天然气吸附法脱水.ppt

概述天然气脱水过程常用吸附剂固体吸附剂脱水工艺及设备固定床吸附过程特性及计算吸附法在酸性天然气脱水中的应用 第五章吸附法脱水 概述 吸附分离是利用气体或液体中各组份在吸附剂表面吸附能力的差别而使其分离的方法 1 吸附过程分类按流体分子与吸附剂表面分子作用力不同可分为二类 物理吸附 范德华力 特点 放热小 冷凝热 润湿热 有可逆性 增加压力或降低温度有利于吸附 降低压力 提高温度有利于脱附 吸附剂可循环使用 化学吸附 剩余力场 剩余价力 特点 吸附热大 接近于化学反应热 被吸附分子至少会发生变形 可逆性小 这种过程很少用于混合物的分离 吸附作用 由于吸附剂固体表面力的作用而产生的 脱附作用 由于吸附质分子在吸附剂表面上的热运动而形成的 当吸附速率 脱附速率时 即达到了吸附平衡 当吸附剂用于天然气脱水时 吸附剂吸附水的量又称为吸附剂湿容量 固体吸附剂的吸附容量 或湿容量 与被吸附气体的特性和分压 固体吸附剂的持性 吸附剂的比表面积和孔隙率以及吸附温度等有关 吸附质与吸附剂表面之间的吸引力主要决定于气体和固体表面的特性 故吸附容量可因吸附质一吸附剂体系不同而有很大差别 2 吸附平衡 天然气脱水过程对吸附剂的要求活性铝土和氧化铝吸附剂硅胶和硅石球吸附剂分子筛吸附剂复合固体吸附剂 第一节天然气脱水常用吸附剂 必须是多孔性的 具有较大吸附比表面积的物质 用于天然气脱水的吸附剂比表面积 般都在500 800m2 g 比表面积越大 其吸附容量 或湿容量 越大 对流体中的不同组分具有选择性吸附作用 亦即对要脱除的组分具有较高的吸附容里 具有较高的吸附传质速度 在瞬间即可达到相间平衡 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 天然气脱水过程要求吸附剂应具有以下特性的 工业用的吸附剂通常是颗粒状的 为了适应工业应用的要求 吸附剂颗粒在大小 几何形状等方面应具有一定的特性 例如 颗粒大小适度而且均匀 同时具有很高的机械强度以防止破碎和产生粉尘 粉化 等 具有较大的堆积密度 有良好的化学稳定性 热稳定性以及价格使宜 原料充足等 目前 在天然气脱水中主要使用的吸附剂有活性铝土和活性氧化铝 硅胶及分子筛三大类 通常 应根据工艺要求进行经济比较后 选择合适的吸附剂 一 活性铝土和活性氧化铝 1 活性铝土 铝矾土 活性铝土是由含铁低的天然铝土 主要成分是Al2O3 经过加热活化而成 它的优点是成本低 有液态水存在时不会破碎 能提供一定的露点降 缺点是吸附容量小 2 活性氧化铝它是人工合成 含有部分水合的 多孔和无定形的氧化铝 其比表面积可达250m2 g以上 近年来问世的高效活性氧化铝能使的气体水露点可低达 100 但其再生时耗热量较硅胶高 能吸附重烃且不易脱除 此外 氧化铝呈碱性 可与无机酸发生化学反应 故不宜处理酸性天然气 活性氧化铝的湿容量很大 常用于水含量大的气体脱水 二 硅胶和硅石球 1 硅胶硅胶是一种晶粒状无定形氧化硅 分子式为SiO2 nH2O 采用硅胶脱水一般可使天然气露点达 60 用于天然气脱水的硅胶很容易再生 再生温度较分子筛低 当硅胶吸附天然气中水份时 其量可达自身质量的50 但吸水时放出大量的吸附热 很易破裂产生粉尘 增加压降 降低有效湿容量 2 硅石球硅石球 例如美孚公司的吸附球 Sorbead 有R型和H型两种 由97 的SiO2和3 的Al2O3组成 它的吸附容量与硅胶基本相同 