S-2固定床吸附工艺.doc

S2分册固定床吸附工艺第1章 简 介几乎所有气井气和油田伴生气中都含有水和杂质，必须在民用和工业使用前将这些水分和杂质脱除。另外，炼油厂和气体处理装置的液体产品，如LPG，经常含有水分和含硫化合物，在出售前也需要予以脱除。这些产品的净化有数种方法，有些工艺在甘醇脱水、胺法净化和贫油吸收塔分册中有所描述。固定床吸附是从气体和液体物流中脱除杂质的另外一种工艺方法。与其它工艺不同的是，它不是一个简单的一步工艺方法。例如，以硅胶做吸附剂的固定床吸附系统，可用来同时完成气体干燥和重组分脱除；或者，采用分子筛的吸附装置同时去除LPG中的水分和H2S。图S-2-1 4塔脱水/烃回收装置当只需要完成一项净化内容时，也经常采用固定床系统，因为该工艺较其它工艺效果更彻底。例如，对于深冷气体处理装置中采用的固定床脱水塔，采用固定床吸附工艺而不是甘醇脱水工艺是因为固定床工艺对气体脱水深度比甘醇工艺高得多。而在深冷装置中，防止低温冻堵又是尤其重要的。吸附工艺是间歇操作的。工艺流体流过一个吸附塔，直至吸附剂被所去除物质饱和。达到饱和点后，工艺物流被切换到另一座含有新鲜吸附剂的吸附塔。而已饱和的固定床则开始再生。再生的方法是向饱和的床层通入热的气体，将被吸附的物质蒸发出来。由于系统是间歇操作，装置通常都会有2座或2座以上的装有吸附剂的塔。一个或更多的塔在吸附，同时有一个或两个塔再生。吸附装置的设备流程设置有多种方式，也可以采用不同的吸附剂。吸附塔的数量可以从两个到更多。再生气体和再生气体的排放方式因装置不同而异。工艺物流以及再生气在固定床中的流向可以向上也可以向下。上述不同情况的组合，装置的不同点几乎不计其数。这里我们尽可能涵盖吸附和再生最常见的组合和流程配置。我们还将谈到为什么不同装置的流程不同。如果你熟悉不同于本分册所描述的一个装置，那么你就能了解该装置为什么采用这种流程配置。本分册主要讨论整个吸附装置。在P-2分册（固定床吸附塔）中详细论述了吸附塔和吸附剂的能力和效率，我们在此也会多次涉及到该部分内容。名词解释：吸附剂能力吸附剂脱除入口工艺物流中水分或其它物质的重量，表示为吸附剂重量的百分数。例如：100Kg100lb的吸附剂的吸湿能力是7.0%，则表示能够从气体中去除77 lb水分。吸附剂的能力随着时间的变化而逐渐损失。所以吸附剂的吸附能力比使用一年的吸附剂的吸附能力高2倍。吸附剂效率吸附剂从工艺流体中100%脱除水分或其它组分的相对能力。效率由处理后的出口工艺流体剩余组分量表示。例如：脱水后气体露点为-75-103的吸附剂比气体脱水后露点为-50-58的吸附剂效率高。吸附剂的效率不随时间变化。换句话说，如果一个装置用新鲜吸附剂脱水，处理后气体露点为50-58，在数月乃至数年后，在同样的操作条件下，处理后气体露点仍不变。转效点吸附剂保证吸附性能并使出口工艺流体达到要求指标所能持续的时间。例如：在设计气体流量下，吸附塔出口气体湿度达到极限要求的时间为8.5小时。在8.5小时以后，出口气体的湿度会迅速上升。因此，转效点为8.5小时。干燥剂用来从工艺物流中去除水分的吸附剂。工艺流体通过吸附装置的含有待去除杂质的气体或液体物流。 图S-2-2 转效点曲线露点气体中水分开始冷凝下来时的温度。天然气的含水就象空气中含水一样。当天然气或空气被冷却到这一点时，气体会被水所饱和，或者说相对湿度是100%，再加入冷负荷的话，就会有水形成。露点下，气体中水的组成取决于气体的压力。这一点在P-2分册中有详细讨论。脱水装置出口气体的露点是测量和评估装置性能的控制指标。只要出口气体露点低于规定温度，其含水量就会低于规定值。残留组成被吸附物质，通常是水分，存留在再生后的吸附剂中的数量，以相对于吸附剂的质量%表示。例如：脱水装置的吸附剂再生后含有1.0%的水分，这就是残留组成。_习题1：匹配左栏与右栏意思相关的各项。1、吸附剂能力 a、通过吸附装置的气体物流2、吸附剂效率 b、气体中水分冷凝下来的温度3、转效点 c、吸附剂再生后的含水量4、干燥剂 d、出口气体露点5、露点 e、吸附剂从工艺流体中脱除出来的杂质的重量占吸附剂的%6、工艺流体 f、从流体中脱水的吸附剂7、残留组成 g、在出口气体含水量超标前，工艺气体通过吸附塔的时间_第2章 吸附装置的设备图S-2-3所示的2塔吸附装置具有几乎所有吸附装置通用的大多数设备。有些装置可能含有3座或更多座吸附塔，有些装置还配有节能型换热器和压缩机。不管塔的个数是多少，设备的主要项目是相同的，讨论如下。第1节 入口分离器在气体处理装置中，入口分离器是至关重要的。