天然气脱水固体吸附法.ppt

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1、7.3 固体吸附法脱水,吸附脱水原理和工艺过程；常用固体吸附剂的性质；吸附脱水工艺流程及主要参数；吸附脱水工艺计算。,一、吸附脱水原理和工艺过程,吸附是用多孔性的固体吸附剂处理气体混合物，使其中一种或多种组分吸附于固体表面上，其他的不吸附，从而达到分离操作。,1.基本原理,水是一种强极性分子，分子直径（2.76 3.2）很小。不同的多孔性固体的孔径是不同的，孔径大于3.2 的，都可以吸附水。吸附能力的大小与多种因素有关，主要是固体的表面力。,1.基本原理,2.吸附类型,根据表面力的性质可将吸附分为两大类型：物理吸附 化学吸附,（1）物理吸附,物理吸附是指流体中被吸附的分子与吸附剂表面分子间为分

2、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。,物理吸附当气体压力降低或系统温度升高时，被吸附的气体可以容易地从固体表面逸出，而不改变气体原来的性质，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，使吸附的物质脱附，达到使吸附剂再生、回收或分离吸附质的目的。,（1）物理吸附,化学吸附类似于化学反应。吸附时，吸附剂表面的未饱和化学键与吸附质之间发生电子的转移及重新分布，在吸附剂的表面形成一个单分子层的表面化合物。吸附中将放生的吸附热。,（2）化学吸附,化学吸附具有选择性，它仅发生在吸附剂表面，且吸附速度较慢，是不可逆的过程。要很高的温度才能把

3、吸附分子释放出来，并且释放出来的气体常已发生化学变化，不复呈原有的性质。为了提高化学吸附的速度，常常采用升高温度的办法。,（2）化学吸附,脱水吸附操作方式,在天然气脱水装置大多是采用半连续操作，即固定床吸附。,4.吸附的传质过程,图7-27 吸附转效曲线,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。,温度转换再生法示意图,（2）压力转换再生法：（3）冲洗解吸再生法：其原理是用某种合适的气体冲洗吸附剂床层，达到解吸而再生的目的，升高温度或降低压力均有利于冲洗解吸。,5.再生方法,二、常用固体吸附剂的性质,宏大的比表面积；传热速度快

4、；很强的选择性；能简便和经济地再生；较高的机械强度和稳定的化学性质。,1.工业吸附剂应具备的性能,2.常用的吸附剂,目前工业上常用的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，都可以应用于天然气脱水。,4.常用吸收剂的性质,在天然气脱水中常用的吸附剂有三种：活性氧化铝；硅胶；分子筛。其主要物性如表7-4所示。,表7-4 常用吸附剂的物性,（1）活性氧化铝,活性氧化铝是一种多孔、吸附能力较强的吸附剂。对气体、蒸气和某些液体中的水分有良好的吸附能力，再生温度175315。国外天然气脱水常用的活性Al2O3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

5、-2所示。,表7-5 典型活性氧化铝组成,活性氧化铝吸附剂的特点,经活性氧化铝吸附脱水后，油田气的露点最高点可达-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的天然气。,(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mSiO2 nH2O，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。其典型组成如表7-6所示。,表7-6 典型硅胶的组成,硅胶吸湿量可达到40%左右。按孔隙大小，分成细孔和粗孔两种。粗孔硅脱的比表面积（35）102m2/g，细孔硅胶约为（67）102m2/g。天然气脱水用的是细孔硅胶，平均孔径203

6、0。硅胶吸附水蒸气的性能特别好，且具有较高的化学和热力稳定性。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,（3）分子筛,分子筛是具有骨架结构的碱金属的硅铝酸盐晶体。是的一种高效、高选择性的固体吸附剂。其分子式如下：M2/nOAl2O3xSiO2yH2O M某些碱金属或碱土金属离子，如Li、Na、Mg、Ca等；nM的价数；xSiO2的分子数；y水的分子数。,分子筛通常分为X型和A型两类。它们的吸附机理是相同的，区别在于晶体结构的内部特征。A型分子筛具有与沸石构造类似的结构物质，所有吸附均发生在晶体内部孔腔内。,（3）分子筛,X型分子筛能吸附所有能被A型分子筛吸

7、附的分子，并且具有稍高的容量。13X型分子筛中吸附象芳香烃这样的大分子。,（3）分子筛,表7-7 常用分子筛的性能表,具有选择性。具有深度脱水特性。露点降大。对极性分子具有很强的吸附性。在较高的温度下仍然具有较强的吸附性。,分子筛的主要特点,5.吸附剂的选用,吸附法脱水时，应根据工艺要求作技术经济比较，选择合适的吸附剂；分子筛脱水宜用于要求深度脱水的场合（1ppm以下），分子筛宜采用4A型或5A型。,当天然气露点要求不很低时，可采用氧化铝或硅胶脱水。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.吸附剂的选用,三、吸附脱水流程及主要参数,目前用于天然气的吸