但因其堆积密度略大 因而单位体积的处理能力也相应大一些 1 分子筛吸附剂的化学组成目前常用的分子筛系人工合成沸石 是一种硅铝酸盐晶体 由SiO4和AlO4四面体组成 在分子筛晶体中存在着金属阳离子 以平衡AlO4四面体中多余的负电荷 分子筛化学结构式如下 三 分子筛 其中 M 金属离子 可以是K Na Ca 等n 离子的价数 X 称为硅铝比 具有许多排列整齐 大小均一的孔道 孔道之间通过孔口相互联结 孔口大小与分子大小相近 分子筛的类型硅铝比 X 不同 分子筛类型不同 分为A X Y型分子筛 金属离子不同 分子筛孔口直径不同 同类分子筛又有不同的牌号 例如 3A 4A 5A型分子筛等 对不同类型分子筛可总结为 2 分子筛的结构特点 分子筛类型AXY硅铝比 X 22 55对于A型分子筛 则有 分子筛名称3A4A5A金属离子K Na Ca 分子筛的两种效应 筛分效应 有效直径小于孔口的分子才可进入孔道被吸附 吸附效应 进入孔道的分子照极性强弱去吸附 3 不同类型分子筛 1 具有很好的吸附选择性 3A分子筛 平均孔径3 1 10 10m 只允许H2O 2 7 3 1 CH4直径小于3 的分子进入孔道 不吸附乙烷 4A分子筛 只允许H2O CH4 C2H6 CO2 H2S等直径小于4 的分子进入孔道吸附 不吸附丙烷 若希望同时吸附CO2和H2S 则不应选择3A而应选择4A分子筛 5A分子筛 允许各中直链烷烃进入孔道 常用于正 异构烷烃分离 用于天然气脱水则选择性差 失去了筛选作用 只靠极性差别吸附 不作为干燥吸附剂用 4 分子筛用作干燥剂时的特点 2 具有很高的吸附性能 在很低的水蒸汽分压下仍有较大的吸附容量 可使干燥后气体中水的含量达到1ppm以下 相当于气体露点为 101 3 湿容量随温度的变化很小 分子筛经反复再生后 其湿容量可以基本保持不变 而硅胶和氧化铝的湿容量在23 59 时 则下降约50 多次再生后 可下降2 3 4 使用寿命较长 由于分子筛可有选择性地吸附水 可避免因重烃共吸附而使吸附剂失活 故可延长分子筛的寿命 5 分子筛不易被液态水破坏由于分子筛不易被液态水破坏 故可用于有液态水的气体脱水 四 复合固体吸附剂 复合固体吸附剂就是同时使用两种或两种以上的吸附剂 通常是将硅胶或活性氧化铝与分子筛串联使用 湿气先通过硅胶或活性氧化铝床层 再通过分子筛床层 目前 天然气脱水普遍使用活性氧化铝和4A分子筛串联的双床层 其特点如下所述 1 既可以减少投资 又可保证干气露点 2 活性氧化铝可作为分子筛的保护层 当气体中携带有液态水 液烃 缓蚀剂及胺类化合物时 位于上部床层的活性氧化铝除用于气体脱水外 还可作为下部分子筛床层的保护层 4 活性氧化铝的价格较低 活性氧化铝的价格不仅比4A分子筛低 而且比湿溶量相同的硅胶 在t 30 时与活性氧化铝具有相同平衡湿容量 也低 由于活性氧化铝与4A分子筛组成的复合固体吸附剂床层具有以上持点 故近几年来在天然气脱水中得到广泛应用 3 活性氧化铝再生时能耗比分子筛低因为活性氧化铝的吸附热比分子筛要低 故其再生时的能耗也低 第二节固定床吸附过程特性及计算 吸附剂床层内的吸附过程几个概念吸附过程计算干燥器工艺计算再生过程工艺计算 设 湿天然气中水的浓度为C0 吸附床内水的原始浓度为零 床层内水被吸附的过程如下图 一 吸附剂床层内的吸附过程 吸附波 透过曲线 二 几个概念 1 吸附负荷曲线 吸附波 在吸附剂床层中 