它将气体中的液体脱除掉，从而防止吸附剂被烃类液体覆盖或者是由于游离水的存在而使吸附剂失效。同时还应去除污垢以及其它杂质等，以防止气体通过时堵塞吸附剂。分离器的类型取决于被处理物流的来源。如果是来自多井系统或来自海上平台的气体，分离器必须足够大，使其能够扑集气体中可能存在的液体段塞流。另外，分离器中还应含有一些内部件来去除气体中可能存在的固体颗粒。过滤器和金属网状捕雾器能够有效地去除气体中的固体颗粒。图S-2-3 吸附装置中的设备不管气体来自何处，分离器必须去除气体中的液体和固体颗粒。图S-2-4的双壳分离器是推荐采用的形式。在这种分离器中，液体从气体中分离出来，通过上面的腔体，沉积到底部的收集腔内。这种分离器阻止气体流过液体表面而将液体携带出分离器。第2节 吸附塔图S-2-4 入口气体分离器吸附塔内装有用来吸附工艺物流中组分的吸附剂。塔内还有支撑吸附剂的支撑部件。吸附塔通常是绝热的，或者是内部绝热，或者是外部绝热，目的是防止再生时的热量损失。详见P-2分册（吸附塔）的描述。装置吸附塔的数量从两个到数个不等。不管其数量是多少，每座吸附塔都是一样的。第3节 出口过滤器 图S-2-5 吸附塔当吸附剂被加热时会膨胀，而冷却时又会收缩，在再生周期的加热和冷却阶段，吸附剂的每一个颗粒都在膨胀和收缩。其尺寸变化的总量很小，以致于很难测量出来，但是由于含有数以万计的吸附剂颗粒，其作用在每个单独颗粒上的压力则相当可观。这些颗粒会倾向于移动和旋转，以建立一种使这种压力最小的排列方式。这些颗粒之间以及颗粒和容器壁之间相互摩擦，产生少量的粉末。另外，即使操作最好的装置，偶尔也会由于轻微的操作波动引起颗粒“碰撞”和气体“喷射”到床层顶部。这些都会破坏吸附剂颗粒，并形成粉末。因此，聪明的做法是在出口工艺物流处设置过滤器，防止吸附剂碎片或粉末流出吸附装置。过滤器的类型取决于产品去向。如果是去深冷装置，少量的细粉末就会污染膨胀机或换热器，因此过滤器必须能够去除一微米以上的所有颗粒。另一方面，如果出口气体去管输，则不需要精密过滤，可采用粗过滤元件。图S-2-6 出口气体过滤器过滤器处应设有差压计，准确地测量过滤器的压力降。随着过滤器对固体颗粒的吸附，它的压力降也不断地提高。对于一定的气体流量，每台差压计应有一个基本压降。这样，在合适的气体流量下，当达到最大压降时，操作人员能够对过滤器的充填程度进行判断。在最大压降下，应让气体走旁路，并更换滤芯。如果不这样，压力降的增高会使过滤元件损坏，使过滤器中所有的粉末和污物会突然释放到系统中。第4节 再生气加热炉再生气加热炉的作用是为床层的再生提供热的气体。目前有两种常用的类型。一种是“直接受火加热炉”，另一种是“间接受火式加热炉”。两种类型加热炉均在其它分册中有详细描述。因为吸附剂的再生对温度很敏感，所以加热炉的控制非常重要，需将再生气温度控制在设定值上下几度的范围内。一些装置再生气的流量变化较大，加热炉的能力应能适应气量波动而保持所要求的温度。控制系统应包括加热炉出口气体温度记录仪。通常在该记录仪中还有一个记录笔指示再生气出床层的温度。有些装置不采用加热炉而是用其它的方式获得热量，如燃气轮机或燃气发动机的废热回收系统。间接受火加热炉 直接受火加热炉图S-2-7 再生气加热炉第5节 再生气冷却器冷却器的作用是降低再生气的温度，从而使水和烃类冷凝下来。在吸附装置中，多数被吸附物是不冷凝的，如净化塔中的H2S，冷却器只是将气体的温度降低到一定的程度，以便进一步的处理。再生气可能会进入燃料气系统，这就要求将其冷却，以免控制系统发生故障。图S-2-8 再生气冷却器冷却器可以是空冷器，也可以是水冷式换热器或其它类型的换热器。不管冷却器为什么形式，它的作用是一样的将再生气冷却到接近环境温度。再生气从吸附塔出来后，直接进入冷却器。因此，气体中可能含有一些吸附剂颗粒。有必要定期停车对冷却器进行检修，去掉其中的固体颗粒，否则，它们会堵塞冷却器并影响再生气的冷却效果。第6节 再生气分离器再生气分离器的作用是将冷却器出口的再生气进行气液分离。分离器的类型取决于气体中所含液体的类型和量。如果液体主要是水，只要有一个单液体分离系统就够了。如果液体是水和烃的混合物，则对每一种液体都要设一个液位控制系统。该分离器通常和前面所说的入口气体分离器相同，所不同的是它的尺寸较小，因为再生气的流量比入口气体流量小的多。第7节 再生气增压机当装置的一部分处理后气体用来做再生气时，在完成整个再生过程后，通常是返回到进料端。其通过固定床以及再生系统后压力已经损失了一部分，因此，需要提高其压力。压力提高的范围不超过207 kPa30psi，因此，通常用离心式鼓风机。 