吸附法脱水专题知识

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差异而使其分离方法。1.吸附过程分类按流体分子与吸附剂表面分子作用力不一样可分为二类：①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，提升温度有利于脱附。吸附剂可循环使用。②化学吸附（剩下力场，剩下价力）特点：吸附热大，靠近于化学反应热。被吸附分子最少会发生变形，可逆性小，这种过程极少用于混合物分离。吸附法脱水专题知识第1页吸附作用：因为吸附剂固体表面力作用而产生。脱附作用：因为吸附质分子在吸附剂表面上热运动而形成。当吸附速率＝脱附速率时，即到达了吸附平衡。

当吸附剂用于天然气脱水时，吸附剂吸附水量又称为吸附剂湿容量。固体吸附剂吸附容量(或湿容量)与被吸附气体特征和分压、固体吸附剂持性、吸附剂比表面积和孔隙率以及吸附温度等相关。吸附质与吸附剂表面之间吸引力主要决定于气体和固体表面特征，故吸附容量可因吸附质一吸附剂体系不一样而有很大差异。2.吸附平衡吸附法脱水专题知识第2页天然气脱水过程对吸附剂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惯用吸附剂吸附法脱水专题知识第3页①必须是多孔性、含有较大吸附比表面积物质。用于天然气脱水吸附剂比表面积—般都在500—800m2／g，比表面积越大，其吸附容量(或湿容量)越大。②对流体中不一样组分含有选择性吸附作用，亦即对要脱除组分含有较高吸附容里。③含有较高吸附传质速度，在瞬间即可到达相间平衡。④能简便而经济地再生，且在使用过程中能保持较高吸附容量，使用寿命长。天然气脱水过程要求吸附剂应含有以下特征吸附法脱水专题知识第4页⑤工业用吸附剂通常是颗粒状。为了适应工业应用要求，吸附剂颗粒在大小、几何形状等方面应含有一定特征。比如，颗粒大小适度而且均匀，同时含有很高机械强度以预防破碎和产生粉尘(粉化)等。

⑥含有较大堆积密度。⑦有良好化学稳定性、热稳定性以及价格使宜、原料充分等。当前，在天然气脱水中主要使用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，应依据工艺要求进行经济比较后，选择适当吸附剂。吸附法脱水专题知识第5页一、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天然铝土(主要成份是Al2O3)经过加热活化而成。它优点是成本低，有液态水存在时不会破碎，能提供一定露点降。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、多孔和无定形氧化铝。其比表面积可达250m2/g以上。近年来问世高效活性氧化铝能使气体水露点可低达-100℃。但其再生时耗热量较硅胶高，能吸附重烃且不易脱除。另外，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。活性氧化铝湿容量很大，惯用于水含量大气体脱水。吸附法脱水专题知识第6页二、硅胶和硅石球1.硅胶硅胶是一个晶粒状无定形氧化硅，分子式为SiO2·nH2O。采取硅胶脱水普通可使天然气露点达-60℃。用于天然气脱水硅胶很轻易再生，再生温度较分子筛低。当硅胶吸附天然气中水份时，其量可达本身质量50％。但吸水时放出大量吸附热，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，比如美孚企业吸附球(Sorbead)，有R型和H型两种，由97％SiO2和3％Al2O3组成。它吸附容量与硅胶基本相同，但因其堆积密度略大，因而单位体积处理能力也对应大一些。吸附法脱水专题知识第7页

1.分子筛吸附剂化学组成当前惯用分子筛系人工合成沸石，是一个硅铝酸盐晶体，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AlO4四面体中多出负电荷。分子筛化学结构式以下：三、分子筛其中，M－金属离子，能够是K＋、Na＋、Ca＋等

n－离子价数；X－称为硅铝比吸附法脱水专题知识第8页

含有许多排列整齐，大小均一孔道。孔道之间经过孔口相互联结，孔口大小与分子大小相近。分子筛类型硅铝比(X)不一样,分子筛类型不一样,分为A、X、Y型分子筛；金属离子不一样，分子筛孔口直径不一样，同类分子筛又有不一样牌号；比如：3A，4A，5A型分子筛等。对不一样类型分子筛可总结为：2.分子筛结构特点：吸附法脱水专题知识第9页分子筛类型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＋＋分子筛两种效应：①筛分效应：有效直径小于孔口分子才可进入孔道被吸附。②吸附效应：进入孔道分子照极性强弱去吸附。3.不一样类型分子筛吸附法脱水专题知识第10页

（1）含有很好吸附选择性：

3A分子筛（平均孔径3Å，1Å

＝10-10m)

