《油气集输工程》某分子筛吸附脱水工艺设计——吸附工艺计算及吸附塔设计解析

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%
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。

1分子筛
②具有高效吸附容量。

③分子筛使用寿命长。

分子筛不易被液态水破坏
表1-1 天然气组成表（干基）
组分甲烷乙烷丙烷异丁烷正丁烷异戊烷mol% 95.6 0.6 0.08 0.02 0.01 0.01 组分正戊烷己烷二氧化碳氮气硫化氢水mol% 0.03 3.02 0.04 0.0264
进料温度：26
进料压力
设计规模
要求脱水到1ppm以下
吸附塔入口压力
吸附塔入口温度
初始状态水的百分数
经分分离器，过滤器处理后的气体流量（5Mpa 299k）为
2.1 工艺参数优选
分子筛脱水由吸附和再生两部分组成，吸附采用双塔流程，再生加热气和冷吹气采用干气，加热方式采用导热油炉加热。

其主要设备由分子筛吸附器、再生气加热炉、再生气冷却器、再生气分离器。

选用4A分子筛脱水，其特性如下：
分子筛粒子类型：直径3.3m球形
分子筛的有效湿容量：8kg（水）/100kg（分子筛）
分子筛堆积密度：700m3
分子筛比热：0.96kJ/（kg·℃）
瓷球比热：0.88kJ/（kg·℃）
操作周期为8小时，再生加热时间为4.5小时，再生冷却时间为3.2小时，操作切换时间为0.3小时。

加热炉进口温度为30℃，加热炉出口温度为275℃。

由HYSYS软件计算出的基础数据如下：
原料气压力：4.5MPa
原料气温度：30℃
床层温度：35℃
天然气气体流量：29743.34kg/h
饱和含水量：34.76kg/h
天然气相对湿度：100%
天然气在4.5MPa、30℃下的密度：33.89kg/m3
天然气在4.5MPa、30℃时粘度：0.0125cP
再生加热气进吸附器的压力：4500kPa
再生加热气进吸附器的温度：260℃
再生加热气出吸附器的温度：200℃
再生气在260℃、4500kPa下的密度：17.44kg/m3
再生气在260℃、4500kPa的热焓：-3826kJ/kg
再生气在117.5℃、4500kPa的热焓：-4226kJ/kg
再生气在275℃、4500kPa的热焓：-3780kJ/kg
干气温度：30℃
干气压力：4500kPa
干气将床层冷却到：30℃
干气在30℃、4500kPa的密度：33.88 kg/m3
干气在30℃、4500kPa的热焓：-4448 kJ/kg
干气在130℃、4500kPa的热焓：-4193 kJ/kg
干气在30℃、4500kPa下的低位热值：49210 kJ/kg
1分子筛脱水工艺流程
1.5.1 流程选择
本装置所处理的湿净化气流量为12万m3/d（20℃、101.325kPa标准状态下）。

对于这样规模较大的分子筛脱水装置，可以采用2个吸附塔或3个吸附塔两种方案（分别简称两塔方案、三塔方案）。

而相同工艺不同方案的操作情况与投资数据却完全不同，现将两塔方案、三塔方案的操作情况与投资情况进行比较，从而选择出最佳方案。

我们根据气量和基础的计算，选用两塔流程。

在两塔流程中，一塔进行脱水操作，另一塔进行吸附剂的再生和冷却，然后切换操作。

分子筛脱水工艺流程介绍
附图1为吸附法脱水流程。

原料气自上而下流过分子筛吸附塔进行吸附脱水，脱水后的干气含水小于1 ppm，分子筛出口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后进制冷单元。

分子筛干燥器采用两塔操作流程，8小时自动切换1次，原料气切换到已再生完毕的分子筛吸附塔进行吸附脱水，水饱和的吸附塔经再生、冷吹完成再生过程。

再生气可以用干气或原料气，将气体用热油导热的方式进行加热，加热到一定温度后，进入吸附塔再生。

当床层出口气体温度升至预定温度后，则再生完毕。

此时将加热器停用，再生气经旁通入吸附塔，用于冷却再生床层。

当床层温度冷却到要求温度时又可开始下一循环的吸附。

吸附塔出再生
气经再生气冷却器冷却，进入再生气分离器，分出游离水后作为生活及装置用气。

吸附操作时塔内气体流速最大，气体从上向下流动，这样可使吸附剂床层稳定，不致动荡。

再生时，气体从下向上流动，一方面可以脱除靠近进口端被吸附的物质，并且不使其流过整个床层。

另外，可使床层底部干燥剂得到完全再生，因为床层底部是湿原料气吸附干燥过程最后接触的部位，直接影响流出床层的干燥天然气质量。

表1-3 两塔方案（常规）时间分配表
吸附器0～8h 8～16h
分子筛脱水塔A 吸附加热/冷却
分子筛脱水塔B 加热/冷却吸附
设计要求
原料气压力为4.5MPa，温度30℃，工艺流程要求脱水后含水量在1ppm以下（质），采用球形4A分子筛吸附脱水，已知4A分子筛的颗粒直径为3.3mm，堆密度为700kg/m3，吸附周期采用8小时
计算
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 = 299k
2.1.3吸附压力
P = 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
p D —分子筛的平均直径，m
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
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 =
2399.0356
.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=13.125kg/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
2
14.127XD G h B T ρτ=2
105305.0D G q =
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。