图S-2-9 再生气增压机 习题2：匹配左栏与右栏意思相关的各项：1、入口分离器 a、提高加热气体温度2、出口气体过滤器 b、再生气取自出口工艺气体3、再生气加热炉 c、去除工艺流体中的杂质4、再生气分离器 d、从进口工艺气体中去除液体和固体5、再生气冷却器 e、降低再生气温度6、再生气压缩机 f、从出口工艺气体中脱除吸附剂粉末7、吸附塔 g、从再生气中脱除液体 第3章 吸附装置的应用第1节 脱水吸附装置最常见应用是气体脱水。另一种气体脱水工艺是甘醇脱水。吸附工艺和甘醇脱水工艺的选择，通常是取决于经济和脱水效率两个因素，进一步讲，取决于气体脱水深度的要求。管输气体的湿度规格要求是96112/百万m367 lb/MMcf ，在典型的操作压力下，相当于露点温度是-422535。对于这样的指标要求，甘醇脱水工艺较为合适，安装和操作成本相对较低，天然气脱水深度为8090%。当脱水深度要求在95100%时，吸附工艺较甘醇工艺的成本低。比如进入深冷装置的天然气，要求100%脱水。另外，经常采用吸附脱水工艺实现工厂仪表空气的脱水。这些脱水塔中常装有氧化铝吸附剂，将空气的露点降至-40-40。该装置的操作是全自动的，几乎不需人职守。图S-2-10 2塔空气脱水装置 图S-2-11 2塔天然气脱水装置第2节 同时脱水和净化天然气中通常含有水和酸气H2S和/或CO2必须将这些组分脱除。当H2S浓度小于50ppm、CO2小于2%时，吸附工艺是理想的脱水和酸气的方法。脱除高浓度的酸气采用化学法，如胺法工艺的净化装置，成本较低。对于同时脱水和净化的装置采用5A分子筛做吸附剂。深冷装置原料气的处理是最常见的应用。贫油吸收装置和炼油装置所产丙烷和LPG中含有水分和H2S以及其它的含硫化合物。可以采用13X分子筛做吸附剂。第3节 同时脱除天然气中的水分和重烃气井气以及油田伴生气中，都含有过量的水分，在管输之前应予以脱除。如果天然气中含有重烃，如汽油，吸附装置则能够脱除水分和5075%的重烃。在这种情况下，回收轻烃获得的收益大于比单一脱水的甘醇工艺装置超出的成本。这种情况，最常用的吸附剂是硅胶。但是，有时采用双吸附剂。在吸附塔上部采用活性炭做吸附剂，吸附轻烃，在塔的下部采用氧化铝或硅胶。同时脱除水分和轻烃的吸附剂的能力只是分别脱除两种组分之一的能力的一部分。因此，对于8小时及以上的吸附周期，吸附塔中吸附剂的质量应为典型的脱水塔的几倍。为了降低双吸附装置的设备尺寸或成本，吸附（和再生）时间通常小于2小时。再生采用高再生气流量（2030%进口气流量）和高温315345600650。另外，塔内部绝热措施可以使再生热负荷减少25%。第4节 其它应用有些炼油和化工装置的产品中，常会有少量的杂质，使产品变色或污染。可以使用活性炭或硅藻土做吸附剂脱除这些杂质。这些杂质一般为高沸点物质，无法从吸附剂中蒸发出来。吸附剂的再生方法是采用溶剂洗涤吸附剂。有时，吸附剂饱和后被一次性排放掉。吸附工艺的另一项应用是从混合物中分离特定物质。比如，异构烃，如异丁烷或异戊烷可以从混合烃中分离出来。 图S-2-12 深冷装置原料气的3塔脱水装置第4章 工艺流程吸附装置包括两个系统：（1）吸附系统，在该系统中工艺流体中的杂质被吸附剂吸附到床层上。（2）再生系统，在该系统中吸附物从吸附剂上去除。尽管吸附和再生系统是相对独立的，但是它们有一个共同的要素时间。当吸附塔被它所吸附的工艺物流中的组分饱和时，该塔需进行再生，再生后准备切换到吸附状态。吸附时间是控制的周期。塔的尺寸按能在最短的周期（一般为8h）完成吸附操作来设计。再生系统的设计以吸附周期和处于吸附操作状态的塔的数量为基础，要求在分配的时间内完成其功能。多数吸附装置用来从气体或液体中脱水。这些装置通常为下述的两种型式中的一种：（1）高效吸附装置： 气体脱水深度为100%，装置采用分子筛做吸附剂，采用干气做再生气。处理后气体露点一般低于-60-80。（2）低效吸附装置：气体脱水深度最多为95%。吸附剂一般为氧化铝或硅胶，采用入口气做再生气。处理后气体露点一般为-40以上。大多数吸附装置有2、3或4座同样的吸附塔，尽管有些装置最多设有12个吸附塔。在2塔装置中，一塔吸附，另一座塔再生。3塔装置，则可能是2塔吸附，1塔再生；或是2塔再生，1塔吸附。再生气可以自上而下，也可以自下而上流动。再生气可以采用入口气体，也可以用出口气体或其它外界气源。流程的形式可以有无数种，下面描述的是最常见的工艺流程。为了简化描述，后面图中的入口分离器和出口过滤器在以后的流程描述中给省略掉，但吸附装置正常都有这些设备。第1节 高效2塔装置流程在2塔装置中，1塔吸附，另一塔再生。