5-7附录七 分子筛脱水说明书

扬子石化年产10万吨甲基丙烯酸甲酯项目 分子筛脱水说书目录第一章 分子筛吸附脱水工艺简介11.1 分子筛吸附脱水工艺步骤11.1.1 吸附阶段11.1.2 再生阶段11.2 分子筛吸附脱水工艺流程2第二章 分子筛流程以及选型42.1 本工艺分离工段简介42.1.1 原料组成42.1.2 原料气各类分子直径汇总42.1.3 原料分离工段所需条件42.1.4 分子筛脱水的优缺点42.2 分子筛吸附操作流程52.3 分子筛的选型52.3.1 分子筛的分类62.3.2 3A分子筛和4A分子筛的比较72.3.3 确定本工艺所需的分子筛72.3.4 分子筛吸附塔的具体计算7第三章 吸附塔控制与模拟143.1 投运准备143.2 吸附阶段143.3 三塔切换过程143.4 再生阶段15 浙江工业大学A4团队 1/1第一章 分子筛吸附脱水工艺简介在诸多固体吸附剂中，分子筛以其优良的选择性吸水性能而广泛应用于工业气体的脱水过程。不同型号的分子筛筛孔的孔径不同，可按照被吸附物质的分子大小有选择地吸附杂质气体组分。常用的脱水分子筛有3A、4A两种型号，实践表明，经脱水过程后，原料气中的水分含量可降至5g/g。实践经验证明，分子筛脱水工艺在低水分分压、高温、高气体流速等苛刻条件下仍能保持比其他固体吸附剂高的吸附容量，且技术发展快、应用广，其主要特点是：能耗低，工艺适用范围较广；产品纯度高且可灵活调节；工艺流程简单，可实现多种气体的分离；装置自动化程度高，操作方便；装置调节能力强，操作弹性大；投资小，操作费用低，维护简单，检修时间少，开工率高；吸附剂使用周期长，正常操作下吸附剂一般可以使用十年以上；环境效益好，除因原料液的特性外，装置的运行不会造成新的环境污染。1.1 分子筛吸附脱水工艺步骤1.1.1 吸附阶段原料气自吸附塔塔顶进入，自上而下与分子筛床层相接触。在原料气接触过程中，气体中的水分被分子筛吸附，从而达到干燥原料气的目的。干燥后的原料气从塔底排出，进入后续工段。本项目单台吸附塔的吸附操作时间一般为8h，8h后原料气切换到另一座吸附塔，原吸附塔进入再生阶段。1.1.2 再生阶段分子筛吸附床层的再生阶段包括吸附、泄压回收、再生三个步骤。吸附塔切换到再生阶段后，通过再生出口控制阀和卸压程控阀进行系统降压。吸附塔压力降到一定压力时，开始对吸附塔进行吹扫。吹扫使用的气体经风机加压，通过再生进口程控阀进入升温换热器中，加热后的气体通过管道和吹扫进口程控阀进入干燥塔，进行干燥塔的升温吹扫。当吸附塔床层温度升高到一定值后，水分几乎全部被解吸，此时，再生加热器停止加热，使用常温再生气作为分子筛床层冷却气，将分子筛吸附床层温度降到操作温度后，切断再生气源。1.2 分子筛吸附脱水工艺流程为了实现分子筛脱水工艺的自动控制，为每个分子筛吸附塔设置卸压阀、原料阀、再生气阀、冷吹气阀，具体工艺流程装置图如下：图1-1分子筛脱水工艺流程装置图本套装置中，塔1、2、3操作顺序如下：1）吸附：原料依次进入分子筛脱水塔1和分子筛脱水塔2进行脱水，脱水后的C4馏分作为产品出装置，分子筛脱水塔1水含量大于5g/g时，切出分子筛脱水塔1，塔1进入卸压回收步骤。原料依次进入分子筛脱水塔2和分子筛脱水塔3，以此类推。2）卸压回收：打开切出的分子筛脱水塔1（或2、3）的塔底排放泄压阀和塔顶泄压平衡阀，将塔内原料排放至卸压回收罐，压力平衡时关闭排放泄压阀和泄压平衡阀，开启放空阀。分子筛脱水塔压力与放空系统压力平衡时，卸压完成，塔1进入再生步骤。泄压回收罐中原料经泵和原料混合。3）再生：开启再生气加热器和再生气换热器、再生气空冷器、再生气分水器和再生气风机。再生气加热至180280时，引入上部卸压完成后的分子筛脱水塔1（或2、3），再生气温度150270维持3小时，逐步降温，关闭再生气加热器后切换成冷吹，即风机出口再生气经过再生气冷却器、分子筛脱水塔1（或2、3）后，温度降至3550，再生结束。