天然气脱水固体吸附法x.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,一、吸附脱水原理和工艺过程,吸附是用多孔性固体吸附剂处理气体混合物，使其中一个或各种组分吸附于固体表面上，其它不吸附，从而到达分离操作。,1.基本原理,天然气脱水固体吸附法x,第1页,水是一个强极性分子，分子直径,（2.76,3.2）,很小。不一样多孔性固体孔径是不一样，孔径大于3.2,，都能够吸附水。吸附能力大小与各种原因相关，主要是固体表面力。,1.基本原理,天然气脱水固体吸附法x,第2页,2.吸附类型,依据表面力性质可将吸附分为两大类型：,物理吸附,化学吸附,天然气脱水固体吸附法x,第3页,（1）物理吸附,物理吸附是指流体中被吸附分子与吸附剂表面分子间为分子间吸引力范德华力所造成，其吸附速度快，吸附过程类似于气体凝聚过程。,天然气脱水固体吸附法x,第4页,物理吸附当气体压力降低或系统温度升高时，被吸附气体能够轻易地从固体表面逸出，而不改变气体原来性质，这种现象称为脱附。,吸附和脱附为可逆过程，工业上利用这种可逆性，借以改变操作条件，使吸附物质脱附，到达使吸附剂再生、回收或分离吸附质目标。,（1）物理吸附,天然气脱水固体吸附法x,第5页,化学吸附类似于化学反应。吸附时，吸附剂表面未饱和化学键与吸附质之间发生电子转移及重新分布，在吸附剂表面形成一个单分子层表面化合物。吸附中将放生吸附热。,（2）化学吸附,天然气脱水固体吸附法x,第6页,化学吸附含有选择性，它仅发生在吸附剂表面，且吸附速度较慢，是不可逆过程。要很高温度才能把吸附分子释放出来，而且释放出来气体常已发生化学改变，不复呈原有性质。为了提升化学吸附速度，经常采取升高温度方法。,（2）化学吸附,天然气脱水固体吸附法x,第7页,脱水吸附操作方式,在天然气脱水装置大多是采取半连续操作，即固定床吸附,。,天然气脱水固体吸附法x,第8页,4.吸附传质过程,图7-27 吸附转效曲线,天然气脱水固体吸附法x,第9页,5.再生方法,对固定床气固吸附而言，主要有三种再生方法：,（1）温度转换再生法：,加热再生完全后，吸附剂需要冷却。,天然气脱水固体吸附法x,第10页,温度转换再生法示意图,天然气脱水固体吸附法x,第11页,（2）压力转换再生法：,（3）冲洗解吸再生法：其原理是用某种适当气体冲洗吸附剂床层，到达解吸而再生目标，升高温度或降低压力都有利于冲洗解吸。,5.再生方法,天然气脱水固体吸附法x,第12页,二、惯用固体吸附剂性质,宏大比表面积；,传热速度快；,很强选择性；,能简便和经济地再生；,较高机械强度和稳定化学性质。,1.工业吸附剂应具备性能,天然气脱水固体吸附法x,第13页,2.惯用吸附剂,当前工业上惯用吸附剂有,活性氧化铝、硅胶、分子筛和活性炭,等。其中除活性炭外，都能够应用于天然气脱水。,天然气脱水固体吸附法x,第14页,4.惯用吸收剂性质,在天然气脱水中惯用吸附剂有三种：,活性氧化铝；,硅胶；,分子筛。,其主要物性如表7-4所表示。,天然气脱水固体吸附法x,第15页,表7-4 惯用吸附剂物性,天然气脱水固体吸附法x,第16页,（1）活性氧化铝,活性氧化铝是一个多孔、吸附能力较强吸附剂。对气体、蒸气和一些液体中水分有良好吸附能力，再生温度175315。国外天然气脱水惯用活性,Al,2,O,3,有,F-1,型粒状、,H-151,型球状和,KA-201,型球状三种，其化学组成如表5-3-2所表示。,天然气脱水固体吸附法x,第17页,表7-5 经典活性氧化铝组成,天然气脱水固体吸附法x,第18页,活性氧化铝吸附剂特点,经活性氧化铝吸附脱水后，油田气露点最高点可达-73；,但再生时消耗热量多，选择性差，易吸附重烃，呈碱性，不宜处理含酸性气体较多天然气。,天然气脱水固体吸附法x,第19页,(2)硅 胶,硅胶是粉状或颗粒状物质，粒子外观呈透明或乳白色固体。