再生时间显然和吸附时间相同。图S-2-13给出了深冷装置原料气的脱水流程。入口工艺气进入入口分离器，在这里水和固体颗粒沉积到分离器底部并通过液位调节器排出系统。气体从分离器顶部出来，从顶部进入到塔2，向下流过分子筛吸附床，去除几乎100%的水分。干气从塔底流出，经过过滤器，去除其中的吸附剂颗粒。从过滤器出来的气体去深冷装置。图S-2-13 高效双塔吸附装置再生气通常采用深冷装置的干气。其流量一般为入口气体流量的515%。再生过程包括两个阶段：加热阶段，将分子筛在吸附周期内吸附的水分和其它杂质蒸发出来；冷却阶段，将吸附剂的温度降低到接近于入口工艺气的温度。在加热阶段，调节阀将再生气切换至再生气加热炉，使其温度升至260315500600。加热炉出来的再生气从底部进入塔1，从塔顶出来。热的再生气穿过吸附剂，并使其温度升高，吸附剂中的水分被蒸发出来，并被再生气带出塔。塔顶再生气经冷却器冷却到接近于环境温度，再生气中大多数的水分被冷凝下来。气体和水蒸气混合物进入到分离器，水被分离出来，排往处理系统。再生气从分离器顶部出来返回原处。在再生的冷却阶段，开关阀动作，使再生气走加热炉的旁路管线，再生气直接进入1塔。在吸附周期结束时，开关阀动作，工艺原料气切换到1塔塔顶进料，再生气切换到2塔塔底进料。第2节 2塔吸附和1塔再生的高效3塔流程当2座塔并行进行吸附时，入口工艺物流被分成两部分进塔。第3座塔再生。再生时间是吸附时间的一半。如果吸附周期是12小时，则单塔再生时间为6小时。2座吸附操作塔的切换时间相差6小时，而不是同时切换。图S-2-14给出了切换以后的流程。假设吸附周期为12小时。流程叙述如下：入口工艺气流进入到塔1和2。气体从顶部进入，底部排出，由于两座塔是相同的，所以通过每座塔的流量是总流量的一半。流入塔3的再生气的流程和前面2塔流程叙述的一样。6小时后，塔3再生结束，流程切换如下：塔1，已经完成12小时吸附，切换到再生。塔2，吸附操作6小时，继续进行吸附操作。塔3，刚刚结束再生，切换为吸附操作。6小时后，塔1再生结束，开始另一次切换：塔1，再生结束，切换到吸附操作。塔2，已经完成12小时吸附操作，切换到再生操作。塔3，已经吸附6小时，继续吸附操作。图S-2-14 2塔并行吸附的3塔高效流程第3节 2塔吸附和2塔再生的高效4塔流程图S-2-15为2塔吸附、2塔再生的4塔装置。假设塔的吸附周期为8小时，并且再生的加热和冷却时间均为4小时。下面是流程叙述。工艺流体进入塔1和塔2进行吸附操作。干气从塔底出来并流出装置界区。塔3处于再生的冷却阶段，塔4处于再生的加热阶段。再生气流入刚刚从加热阶段切换过来的塔3，对分子筛进行冷却。由于从分子筛吸收了热量，塔3的出口再生气温度有所升高。该塔出来的再生气进入到再生气加热炉。加热炉出来的热再生气从塔4底部进入，并向上流动。塔4顶部的气体经过冷却器和分离器，返回原处。燃料气图S-2-15 2塔并行吸附和2塔再生的4塔高效流程4小时后，塔4加热完毕而塔3冷却完毕，开始进行切换。流程如图S-2-16所示。塔4和塔3分别结束加热和冷却。塔3已经完成加热和冷却的再生过程，切换到吸附操作。塔1已经完成8小时的吸附操作，切换到加热再生。塔2已经进行了4个小时的吸附，继续进行吸附操作。4小时后，开始另一轮切换。塔4刚刚完成冷却阶段，所以切换到吸附。塔1完成其加热阶段，所以切换到冷却。塔2已经完成8小时吸附操作，所以切换到加热再生。塔3已经完成了4小时吸附操作，继续进行吸附。该2塔再生系统的优点是将进入加热炉的再生气进行了预热，该热量为冷却吸附剂时从热的吸附剂吸收的热量。这样可使燃料气的耗量减少20%。2塔再生系统的主要缺点是再生气流过两座塔而不是一座塔，压降较高，再生气压缩机功率增加。图S-2-16 2塔并行吸附和2塔再生的高效4塔流程第4节 带再生气压缩机的高效装置流程当以出口工艺气体做再生气时，再生气分离器出口的气体或者排放掉，或者设压缩机将其压力提高到原料气入口压力。再生气系统的压力降接近170 kPa 25psi。压缩机的作用就是向再生气提供这一压力升值，使再生气从分离器进入入口气流。这种流程设置见图S-2-17的流程。吸附塔必须装填足够的吸附剂来处理工艺流体加上再生气物流。再生气物流通常是工艺物流的10%。工艺流程和前面叙述的两塔流程是一样的，不同的是再生气的来源是出口工艺物流，并且再生气分离器出来的气体返回到入口工艺气流。图S-2-17 带再生增压机的高效2塔流程第5节 低效2塔流程在低效装置中，再生气采用入口气体，并且在塔中的流动是自上而下的。