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。

吸附器高径比计算
分子筛有效吸附容量取10kg （水）/100kg （分子筛）。

一个周期内所需分子筛的质量： 0.37×24/0.1=88.8kg
吸附器需装分子筛的体积： 31366.0650
8
.88m V ==
吸附塔的截面积：F=0.785×0.32=0.07065m 2 气体流速u=0.57m/min
床层高：m F V H 93.107065.01366
.0==
=
吸附器安全阀的计算
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 /68.427=
2. 安全阀的泄放压力（定压）
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。

可按下面的方法确定：
当≤P 1.8MPa +=P P 00.18MPa 当1.8MPa<≤P 7.5MPa 0P =1.1P 当P >7.5MPa 0P =1.05P 式中 P ——被保护设备或管道操作绝对压力，MPa ； 0P ——安全阀泄放绝对压力，MPa 。

脱水塔操作压力P =25MPa ，由于P>7.5MPa ，则：
MPa P P 25.262505.105.10=⨯==
6. 安全阀通道截面积
安全阀通道截面积按下式计算：
1
1
197.10ZT M CKP G
A =
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0.9～0.97； M ——气体摩尔分子量，kg/kmol ；
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，
3.2571287.12287.1387123871
287.11287.111=⎪
⎭
⎫
⎝⎛+=⎪⎭⎫ ⎝⎛+=-+-+k k k k C
其中，k 是气体绝热指数。

∑-=-1
k Y 1k 1
i i 式中 i Y ——第i 组分的气体摩尔分数；
i k ——第i 组分的气体绝热指数。

∑=-=-287.11
11
i i k Y k 2
21
1
1051.2318
88.043.1678.2893.03.257197.1068
.427197.10cm ZT M
CKP G
A -⨯=⨯⨯
⨯⨯⨯=
=
安全阀直径：
mm cm A
D 788.11788.01051.2442
==⨯⨯=
=
-π
π
根据《油气田常用阀门手册》选用A42Y-40型弹簧封闭全启式安全阀，公称
通径DN2，公称压力29MPa 。

选用A42Y-40型弹簧封闭全启式安全阀，公称通径DN ，公称压力xxxMPa 。

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 Bu 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
分子筛吸附塔的壁厚计算
根据《压力容器手册》，选用合金钢)150(18GB MnMoNbR ，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MPa P P 5.271.10== 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 ；27.5MPa
D ——吸附塔管外径，mm ；
[]σ——合金钢的最大许用应力，MPa ；197
ϕ——焊缝系数，无缝钢管取0.9，焊接钢管取0.8；取0.8 1C ——钢板负偏差，取0.8mm ； 2C ——吸附塔腐蚀裕量，取1mm 。

代入数据，[]8.15
.278.01973.2)
23.0(5.273.221+-⨯⨯+⨯=
++-=
Sc C C P
PD Sc ϕσ，计算得吸
附塔的壁厚：2.18mm
分子筛吸附器的选型
分子筛脱水属于吸附法脱水，一般用于水露点要求控制较低的场合，其露点深度可达到-90℃，保证含水量在1ppm 以下。

分子筛脱水有两塔和三塔流程之分。

由于分子筛的吸附
和再生过程中的温度\压力的循环变化，分子筛干燥器的设计制造要求严格，成本较高。

运行一段时问后，分子筛出口气体中往往携带分子筛粉尘，可利用多滤芯的粉尘过滤器净化天然气。

气体从外表面进入滤芯，杂质被阻挡在滤体表面和内部，在滤芯表面形成一层均匀的滤饼，由于颗粒的架桥效应，而进一步提高了过滤精度。

生产实践中，工厂技术人员可根据气质条件及运行时问长短来决定滤芯更换频率。

表2-2 吸附器计算选型结果表
吸附器
内径（mm）DN1600
设计压力（MPa） 5
设计温度（℃）300
床层高度（mm）3700
筒体壁厚（mm）39
筒体材料16MnR（Q345R）操作周期（h）8（再生加热时间4.5，冷吹时间3.2，切换时间0.3）封头类型椭圆式封头
类型立式
筒体高度（mm）4500
分子筛类型4A条形分子筛
装填顺序由下至上
分子筛厚度（mm）2500
封头
内径（mm）1600
封头内径（mm）1600 材料16MnR低合金压力容器用钢厚度（mm）12
质量（kg）276.37
裙座
类型圆筒形裙座质量（kg）473.7
壁厚（mm）12
外径（mm）1624
高度（m） 1
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。