吸附质沿床层不同高度的浓度变化曲线 称为吸附负荷曲线或吸附波 2 破点 床层出口气体中水的浓度刚刚开始发生变化 上升 的点 tb 称为破点 3 透过 穿透 曲线 从 破点 到整个床层达到饱和时 床层出口端气体中水浓度随时间的变化曲线 叫透过曲线 4 吸附剂平衡吸附 湿容 量 当床层达到完全饱和时 吸附剂的吸附量叫平衡吸附量 g H2O 100g 吸附剂 5 动态 有效 吸附 湿容 量 吸附过程达到 破点 时 吸附剂的吸附量叫动态 穿透 吸附量 式中 X 吸附剂的有效湿容量 kg水 100kg吸附剂 Xs 吸附剂的平衡湿容量 kg水 100kg吸附剂 hT 床层长度 m hZ 传质区长度 m假定在传质区内吸附剂的饱和度为0 55 三 吸附过程计算 1 吸附剂的有效湿容量 在天然气吸附脱水过程中 吸附剂的有效吸附量计算公式如下 在长期运行中 吸附剂的湿容量会逐渐降低 因此 在进行吸附器设计时 为保证天然气的脱水深度 应取一个比平衡湿溶量低的值 称其为设计湿溶量 吸附剂湿容量下降的原因有 高温老化 再生过程吸附剂在水蒸气和热的作用下 引起微孔结构的变化 内表面积减小 这种作用在用新鲜吸附剂时很明显 以后变化逐渐平缓 不可逆吸附 主要是吸附剂吸附了一些不易挥发的物质 吸收油 压缩机油 醇醚类化合物 以及元素硫等 阻塞了晶格内部的通道 所以 在吸附器设计时 应选择合适的湿容量 使吸附剂在使用后期仍能达到规定的脱水效果 2 吸附剂的设计湿容量 吸附剂设计是容量 g H2O 100g 吸附剂 活性氧化铝4 7硅胶7 9A型分子筛9 123 吸附传质区长度吸附传质区长度hZ与湿气组成 流量 相对湿度及吸附剂的装填量等有关 计算公式见式5 3 设计干燥器时推荐的湿容量 式中hZ 吸附传质区长度 m q 吸附床层截面积水负荷 g hr m2 Vg 吸附床层允许的空塔速度 m min 见图5 15Rs 进料湿气的相对湿度 A 吸附常数 对与分子筛为0 6 q的计算公式如下 式中G1 吸附剂吸附水的量 kg dD 吸附剂床层直径 m 1 吸附剂床层长度的确定已知湿气在操作状态的体积流量 Qw 可按吸附剂床层允许孔塔速度Vg 见图5 15 计算吸附剂床层直径D 根据容器直径系列标准 标准化为D 四 干燥器工艺计算 2 分子筛装填高度 hT 式中G1 吸附剂吸附水的量 kg h 周期时间 h B 吸附剂的堆积密度 kg m3 X 吸附剂的设计湿容量 kg 水 100kg吸附剂 D 标准化后的床层直径 m 当吸附波前沿达到床层底部切换再生时 则床高H hT D H过大 则D相对大 容易产生气流分布不均及传质区高度接近床高 易短路 而D H过小 则床层过高 床阻力过大 一般D H 1 2 1 3 若不在此范围内 应进行调整 实际空塔速度 Vg 计算公式 式中Vg 气体实际空塔速度 m min Q 进料湿气流量 106m3 d Tf Pf Zf 进料湿气在脱水时的温度 K 压力 Kpa 和压缩因子 3 检验高径比 D H 和实际空塔速度 Vg 选好干燥器壳体直径后 除应按计算出的吸附剂床层实际直径确定实际的床层长度等外 还应按下式核算床层的实际透过时间 式中 B 床层的实际透过时间 h H 床层的实际长度 m q 吸附床层截面积水负荷 g hr m2 计算出的实际透过时间应大于或等于原先确定的吸附周期时间 5 气体流过吸附剂床层的压降对于各种固定床干燥器 当床层直径与长度确定之后 还必须计算气体流过床层的压降 