图S-2-18为2塔的工艺流程图。入口工艺物流分成两股，其中90%从2塔塔顶进料，其余的10%流向再生系统。在再生的加热阶段，再生气从加热炉通过，而在冷却阶段，则从加热炉的旁路管线通过。再生气从1塔塔顶进入。在加热阶段，再生气将吸附过程中吸附的物质去除。再生气从塔底出来后进入冷却器和分离器，将液体分离出来，并排入一个处理系统。分离器出来的再生气在2塔进料前与主工艺物流混合，自上而下流过2塔，进入出口工艺气体管线。当塔2被吸附物饱和时，或者是在一定的时间后，开始切换操作，切换阀动作，主工艺物流流向1塔塔顶，而再生气则流向塔2 。图S-2-18 2塔低效流程第6节 塔切换程序在2塔装置中，一塔吸附则另一塔再生。再生时间显然与吸附时间相同。通常采用8小时的周期，一座塔吸附8小时而另一座塔再生8小时。再生周期通常包括5小时加热，接着是3小时冷却。2塔装置每日切换程序如下：2塔装置（8小时周期）每日切换程序对于有两个塔处于吸附状态、一塔再生的装置，再生时间是吸附时间的一半。最常见的多塔吸附装置为2座塔并行吸附操作，吸附时间为12小时，再生时间为6小时。12小时吸附周期的每日切换程序为：2塔并行吸附（12小时）和1塔再生（6小时）的3塔装置切换程序另外一种流程设置形式是4塔装置，2塔并行吸附，2塔再生。在这种情况下，再生过程的加热和冷却阶段的时间是一样的，都等于吸附时间的一半。对于8小时吸附周期的切换程序如下：2塔并行吸附（8小时）和2塔再生（8小时）的4塔装置切换程序 习题3：一套2塔装置的吸附周期是12小时。再生过程是7小时加热5小时冷却。塔在午夜切换，塔1切换到吸附，塔2再生。给出下列时间和各塔的操作状况，操作状况是指吸附、加热或是冷却。 时间操作状况塔1塔212（晚）吸附加热8（上午）1（下午）9（下午） 第7节 切换阀操作切换阀的操作是间歇的，其作用是将工艺流体或再生气送进或送出不同的塔。在多数装置中，开关阀的操作是通过电动或气动系统，通过一个计时器触发，如图S-2-19所示。开关阀一般为球阀，配有气动活塞执行机构，要求空气的压力作用于活塞上或活塞下，从而改变阀的开关位置。显然，应将活塞一侧的空气放空，使空气压力作用于活塞另一侧，从而使活塞移动。我们通过一个4通电磁阀来实现这一目的，使空气流入到活塞的一侧，同时将另一侧的空气放空。不必针对每一个开关阀都设一个单独的4通电磁阀。以2塔装置为例，每个开关阀都是在塔进行切换的时候改变阀位。因此，一个4通阀可以同时向所有的开关阀提供空气和放空空气。显然，图S-2-19中有一半的电磁阀空气接口应反接。否则，所有的阀都会处于同一阀位，不是开就是关。采用一个单独的4通电磁阀的优点是，通过一个阀的空气变化控制所有活塞执行机构，使开关阀全开或全关。因此，各开关阀的动作时间相差无几。图S-2-19 开关阀操作采用单个4通阀的缺点是需要花一定的时间才能使足够量的空气流过阀门，操作所有执行机构，使开关阀处于全开或全关位置。结果，当一些阀门的开关快于其它阀门时，可能会出现几秒钟的流量中断或流量突变。可采用多个带时间继电器的电磁阀或在空气管线上加限流孔板来克服以上缺点。这样开关阀可顺序操作，避免流量突变或中断。前面图中8小时和16小时的时间可调整。图中只表示出两个调节回路，另外还有加热炉旁路和午夜切换塔的回路要求。在1980年后建成的装置中，开关控制可能采用微处理机和微处理开关来代替计时器和继电器。采用这种类型的控制系统，可通过在控制盘上输入一系列数字来改变操作周期。但气动执行机构以及4通阀仍然延用。装置的吸附能力若要达到100%，则要求彻底的再生。一种确保再生加热程度的方法是在吸附塔再生气出口管线设一个温度开关，实现加热到冷却的切换。如果要将床层的吸附物彻底地脱除出来，需加热到260500，该温度就是温度开关的设定点，在达到该温度点之前，始终在加热。温度达到该点后温度开关动作，启动加热炉旁路管线，通入冷却气。另外一个温度开关可以安装在吸附塔的冷却气出口管线上，其目的是保证床层温度冷却到设定点。 习题4： 匹配左栏与右栏意思相关的各项：1、高效装置 2、低效装置 3、开关阀 4、2塔装置 5、3塔装置 a.从气体中脱除99%的水分。b.一塔吸附，一塔再生。c.一塔吸附，一塔加热，另一塔冷却。d. 从气体中脱除85%水分。e. 将气体物流从一座塔切换到另一座塔。第5章 吸附剂的再生第1节 再生原理吸附剂的再生是吸附装置操作中最重要也是大家了解最少的过程。由于需要消耗燃料，它的操作成本也是最高的。再生过程包括加热阶段，将吸附物脱除出来;还有冷却阶段，将吸附剂的温度降低到接近入口工艺物流温度。