集输课程设计

重庆科技学院
《油气集输工程》
课程设计报告
学院:_石油与天然气工程学院专业班级:油气储运08
学生姓名:学号:
设计地点（单位）__ E406、E404____________
设计题目:__ 某分子筛吸附脱水工艺设计_
——吸附工艺计算及吸附塔设计__
完成日期： 2011 年 6 月16日
指导教师评语: ______________________ _________________ _______________________________________________________________________________
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成绩（五级记分制）:______ __________
指导教师（签字）:________ ________
摘要
吸附脱水就是利用某些多孔性固体吸附天然气中的水蒸气。

气体或液体与多孔的固体颗粒表面相接触，气体或液体与固体表面分子间相互作用而停留在固体表面上，使气体或液体分子在固体表面上浓度增大的现象。

常用的固体吸附剂有活性铝土、活性氧化铝、硅胶和分子筛。

分子筛吸附脱水目前国外引进的，国内自行设计的都是固定床式，为保证连续工作，至少需要两塔，经常采用的是两塔或三塔。

在两塔流程中，一塔进行吸附，另一踏再生和冷却。

在三塔流程中，一塔吸附，一塔再生加热，一塔冷却。

在工艺相同的情况下，考虑到经济性，分子筛吸附脱水工艺设计中常用的是两塔脱水工艺。

关键字：吸附工艺分子筛吸附器结构
1分子筛及天然气基本物性
1.1分子筛
分子筛是一种人工合成的无机吸附剂，是一种高效、高选择性的固体吸附剂。

分子筛是人工晶体型硅铝酸盐，依据其晶体内部孔穴的大小而吸附或排斥不同物质的分子，因而被形象地称为“分子筛”。

分子直径小于分子筛晶体孔穴直径的物质可以进入分子筛晶体，因而可以被吸附，否则被排斥。

分子筛又根据不同物质的极性或可极化性而优先吸附的次序。

一般极性强的分子容易被吸附。

分子筛的热稳定性好，能经受住600摄氏度-700摄氏度的短暂高温，分子筛不熔于水，但溶解于强酸和强碱，故可在PH5-11的介质中使用，在盐溶液中能交换其他阳离子它具有均一的孔径和极高的比表面积、热稳定性好、吸附性能强、内表面积大、强度高等特点，广泛应用于天然气脱水工业。

本次脱水工艺，分子筛选取4A，球型，堆密度为660kg/m3，分子筛直径3.2mm，湿容量：22%
1.2 分子筛的优点
在脱水过程中，分子筛作为吸附剂的有显著的优点：
①具有很好的选择吸附性。

②具有高效吸附容量。

③分子筛使用寿命长。

④分子筛不易被液态水破坏。

1.3天然气基本物性（温度40℃，压力：3Mpa下）：
天然气
相对分子量kg/mol 天然气
含水量
(g/m3)
密度
kg/m3
相对密度压缩系数相对粘度
mPa.s
相对湿
度
22.414 2.1 28.073 0.933 0.92 0.0113 219.52
2吸附工艺参数确定
2.1吸附工艺参数确定
原料气自上而下六国分子筛吸附塔进行吸附脱水，脱水后肝气含水小于1ppm，分子筛出口的原料气经分子筛出口过滤器除去其中夹带的分子筛粉尘和杂质进入下一单元。

在操作条件下所选操作周期、吸附温度和吸附压力。

2.1.1操作周期
操作周期可分为长周期和短周期，一般管输天然气脱水采用长周期操作，即达到转效点才进行吸附塔的切换;周期通常为8h。

2.1.2吸附温度
T = 40℃
2.1.3吸附压力
P = 3 MPa
3吸附器计算
3.1吸附器直径D 计算
0.5
()
b g p G C D ρρ=
式中：
G —允许的气体质量流速，kg/(m2·s)
C —系数，气体自上向下流动，C 值0.25～0.32
b ρ—分子筛堆密度，kg/m
3
g ρ—气体在操作温度下的密度，kg/m 3
p D —分子筛的平均直径，m
得：
G=（0.32×660×28.073×0.0032）0.5
=4.356kg/(m2·s) 空塔流速：o w =G/g ρ=4.356/28.073=0.155m/s
气体质量流量：g Q =（15×104 /24×3600）×（22.41/22.4）=1.737kg/s 需空塔截面积：A =
2
399.0
356
.4737.1m G
Q g ==
直径 :0.5
4A D π⎛⎫
= ⎪
⎝⎭
=m 713.014.3399.045
.0=⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯
则分子筛直径取800mm 高径比为：
h D
= 2.5，则h=2.5×800=2000mm
按全部脱水考虑，需脱水量:
2.1g/m 3 ×15×10000/24h=1
3.125kg/h
吸附周期为8h ，则总共脱水：8×13.125=105kg
3.2吸附传质区长度计算
传质区示意图如右所示，吸附传质区长度的
意义就是在吸附器内存在着hz 这一长度区，正在吸附被吸附物质而尚达到分子筛的饱和吸附容量。