8、附脱水装置多为固定床吸附塔。为保证装置连续操作，至少需要两个吸附塔。工业上经常采用双塔流程（图7-31）和三塔流程（图7-32）。,1.吸附法脱水流程,1在吸附的干燥器；2在再生(包括热吹和冷吹)的干燥器；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 两台吸附器的运行图,1在吸附的吸附器；2在热吹的吸附器；3在冷吹的吸附器；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 三台吸附器时的运行图,图7-33 吸附脱水的原理流程图,2.吸附法脱水工艺参数,吸附法脱水

9、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、吸附工艺特点等予以综合比较确定。,（1）吸附操作温度,为了使吸附剂能保持较高的湿容量，除分子筛外，其它各种吸附剂操作温度不宜超过38，最高不能超过50，否则应考虑使用分子筛作吸附剂。进床层的原料气温度不宜过高，最高不超过50。,（2）吸附操作压力,压力对吸附剂湿容量影响甚微，因此，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，避免波动。若吸附塔放空过急，床层截面局部气速过高，会引起床层移动和摩擦，甚至吸附剂颗粒会被气流夹带出塔。,（3）吸附操作周期,吸附周期应根据气中含水量、空塔流速、床层高径比（不应小

10、于1.6）、再生能耗、吸附剂寿命作技术经济比较，一般为8h24h。,确定吸附脱水操作周期应考虑保证吸附塔有足够的再生和冷却时间。对操作周期为8小时的双塔流程：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,（4）再生气源和流量,再生气和冷吹气宜用净化后的干天然气。两者都应回收。大约为总原料湿气体的5%15%，由具体操作条件而定。再生气体流量应足以保证在规定时间内将再生吸附提高到规定的温度。,（5）再生温度和冷却,再生气的入口温度应根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

11、接近于分子筛。对两塔流程冷却床层的气体一般与再生气流量相同，冷却气出口温度宜在50 以下。,（6）吸附剂的湿容量,静态吸附湿容量在指定温度和湿度条件下的测量，动态吸附容量参考下列数据：氧化铝：47kgH2O/100kg(吸附剂)硅胶：79kgH2O/100kg(吸附剂)分子筛：912kgH2O/100kg(吸附剂),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、吸附剂的湿容量、吸附操作周期、床层压降、再生负荷和再生气用量等。,1.吸附器直径D,吸附器直径取决于适宜的空塔流速，适宜的高径比。实践证明，采用雷督克斯的半经验公式计算出空塔流速的值，然后用

12、转效点核算是可行的。此半经验公式如下：,G允许气体空塔质量流速，kg/（m2s）；g操作条件下气体密度，kg/m3；b吸附剂的堆积密度，kg/m3；。dp 平均颗粒直径，m；C常数，气体自上而下流动C=0.250.32，气体自下而上流动C=0.167。,(7-38),1.吸附器直径D,Qm气体质量流量，kg/h。,1.吸附器直径D,GPSA推荐方法,GPSA工程数据手册(1987版)推荐基于压降为0.33psi/ft（7.53kPa/m）时用图7-34计算分子筛允许空塔气速Vg(m/h)。,Qv气体体积流量，m3/h。,图7-34 分子筛吸附器允许空塔流速,2.吸附剂用量和床层高度,在知道吸附

13、剂有效湿容量后，下式计算吸附剂用量VD(m3)。,G1吸附剂脱出的水量，kg/h；x吸附剂的有效湿容量，kg水/100kg吸附剂；吸附操作周期，h。,吸附床层高度hT(m),F床层的横截面积。,(5-3-11),3.传质区长度hz(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/(hm2)；Vg 空塔气速，m/min；进口天然气相对湿度，%。,(7-39),吸附床层水负荷qkg/(hm2)：,3.传质区长度hz(m),GPSA气体加工工程数据手册（1987版）介绍一种吸附传质区长度hz(m)的计算方法：,Vg一空塔气速，m/min；Z=3.4

14、（对3.2mm直径的分子筛）；Z=1.7（对1.6mm直径的分子筛）。,(7-40),3.传质区长度hz(m),4.吸附剂的有效吸附容量,x吸附剂的有效吸附容量，kg水/100kg吸附剂；xs吸附剂的动态平衡湿容量，kg水/100kg吸附剂；hz 吸附传质区的长度，m；hT床层进口端距吸附传质段前沿的长度，m。,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hT即为床层总高度，而x为吸附剂转效点的湿容量。常数0.45是一个均值，它是吸附段长度的函数，其变化范围仅为0.400.52。如果xxs，则hT才能满足要求。,4.吸附剂的有效吸附容量,5.气体压降P(kPa),GPSA气体加工工程

