国内外天然气分子筛脱水工艺计算对比研究.pdf

第 60 卷第 4 期2023 年 8 月化工设备与管道PROCESS EQUIPMENT&PIPINGVol.60No.4Aug.2023仇放单元设备国内外天然气分子筛脱水工艺计算对比研究仇放（中国石油工程建设有限公司，北京 100120）摘 要：通过对比研究国内外现行 SY/T 00762008 和 GPSA engineering data book 中天然气分子筛脱水工艺计算，发现以下三点较大差别：（1）SY/T 00762008 在分子筛用量计算上的修正系数大于GPSA engineering data book，从而使分子筛用量和吸附塔钢材用量相应增加；（2）SY/T 00762008 没有再生气防沟流计算；（3）GPSA engineering data book 没有转效点的定量计算。通过对俄罗斯某天然气处理厂脱水吸附塔的工艺设计案例进行对比分析，发现 SY/T 00762008 和 GPSA 可以互用其转效点和防沟流计算，从而提高了工艺设计的准确性和可靠性，因此也建议在国标中加入再生气防沟流设计。关键词：分子筛；吸附脱水；工艺计算；转效点；沟流中图分类号：TE 977 文献标志码：A 文章编号：1009-3281（2023）04-0029-005收稿日期：2022-04-29作者简介：仇放（1988），男，高级工程师，硕士。主要从事油气田地面工程压力容器设计及 EPC 项目管理。从气井采出的天然气通常含有大量的饱和水蒸气和游离水，若不净化处理，会增加输气阻力，降低管线输送能力；使天然气流量计量不准；其与天然气中的二氧化碳，硫化氢等酸性气体结合还会腐蚀管线，因此必须对原料气进行脱水处理 1-2。油气田地面工程建设中天然气脱水的方法主要有甘醇吸收法脱水、低温法脱水、膜分离法、吸附法脱水 3-4。当下游要进行深冷处理（如提氦气），天然气原料气中微量的水含量会在低温工况下冻结，从而导致冷箱中的换热器堵塞，影响下游装置的正常运行 5-6，因此必须对原料气进行深度脱水，通常选用分子筛吸附脱水，其脱水深度可小于 10-6 mv 7-8。我 国 SY/T 00762008 天 然 气 脱 水 设 计 规范 9与美国气体加工工程数据手册（Gas Processors Suppliers Association Engineering Data Book，以下简称 GPSA）10是国内外天然气脱水工艺设计依据和执行标准，二者在工艺计算上既有相通之处，也有差异之处。以俄罗斯某天然气处理厂分子筛脱水吸附塔工艺设计为例，通过对比研究工艺计算，旨在找出国内外分子筛吸附塔设计的差异，进而为涉外项目的设计提供参考依据。1 工艺计算对比1.1 塔径和空塔流速吸附塔内径的确定是整个分子筛吸附脱水工艺计算的第一步，也是控制整套装置成本的关键点，塔径选取后会直接影响整个后续工艺计算。在 SY/T 00762008 中，塔径有两种计算方式，一是采用雷督克斯半经验公式计算空塔质量流速，再计算塔径，见式（1），二是分别采用每吸附周期的含水总量被吸附剂饱和吸附所需的吸附剂量计算塔径与天然气操作流量，空塔流速计算塔径，再取其平均值，见式（2）。Gg=（C B g Dp）0.5 （1）式中 Gg允许气体空塔质量流速，kg/（m2 s）；C 常 数，气 体 自 上 向 下 流 动，可 取C=0.25 0.32，气体自下向上流动，取C=0.167；g气体在操作状态下的密度，kg/m3；B吸附剂的堆叠密度，kg/m3；Dp吸附剂的平均直径，m。D=（D1+D2）/2D1=v1/（v2600.785）0.5 （2）D2=（0.509 295 8 Vw）1/3式中 D塔径初值，m；v1气体在操作状态下的流量，m3/h；v2允许空塔流速，m/min；第 60 卷第 4 期 30 化工设备与管道 Vw 每吸附周期的含水总量被吸附剂饱和吸附所需的吸附剂量，m3。在 GPSA 中，采用控制总压降的方式，用修正的 Ergun 公式来反算空塔流速 v2，见式（3），再用式（2）的 D1公式计算塔径，计算中将 P/H 控制在允许最大压降 7.5 kPa/m 以内。P/H=Bv2+Cv22 （3）式中 P压降，kPa；H床层总高度，m；B、C吸附剂粒子类型常数；气体黏度，Pa s。空塔流速主要受吸附剂填料特性，工作压力，原料气物性参数影响。空塔流速过大，会增加吸附塔压降，有压碎分子筛的风险，也会降低脱水效率 1。因此 SY/T 00762008 与 GPSA 在初选空塔流速时都要加以控制，二者允许的最大空塔流速建议值一致，见图 1。式中 Gw每吸附周期的含水量，kg；Css 水蒸气未饱和时分子筛湿容的修正系数，见图 2；CT分子筛湿容的温度修正系数，见图 3。图 1 分子筛脱水吸附塔允许空塔流速Fig.1 Allowable superficial velocity for mole sieve dehydrator工作压力/kPa允许空塔流速/（m h-1）1 2001 1001 00090080070060050040030020004 0002 0006 0001 0005 0003 0007 000 8 0003 mm 球形3 mm 条形1.5 mm 球形1.5 mm 条形1.2 吸附剂用量在 SY/T 00762008 中，吸附剂的用量计算见式（4）。