随着吸附过程的进行B —B 线下移，A —A 线也向下移动。

hz 保持一个相对稳定的长度。

显然，到达转效点时，整个床层长度h T 达到设计指定的吸附容量。

式中：
G1－吸附剂吸附水的量，kg/h ； τ－周期时间，h;
ρB －吸附剂的堆积密度，kg/m3；
X －吸附剂的设计湿容量，kg-水／100kg 吸附剂； D －标准化后的床层直径，m 得：
h T =127.4×13.125×8/660×8×0.82=3.96m 由图3—2—22图可查出g v =12.5m/min
式中：
G1－吸附剂吸附水的量，kg/d
D －吸附剂床层直径，m 得：
q=0.05305×13.125×24/0.82=26.11 kg/m 2·h
3.3转效点计算 校核吸附周期，只有B
θ
≥操作周期才能满足要求。

分子筛有效吸附容量参
考下表：
动态吸附容量数据表
活性氧化铝
4～7kgH 2O/100kg(吸附剂) 硅胶
7～9kgH 2O/100kg(吸附剂) 分子筛
9～12kgH 2O/100kg(吸附剂)
分子筛的有效吸附容量为9～12kgH 2O/100kg(吸附剂)的70%，则按分子筛有效吸附容量8kgH 2O/100kg 分子筛。

2
14.127XD
G h B T ρτ
=
2
105305
.0D
G q =
0.01b T
B x h q
ρθ=
式中：
B θ—到达转效点时间，h
x —选用分子筛的有效吸附容量，%
T
h —整个床层长度，m
得：
B θ=0.01×8×660×3.96/26.11=8.0h
转效点和操作周期一样，则所选周期符合要求。

3.4 气体通过床层压力将计算
规范中规定吸附时气体通过床层的压降宜小于等于0.035MPa ，不宜高于
0.055 Mpa ，否则应重新调整空塔气速。

2
g g g
p
B u
C v L
υρ∆=+
式中：
p ∆—压降，kpa
L —床层高度，m
u —气体粘度，mPa ·s
g υ—气体流速，m/min g ρ—气体操作状态密度，kg/m 3
得：
p ∆=2.0[4.155×0.0113×12.50）＋0.00135×28.073×（12.5）
2
]=13.02KP/m
分子筛
B C
3.2mm 直径球形
4.155 0.00135
3.2mm 圆柱条形
5.357 0.00188
1.6mm 直径球形
11.278
0.00207
1.6mm 圆柱条形 17.660 0.00319
3.5分子筛的量和体积
吸附器需装分子筛的量：105/0.08=1312.5kg，分子筛体积为：1312.5/660=1.99m3
3.6 分子筛进口及出口过滤器
原料气进吸附器前要设过滤器，应滤去气流中携带的铁锈，油类，醇类等杂质。

这个过滤器可用常规四望过滤器，也可单设分离器。

出吸附器的气体在进入下一工序前也要设过滤器。

4吸附塔结构
吸附塔结构如下图所示，干燥器由床层支撑梁和支撑栅板、顶部和底部的
气体进口、出口管嘴和分配器（这是由于脱
水和再生分别是两股物流从两个方向通过
吸附剂床层，因此，顶部和底部都是气体进
出口）、装料口和排料口以及取样口、温度
计插孔等组成。

在支撑栅板上有一层10～20目的不锈
钢滤网，防止吸附剂或瓷球随进入气流下
沉。

滤网上放置的瓷球共两层，上层高约
50～75mm，瓷球直径为6mm，下层高约50～
75mm，瓷球直径为12mm，支撑栅板下的支
撑梁应能承受住床层的静载荷（吸附剂等的
重量）及动载荷（气体流动压降）。

分配器（还有挡板）的作用是使进入吸
附塔的气体（尤其是从顶部进入的湿气，气
流量很大）以径向、低速流向吸附剂床层。

床层顶部也放置瓷球，高约100～150mm，
瓷球直径为12～50mm，瓷球层下面是一层
起支托作用的不锈钢浮动滤网。

这层瓷球的
作用主要是改善进口气流的分布并防止因涡流引起吸附剂的移动和破碎。

吸附剂床层装入分子筛。

结论
分子筛是一种人工合成的无机吸附剂，是一种高效、高选择性的固体吸附剂。

它具有均一的孔径和极高的比表面积、热稳定性好、吸附性能强、内表面积大、强度高等特点，广泛应用于天然气脱水工业。

在设计压力、温度下，选取4A球形，直径为 3.2mm的分子筛，设计出了满足该脱水工艺要求的吸附塔直径为800mm，高为2000m。

参考文献
[1] 梁平，天然气集输技术，石油工业出版社,2008-05
[2] 油田油气技术设计技术手册，石油工业出版社，1994-12
[3] 王遇东，天然气处理原理与工艺，中国石化出版，2011-2-25。