由于吸附剂在高温下吸附能力较差，所以必须将其冷却下来。请参见图S-2-20所示的2塔装置流程图，塔2吸附而塔1再生。在再生过程的加热阶段，通过加热炉的再生气首先进入塔1。在冷却阶段，再生气通过加热炉的旁路管线直接进入塔1，该冷却气将吸附剂冷却到2850以下，即和入口工艺物流相同。图S-2-20 高效脱水装置图示流程是指高效再生装置，再生气的流动方向是自塔底向上流动。在低效装置中，入口气做再生气气源，流动方向是自上而下的。让我们用一套脱水装置为例讨论一下再生。该装置再生原理也适用于其它的吸附装置。在吸附状态下，吸附剂从塔中通过的气体中吸附水分。水在气体中以水蒸汽的形式存在，但是当其被吸附以后，则转化成液态。最后的结果就是，吸附剂被水所饱和。在大多数吸附塔的操作压力下，水的沸点温度是120250。水的汽化热是2264 kJ /kg970Btu/lb。要想使水重新转变成蒸汽，必须加进足够的热量。再生的加热阶段包括3部分：（1）将吸附剂加热到水的沸点温度。（2）继续加热，让90%的水蒸发出来。（3）进一步加热，将吸附剂剩余的10%的水分蒸发出来。最后一步是最重要的，也是最困难的。任何残留在吸附剂中的被吸附物都会使吸附能力降低，同样也会降低吸附剂的效率，导致脱水装置处理后气体的露点升高。约有25%的燃料气是用来去除剩余的10%水分的。因此，它也是再生过程成本最高的部分。高效装置要求在再生过程去除所有的水分，低效装置要求去除8090%的水分，所以后者所需的热负荷少。下表给出的是典型的高效和低效装置工艺要求的比较。装置类型吸附剂入口气体去湿量，%处理后气体露点再生气再生加热类型Wt%气源流动方向再生气温度加热炉燃料气量m3/kg吸附剂cu ft/lb吸附剂高效分子筛10.099.9%40(-40)入口气向下1202500.0440.71再生气的热量来自加热炉出口气体。加热气体是一种热传递流体，它将热量从加热炉传递到吸附剂。再生气的另一项功能是将吸附剂上蒸发出来的吸附物吹出。我们在前面说过，加热阶段的第一步是将吸附剂加热到水或其它吸附物的沸点。在再生刚开始时，管线、吸附剂以及吸附塔的温度是入口工艺流体的温度。为了将吸附剂加热到水的沸点温度，还需将管线以及吸附塔的壳体加热。事实上，当吸附塔采取内部绝热时，有1/3的热量是用来加热管线和吸附塔内壁的，1/3热量使吸附剂温度升高，最后1/3热量是使吸附物汽化所需的热量。在再生过程的加热阶段，从加热炉出来的热气体流过吸附剂，其中一些热量传递给吸附剂。图S-2-21和22给出了8小时再生周期的温度曲线。上面和下面的曲线分别代表进出塔气体温度曲线，中间的曲线是吸附剂温度变化曲线。热气体以260500进入到吸附塔塔底。在开始加热时，吸附剂和管道的温度是38100。塔底的吸附剂首先接触到最高温度的气体，所以它的温度升的很快，它们接近最高加热温度只需要4小时。图中一段127260的过渡段是由吸附剂中水的汽化引起的。图S-2-21 吸附塔再生时的温度曲线-SI制图S-2-22 吸附塔再生时的温度曲线-英制当气体到达吸附剂中层时，它已经在底层部分释放了一些热量，因此，它的温度也降低了。要想达到和底层吸附剂一样的温度，需要5小时，而前者只需要3小时。塔的顶层吸附剂是最后被加热的，当其快达到峰值温度时就可切换为冷却操作。这是因为，冷却气体在通过床层下部热的吸附剂时被加热，继而可将其所吸收的热量传递给塔的上部。当底层吸附剂的温度达到127260时，水开始蒸发出来。但是，由于上面的吸附剂的温度还低于水的沸点温度，所以有些水分在塔的底层被蒸发，又在上面冷凝下来。如果你可以看到吸附塔加热时的内部状态，你会看到上部分冷凝下来的水从气体中滴落下来。吸附塔顶部和出口管线的温度过渡段比中部和底部更明显，这是由于冷凝使塔顶蒸出的水分更多。出口气体的温度在达到水蒸出过渡段之前经常会下降几度，这是由水从沿塔向上流动的气体中冷凝引起的。正如前面所说的，当加热到水的沸点时，吸附剂中只有90%的水分被蒸发出来，还有10%的水分留在吸附剂中，其原因是吸附剂对这些水分还有一定的吸附力。可以通过升高温度来消除这些吸附力。当温度为232450时，该吸附力接近于0。在加热阶段的末尾，吸附剂底部的温度达到246475，塔顶层的峰值温度为218425。当吸附剂的平均温度是232450时，出口气体的峰值温度是235455，比塔的平均温度高35。吸附塔出口气体峰值温度是检查再生深度的重要手段。而在加热阶段吸附塔的平均温度比出口峰值温度低3-6510。加热气的入口温度是260500，而出口气体峰值温度是235455。在加热阶段末尾入口和出口气温差为2545。