分子式为,mSiO,2,nH,2,O，,它是用硅酸钠与硫酸反应生成水凝胶，然后洗去硫酸钠，将水凝胶干燥制成。其经典组成如表7-6所表示。,天然气脱水固体吸附法x,第20页,表7-6 经典硅胶组成,天然气脱水固体吸附法x,第21页,硅胶吸湿量可到达40%左右。按孔隙大小，分成细孔和粗孔两种。粗孔硅脱比表面积（35）10,2,m,2,/g，,细孔硅胶约为（67）10,2,m,2,/g。,天然气脱水用是细孔硅胶，平均孔径2030,。,硅胶吸附水蒸气性能尤其好，且含有较高化学和热力稳定性。但硅胶与液态水接触很易炸裂，产生粉尘，增加压降，降低有效湿容量。,(2)硅 胶,天然气脱水固体吸附法x,第22页,（3）分子筛,分子筛是含有骨架结构碱金属硅铝酸盐晶体。是一个,高效、高选择性,固体吸附剂。其分子式以下：,M,2/n,O,Al,2,O,3,x,SiO,2,y,H,2,O,M,一些碱金属或碱土金属离子，如,Li、Na、Mg、Ca,等；,n,M,价数；,x,SiO,2,分子数；,y,水分子数。,天然气脱水固体吸附法x,第23页,分子筛通常分为,X,型和,A,型两类。它们吸附机理是相同，区分在于晶体结构内部特征。,A,型分子筛含有与沸石结构类似结构物质，全部吸附均发生在晶体内部孔腔内。,（3）分子筛,天然气脱水固体吸附法x,第24页,X,型分子筛能吸附全部能被,A,型分子筛吸附分子，而且含有稍高容量。13,X,型分子筛中吸附象芳香烃这么大分子。,（3）分子筛,天然气脱水固体吸附法x,第25页,表7-7 惯用分子筛性能表,天然气脱水固体吸附法x,第26页,含有选择性。,含有深度脱水特征。露点降大。,对极性分子含有很强吸附性。,在较高温度下依然含有较强吸附性。,分子筛主要特点,天然气脱水固体吸附法x,第27页,天然气脱水固体吸附法x,第28页,天然气脱水固体吸附法x,第29页,5.吸附剂选取,吸附法脱水时，应依据工艺要求作技术经济比较，选择适当吸附剂；,分子筛脱水宜用于要求深度脱水场所（1,ppm,以下），分子筛宜采取4,A,型或5,A,型。,天然气脱水固体吸附法x,第30页,当日然气露点要求不很低时，可采取氧化铝或硅胶脱水。氧化铝不宜处理酸性天然气。,低压气脱水，宜用硅胶（或氧化铝）与分子筛双层联合脱水。,5.吸附剂选取,天然气脱水固体吸附法x,第31页,三、吸附脱水流程及主要参数,当前用于天然气吸附脱水装置多为固定床吸附塔。为确保装置连续操作，最少需要两个吸附塔。工业上经常采取双塔流程（图7-31）和三塔流程（图7-32）。,1.吸附法脱水流程,天然气脱水固体吸附法x,第32页,1在吸附干燥器；2在再生(包含热吹和冷吹)干燥器；3程序切换阀；,I,含水天然气；,II,脱水后天然气；,III,热(冷)吹气入口；,IV,热(冷)吹气出口,图7-31 两台吸附器运行图,天然气脱水固体吸附法x,第33页,1在吸附吸附器；2在热吹吸附器；3在冷吹吸附器；4程序切换阀；,I,含水天然气入口；,II,脱水后天然气出口；,III,热吹气入口；,IV,热吹气出口；,V,冷吹气入口；,VI,冷吹气出口,图7-32 三台吸附器时运行图,天然气脱水固体吸附法x,第34页,图7-33 吸附脱水原理流程图,天然气脱水固体吸附法x,第35页,2.吸附法脱水工艺参数,吸附法脱水工艺主要由吸附操作和再生操作组成，其操作参数应按照原料组成、气体露点要求、吸附工艺特点等给予综合比较确定。,天然气脱水固体吸附法x,第36页,（1）吸附操作温度,为了使吸附剂能保持较高湿容量，除分子筛外，其它各种吸附剂操作温度不宜超出38，最高不能超出50，不然应考虑使用分子筛作吸附剂。,进床层原料气温度不宜过高，最高不超出50,。,天然气脱水固体吸附法x,第37页,（2）吸附操作压力,压力对吸附剂湿容量影响甚微，所以，吸附操作压力可由工艺系统压力决定，但在操作过程中,应注意压力平稳，防止波动。