只允许H2O（2.7Å

～3.1Å

）、CH4直径小于3Å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4Å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。惯用于正、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，只靠极性差异吸附）不作为干燥吸附剂用。

4.分子筛用作干燥剂时特点吸附法脱水专题知识第11页

（2）含有很高吸附性能：在很低水蒸汽分压下仍有较大吸附容量，可使干燥后气体中水含量到达1ppm以下,相当于气体露点为-101℃。（3）湿容量随温度改变很小：分子筛经重复再生后，其湿容量能够基本保持不变。而硅胶和氧化铝湿容量在23→59℃时，则下降约50％，屡次再生后，可下降2／3。（4）使用寿命较长：因为分子筛可有选择性地吸附水，可防止因重烃共吸附而使吸附剂失活，故可延长分子筛寿命。（5）分子筛不易被液态水破坏因为分子筛不易被液态水破坏。故可用于有液态水气体脱水。

吸附法脱水专题知识第12页四、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，湿气先经过硅胶或活性氧化铝床层，再经过分子筛床层；当前．天然气脱水普遍使用活性氧化铝和4A分子筛串联双床层，其特点以下所述。（1)既能够降低投资，又可确保干气露点。(2)活性氧化铝可作为分子筛保护层。当气体中携带有液态水、液烃、缓蚀剂及胺类化合物时，位于上部床层活性氧化铝除用于气体脱水外，还可作为下部分子筛床层保护层。吸附法脱水专题知识第13页（4）活性氧化铝价格较低，活性氧化铝价格不但比4A分子筛低，而且比湿溶量相同硅胶(在t≤30℃时与活性氧化铝含有相同平衡湿容量)也低。因为活性氧化铝与4A分子筛组成复合固体吸附剂床层含有以上持点，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吸附热比分子筛要低，故其再生时能耗也低。吸附法脱水专题知识第14页第二节固定床吸附过程特征及计算吸附剂床层内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吸附法脱水专题知识第15页设:湿天然气中水浓度为C0;吸附床内水原始浓度为零；床层内水被吸附过程以下列图。一、吸附剂床层内吸附过程吸附波吸附法脱水专题知识第16页透过曲线吸附法脱水专题知识第17页二、几个概念1.吸附负荷曲线（吸附波）：在吸附剂床层中，吸附质沿床层不一样高度浓度改变曲线，称为吸附负荷曲线或吸附波。2.破点：床层出口气体中水浓度刚才开始发生改变（上升）点（tb),称为破点。3.透过(穿透)曲线：从“破点”到整个床层到达饱和时，床层出口端气体中水浓度随时间改变曲线，叫透过曲线。4.吸附剂平衡吸附（湿容）量：当床层到达完全饱和时，吸附剂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：吸附过程到达“破点”时，吸附剂吸附量叫动态（穿透）吸附量。吸附法脱水专题知识第18页式中：X－吸附剂有效湿容量，kg水／100kg吸附剂；

Xs－吸附剂平衡湿容量，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饱和度为0.55三、吸附过程计算

1.吸附剂有效湿容量：在天然气吸附脱水过程中，吸附剂有效吸附量计算公式以下：吸附法脱水专题知识第19页在长久运行中，吸附剂湿容量会逐步降低。所以，在进行吸附器设计时，为确保天然气脱水深度，应取一个比平衡湿溶量低值，称其为设计湿溶量。吸附剂湿容量下降原因有：①高温老化：再生过程吸附剂在水蒸气和热作用下，引发微孔结构改变，内表面积减小。这种作用在用新鲜吸附剂时很显著，以后改变逐步平缓。②不可逆吸附：主要是吸附剂吸附了一些不易挥发物质（吸收油、压缩机油、醇醚类化合物）以及元素硫等。阻塞了晶格内部通道。所以，在吸附器设计时，应选择适当湿容量，使吸附剂在使用后期仍能到达要求脱水效果。2.吸附剂设计湿容量：吸附法脱水专题知识第20页

吸附剂

设计是容量（g-H2O/100g-吸附剂)活性氧化铝4-7硅胶7-9

A型分子筛9-12

3.吸附传质区长度

吸附传质区长度hZ与湿气组成、流量、相对湿度及吸附剂装填量等相关，计算公式见式5－3设计干燥器时推荐湿容量：吸附法脱水专题知识第21页式中hZ－吸附传质区长度，m；q－吸附床层截面积水负荷,g/(hr.m2)Vg－吸附床层允许空塔速度，m/min,见图5－15