p 是否合理 35kPa 压降可按以下公式计算 4 核算透过时间 式中 p 气体流过床层的压降 kPaH 吸附剂床层长度 m g 气体在操作状态下的粘度 mPa SVg 气体实际空塔流速 m minB C 常数 与吸附剂颗粒的形状有关 可由表5 10查得 表5 10吸附剂颗粒类型常数 通过计算确定 再生气的量 再生气加热负荷 冷却气的量 冷却热负荷 1 再生气的选择根据对干燥气露点要求 可选择湿气或干气作再生气 在再生过程中 将吸附器加热到同样的温度 采用湿气作再生剂时 脱水操作中出口干气的露点相对较高 例如 都将床层加热到204 当用干气作再生器时 脱水操作中出口干气的水露点是 76 而用湿气作再生器时 脱水操作中出口干气的水露点上升到 39 为使吸附剂再生完全 保证出口干气较低的露点 一般是用干气作再生气 2 加热过程总热负荷和再生气量的计算加热过程曲线见图5 9 五 再生过程工艺计算 A阶段 升温 烃的脱附 认为烃在TA T1 T2 2下脱附 B阶段 水的脱附 认为所有的水在TB温度下全部脱掉 C阶段 重烃脱附 认为在TC下脱掉重烃 D阶段 冷却阶段 总热负荷包括 显热负荷 塔体 吸附剂及其它内容物有T1 T4 轻烃由T1 TA 水由T1 TB 重烃由T1 TC 潜热负荷 轻烃 水 重烃等全部吸附物的脱附热 水在氧化铝和硅胶上的脱附热为778KCal kg 在分子筛上的脱附热为1000KCal kg 烃在硅胶 氧化铝和分子筛上的脱附热均为111KCal kg 由图5 9可知 吸附器再生 冷却过程主要四个阶段 计算步骤为 计算加热过程总负荷 确定合适的加热时间 h 计算再生气所提供的热负荷 包括未知数再生气量 使以上两步计算的值相等求出再生气量 取与加热过程相同的气量 计算冷却过程时间 c 判断 h c 吸附周期 否则适当增加加热过程时间 相应增加再生气流量 重复 直至条件满足 详细计算过程参见书中 再生周期中干燥器加热和冷却过程工艺计算 及例5 2 3 再生冷却过程再生气量的计算步骤 第三节固体吸附剂脱水工艺 固体吸附剂脱水工艺流程工艺参数选择干燥器结构 1 采用湿气 或进料气 作再生气 一 固体吸附剂脱水工艺流程 特点 再生器用量约占进料量的5 10 由于采用湿气作再生气 脱水操作中的干气露点仅能达到约为 39 由于脱水干燥时干燥器内的气速很大 为减少床层的扰动 原料气自上而下通过床层 2 采用干气作再生气 特点 1 由于用干气再生 出口干气的露点可降低至 100 以下 2 再生操作时 再生气自下而上 其原因是 防止床层下部重新被水污染 可使床层下部再生更完全 以保证天然气的露点要求 虽然床层下部没有吸附水 但吸附力大量烃类 其脱附后流向床层上部 起到再生气的作用 1 吸附周期 吸附周期长 则再生次数少 吸附剂寿命长 但床层长 投资高 对于含水量较高的天然气 易采用较短的周期 对于含水量较低的天然气 易采用较长的周期 通常取吸附周期8 24小时 2 吸附温度 根据吸附过程原理 吸附是一放热反应 吸附温度越高 吸附剂湿容量越小 为保证吸附剂有较高的湿容量 吸附温度一般不超过50 3 再生温度 再生温度越高 吸附剂再生越完全 但其有效使用寿命越短 分子筛的再生温度一般为232 315 4 加热与冷却时间分配 对于两塔流程 加热时间为65 75 的吸附时间 冷却时间为25 35 吸附时间 对于三塔流程 吸附时间 再生时间 冷却时间 二 工艺参数选择 三 干燥器结