,若吸附塔放空过急，床层截面局部气速过高，会引发床层移动和摩擦，甚至吸附剂颗粒会被气流夹带出塔。,天然气脱水固体吸附法x,第38页,（3）吸附操作周期,吸附周期应依据气中含水量、空塔流速、床层高径比（不应小于1.6）、再生能耗、吸附剂寿命作技术经济比较，普通为8,h24h。,天然气脱水固体吸附法x,第39页,确定吸附脱水操作周期应考虑确保吸附塔有足够再生和冷却时间。对操作周期为8小时双塔流程：,加热时间：4.5小时；,冷却时间为3小时；,备用和切换时间：0.5小时。,（3）吸附操作周期,天然气脱水固体吸附法x,第40页,（4）再生气源和流量,再生气和冷吹气宜用净化后干天然气。二者都应回收。,大约为总原料湿气体5%15%，由详细操作条件而定。再生气体流量应足以确保在要求时间内将再生吸附提升到要求温度。,天然气脱水固体吸附法x,第41页,（5）再生温度和冷却,再生气入口温度应依据吸附剂类型和脱水深度确定：,分子筛入口温度为232315；硅胶入口温度：234245,；,氧化铝入口温度介于硅胶与分子筛之间而靠近于分子筛。,对两塔流程冷却床层气体普通与再生气流量相同，,冷却气出口温度宜在50 以下。,天然气脱水固体吸附法x,第42页,（6）吸附剂湿容量,静态吸附湿容量在指定温度和湿度条件下测量，动态吸附容量参考以下数据：,氧化铝：47,kgH,2,O/100kg(,吸附剂),硅胶：79,kgH,2,O/100kg(,吸附剂),分子筛：912,kgH,2,O/100kg(,吸附剂),天然气脱水固体吸附法x,第43页,四、吸附脱水工艺计算,对于吸附脱水工艺计算主要是确定：吸附器直径、吸附剂用量和吸附床层高度、吸附剂湿容量、吸附操作周期、床层压降、再生负荷和再生气用量等。,天然气脱水固体吸附法x,第44页,1.吸附器直径,D,吸附器直径取决于适宜空塔流速，适宜高径比。实践证实，采取,雷督克斯半经验公式计算出空塔流速值,，然后用转效点核实是可行。此半经验公式以下：,天然气脱水固体吸附法x,第45页,G,允许气体空塔质量流速，,kg/,（,m,2,s,）,；,g,操作条件下气体密度，,k,g/m,3,；,b,吸附剂堆积密度，,kg/m,3,；。,d,p,平均颗粒直径，,m；,C,常数，气体自上而下流动,C,=0.25,0.32,，,气体自下而上流动,C,=0.167。,(7-38),1.吸附器直径,D,天然气脱水固体吸附法x,第46页,Q,m,气体质量流量，,kg/h,。,1.吸附器直径,D,天然气脱水固体吸附法x,第47页,GPSA推荐方法,GPSA,工程数据手册(1987版)推荐基于压降为0.33,psi/ft（7.53kPa/m）,时用图7-34计算分子筛允许空塔气速,V,g,(m/h)。,Q,v,气体体积流量，,m,3,/h,。,天然气脱水固体吸附法x,第48页,图7-34 分子筛吸附器允许空塔流速,天然气脱水固体吸附法x,第49页,2.吸附剂用量和床层高度,在知道吸附剂有效湿容量后，下式计算吸附剂用量,V,D,(m,3,)。,G,1,吸附剂脱出水量，,kg/h；,x,吸附剂有效湿容量，,kg,水,/100,kg,吸附剂；,吸附操作周期，,h。,天然气脱水固体吸附法x,第50页,吸附床层高度,h,T,(m),F,床层横截面积。,(5-3-11),天然气脱水固体吸附法x,第51页,3.传质区长度,h,z,(m),A,吸附剂系数，对于硅胶,A,=1,，,活性氧化铝,A,=0.8,，,分子筛,A,=0.6,；,q,吸附床层水负荷，,kg/(hm,2,),；,V,g,空塔气速，,m/min,；,进口天然气相对湿度，%,。,(7-39),天然气脱水固体吸附法x,第52页,吸附床层水负荷,q,kg/(hm,2,)：,3.