5-7附录七 脱重烃说明书

附录七浙江工业大学Sense 8团队指导教师：刘华彦、章渊昶、周猛飞团队成员：徐磊、钱婕、孟成伟、楼红枫、冯少华中石油大连石化分公司1.5亿Nm3/a火炬气资源化脱硫项目脱重烃说明书大连石化1.5亿Nm3/a火炬气资源化脱硫项目 脱重烃说明书目录第一章 变温吸附简介11.1 变温吸附步骤11.1.1 吸附阶段11.1.2 再生阶段11.2 吸附剂工艺流程（以二塔吸附剂为例）21.2.1 吸附剂脱重烃工艺流程2第二章 脱重烃流程以及选型32.1 本工艺分离工段简介32.1.1 原料组成32.1.2 原料分离工段所需条件32.1.3 脱重烃方法的比较32.2 固体吸附流程选择42.2.1 三塔流程分析52.2.2 二塔流程分析52.2.3 三塔与两塔流程比较52.3 吸附剂的选型62.3.1 硅胶的分类62.3.2 B类硅胶与A、C类硅胶的比较82.3.3 确定本工艺所需的硅胶92.3.4 吸附剂脱重烃的具体计算（以T0101A吸附塔）为例92.3.5 吸附剂吸附塔壁厚计算142.3.6 计算一览表15第三章 脱重烃的控制与模拟163.1 投运准备163.2 吸附过程163.3 再生过程163.4 两座吸附剂干燥塔的相互切换17 浙江工业大学Sense8团队17/17第一章 变温吸附简介变温吸附（Temperature Swing Adsorption，简称TSA）是近十几年在工业上新崛起的气体分离技术，其基本原理是利用混合气体组分在固体吸附材料上吸附特性的差异，吸附能力强的组分被选择性地吸附在吸附剂上，吸附能力弱的组分组分富集在吸附气中排出，并通过周期性温度变换过程是实现气体的分离或提纯以及吸附剂的循环使用。变温吸附分离气体混合物的技术发展快、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，除因原料气的特性外，装置的运行不会造成新的环境污染。1.1 变温吸附步骤1.1.1 吸附阶段原料气自吸附床底部进入，与床层自下而上逐步接触，废气中的重烃被吸附剂表面吸附，从而实现了原料气重烃的有效脱除。原料气通过吸附剂吸附脱除重烃后，从吸附塔顶部排出。进入废气后续处理单元。单台吸附塔的吸附操作时间一般设定为8h，当操作满8h，必须切换进行再生。1.1.2 再生阶段常规吸附剂变温吸附床层的再生过程包括装置切换、再生、备用3个步骤，吸附剂床层温度从吸附的操作温度升高至解吸温度过程中，吸附的重烃开始大量解吸，被再生气携带出吸附剂床层。当温度升至解吸温度，重烃几乎全部被解吸，再生阶段结束。再生气加热炉停止加热，常温再生气体作为吸附剂床层的冷却气，将吸附剂床层的温度冷却至操作温度，切断再生气源。1.2 吸附剂工艺流程（以二塔吸附剂为例）1.2.1 吸附剂脱重烃工艺流程在吸附剂脱重烃AB两塔冷吹线上都设有阀门1，阀门2。在每个吸附剂设置了充压阀、原料气阀、再生气阀、冷吹气阀。两塔吸附剂脱重烃流程如图1-1所示。图1-1 两塔吸附剂脱重烃流程装置图二塔A、B顺序操作如下：1）A塔需要更换吸附剂停止使用时，此时工作塔为B塔。吸附剂脱重烃工作连续进行，B塔吸附时，A塔完成再生和冷吹过程，B塔吸附8小时，A塔吸再生5小时，冷吹3小时。2）B塔需要更换吸附剂停止使用时，此时工作塔为A塔。吸附剂脱重烃工作连续进行，A塔吸附时，B塔完成再生和冷吹过程，A塔吸附8小时，B塔再生5小时，冷吹3小时。第二章 脱重烃流程以及选型2.1 本工艺分离工段简介2.1.1 原料组成 表2-1 含硫废气组成表 vol %成分含量（Vol/%）成分含量（Vol/%）氧气0.85二氧化碳0.98一氧化碳0.06氢气57.78氮气15.80甲烷5.87乙烷3.49乙烯1.78丙烷3.37丙烯2.59丁烷3.82丁烯1.25C51.23H2S1.13温度：30流量：18000Nm3/h压力：1.2kPa总量：1.51亿Nm3/a原料经换热后进入吸附剂脱重烃装置，温度为30，压力为1.2bar。2.1.2 原料分离工段所需条件原料气经吸附剂脱重烃后进入下一步的脱硫工段。