Rs－进料湿气相对湿度，％；A－吸附常数，对与分子筛为0.6。q计算公式以下式中G1－吸附剂吸附水量，kg/dD－吸附剂床层直径，m吸附法脱水专题知识第22页

1．吸附剂床层长度确实定已知湿气在操作状态体积流量(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’。

依据容器直径系列标准，标准化为D四、干燥器工艺计算吸附法脱水专题知识第23页

2.分子筛装填高度（hT)

式中G1－吸附剂吸附水量，kg/h；τ－周期时间，h;ρB－吸附剂堆积密度，kg/m3；X－吸附剂设计湿容量，kg-水／100kg吸附剂；

D－标准化后床层直径，m。当吸附波前沿到达床层底部切换再生时，则床高H＝hT吸附法脱水专题知识第24页D/H过大,则D相对大,轻易产生气流分布不均及传质区高度靠近床高,易短路;而D/H过小，则床层过高，床阻力过大。普通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）吸附法脱水专题知识第25页

选好干燥器壳体直径后，除应按计算出吸附剂床层实际直径确定实际床层长度等外,还应按下式核实床层实际透过时间。式中θB－床层实际透过时间，h；H－床层实际长度，m。q－吸附床层截面积水负荷,g/(hr.m2);

计算出实际透过时间应大于或等于原先确定吸附周期时间。

5.气体流过吸附剂床层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压降（Δp)是否合理（＜35kPa)。压降可按以下公式计算。4.核实透过时间吸附法脱水专题知识第26页式中Δp——气体流过床层压降，kPaH——吸附剂床层长度。m；μg——气体在操作状态下粘度，mPa.SVg——气体实际空塔流速，m／minB、C——常数，与吸附剂颗粒形状相关，可由表5—10查得；吸附剂颗粒类型Φ3.2mm球状Φ3.2mm条状Φ1.6mm球状Φ1.6mm条状B4.1555.35711.27817.660C0.001350.001880.002070.00319表5－10吸附剂颗粒类型常数吸附法脱水专题知识第27页

经过计算确定：再生气量；再生气加热负荷；冷却气量；冷却热负荷。

1.再生气选择依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，将吸附器加热到一样温度，采取湿气作再生剂时，脱水操作中出口干气露点相对较高。比如，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水露点是-76℃；而用湿气作再生器时，脱水操作中出口干气水露点上升到-39℃。为使吸附剂再生完全，确保出口干气较低露点，普通是用干气作再生气。

2.加热过程总热负荷和再生气量计算加热过程曲线见图5－9五、再生过程工艺计算吸附法脱水专题知识第28页吸附法脱水专题知识第29页A阶段：升温、烃脱附。认为烃在TA＝（T1＋T2）／2下脱附；

B阶段：水脱附，认为全部水在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。总热负荷包含：①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

②潜热负荷：轻烃、水、重烃等全部吸附物脱附热。水在氧化铝和硅胶上脱附热为778KCal/kg;在分子筛上脱附热为1000KCal/kg；烃在硅胶、氧化铝和分子筛上脱附热均为111KCal/kg。由图5－9可知，吸附器再生、冷却过程主要四个阶段：吸附法脱水专题知识第30页计算步骤为①计算加热过程总负荷→②确定适当加热时间（θh)，计算再生气所提供热负荷（包含未知数再生气量）→③使以上两步计算值相等求出再生气量→④取与加热过程相同气量，计算冷却过程时间(θc)→⑤判断θh+θc≤τ(吸附周期),不然适当增加加热过程时间,对应增加再生气流量,重复②→⑤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5－23.再生冷却过程再生气量计算步骤吸附法脱水专题知识第31页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吸附法脱水专题知识第32页

1.采取湿气（或进料气）作再生气。一、固体吸附剂脱水工艺流程特点：①再生器用量约占进料量5％～10％；②因为采取湿气作再生气，脱水操作中干气露点仅能到达约为-39℃；③因为脱水干燥时干燥器内气速很大，为降低床层扰动，原料气自上而下经过床层。吸附法脱水专题知识第33页2.采取干气作再生气

特点：（1）因为用干气再生，出口干气露点可降低至-100℃以下；（2）再生操作时，再生气自下而上，其原因是：①预防床层下部重新被水污染；②可使床层下部再生更完全，以确保天然气露点要求；③即使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，起到再生气作用。吸附法脱水专题知识第34页

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。对于含水量较高天然气，易采取较短周期；对于含水量较低天然气，易采取较长周期。通常取吸附周期8～二十四小时。

2.吸附温度：依