，kJ/(kg)； t再生气的温降， 。 （1 1）再生气用量计算）再生气用量计算 72 再生气温降（ ） ： t2再生加热结束时气体出口温度， ； t3再生气进吸附器时的温度，； t1吸附后床层的温度， 。 （1 1）再生气用量计算）再生气用量计算 73 （2）冷却气量计算 加热后床层温度很高，需通入干气冷 却，必须冷却到原来吸附开始时的温度， 此值应比吸附正常进行时的床层温度低3 6（即减去吸附热使床层温度升高的温度 ）。 74 冷却吸附塔需移放的热量Qc是 ： (7-48) （2）冷却气量计算 Q=Q1+Q2+Q4 吸附器由加热的平均温度t2 冷却到t1，平均 温度 75 冷却时，干气不经过加热炉。设干气初 温是ta。每千克干气移去的热量； （2）冷却气量计算 总共需冷却气量G=Q/qC 分子筛对原料中CO2吸附量很小，其脱附热 可忽略不计 76 加热再生气的加热炉热负荷： 一般取再生气出加热炉的温度比t3高1015 ，加热炉热负荷Q。 式中 G再生加热气量，kg/h； Cpm平均比热，kJ/(kg.)； ta再生气进加热炉温度，。 （3 3）加热炉热负荷）加热炉热负荷Q Q T T (kJ/h)(kJ/h) 77 （4）再生气空塔速度计算 再生时再生气压力原则上根据外输 系统压力决定。经过吸附器压降一般在 1020kPa。再生气空塔速度仍可按雷督 克斯公式计算。其中C值为0.167，再生 气是自下向上流动的，实践证明，根据 上述公式计算的结果，基本上符合实际 操作