脱硫工段采用MDEA脱硫再生工艺，吸收塔的温度为40，解吸塔的温度为106，MDEA在重烃的条件下易发泡，脱硫和再生的效果差，本项目的MDEA为循环使用，重烃会造成积累，影响整个工段。因此要求废气中的重烃脱至40ppb的含量。2.1.3 脱重烃方法的比较2.1.4.1低温分离优缺点优点：多数液化工艺中都设计了低温重烃分离装置，一般此分离器较小，设备占地面积小，对于有冷公用工程的厂较合适。缺点：重烃含量高时分离不彻底，仍会造成冷箱冰堵。压缩机能耗较大，且会造成资源的浪费。2.1.4.2 固体吸附优缺点优点：目前固体吸附剂技术非常成熟，先进的吸附剂对甲、乙烷重烃体系选择性很强，非常适合国内管输气乙烷、丙烷等含量高，但重烃含量不高的气源特点；固体吸附剂的吸附弹性较大，可适应气源组分的快速变化。只要重烃含量在吸附剂的饱和吸附量以下，均可成功脱除。缺点：初期设备投资高，且需定期更换吸附剂；若重烃含量非常高，设备尺寸过大，装填量增加，能耗较高。2.1.4.3溶剂吸收优缺点优点：适应性强，对天然气中的重烃含量没有限制。当原料气中重烃含量变化不大时，液体吸收剂和处理气流量相对稳定，操作简单。设备投资较少，操作 过程中吸收剂可选用装置产生的重烃缺点：需要根据废气中重烃的含量来调节吸收剂的量，容易造成重烃脱除不完全或者吸收剂的浪费，同时对后续的吸收废液进行回收处理，对环境和设备危害较大。2.1.4.3 总结综上，结合本项目的废气源量大，但是重烃含量含量较小，基本不含水分，且只针对重烃这一组分，需要较大的操作弹性，因此其对于重烃来讲具有较大的吸附容量，再生容易，故选择固体吸附法脱重烃。2.2 固体吸附流程选择本工艺废气处理规模达1.5亿Nm3/a，对于这样规模较大的脱重烃装置， 工业上常采用二塔或者三塔流程。在两塔流程中，一塔进行脱重烃操作，另一塔进行吸附剂的再生及冷却，然后切换操作。在三塔流程中，根据工艺可以选择，一塔吸附，一塔再生，一塔冷却或者两塔吸附，一塔再生及冷却的切换程序。先将两塔和三塔流程进行操作情况和投资情况的对比，以选出最佳方案。2.2.1 三塔流程分析以工业上常用的一塔吸附，一塔再生，一塔冷却作为三塔流程的操作模式。表2-2 三塔方案时间分配表吸附器08h816h1624h重烃吸附床A吸附加热冷却重烃吸附床B冷却吸附加热重烃吸附床C加热冷却吸附在三塔方案中，加热炉连续工作，并且冷吹再生时间长，期间的加热，冷却功率相对较小。2.2.2 二塔流程分析表2-3 二塔方案时间分配表吸附器08h816h重烃吸附床A吸附加热/冷却重烃吸附床B加热/冷却吸附由表2-3可以看出，吸附剂两塔脱重烃装置运行时，始终保持一塔处于吸附状态，另一塔处于再生状态。因此，加热炉操作不连续，点火，停炉频繁，不利于装置的长周期、平稳运行，且会造成一定的热损失。2.2.3 三塔与两塔流程比较两塔较三塔流程流程简单，吸附时间长，能耗大大降低，且减少一座吸附塔，大大节约了设备采购费用，由于设备数量的减少，操作维护费用也将大大降低。同时，由于减少了设备，工艺管线的数量，实际上也相应削减了管线，设备穿孔泄露的风险，提高了安全可靠性。且吸附、再生、冷却过程为密闭过程，对环境污染小。且选用两塔流程仍有扩建空间，由于废气中重烃随工况的变化会有一定的改变。若重烃含量增大，此时可对现有吸附剂装置进行改造，在原来两塔的基础上再增加一台同规模的吸附剂吸附塔。将“两塔流程”改为“三塔流程”。同时增加配套的自控系统，以完成扩建。综上所述，本工艺选择两塔流程来作为硅胶脱重烃的装置。2.3 吸附剂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。硅胶是具有三维空间网状结构的氧化硅干凝胶，属多孔性固体物质，孔分布范围广，具有很大的比表面积，表面覆盖有大量的硅烷醇基(Si-OH)，具有一定的活性。可以作为干燥剂、吸附剂、催化剂及催化剂的载体等，被广泛应用于工业生产中。硅胶的生产虽然大都经过凝胶、洗涤、干燥这一共性，但具体到某一类型胶，又有工艺各异，相互区别的个性。吸附树脂是人工合成的孔性高分子聚合物吸附剂，是在离子交换树脂的基础上发展起来的，故为合成离子交换剂的一种。