以上数据的意义在于，在加热阶段的末尾再生气总的热量只有2545或者11%传递给了吸附剂，其它的89%的热量又随再生气带出了吸附塔。换言之，在加热阶段最后3060分钟，加热炉燃烧给再生气提供的热量只有11%被利用上了。加热5个小时后，吸附塔切换到冷却阶段。再生气经过加热炉旁路管线直接进入吸附塔。其温度是38100。在冷却阶段，塔底吸附剂的冷却温度比中间和顶层的吸附剂低。这是因为底层吸附剂总是最先接触冷却气。已经冷却过底层吸附剂的冷却气温度有所升高，在冷却中间层吸附剂时，冷却温度不可能和底层的相同。底层冷却温度是52125，顶层则只能冷却到79175。吸附剂的平均冷却温度是66150，比入口冷却气高2850。塔的底层吸附剂比顶层吸附剂所吸收的热量和冷量多。因此，底层吸附剂会蒸发出更多的水分，由于温度最低，也就能够再吸附更多的水分。换言之，吸附塔在再生气进入端处吸附剂再生的最彻底，在塔中的吸附能力也最强。当冷却阶段结束时，塔切换到吸附过程。吸附剂的温度高于工艺物流，所以在1530分钟左右的时间，会给工艺气加热。过了这段时间以后，工艺气流已将吸附剂冷却到同样的温度。在该段时间内，处理后气体的露点会升高几度。多数装置设有再生气入口温度记录仪（接近加热炉气体出口的温度），还有一个温度记录仪安装在再生气出塔管线。通常采用一个两笔记录仪记录两个进出口温度。图S-2-23是典型的2笔再生温度图。当然，不同的曲线代表不同的类型。下面表示的是一个两塔装置，再生周期为8小时5小时加热，3小时冷却。加热时再生气温度为300575，而冷却时的温度为3086。在出口气体温度曲线中，你会看到一个约为150300的过渡段，这是典型的脱水温度曲线，其原因是干燥剂上水分的蒸发所致。如果有大量的水进入装置，则塔再生时这一过渡段会更明显。有时，在富气系统中，会有其它过渡段出现，表明吸附剂蒸出各种烃类。每个塔都有其特有的温度曲线，几乎就象指纹是特有的一样。在再生周期的同一个时间，一座塔的温度可能和另一座塔不同。这座塔在加热3小时后的温度可能是205401，而另一座塔在该时间可能加热到190374。因此，对于处于同一循环时间的同一个塔，必须将该次的温度数据与上一次的读数进行对比。温度 F温度 冷却状态出口峰值温度加热状态再生气出塔温度水分蒸发再生气出塔温度再生时间，小时再生时间，小时冷却状态再生气出塔温度加热状态水分蒸发出口峰值温度再生气进塔温度英制SI制图S-2-23 再生气进出塔的温度曲线加热终点气体出塔的温度曲线是合理确定再生气流量和加热时间的最好工具之一。再生气出口峰值温度应出现在加热周期结束时或结束后不久。如果在转为冷却之前就出现峰值温度或最高温度，说明再生气的流量过大，或者加热时间过长，一旦床层加热到峰值温度，被吸附物就已被蒸发出来，再通入热的气体则只是在加热炉中浪费燃料气。以上例外是净化装置，达到峰值温度后，多余的含硫化合物会蒸发出来。在这些装置中，峰值温度应出现在加热阶段结束前的30分钟到1小时。第2节 再生过程的热传递正如我们前面说的，加热气体是传递热的流体，它在加热炉内吸收热量，然后将热量传递给吸附剂。加热炉提供给再生气体的热量只有3540%传递到了塔中。其它的6065%热量仍留在再生气体中，并被带出塔。在加热周期的开始阶段，吸附剂是冷的，并且再生气中90%的热量传递给了吸附剂。但是，在加热阶段的后期，吸附剂的温度接近再生气的温度，并且只有1520%的热量传递。再生气传递给吸附剂的热量的多少，取决于二者的温差。温差大时，传递的热量多。例如，如果加热炉出口再生气温度升高59，则再生气体传递给吸附剂的热量会增加6%，也就是说，吸附剂被加热到同一温度的时间可减少6%。将再生气温度升高59，燃料气的耗量增加3%，但是，吸附剂加热时间会减少6%，所以实际上燃料节省了3%。如果再生气加热炉已是在最大运行负荷下操作，则有必要降低再生气的流量，以便提高再生气出加热炉的温度。将气体的流量减少2.5%，加热炉以同样的燃料气量能够将出口气体的温度提高59。降低再生气流量并提高其温度，可以使塔的再生时间减少3.0%，燃料气节省3.0%。下表总结了在较低加热炉燃料气量下加热塔的方法。 较低加热炉燃料气耗量下塔的加热方式再生气加热炉操作负荷改变再生气流量提高再生气加热炉出口温度减少加热时间节约燃料气量低于最大不变596%3%最大降低2.5%593%3%应用上述两种方法，均可在较短的时间内使塔加热，减少加热时间。如果你只是提高加热炉的出口温度，而不缩短加热时间，则加热炉的燃料气消耗会增加；另外，会有更多的热量传到塔内，也就会消耗更多的冷却气。