第7章 天然气脱水(固体吸附法)x

水是一种强极性分子，分子直径 （2.76Å ～3.2 Å）很小。不同的多孔性固 体的孔径是不同的，孔径大于3.2 Å 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。
3
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
4
（1）物理吸附
物理吸附是指流体中被吸附的分子与
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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。
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4. 吸附的传质过程
图7-27 吸附转效曲线
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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。
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温度转换再生法示意图
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5. 再生方法
（2）压力转换再生法：
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3. 传质区长度hz(m)
吸附床层水负荷q[kg/(h· 2)]： m
4G1 q 2 D
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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：
hZ 0.435(
Vg 35
) Z
0.3
(7-40)
Vg一空塔气速，m/min； Z=3.4（对3.2mm直径的分子筛）； Z=1.7（对1.6mm直径的分子筛）。
干燥制成。其典型组成如表7-6所示。
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表7-6 典型硅胶的组成
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(2) 硅 胶
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
（ 3 ～ 5 ） × 1 0 2 m2/g， 细 孔 硅 胶 约 为 （ 6 ～ 7 ）
×10 2 m2/g。天然气脱水用的是细孔硅胶，平均 孔径20～30Å。
VD hT F
F—床层的横截面积。
(5-3-11)
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3. 传质区长度hz(m)
hZ 1.41A q V
0.7895
0.5506 g

0.2646
(7-39)
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/(h·m2)； Vg —空塔气速，m/min； φ—进口天然气相对湿度，%。
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（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： 4～7kgH2O/100kg(吸附剂)
硅胶： 7～9kgH2O/100kg(吸附剂)
分子筛：9～12kgH2O/100kg(吸附剂)
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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。
（1ppm以下），分子筛宜采用4A型或
5A型。
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5. 吸附剂的选用
• 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。
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三、吸附脱水流程及主要参数
1. 吸附法脱水流程
目前用于天然气的吸附脱水装置多为 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）。
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0.40～0.52。 如果x＜xs，
则hT才能满足要求。
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5. 气体压降ΔP(kPa)
GPSA气体加工工程数据手册（1987版） 推荐按修正的埃尔根（Ergun）公式计算 ：
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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
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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
（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。
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二、常用固体吸附剂的性质
1. 工业吸附剂应具备的性能
• • • • • 宏大的比表面积； 传热速度快； 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。
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4. 吸附剂的有效吸附容量
xhT xs hT 0.45hZ xs
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。
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4. 吸附剂的有效吸附容量
当吸附操作在转效点结束时，未用吸
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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 用转效点核算是可行的。此半经验公式如 下：
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1. 吸附器直径D
G [C g b d p ]
0.5
(7-38)
G—允许气体空塔质量流速，kg/（m2· s）； ρg－操作条件下气体密度，kg/m3； ρb—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=0.25～0.32，气 体自下而上流动C=0.167。
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表7-7 常用分子筛的性能表
27
分子筛的主要特点
•
• • •
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。
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29
30
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
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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。
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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。
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表7-4 常用吸附剂的物性
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（1）活性氧化铝
• 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。
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(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 · 2O，它是用硅酸钠与硫酸反应 nH
生成水凝胶，然后洗去硫酸钠，将水凝胶
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。
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（1）物理吸附
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。
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。
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（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； n—M的价数； x—SiO2 的分子数； y—水的分子数。
p 2 BVg C gVg (7-42) hT
μ— 气 体 粘 度 ， mPa·s；ρg— 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。
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B和C的值 分子筛
3.2mm直径球形
B
4.155
C
0.00135
3.2mm圆柱条形
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图7-34 分子筛吸附器允许空塔流速
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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VD(m3)。
VD
100G1 xb
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； τ—吸附操作周期，h。
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吸附床层高度hT(m)
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（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（不应小于1.6）、再生能
耗、吸附剂寿命作技术经济比较，一般为
8h～24h。
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（3）吸附操作周期
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；
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（3）分子筛
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。
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（3）分子筛
X型分子筛能吸附所有能被A型分子 筛吸附的分子，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。
1.6mm直径球形 1.6mm圆柱条形
5.357
11.278 17.660
0.00188
0.00207 0.00319
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吸附塔压降限制
吸附时气体通过床层的压降宜小于
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。
1
一、吸附脱水原理和工艺过程
1. 基本原理
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。
2
1. 基本原理
6
（2）化学吸附
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。
7
（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。
图7-32 三台吸附器时的运行图
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图7-33 吸附脱水的原理流程图
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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、吸附工艺特点等予以综合
比较确定。
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（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 ℃ 。
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（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。
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1. 吸附器直径D
D2 Q G m
4
D
4Qm G
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Qm—气体质量流量，kg/h。
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)。
D2 Q Vg v
4
Qv—气体体积流量，m3/h。
备用和切换时间：0.5小时。
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（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。
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（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232~315℃； 硅 胶入口温度：234~245 ℃； 氧化铝入口温度介于硅胶与分子筛之间而接近于 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。
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
பைடு நூலகம்
的水分有良好的吸附能力，再生温度175～
315℃。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5-3-2所示。
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表7-5 典型活性氧化铝组成
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活性氧化铝吸附剂的特点