15、数据手册（1987版）推荐按修正的埃尔根（Ergun）公式计算：,气体粘度，mPas；g气体密度，kg/m3；Vg气体空塔流速，mt/min；B、C常数，其值由表5-3-5给出。,(7-42),B和C的值,吸附塔压降限制,吸附时气体通过床层的压降宜小于0.035MPa，不宜高于0.055MPa，否则应重新调整空塔气速。,6.转效时间B（h）,验证转效时间B与确定的吸附周期是否一致。,(7-41),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P55kPa，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。,7

16、.吸附再生与冷却过程计算,一般吸附剂的再生温度为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，偶而采用较低压力再生以提高被吸附分子的脱附能力。再生过程的温度变化曲线。,再生过程的温度变化曲线,吸附剂的再生过程可划分为A、B、C、D四个阶段，在A阶段，烃类全部被脱附，水的脱附集中在阶段B，阶段C主要清除重烃等不易脱附的物质，增加再生后吸附剂的湿容量，阶段D则冷却床层至吸附温度。T2110，T3127，TB116，T4175260。再生气体温度和流量控制了每一阶段的时间。,7.吸附再生与冷却过程计算,（1）再生气用量计算,再

17、生加热所需的热量为Q，则,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。吸附器的结构示意图如图7-37。,(7-43),图7-37 吸附器结构示意图,设吸附后床层温度是t1，热再生气进出口平均温度为t2，则：,(7-45),(7-44),(7-46),(7-47),m1、m2、m3、m4分别是分子筛、吸附器筒体及附体等钢材、吸附水和铺垫物的质量，kg；4186.8是水的脱附热，kJ/kg；Cp1，Cp2，Cp4分别为分子筛、吸附器筒体及附体等钢材、铺垫物的定压比热，kJ/(kg)；,式(7-44)式(7-47)符

18、号的意义,再生气用量G（kg/h）：,qh每kg再生气所放出的热量，kJ/kg；h再生加热时间，h；,（1）再生气用量计算,Cp再生气的定压比热，kJ/(kg)；t再生气的温降，。,（1）再生气用量计算,再生气温降（）：,t2再生加热结束时气体出口温度，；t3再生气进吸附器时的温度，；t1吸附后床层的温度，。,（1）再生气用量计算,（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的温度，此值应比吸附正常进行时的床层温度低36（即减去吸附热使床层温度升高的温度）。,冷却吸附塔需移放的热量Qc是：,(7-48),（2）冷却气量计算,Q=Q1+Q2+Q4,吸附器由加热

19、的平均温度t2 冷却到t1，平均温度,冷却时，干气不经过加热炉。设干气初温是ta。每千克干气移去的热量；,（2）冷却气量计算,总共需冷却气量G=Q/qC分子筛对原料中CO2吸附量很小，其脱附热可忽略不计,加热再生气的加热炉热负荷：一般取再生气出加热炉的温度比t3高1015，加热炉热负荷Q。,式中 G再生加热气量，kg/h；Cpm平均比热，kJ/(kg.)；ta再生气进加热炉温度，。,（3）加热炉热负荷QT(kJ/h),（4）再生气空塔速度计算,再生时再生气压力原则上根据外输系统压力决定。经过吸附器压降一般在1020kPa。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

20、向上流动的，实践证明，根据上述公式计算的结果，基本上符合实际操作情况的。,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0.1psi/ft(2.26kPa/m床层)作出的。再生压力曲线只画到200psia(1379kPa绝)。再生压力在400500 kPa也可以的，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的要求就可以。,（4）再生气空塔速度计算,图7-35 再生气空塔速度计算图,74 脱水工艺的选择,吸附法脱水的优点(1)脱水后，气体中水含量可低于1ppm，露点温度可达-70以下；(2)对进料气的温度，压力，流量变化不敏感，操

21、作弹性大一些；(3)操作简单，占地面积小。吸附法脱水的缺点：(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，一般使用三年就得更换，增加了成本；(4)能耗高，低处理量时更明显。,74 脱水工艺的选择,三甘醇吸收脱水的优点：(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。三甘醇吸收脱水的缺点：(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的要求；(2)原料气中携带有轻质油时，易起泡，破坏吸收；(3)吸收塔的结构要求严格，最好用泡帽塔。,74 脱水工艺的选择,由此可见，选择脱水工艺时应根据脱水目的，要求，处理规模等进行技术经济比较，有时也有采用先用甘醇吸收脱水，再用分子筛吸附脱水的联合方法的。,