第二章 分子筛流程以及选型2.1 本工艺分离工段简介2.1.1 原料组成本工艺过程中原料组成如下表： 表2-1 原料组成表 mol%成分水叔丁醇异丁烯异丁烷正丁烷1-丁烯顺-2-丁烯反-2-丁烯含量0.02130.00230.03350.05010.11260.54750.07050.1616原料进入分子筛脱水装置，温度为50.5，压力为7bar。2.1.2 原料气各类分子直径汇总本工艺原料气中各类分子直径如下表：表2-2 原料气各类分子直径表成分水叔丁醇异丁烯异丁烷正丁烷1-丁烯顺-2-丁烯反-2-丁烯直径（nm）0.400.650.500.500.430.610.610.622.1.3 原料分离工段所需条件醇后C4将送回原厂处理，原厂后续将对该C4进行加工，使用硫酸法生产烷基化油，过高的水含量对后续工艺产生不良影响，尤其是会大大增加酸耗，故在此需通过分子筛尽量将水分除去（本项目要求出口C4馏分含水量不高于5g/g）。2.1.4 分子筛脱水的优缺点优点：进口介质的工艺参数（压力、温度、流量）对脱水效果影响小，设备适应性强，对装置腐蚀性小，装置操作简单，占地面积小，脱水效果好，国产的3A、4A分子筛可以达到5ppm的脱水能力。缺点：随着脱水过程的进行，分子筛的吸附能力会逐渐降低，需要在吸附一段时间后进行高温再生，可能影响下游连续供气（某些不能中断的场合需设置备用设备）。本工艺中，原料本身水含量较低，且后续工段对原料中水含量要求较高，相较于吸收法、膜分离法，分子筛吸附法脱水深度更高、操作简单、能够充分保证下游工段需求，更为经济可行。2.2 分子筛吸附操作流程本工艺原料处理量为9978.18kg/h(17.873 Nm3/h)，规模较大，工业上一般采用三塔流程。在三塔流程中，两塔进行原料吸附脱水的同时，另一塔进行吸附剂的再生、冷却，在一塔完成吸附过程后，另一塔已经再生完成，可以进行吸附操作，此时进行切换，继续进行吸附脱水操作。三塔流程的工艺过程如下：表2-3 三塔方案时间分配表吸附塔0-4h4-8h8-12h12-16h16-20h20-24h分子筛脱水塔1吸附再生吸附吸附再生吸附分子筛脱水塔2吸附吸附再生吸附吸附再生分子筛脱水塔3再生吸附吸附再生吸附吸附从上表可以看出，每个时间段都有两个塔处于吸附阶段，一个塔处于再生阶段，通过控制系统实现三塔塔的合理切换，从而保证下游供气的连续性。2.3 分子筛的选型分子筛是一种具有立方晶格的硅铝酸盐化合物，主要由硅铝通过氧桥连接组成空旷的骨架结构，在结构中有很多孔径均匀的孔道和排列整齐、内表面积很大的空穴。此外还含有电价较低而离子半径较大的金属离子和化合态的水。由于水分子在加热后连续失去。但晶体骨架结构不变，形成了许多大小相同的空腔，空腔又有许多直径相同的微孔相连，这些微小的空穴直径大小均匀，能把比孔道大的分子排斥在外，因而能把形状与直径大小不同改的分子以及饱和程度不同的分子分离开来，既具有“筛分”分子的作用，故称为分子筛。2.3.1 分子筛的分类工业中常用于干燥脱水的分子筛型号为：3A（或钾A型）、4A（或钠A型）。2.3.1.1 3A分子筛 3A分子筛典型化学组成为2/3K2O1/3Na2OAl2O32SiO29/2H2O，硅铝比SiO2 /Al2O3=2，有效孔径约为3A，主要用途为化工、石油、医药、中空玻璃等工业用干燥剂。 表2-4 3A分子筛主要技术指标指标单位球状条状规格mm1.6-2.53-54-61.63.2静态水吸附（25RH50%)%wt20.520.520.52020损耗率%wt0.20.20.20.250.25堆积密度g/ml0.680.680.680.640.64抗压强度N2570802560包装含水量（575，3小时）%wt1.51.51.51.51.5该分子筛再生脱除水分的工艺条件根据再生气的压湿度、含水量而定。一般情况下，使用200350干燥气体在0.30.5kg/cm2，通过分子筛床层34小时，使出口温度为110180，冷却。当再生过程需脱除有机物时，则用水蒸气代替有机物，然后脱除水分。