分子筛脱水计算

1.分子筛脱水工艺参数：
处理量100410⨯Nm 3/d （0℃，101325Pa ），即4.1667410⨯Nm 3/h
吸附周期：T=8小时
分子筛有效吸附容量：取8kgH 2O/100kg 分子筛 按全部脱去考虑，需脱水量：h kg /53.809663.024
101004
=⨯⨯（0℃？，101325Pa ）。

操作周期T=8h ，总共脱水：kg 24.64453.808=⨯。

天然气的压缩系数Z=0.9023。

则操作条件下气体量：Q=877.74m 3/h （30℃，4.5MPa ），工况下密度为3g m /kg 89.33=ρ（30℃，4.5MPa ），所以，气体质量流量：h kg G g /34.29743=。

已知3b m /kg 660=ρ，m 0032.0D p =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：()5
.0p g b D C G ρρ= 式中 G ——允许的气体质量流速，)s m /(kg 2⋅；
C ——系数，气体自上向下流动，取0.25~0.32；自下向上流动，取0.167； b ρ——分子筛的堆密度，kg/3m ；
g ρ——气体在操作条件下的密度，kg/3m ；
D p ——分子筛的平均直径（球形）或当量直径（条形），m 。

因此，())/(525.164010032.089.3366029.0360025.0h m kg G ⋅=⨯⨯⨯⨯=
吸附塔的截面积：m F 8134.1525.1640134.29743=÷=。

直径：m D 52.1)785.0/8134.1(5.0==，取 1.5m 。

则，F=1.76625m 2，气体流速
s m h m v g /138.0/951.49676625.1/74.8772===（30℃，4.5MPa ）。

吸附器高径比计算
原料气饱和水含量 mol%为0.001112
原料气的摩尔流量为1736.835 kgmole/h
h kg /76.34018.01000835.1736001112.0=⨯⨯⨯
操作周期T=8h ，总共脱水：kg 12.27876.348=⨯
分子筛有效吸附容量取8kg （水）/100kg （分子筛），
吸附塔需装分子筛：kg 358908.0/12.287=，其体积为344.5660/3589m V ==， 床层高m F V H 08.376625
.144.5===
，取3m.高径比约25.1/0.3=。

再生热负荷计算
用贫天然气加热，M=17.13，进吸附塔温度260℃，分子筛床层吸附终了后温度1t =35℃，再生加热气出吸附器温度200℃，床层再生温度是()℃23020026021t 2=+=℃。

预先计
算在230℃时，分子筛比热0.96kJ/kg·℃，钢材比热0.5kJ/kg·℃，瓷球比热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13200kg ，床层上下各铺150mm 瓷球，瓷球堆密度2200kg/m 3，共重约1166kg 。

再生加热所需的热量为Q ，则：4321Q Q Q Q Q +++=
式中 Q 1——加热分子筛的热量，kJ ；
Q 2——加热吸附器本身（钢材）的热量，kJ ；
Q 3——脱附吸附水的热量，kJ ；
Q 4——加热铺垫的瓷球的热量，kJ 。

所以，kJ t t C m Q p 8.671860)35230(96.03589)(12111=-⨯⨯=-=
kJ t t C m Q p 1287000)35230(5.013200)(12222=-⨯⨯=-=
kJ m Q 8.11644328.418612.2788.418633=⨯=⨯=
kJ t t C m Q p 6.200085)35230(88.01166)(12444=-⨯⨯=-=
式中m 1、m 2、m 3、m 4分别是分子筛的质量，吸附器筒体及附件等钢材的质量、吸附水的质量和铺垫的瓷球的质量。

4186.8是水的脱附热，C p1、C p2、C p4分别为上述各种物质的定压比热。

加10%的热损失，则kJ Q Q Q Q Q 12.36557172.33233791.1)(1.14321=⨯=+++=
设再生加热时间t=4.5小时，每小时加热量是：h kJ q /58.8123815.4/12.3655717== h kJ q /84.8704082.4/12.3655717==
再生气量计算
设t 2’=200℃是再生加热结束时的气体出口温度，t 3=260℃为再生气进吸附器的温度， 再生气温降为：5.142)35200(2
1260)(211'23=+-=+-=∆t t t t ℃ 再生气在230℃时的平均比热的为 2.93（kJ/㎏.℃）
每千克再生气放出热量（kJ ）：kg kJ t C q p H /525.4175.14293.2=⨯=∆=
每小时需再生气量：h kg G /7.1945525.417/58.812381==
冷却气量计算
床层温度自230℃降到30℃，则冷却热负荷如下：
kJ Q 689088)30230(96.035891=-⨯⨯=
kJ Q 1320000)30230(5.0132002=-⨯⨯=
kJ Q 205216)30230(88.011664=-⨯⨯=
共计Q=2214304 kJ ，冷却气进口30℃。