Vw=1.3（G1）/（24Xs B）（4）式中 G1吸附剂脱除的水量，kg/d；吸附周期，h；Xs 吸附剂的动态饱和吸附量，kg（水）/kg（吸附剂）在 GPSA 中，新分子筛的吸附量接近 20%，而3 5 年的旧分子筛的吸附量降低为 13%，在计算分子筛用量时，选取 13%，其计算见式（5）。Vw=Gw/（0.13 Css CT B）（5）图 2 水蒸气未饱和时分子筛湿容的修正Fig.2 Mole sieve capacity correction for relative water saturation图 3 分子筛湿容的温度修正Fig.3 Mole sieve capacity correction for temperature温度/修正系数 CT1.000.950.900.850.800.750.704020609050803070相对湿度/%修正系数 Css1.000.980.960.940.920.900.880.860.840.820.800402060901050803070100当吸附剂的动态饱和吸附量取 0.13 kg（水）/kg（吸附剂）时，SY/T 00762008 与 GPSA 的差别在于修正系数，分别是 1.3 和 1/（CssCT）。从图 2 可知，相对湿度越低，吸附能力越弱，为了提高吸附性能，一般要求原料气在饱和水蒸气工况下进料且进料温度小于 50 ，对比可知 SY/T 00762008 修正系数比 GPSA 大，计算吸附剂量也大。1.3 床层高度与传质区吸附塔的床层分为三个部分，即饱和吸附区、吸附传质区和未吸附区。在 SY/T 00762008 中，床层计算高度和传质区长度计算见公式（6）和（7）。Ht=Vw/F （6）式中 Ht 吸附传质段前边线距床层进口端距离，2023 年 8 月 31 仇放.国内外天然气分子筛脱水工艺计算对比研究m；F床层的横截面积，m2。Hz=（1.41q0.789 5）/（v20.50 6Rs0.264 6）（7）式中 Hz吸附剂传质长度，m；Rs相对湿度，%；q 床 层 截 面 积 水 负 荷，kg/（h m2），q=0.053 05 G1/D2。在 GPSA 中，床层计算高度和传质区长度计算见公式（8）和（9）。Ht=Vw/F+Hz （8）Hz=（v2/640）0.3（z）（9）其中当分子筛为 3 mm 时，z 取 0.52 m，分子筛为 1.5 mm 时，z 取 0.26 m。对比可知，SY/T 00762008 床层高度是用分子筛总量推导出来的，GPSA 床层高度是分子筛总量推导出来的高度加上传质区的高度。1.4 压降SY/T 00762008 和 GPSA 均采用修正的 Ergun公式进行计算，见式（3）。床层压降宜小于或等于35 kPa，不宜高于 55 kPa。1.5 转效点转效点 B，用于验证是否与吸附周期 一致。GPSA 没有对转效点进行定量计算，在 SY/T 00762008 中转效点的计算见式（10）。B=（X B H）/q （10）式中 B转效时间，h；H床层总高度，m；X 有效吸附容量，kg（水）/kg（吸附剂），X=Xs Ht-0.45Hz Xs/Ht，当 X Xs时，Ht才满足工艺要求。1.6 再生气热负荷计算SY/T 00762008 和 GPSA 在再生气热负荷计算上均从吸附塔显热、吸附剂显热、水的脱附热和瓷球的显热出发，公式见（11）（14）。二者均取 10%的热损失加入到总热负荷中，但在 GPSA 中考虑了加热过程中床层进出口温差，额外加入了 2.5 的总热量修正系数；在 SY/T 00762008 中，没有列出额外的修正系数，因此建议考虑加入文献 5 的修正系数，（th-t1）/（t2-t1）/ln（th-t1）/（t2-t1），th为再生气进吸附塔床层的温度，。Qst=Gst C1（t2-t1）（11）Qsi=Gsi C2（t2-t1）（12）Qw=Gw H （13）Qc=Gc C4（t2-t1）（14）式中 Qst、Qsi、Qw、Qc 分别为吸附塔本身的显热，吸附剂的显热，水的脱附热，瓷球的显热，kJ；Gst、Gsi、Gw、Gc 分别为吸附塔钢材重量，吸附剂重量，每周期的吸附水量，瓷球重量，kg；C1、C2、C4 分别为钢材的平均比热，吸附剂的平均比热，瓷球的比热，kJ/（kg ）；H 水的脱附热，取 4 186.8 kJ/kg；t2、t1 分别为再生加热过程结束时床层的温度，再生加热过程开始时床层温度，。SY/T 00762008 在再生气热负荷计算中没有防再生气沟流的核算，而在 GPSA 中明确要求对再生气进行防沟流核算，将再生气流速代入修正的 Ergun公式（3）中，计算出再生气工况下的压降 P/H，并要求 P/H 压降大于 0.23 kPa/m 来防止流速过低产生沟流。2 案例分析俄罗斯某天然气处理厂脱水吸附塔技术参数见表 1，脱水后的原料气要进入深冷提氦装置，要求脱水深度达到 10-7 mv。再生气采用提氦后的干气，操作压力 6.4 MPa，其成分为 98.43%的甲烷，1.36%的氮气，0.06%的二氧化碳，0.15%的乙烷。用 ASPEN Plus V11 计算原料气和再生气的物性参数，其压缩因子、气体密度、摩尔质量、气体黏度分别为 0.856 8、1、61.72，24.13 kg/m3，17.90、16.24 kg/kmol，0.013、0.018 cP。