2.3.1.2 4A分子筛4A分子筛典型化学组成为Na2OAl2O32SiO29/2H2O，硅铝比SiO2 /Al2O3=2，有效孔径约为4A，主要用途为各种化工气体和液体、冷冻剂、药品、电子材料及易变物质的干燥。表2-5 4A分子筛主要技术指标指标单位球状条状规格mm0.5-1.01.6-2.53-51.63.2静态水吸附（25RH50%)%wt21.521.521.52121损耗率%wt0.20.20.20.250.25堆积密度g/ml0.69-0.750.690.690.640.64抗压强度N30804070包装含水量（575，3小时）%wt1.51.51.51.51.5该分子筛再生脱除水分的工艺条件根据再生气的压湿度、含水量而定。一般情况下，200350干燥气体在0.30.5kg/ cm2，通过分子筛床层34小时，使出口温度为110180，冷却。当再生为脱除有机物时，则用水蒸气代替有机物，然后脱除水分。2.3.2 3A分子筛和4A分子筛的比较下面对上述这两种分子筛进行比较，从而确定本工艺所用分子筛：1）基于4A分子筛设计的系统一般小于基于3A分子筛设计的系统，因为同样体积的4A分子筛会比3A型分子筛的吸水能力强10%。2）4A分子筛所需的再生温度高于3A型分子筛，需要更高的能耗。2.3.3 确定本工艺所需的分子筛由于本工艺的目的是干燥C4馏分液体，虽然4A分子筛吸附水的能力较强，但若只采用4A分子筛， 4A分子筛再生能耗较大，而且本项目处理量较大。使得综合能耗较大；而3A分子筛的再生热负荷、再生冷负荷均小于4A分子筛，耗能较小，却吸附能力较小。综合考虑后，决定采用3A、4A分子筛混合使用对C4馏分液体进行吸附干燥。表2-6 本工艺3A分子筛具体选用指标位号类型形状规格/mm静态水吸附量/%wt损耗率/%wt堆积密度/g/ml抗压强度/NT0103A/B/C3A/4A球形3.2210.20.68702.3.4 分子筛吸附塔的具体计算2.3.4.1 分子筛脱水工艺参数1）处理量为17.873Nm3/h（50.5，7bar）。2）吸附周期T=8h3）分子筛有效吸附容量：根据3A、4A分子筛典型吸附量均取8kgH2O/100kg分子筛（考虑到包装含水量）。4）按原料气中水分全部脱去考虑，需脱水量为68.861kg/h（50.5，7bar）.单塔吸附操作周期为8h，总共脱水为550.6kg。则操作条件下（50.5，7bar）液体量142.985m3。工况下密度为g=558.28kg/m3。所以液体的质量流量为79825.11kg。5）已知b=680kg/m3。Dp=0.0032m。即可根据雷督克斯的半经验公式求得吸附塔直径，半经验公式如下：G=(CbgDp）0.5式中 G-允许的流体质量流速，kg/(m3.s) C-系数。流体自上向下流动，取0.250.32；自下向上流动，取0.167； b-分子筛的堆积密度，kg/m3； g-液体在操作条件下的密度，kg/m3； Dp-分子筛的平均直径（球形）或当量直径（条形），m；因此吸附塔的截面积：直径,根据GB150-2011固定式压力容器圆整为1.5m2.3.4.2 吸附器高径比计算原料饱和水含量（mol%）为2.1326%；原料的摩尔流量为179.2613kmol/h；操作周期T=8h，总共脱水550.89kg；分子筛有效吸附容量取8kgH2O/100kg分子筛，吸附塔需装分子筛,其体积为。床层高，由于分为两塔吸附，各塔床层高度3.25m，圆整得3.5m。高径比约为。2.3.4.3 吸附塔压力降计算由流体加工工程数据手册（第13版）可得分子筛吸附床层压降计算公式如下： 式中：P 压降，kPa；L 床层高度，m；流体粘度，mPas；vg 流体流速，m/min；g流体操作状态下的密度，kg/m。选用直径为3.2mm的球形分子筛，查得B=4.155，C=0.00135。温度50.5，压力7bar的操作条件下，已知g=558.28kg/m3，=0. 