与一般离子交换剂的区别在于吸附树脂一般不含离子交换基团，其内部有丰富、畅通的分子大小的通道。吸附树脂化学稳定性好，耐酸，耐碱和有机溶剂。按极性大小不同，吸附树脂可分为非极性、中极、极性和强极性四种类型。吸附树脂都有较大的比表面积和适宜的孔径。综上，从孔径和孔容的角度来讲，硅胶的孔径和孔容都比较大，因此其对于重烃来讲具有较大的吸附容量，脱附条件上看分子筛和硅胶都具有较好的脱附性能。硅胶的孔隙壁面对重烃分子与的吸附作用力相对较弱，应当更容易再生。基于这一事实，我们选定硅胶类吸附剂来进行脱重烃。2.3.1 硅胶的分类在工业中常用的硅胶型号为：A型、B型和C型。2.3.1.1 A类硅胶 A类硅胶（细孔硅胶）为无色或微黄色透明状玻璃体，它的基本质量参数如下：比表面积为420m2/g，平均孔径为3.5nm.用途：适用于干燥，防潮，防锈。可防止仪器，仪表，武器弹药，电器设备，药品，食品，纺织品及其他各种包装物品受潮，也可用做催化剂载体以及有机化合物的脱水精制。因其具有堆积密度高和低湿度下吸湿效果明显的特点，可以用作空气净化剂以控制空气湿度。在海运途中也有广泛的应用，因为货物在运输过程中常因湿度大而受潮变质，用该产品可有效的去湿防潮，使货物的质量得到保障。细孔硅胶还常用于两层平行密封窗板之间的除湿，可保持两层玻璃的通明度。图2-1 A类硅胶2.3.1.2 B类硅胶B型硅胶为乳白色透明或半透明球状或块状颗粒。B型胶孔结构介于粗孔硅胶、细孔硅胶之间,比表面积为500 m2/g，平均孔径为5nm图2-2 B类硅胶2.3.1.3 C类硅胶粗孔硅胶又叫C型硅胶，是硅胶的一种，是一种高活性吸附材料，非晶态物质，其化学分子式为mSiO2nH2O。C类硅胶：比表面积为280m2/g，平均孔径为8nm。不溶于水和任何溶剂，无毒无味，化学性质稳定，除强碱、氢氟酸外不与任何物质发生反应。粗孔球形硅胶主要用于气体净化剂、干燥剂及绝缘油的除酸剂等；粗孔块状硅胶主要用于催化剂载体、干燥剂、气体和液体净化剂等。2.3.2 B类硅胶与A、C类硅胶的比较在0.5MPa压力下，保持100ml/min流量，分别测定A、B、C三种吸附剂的穿透曲线，结果如图所示。吸附剂B的分离性能好，因为C5的穿透时间最长，达到 4310s左右，C4与C5的穿透时间相差为 2290s。这是由于吸附剂B的比表面积和孔容均最大。 图2-4 A类硅胶图2-5 C类硅胶 图2-6 B类硅胶2.3.3 确定本工艺所需的硅胶因此综上考虑，本工艺的脱重烃装置拟采用B类硅胶。外购自青岛海洋化工集团特种硅胶厂。2.3.4 吸附剂脱重烃的具体计算（以T0101A吸附塔）为例2.3.4.1 吸附剂脱重烃工艺参数1）处理量为16794Nm3/h（30，1.2bar）。2）吸附周期T=8h3）吸附剂有效吸附容量：根据B类硅胶典型吸附量取11kgC5/100kg吸附剂。4）按废气中重烃全部脱去考虑，需脱重烃量为718.8kg/h（30，1.2bar）.单塔吸附操作周期为8h，总共脱重烃为5750.4kg。则操作条件下（30，7bar）气体量2878.97m3/h。工况下密度为g=0.7kg/m3。所以气体的质量流量为12091.674kg/h。5）已知b=680kg/m3。Dp=0.003m。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-允许的气体质量流速，kg/(m3.s) C-系数。气体自上向下流动，取0.250.32；自下向上流动，取0.167； b-分子式的堆积密度，kg/m3； g-气体在操作条件下的密度，kg/m3； Dp-吸附剂的平均直径（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3m2.3.4.2 吸附器高径比计算废气的摩尔流量为799.561kmol/h操作周期T=8h，总共脱重烃5750.4kg吸附剂有效吸附容量取11kgC5/100kg吸附剂，吸附塔需装吸附剂其体积为。床层高，高径比约为。2.3.4.3 再生热负荷计算以经过加热后的甲烷、轻烃混合气作为再生气，考虑到吸附剂的使用寿命以及再生效果，取再生温度为150。