传质区长度,h,z,(m),天然气脱水固体吸附法x,第53页,GPSA,气体加工工程数据手册（1987版）介绍一个吸附传质区长度,h,z,(m),计算方法：,V,g,一空塔气速，,m/min,；,Z,=3.4,（,对,3.2,mm,直径分子筛）；,Z,=1.7（,对1.6,mm,直径分子筛）。,(7-40),3.传质区长度,h,z,(m),天然气脱水固体吸附法x,第54页,4.吸附剂有效吸附容量,x,吸附剂有效吸附容量，,kg,水,/100,kg,吸附剂；,x,s,吸附剂动态平衡湿容量，,kg,水,/100,kg,吸附剂；,h,z,吸附传质区长度，,m,；,h,T,床层进口端距吸附传质段前沿长度，,m,。,天然气脱水固体吸附法x,第55页,当吸附操作在转效点结束时，未用吸附段床层高度为零，此时,h,T,即为床层总高度，而,x,为吸附剂转效点湿容量。常数0.45是一个均值，它是吸附段长度函数，其改变范围仅为0.400.52。假如,x,x,s,，,则,h,T,才能满足要求。,4.吸附剂有效吸附容量,天然气脱水固体吸附法x,第56页,5.气体压降,P,(kPa),GPSA,气体加工工程数据手册（1987版）推荐按修正埃尔根（,Ergun）,公式计算：,气体粘度，,mPas,；,g,气体密度，,kg/m,3,；,V,g,气体空塔流速，,mt/min；,B、C,常数，其值由表5-3-5给出。,(7-42),天然气脱水固体吸附法x,第57页,B,和,C,值,分子筛,B,C,3.2,mm,直径球形,4.155,0.00135,3.2,mm,圆柱条形,5.357,0.00188,1.6,mm,直径球形,11.278,0.00207,1.6,mm,圆柱条形,17.660,0.00319,天然气脱水固体吸附法x,第58页,吸附塔压降限制,吸附时气体经过床层压降宜小于0.035,MPa，,不宜高于0.055,MPa，,不然应重新调整空塔气速。,天然气脱水固体吸附法x,第59页,6.转效时间,B,（h）,验证转效时间,B,与确定吸附周期,是否一致。,(7-41),天然气脱水固体吸附法x,第60页,吸附塔计算步骤,计算吸附水量，选取吸附有效湿容量；,计算床层直径,D,，,圆整并确定外径；,计算吸附用量和床层总高度,；,计算压降，若,P,55kPa,，,则调整,D,，,重复计算；,校核吸附周期，若不符，则从开始重新计算。,天然气脱水固体吸附法x,第61页,7.吸附再生与冷却过程计算,普通吸附剂再生温度为175260。用分子筛时，再生温度可高至260370。脱水后干气露点可降至-100。再生操作压力通常与吸附操作压力相同，偶而采取较低压力再生以提升被吸附分子脱附能力。再生过程温度改变曲线。,天然气脱水固体吸附法x,第62页,再生过程温度改变曲线,天然气脱水固体吸附法x,第63页,吸附剂再生过程可划分为,A、B、C、D,四个阶段，在,A,阶段，烃类全部被脱附，水脱附集中在阶段,B，,阶段,C,主要去除重烃等不易脱附物质，增加再生后吸附剂湿容量，阶段,D,则冷却床层至吸附温度。,T,2,110，,T,3,127，,T,B,116，,T,4,175260。,再生气体温度和流量控制了每一阶段时间。,7.吸附再生与冷却过程计算,天然气脱水固体吸附法x,第64页,（1）再生气用量计算,再生加热所需热量为,Q,，,则,Q,1,加热分子筛热量，,kJ；,Q,2,加热吸附器本身(钢材)热量，,kJ；,Q,3,脱附吸附水热量，,kJ；,Q,4,加热铺垫瓷球热量，,kJ。,吸附器结构示意图如图7-37。