1408mPas，液体流速则： 分子筛吸附塔进行吸附时，流体通过床层压降一般宜小于等于0.035MPa，不宜高于0.055MPa，否则应重新调整空塔气速。此处计算得出床层压降为0.0497MPa，符合要求。再生加热和冷却时压降都很小，可不计算。2.3.4.4 再生热负荷计算以干燥后的原料气为再生气，分子筛床层吸附终了温度为42，考虑到分子筛的使用寿命以及再生效果，取再生加热温度为288，再生加热气出吸附塔温度为240。床层再生温度是230。在230时，分子筛比热为0.96kJ/kg，钢材（采用Q345R)比热为0.5kJ/kg，瓷球比热为0.88kJ/kg，粗估吸附器筒体其包括器内附属设备的质量约重3900kg，床层下部铺150mm厚的瓷球，瓷球堆密度2200kg/m3,共重20.13kg。再生加热所需的热量为Q，则：Q=Q1+Q2+Q3+Q4式中：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。 计算结果如下：式中：m1，m2，m3，m4分别是分子筛的质量，吸附器筒体及附件等钢材的质量、吸附水的质量和铺垫的瓷球的质量。4186.8kJ/kg是水的脱附热。Cp1，Cp2，Cp4分别为上述各种物质的定压比热。加10%的热损失，则：对于双塔流程，加热再生阶段一般取再生周期的1/25/8，故可取为4h。则吸附塔两塔每小时所需热量为：吸附两塔总功率为2.3.4.5 再生气量设t2=240是再生加热结束时的气体出口温度，t3=288为再生气进吸附器的温度，压力为7bar，再生气温降为48，平均比热为1.06kJ/kg.每千克再生气放出热量: 每小时需要再生气：2.3.4.6 冷却气量床层温度自230降到40，则冷却热负荷如下：加上10%的裕量，共计设冷却时间为3.5小时，每小时移去热量：冷却气进口温度为30，压力为7bar，出口平均温度为tm=0.5(230+30)=130，压力为7bar，冷却气的平均比热为1.04 kJ/kg。每千克冷却气带走热量：每小时所需冷却气量：2.3.4.7再生加热气压力不同情况下，空塔流速的比较1）设再生加热气压力为1.5MPa，再生加热气量为5575.1kg/h，M=23.70。其体积量是： (0，101325Pa）。操作时体积为 (230，1.5MPa）空塔流速（230，1.5MPa）用式进行核算。其中C=0.167，得需要空塔截面积，现为1.56m2，足够；2）假设为常压再生，即再生加热气压力101.325kPa，操作状态时气体流量为需要空塔截面积，现为1.56m2，说明在常压进行再生无法满足空速要求。3）假设再生加热气压力700kPa。操作状态时气体流量：需要空塔截面积，现为1.56m2，足够。2.3.4.8 分子筛吸附塔壁厚计算根据压力容器手册，选用Q345R作为吸附塔材料。S31608在300下许用应力为t=118MPa。吸附塔计算压力为0.55MPa，取2mm的腐蚀余量。壁厚计算公式为：式中 PC计算压力，MPa； Di吸附器内径，mm； t设计温度下材料的许用应力，MPa； 焊接接头系数，无缝钢管取0.9，焊接刚管取0.8；计算厚度对于压力较低的容器，按壁厚计算公式得到的厚度很薄，会给制造和运输、吊装带来困难，为此，规定了不包含腐蚀裕量的最小厚度min。对于碳素钢、低合金钢制的容器，min不小于3mm；对于高合金钢制容器，min不小于2mm。故取吸附塔最小厚度为5mm。设计厚度S31608厚度负偏差C1取0.3mm，则名义厚度： 圆整得7.5mm。第三章 吸附塔控制与模拟3.1 投运准备投运时吸附塔内分子筛床层已充分再生和冷却，两个吸附塔均处于完好备用状态。投运过程采用手动控制： 将各控制阀置于关闭状态，并确认各控制阀为“关闭”状态； 通过入口旁路控制阀充入湿原料气体，将分子筛吸附塔内压力升高到操作压力。 关闭原料气入口旁路。3.2 吸附阶段先投运T1、T2、T3处于备用（再生）状态。T1，T2投运的控制过程如下： 初