SY/T 00762008和 GPSA 计算结果见表 2。从计算结果可知，SY/T 00762008 和 GPSA 在塔径与空塔流速计算上虽然采用不同的计算方法，其计算结果大体一致；在吸附剂用量计算上，由于二者选取的修正系数不一样，SY/T 00762008 的分子筛用量高，床层高度也大，与前一章节的理论分析一致；压降受床层高度，空塔流速影响，由于 SY/T 00762008 床层高度大于 GPSA，压降也较大；由于 GPSA无转效点核算，若用 SY/T 00762008 进行计算，计第 60 卷第 4 期 32 化工设备与管道表 1 技术参数表Table 1 Technical datas sheet工艺参数数值天然气成分体积分数原料气流量/（Sm3 h-1）450 000甲烷/（mol%）88.57操作温度/20乙烷/（mol%）4.83操作压力/MPa7.1丙烷/（mol%）1.27吸附周期/h12 h 吸附，6 h 再生，6 h 冷却丁烷/（mol%）0.47分子筛类型3A 球形戊烷/（mol%）0.11分子筛堆叠密度/（kg m-3）740氢气/（mol%）0.03分子筛饱和吸附量，相对湿度 80%及以上/%21.75氦气/（mol%）0.14再生气温度/250氮气/（mol%）4.47吸附流向自上而下二氧化碳/（mol%）0.06再生气流向自下而上C6+5.310-4冷却气流向自上而下甲醇1.510-5含水量8.210-4注：1标方指的是20 ，101.325 kPa工况下的1立方米天然气；：分子筛为德国Grace公司产品，其相关参数由Grace提供。算结果分子筛有效吸附容量为 0.123 1 kg （水）/kg（吸附剂），转效点为 13.21 h，满足设计要求；再生气校核中，SY/T 00762008 无防沟流校核，若采用GPSA 的方法进行校核，计算出 P/H 为 0.20 kPa/m，表 2 SY/T 00762008 和 GPSA 计算结果Table 2 Calculation for SY/T 00762008 and GPSA类别SY/T 000762008数值GPSA数值工艺参数工艺参数塔径与空塔流速质量流速 Gg/（kg m-2 s-1）6.51 P/H/（kPa m-1）7.50 初选空塔流速/（m s-1）0.105 5 初选空塔流速/（m s-1）0.152 8计算塔径/m3.585 0计算塔径/m3.548 2圆整后塔径 D/m3.60 圆整后塔径 D/m3.60 空塔流速/（m s-1）0.148 5 空塔流速/（m s-1）0.148 4 吸附剂用量与床层高度每周期吸附水量/kg3 539.17 每周期吸附水量/kg3 539.17 初步计算吸附剂用量 Vw/m347.83 初步计算吸附剂用量 Vw/m336.79 计算床层高度/m4.698 7 计算床层高度/m4.106 9传质区长度/m1.07 传质区长度/m0.49 圆整后床层高度/m4.70 圆整后床层高度/m4.20 确定吸附塔尺寸后吸附剂用量/kg35 401.73 确定吸附塔尺寸后吸附剂用量/kg31 635.59 压降压降/kPa33.34 压降/kPa29.73 转效点转效点/h14.01 转效点/h 13.21 分子筛有效吸附容量/kg（水）/kg（吸附剂）0.116 7 分子筛有效吸附容量/kg（水）/kg（吸附剂）0.123 1再生气热负荷计算吸附塔重量/kg106 979.62 吸附塔重量/kg100 542.82 再生气热负荷/kJ97 101 358再生气热负荷/kJ92 683 635计算再生气流速/（m h-1）94.56 计算再生气流速/（m h-1）90.25 再生气流量/（Sm3/h）34 408.2 防沟流要求最低气速/（m h-1）104.01 圆整后再生气流速/（m h-1）105.00 圆整后再生气流速/（m h-1）105.00 修正再生气流量/（Sm3 h-1）38 135.00再生气流量/（Sm3 h-1）38 135.00 注：用SY/T 00762008进行转效点校核；：用GPSA进行防沟流校核。2023 年 8 月 33 仇放.国内外天然气分子筛脱水工艺计算对比研究由于小于 0.23 kPa/m，需要进行修正，修正后的再生气流量为 38 135 Sm3/h。3 结论与建议通过 SY/T 00762008 和 GPSA 工艺计算对比研究，可以得出以下结论及建议：（1）在相同工艺设计要求下，SY/T 00762008计算的吸附塔钢材及分子筛用量整体较 GPSA 大。这主要是由于 SY/T 00762008 吸附剂用量的修正系数选取较大，从而使吸附塔尺寸变大，分子筛用量增加。（2）再生气热负荷计算中，发生沟流后会降低再生效率，建议国内进行工艺设计时候采用 GPSA压降 P/H 大于 0.23 kPa/m 的方法进行沟流控制。（3）转效点是分子筛吸附穿透曲线中的关键参数，国外一般需要分子筛厂家提供，建议参与海外工程时采用 SY/T 00762008 的校核方法进行初步核 算。参考文献王淑娟，汪忖理.天然气处理工艺技术 M.北京：石油工业1 出版社，2008.朱利凯.天然气处理与加工 M.