吸附剂床层吸附终了后温度t=35。床层再生温度是。预算在125时，硅胶比热为0.63kJ/kg，钢材（采用Q345R)比热为0.5kJ/kg，瓷球比热为0.88kJ/kg。吸附器筒体是压力容器，预先估计其包括器内附属设备的质量约重390240kg，床层上下各铺150mm瓷球，瓷球堆密度2200kg/m3,共重4554kg。再生加热所需的热量为Q，则：Q=Q1+Q2+Q3+Q4式中 Q1-加热吸附剂的热量，kJ； Q2-加热吸附器本身（钢材）的热量，kJ； Q3-脱附吸附重烃的热量，kJ； Q4-加热铺垫的瓷球的热量，kJ。式中m1，m2，m3，m4分别是吸附剂的质量，吸附器筒体及附件等钢材的质量、吸附C5的质量和铺垫的瓷球的质量。2.35kJ/kg是C5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，则加10%的热损失，则。对于双塔流程，则加热再生吸附床可取为5h（为操作周期的1/25/8)。则每小时的加热量2.3.4.4 再生气量计算设t2=100是再生加热结束时的气体出口温度，t3=150为再生气进吸附器的温度。再生气温降:117.5再生气在125时的平均比热为2.23 kJ/kg.每千克再生气放出热量（kJ): 每小时需要再生气：2.3.4.5 冷却气量床层温度自125降到35，则冷却热负荷如下： 共计Q=20885526kJ设冷却时间为3小时，每小时移去热量加热器由加热的温度t2冷却到t1平均温度冷却气温差，冷却气平均比热在80是2.23kJ/kg.，每小时需冷却气量。2.3.4.6 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17547kg/h，M=23.70。其体积量是： (0，101325Pa）。操作时体积为(125，1.5MPa）空塔流速（125，1.5MPa）用式进行核算。其中C=0.25，得需要空塔截面积，现为6.9m2，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6.9m2，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11.86m2，足够。2.3.4.7 再生加热气热负荷计算根据工艺流程进加热炉再生气温度为45，出加热炉气体温度比进吸附器温度再高15，即165。本设计采用燃料炉加热式中： n到达转效点时间，h；吸附剂的堆密度，kg/m3;选用的分子式有效吸附量，%；整个床层长度，m；q床层截面积的负荷，kg/(m2.h)；=680kg/m3；x=11% ；hT=15.3m；q=720/6.9=104kg/(m2h)符合设计周期8小时的要求。2.3.4.9 吸附传质区长度hz的计算式中：hz吸附传质区长度，m； A系数，分子筛A=0.6，硅胶A=1，活性氧化铝A=0.8； q床层截面积的负荷，kg/(m2h)； vg空塔线速，m/min;用GPSA工程数据手册（2013版）计算：式中：hz吸附传质区长度，m； vg 空塔线速，m/min； Z =3.4(对3mm直径的吸附剂）2.3.5 吸附剂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，Q345R的最大许用应力为t=189MPa。腐蚀余量C2=2mm。该吸附塔操作温度为35，取计算温度为40。操作压力为7bar，取计算压力为10bar。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；计算厚度设计厚度已知钢板腐蚀余量C2=2mm；负偏差C1=0.3mm，则：名义厚度n=d+C1圆整得9mm。2.3.6 计算一览表表2-9 吸附剂计算结果一览表位号吸附器尺寸（m）（直径高）再生气量（kg/h）冷却气量（kg/h）所需吸附剂量（kg）T0101A315.31754769375.655276T0101B315.31754769375.655276第三章 脱重烃的控制与模拟3.1 投运准备投运时吸附剂床层已