设冷却时间3小时，每小时移去热量h kJ /3.7381013/2214304=。

加热器由加热的温度t 2冷却到t 1’，平均温度130)30230(2
1)t t (21t '12m =+=+=℃，冷却
气温差10030130t =-=∆℃，冷却气平均比热在130℃时是2.635（kJ/㎏.℃）每小时需冷却气量：
h kg /1.2801635.21003.738101=⨯。

再生加热气压力不同情况下，空塔流速的比较
①设再生加热气压力位1.5MPa ，再生加热气量1945.7kg/h ，M=17.124，其体积量是：s m h m /707.0/2.25454.22)124.17/7.1945(33==⨯（0℃，101325Pa ）。

操作时体积： s m V /088.0273
2732301500325.10136002.25453=+⨯⨯=（230℃，1.5MPa ）。

空塔流速s m W /0498.076625.1/088.0==（230℃，1.5MPa ）。

用式()5.0p g b D C G ρρ=进行核算，其中C=0.167，3/03.8088.0/)3600/2.2545(m kg g ==ρ，
得)/(683.1)0032.003.8660167.0(25.0s m kg G ⋅=⨯⨯⨯= 需要空塔截面积242.0683
.136002.2545m F =⨯=，现为1.76625m 2，足够； ②如果假设常压再生，即再生加热气压力101.325kPa ，操作状态时气体流量： s m V /303.1273
503707.03=⨯= 3/5426.0303
.1707.0m kg g ==ρ )/(4375.0)0032.05426.0660167.0(25.0s m kg G ⋅=⨯⨯⨯=
27314.14375
.0707.0m F ==，现为1.76625m 2，足够。

③如果设再生加热气压力400kPa （绝）。

操作状态时气体流量：
s m V /33.0273
503400325.101707.03=⨯⨯= 3/1424.233
.0707.0m kg g ==ρ )/(8693.0)0032.01424.2660167.0(25.0s m kg G ⋅=⨯⨯⨯=
28133.08693
.0707.0m F ==，现为1.76625m 2，足够。

气体通过床层的压力降计算：
GPSA 工程手册（1987版）推荐用公式计算。

计算式如下：2g g g v C v B L /P ρμ+=∆
式中 △P ——压降，kPa ；
L ——床层高度，m ；
μ——气体粘度，mPa·s ；
v g ——气体流速，m/min ；
ρg ——气体操作状态下的密度，kg/3m 。

分子筛选用3.2mm 直径球形，则B=4.155，C=0.00135。

天然气的相对密度为0.6，温度30℃，压力4.5MPa ，μ=0.0125cP 。

已知ρg =33.89kg/3m ，v g =0.138×60=8.28m/min 。

kPa P 7.10)28.889.3300135.028.80125.0155.4(0.32=⨯⨯+⨯⨯⨯=∆
再生加热和冷却时压降都很小，可不计算。

再生加热气热负荷计算。

设进加热炉干气温度23℃，出加热炉气体温度比进吸附器温度再高15℃，即275℃。

h kJ Q /4.1229468)23275(5075.27.1945=-⨯⨯=
本设计采用热油加热
转效点计算
q
h x 01.0T b B ρθ= 式中 θB ——到达转效点时间，h ；
ρb ——分子筛的堆密度，kg/3m ；
x ——选用的分子筛有效吸附容量，%；
h T ——整个床层长度，m ；
q ——床层截面积的水负荷，)h m /(kg 2⋅。