,(7-43),天然气脱水固体吸附法x,第65页,图7-37 吸附器结构示意图,天然气脱水固体吸附法x,第66页,设吸附后床层温度是,t,1,，,热再生气进出口平均温度为,t,2,，,则：,(7-45),(7-44),(7-46),(7-47),天然气脱水固体吸附法x,第67页,m,1,、,m,2,、,m,3,、,m,4,分别是分子筛、吸附器筒体及附体等钢材、吸附水和铺垫物质量，,kg；,4186.8,是水脱附热，,kJ/kg；,C,p,1,，,C,p,2,，,C,p,4,分别为分子筛、吸附器筒体及附体等钢材、铺垫物定压比热，,kJ/(kg)；,式(7-44)式(7-47)符号意义,天然气脱水固体吸附法x,第68页,再生气用量,G,（kg/h）：,q,h,每,kg,再生气所放出热量，,kJ/kg；,h,再生加热时间，,h；,（1）再生气用量计算,天然气脱水固体吸附法x,第69页,C,p,再生气定压比热，,kJ/(kg)；,t,再生气温降，,。,（1）再生气用量计算,天然气脱水固体吸附法x,第70页,再生气温降（）：,t,2,再生加热结束时气体出口温度，；,t,3,再生气进吸附器时温度，；,t,1,吸附后床层温度，。,（1）再生气用量计算,天然气脱水固体吸附法x,第71页,（2）冷却气量计算,加热后床层温度很高，需通入干气冷却，必须冷却到原来吸附开始时温度，此值应比吸附正常进行时床层温度低36（即减去吸附热使床层温度升高温度）。,天然气脱水固体吸附法x,第72页,冷却吸附塔需移放热量,Q,c,是：,(7-48),（2）冷却气量计算,Q,=Q,1,+Q,2,+Q,4,吸附器由加热平均温度,t,2,冷却到,t,1,，,平均温度,天然气脱水固体吸附法x,第73页,冷却时，干气不经过加热炉。设干气初温是,t,a,。,每千克干气移去热量；,（2）冷却气量计算,总共需冷却气量,G,=Q,/q,C,分子筛对原料中,CO,2,吸附量很小，其脱附热可忽略不计,天然气脱水固体吸附法x,第74页,加热再生气加热炉热负荷：,普通取再生气出加热炉温度比,t,3,高,10,15,，加热炉热负荷,Q,。,式中,G,再生加热气量，,kg/h；,C,pm,平均比热，,kJ/(kg.)；,t,a,再生气进加热炉温度，。,（3）加热炉热负荷,Q,T,(kJ/h),天然气脱水固体吸附法x,第75页,（4）再生气空塔速度计算,再生时再生气压力标准上依据外输系统压力决定。经过吸附器压降普通在1020,kPa。,再生气空塔速度仍可按雷督克斯公式计算。,其中,C,值为0.167，再生气是自下向上流动，实践证实，依据上述公式计算结果，基本上符合实际操作情况。,天然气脱水固体吸附法x,第76页,GPSA,气体加工工程数据设计手册（1987）版）介绍用图7-35计算，,是以压降0.1,psi/ft(2.26kPa/m,床层)作出,。再生压力曲线只画到200,psia(1379kPa,绝)。再生压力在400500,kPa,也能够，只要空塔速度符合要求。再生压力低一些，对脱附更有利一些，只要满足外输干气压力要求就能够。,（4）再生气空塔速度计算,天然气脱水固体吸附法x,第77页,图7-35 再生气空塔速度计算图,天然气脱水固体吸附法x,第78页,7,4,脱水工艺选择,吸附法脱水优点,(1)脱水后，气体中水含量可低于1,ppm，,露点温度可达-70以下；,(2)对进料气温度，压力，流量改变不敏感，操作弹性大一些；,(3)操作简单，占地面积小。,吸附法脱水缺点：,(1)对于大装置，设备投资大，操作费用高；,(2)气体压降大于溶剂吸收脱水；,(3)吸附剂使用寿命短，普通使用三年就得更换，增加了成本；,(4),能耗高，低处理量时更显著。,天然气脱水固体吸附法x,第79页,7,4,脱水工艺选择,三甘醇吸收脱水优点：,(1)能耗小，操作费用低；,(2)处理量小时，可作撬装式，紧凑并造价低，搬迁和移动方便，预制化程度高；,(3)三甘醇使用寿命长，损失量小，成本低；,(4)脱水后干气露点可达-30左右，能满足浅冷回收轻烃凝液要求。,三甘醇吸收脱水缺点：,(1)干气露点温度高于吸附脱水，不能满足深冷回收轻烃凝液要求；,(2)原料气中携带有轻质油时，易起泡，破坏吸收；,(3)吸收塔结构要求严格，最好用泡帽塔。,天然气脱水固体吸附法x,第80页,