北京：石油工业出版社，2 Comparative Study of Natural Gas Molecular Sieve Dehydration Process Calculation at Home and AbroadQiu Fang（China Petroleum Engineering&Construction Co.,Ltd.,Beijing 100120,China)）Abstract:By comparing and studying the current natural gas molecular sieve dehydration process calculations in SY/T 00762008 and GPSA engineering data book at home and abroad,it was found that there are three significant differences:(1)The correction coefficient of SY/T 00762008 in molecular sieve dosage calculation is greater than that in GPSA engineering data book,resulting in a corresponding increase in molecular sieve dosage and adsorption tower steel dosage;(2)SY/T 00762008 does not have calculations for preventing the flow of regenerated gas in ditches;(3)There is no quantitative calculation of conversion points in the GPSA engineering data book.By comparing and analyzing the process design case of a dehydration adsorption tower in a natural gas treatment plant in Russia,it was found that SY/T 00762008 and GPSA can mutually use their conversion points and anti ditch flow calculations,thereby improving the accuracy and reliability of process design.Therefore,it is also recommended to include anti ditch flow design for regeneration gas in the national standard.Keywords:molecular sieves;adsorption dehydration;process calculation;breakthrough point;channeling1997.仝淑月，周树青，边江，等.天然气脱水技术节能优化研究3 进展 J.应用化工，2018，47（8）：1732-1735.何策，张晓东.国内外天然气脱水设备技术现状及发展趋势4 J.石油机械，2008，46（1）：69-73.王遇冬.天然气处理原理与工艺M.北京：中国石化出版社，5 2007.Daryl R.Jensen，Joe T.Lynch，Kyle T.Cuellar，etc.Designing 6 molecular sieve dehydration units to prevent upsets in downstream NGL/LPG recovery plants C.62nd Laurance Reid Gas-Conditioning Conference.2012：417-433.Maurice I.Stewart.Surface Production Operations，Volume 2：7 Design of Gas-Handling Systems and FacilitiesM.3rd Edition Virginia，USA：Elsevier Inc，2014，8.Michal Netusil，Pavel Ditl.Comparison of three methods for 8 natural gas dehydrationJ.Journal of natural gas chemistry，2011，20（5）：471-476.中华人民共和国石油天然气行业标准，国家发展和改革委员9 会.天然气脱水设计规范：SY/T 00762008S.北京：石油工业出版社，2008.Gas Processors Suppliers Association.Engineering Data Book 10 12th EditionM.Tulsa，Oklahoma：GPSA，2012.Hassan A.A.Farag a，Mustafa Mohamed Ezzat，Hoda 11 Amer，etc.Natural gas dehydration by desiccant materialsJ.Alexandria engineering journal，2011，50：431-439.