ρb =660kg/3m ；x=8%；h T =3.0m ；q=34.76/1.76625=19.68)h m /(kg 2⋅。

h B 868.193660801.0=⨯⨯⨯=
θ，符合设计周期8小时的要求。

吸附传质区长度h z 的计算
⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡⨯=2646.05506.0g 7895
.0z v q A 41.1h ϕ 式中 h z ——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 ——床层截面积的水负荷，)h m /(kg 2⋅；
v g ——空塔线速，m/min ；
ϕ——进吸附塔气体相对湿度，%。

m h z 821.010028.868.196.041.12646.05506.07895
.0=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡⨯⨯⨯= 用GPSA 工程数据手册（1987版）计算：
Z 35v 435.0h 3
.0g z ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛= 式中 h z ——吸附传质区长度，m ；
v g ——空塔线速，m/min ；
Z ——Z=3.4（对3.2mm 直径的分子筛）；Z=1.7（对1.6mm 直径的分子筛）
m h z 96.04.33528.8435.03.0=⨯⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯= 可见，无论是床层界面的水负荷或空塔流速都无问题，h T 都大于2h z 。

分子筛吸附塔的壁厚计算
根据《压力容器手册》，选用合金钢)150GB (MnMoNbR 18，合金钢的最大许用应力[]MPa 197=σ。

设计压力取MPa 25P 0=，则操作压力01.1P P =
吸附塔的壁厚计算公式如下：[]213.2C C P PD
Sc ++-=ϕσ
式中：Sc ——吸附塔的壁厚，mm ；
P ——气体的操作压力，MPa ；
D ——吸附塔管外径，mm ；
[]σ——合金钢的最大许用应力，MPa ；
ϕ——焊缝系数，无缝钢管取0.9，焊接钢管取0.8；
1C ——钢板负偏差，取0.8mm ；
2C ——吸附塔腐蚀裕量，取1mm 。

18.5
.279.01973.25085.27++-⨯⨯⨯=Sc =38.5mm 按壁厚标准系列选用40mm 。

吸附器安全阀的计算
1.1.3.1安全阀的泄放量
安全阀的泄放量应根据具体工艺过程来确定。

本设计安全阀的泄放量均认为单位时间内流过设备的气体质量流量，即：h kg G g /34.29743=
1.1.3.2安全阀的泄放压力
安全阀开始起跳时的进口压力称为安全阀的泄放压力或定压。

它应等于或小于受压设备或管道的设计压力。

吸附塔操作压力P =4.5MPa ，由于P >7.5 MPa ，?则：
725.45.405.105.10=⨯==P P MPa
1.1.3.3积聚压力
安全阀开至最大并达到最大泄放量时的进口压力与泄放压力之间的差值称为聚积压力，用a P 表示。

对于安装在无火压力容器上的安全阀：P P a 1.0==0.45 MPa
1.1.3.4最高泄放压力
安全阀达到最大泄放量能力时的进口压力，称为最高泄放压力。

在工艺流程中，最高泄放压力可按下式确定：
a m P P P +=0=5.175MPa
式中 m P ——安全阀最高泄放压力，MPa ；
0P ——安全阀泄放绝对压力，MPa ；
a P ——安全阀聚积压力，MPa 。

1.1.3.5背压
安全阀开启前泄压总管的压力与安全阀开启后介质流动所产生的流动阻力之和。

背压一般应小于气体的临界流动压力值。

气体临界压缩比可按下式计算：
112-⎪⎭⎫ ⎝⎛+=k k
c k σ
式中 c σ——气体临界压缩比；
k ——气体绝热指数，可取1.2～1.4。

代入数据得：55.0127.12127.127.1=⎪⎭⎫ ⎝⎛+=-c σ
1.1.3.6安全阀通道截面积
安全阀通道截面积按下式计算：
k=1.27 55.0=c σ Z=0.866
1112387-+⎪⎭⎫ ⎝⎛+=k k k k C =1.256127.1227.1387127.1127.1=⎪⎭
⎫ ⎝⎛+-+ 11197.10ZT M CKP G
A ===⨯⨯⨯⨯318866.005.1775.289097.1.256197.10922.7920.0472cm
式中 A ——安全阀通道截面积，2cm ;
G ——安全阀的最大泄放量，kg/h ；
1P ——安全阀达到最大泄放量时的进口绝对压力，MPa ；
K ——流量系数，一般取0.9097；
M ——气体摩尔分子量，kg/mol ；
1T ——安全阀进口处绝对温度，K ；
Z ——气体压缩系数；
C ——气体特性系数，按下式计算：
安全阀直径：==πA
D 445.2047
.04=⨯πmm
根据《油气田常用阀门手册》选用A42Y-320型弹簧封闭全启式安全阀，公称通径DN15mm ，公称压力32MPa 。