第3节 再生的优化再生气加热炉的燃料消耗是吸附装置的主要操作成本。优化操作工艺可大幅度降低燃料气的消耗。再生系统3个工艺变量是：（1）再生气流量；（2）再生气加热炉出口温度；（3）加热和冷却时间。优化的目的是以加热炉消耗最低的燃料气量使塔达到理想的再生状态。理想的再生状态是指吸附塔在切换到吸附操作时其吸附剂中的吸附物被足量蒸发出来，使处理后工艺流体略优于规定指标。优化的步骤包括改变再生气流量、加热炉出口温度和加热时间。这些改变是逐步进行的，通过观察切换到吸附操作时处理后气体的质量，来判断这些优化所进行改变的效果。例如，假设将加热周期每步减少5分钟，观察几次循环操作后处理后气体的质量变化。如果处理后气体达标，则可以再减少5分钟，再观察几个循环周期处理后气体的变化。连续进行这样的操作，直到处理后气体的质量达到指标极限要求。在这一点再往回走1步（将加热时间增加5分钟），然后进行下一轮工艺步骤变化。要想优化操作，你必须具有连续测量处理后气体质量的仪表。另外，在进行优化操作前，处理后气体的质量必须在指标极限范围内。如果处理后气体不达标（含水量高），要首先改变再生工艺参数使处理后气体的质量合格，然后再进行优化。决定优化步骤的因素有两个：（1）处理后气体的质量达标，刚刚达标，或是优于规格要求。（2）加热阶段再生气出塔温度在加热阶段终点前达到峰值，终点时达到峰值或终点后几分钟达到峰值。上述情况的优化步骤见下面的表。在优化前对仪表进行校准是一项很好的操作实践。 习题5： 列出下列情况下，优化加热炉燃料气消耗的正确操作方法。处理后工艺流体质量再生塔加热气出口温度首先采取的方法a、不达标在加热周期终点时上升b、优于规格要求加热周期终点前30分钟出现峰值 出口气峰值温度在加热阶段终点前出现的再生优化步骤处理后气体质量诊断以最小加热炉燃料气耗量生产合格的被处理气的方法不好-含水量高1再生气流量正好或高，如果流量低，则峰值温度不会出现在加热阶段终点前。2加热时间太长。峰值温度出现在加热阶段终点前。3由于峰值温度出现在加热阶段终点前，塔被加热气加热到可能的最高温度。该温度不足以将水分全部蒸发出去，则处理后气体质量不合格。必须提高加热气的温度，使其能够将更多的水分蒸发出去。1加热炉出口气体温度每步增加59，直到处理后气体达标。如果加热炉已经处于最大负荷，气体仍未达标，则在最大负荷下，以每次2.5%的步长降低再生气的流量。在再生气流量减少的同时，加热炉气体出口温度升高59。重复升温步骤，直到处理后气体合格。2如果在第1步以后，峰值温度仍出现在加热阶段终点前，以每次5分钟的步长减少加热时间，直到处理后气体不达标，然后增加5分钟加热时间。3在第2步以后，加热炉的负荷如果不是最大，再次将出口温度提高59。出口峰值温度比第2步中加热时间减少6%的峰值温度高59。处理后气体质量会提高。4继第3步之后，如果气体出口峰值温度至少比第2步高47，处理后气体合格，则将加热时间以5分钟/次的步长降低，直到处理后气体不达标。再将加热时间增加5分钟。5重复第3、4步，直到加热炉负荷最大，或当加热炉出口温度提高时，加热时间减少3%都不可以为止。合 格1再生气流量正常或高。如果流量低，则峰值温度不会出现在加热阶段终点前。2加热时间太长。峰值温度出现在加热阶段终点前。3加热炉出口气体温度正常，因为处理后气替质量合格。1以5分钟/次的步长减少加热时间，直到处理后气体不合格，再将加热时间增加5分钟，出口峰值温度应该出现在加热阶段终点不久。2在第1步以后，如果加热炉负荷不是最大，则使出口温度升高59。出口峰值温度应比第2步中加热时间减少6%的峰值温度高59。处理后气体质量会提高。3继第2步之后，如果气体出口峰值温度至少比第1步高47，处理后气体合格，则将加热时间以5分钟/次的步长降低，直到处理后气体不达标。再将加热时间增加5分钟。4重复第2、3步骤，直到加热炉负荷最大，或当加热炉出口温度提高时，加热时间减少3%都不可以为止。太好-湿度优于要求值1由于处理后气体质量比指标要求的高，塔被加热的程度太深。2再生气流量太高，或加热时间太长，或者气体温度太高。3降低加热时间可最大限度的节省燃料。1以5分钟/次的步长降低加热时间，直到处理后气体接近指标，再将加热时间增加5分钟2在第1步以后，如果加热炉负荷不是最大，则使出口温度升高59。出口峰值温度应比第2步中加热时间减少6%的峰值温度高59。处理后气体质量会提高。3继第2步之后，如果气体出口峰值温度至少比第1步高47，处理后气体合格，则将加热时间以5分钟/次的步长降低，直到处理后气体不达标。再将加热时间增加5分钟。4重复第2、3步骤，直到加热炉负荷最大，