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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

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