謝小波，何金平，朱進全，夏華波，余 捷，孫延國

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津300452)

0 引 言

自地層采出的天然氣及脫硫后的天然氣中一般都含有飽和水蒸氣，水分的存在會給天然氣的輸送和加工造成困難。天然氣在輸送和加工時需要冷卻的溫度越低，對其含水量的要求就越嚴格，因此必須對天然氣進行脫水處理，以達到規(guī)定的水汽含量指標。

1 脫水工藝的選擇

1.1 常規(guī)脫水工藝方法

1.1.1 低溫冷凝法

低溫冷凝是借助天然氣與水汽凝結(jié)為液體的溫度差異，在一定的壓力下降低溫度，使其中的水汽與重?zé)N冷凝為液體，再借助液烴與水的相對密度差和互不相溶的特點進行重力分離。這種方法的效果顯著，但是為了達到較深的脫水程度，就應(yīng)該有足夠的低溫，需要制冷設(shè)施，而對天然氣制冷又會導(dǎo)致水化物的產(chǎn)生，同時這樣會使脫水過程的工程投資和能耗增加，進一步提高天然氣處理成本。

1.1.2 化學(xué)試劑法

利用可以與天然氣中水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)試劑與天然氣充分接觸，生成具有很低蒸汽壓的另一種物質(zhì)，這種方法可以使天然氣中的水完全脫出，但因化學(xué)藥劑很難再生，工業(yè)上一般不采用。

1.1.3 溶劑吸收法

利用某些液體物質(zhì)不與天然氣中的水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只對水有很好的溶解能力，溶解后的溶液蒸汽壓很低，且可以再生和循環(huán)使用，將天然氣中水汽脫出。這樣的物質(zhì)有甲醇、甘醇等。由于吸收劑可以再生和循環(huán)使用，其脫水成本低，已在天然氣脫水中得到廣泛使用。

1.1.4 固體吸附法

利用某些固體物質(zhì)比表面高、表面孔隙可以吸附大量水分子的特點來進行天然氣脫水，可使天然氣含水量降至 10-6，固體吸附劑一般容易被水飽和，但也容易再生，經(jīng)過熱吹脫附后可多次循環(huán)使用。

1.2 分子篩吸附脫水法

通過以上的介紹，可知天然氣中脫水的常規(guī)方法一般采用溶劑吸收法和固體干燥劑吸附法。目前廣泛使用的是三甘醇吸收脫水和分子篩吸附脫水，這兩種方法應(yīng)用的界限為要求凈化氣中含水量的多少。如果僅為保證天然氣在運輸過程中不產(chǎn)生水化物，用三甘醇吸收法脫水就可以。由于渤南終端天然氣處理工藝有深冷裝置，必須保證含水量達 10-6以下，就必須采用分子篩吸附脫水法。同時分子篩吸附法還可以除去天然氣中的CO2酸氣。

分子篩通常是一種人工合成的無機吸附劑，它是具有骨架結(jié)構(gòu)的堿金屬或堿土金屬的硅鋁酸鹽晶體，通常分為X型和Y型。

分子篩作為吸附劑的優(yōu)點為：固體吸附劑(干燥劑)吸附脫水，至少有硅膠、活性氧化鋁和分子篩 3種是經(jīng)常使用的，而分子篩有更好的優(yōu)點，在高溫下或吸附質(zhì)濃度低(相對濕度小)時，比硅膠和活性氧化鋁吸附效果好得多，即使流體中水含量很低，還不是飽和狀態(tài)(例如幾倍 10-6)，分子篩仍有相當好的吸附容量，硅膠、活性氧化鋁則欠佳。吸附溫度即使高達90℃，分子篩仍有良好的吸附能力。分子篩可用于深度脫水，根據(jù)表 1選用 4A分子篩，平均直徑3.2mm。

表1 分子篩吸附參數(shù)設(shè)定表Tab.1 Adsorption parameter setting of molecular sieve

2 分子篩吸附器的設(shè)計計算

國內(nèi)外項目大都采取短周期(8h)，2個吸附器。優(yōu)點是裝填分子篩數(shù)量少，塔數(shù)量少，節(jié)省投資；再生次數(shù)少，對分子篩壽命有利，并且減少了切換操作的次數(shù)。缺點是如果分子篩質(zhì)量不過硬，要想通過縮短操作周期來彌補，8h周期的回旋余地不大。渤南終端處理廠采用的就是以8h為1個周期的方式。

設(shè)計條件：渤南終端處理廠天然氣最大處理量1400000m3/d，平均分子量 19.75，相對密度ρ′＝M天/ M空＝19.75/28.97＝0.68，吸附壓力 3100kPa，吸附溫度 30℃，含飽和水，操作周期 8h，要求脫水到10-6以下(即水露點≤-100℃)。用球形分子篩，平均直徑3.2mm。分子篩堆密度660kg/m3。

2.1 吸附器直徑設(shè)計計算

原料氣在3100kPa，30℃，查《燃氣概論》38頁表2-1校正后的飽和含水量為1300kg/Mm3，按全部脫去考慮，則：

需脫水量：1400000×0.0013＝1820kg/d＝75.8kg/h

操作周期8h，總共脫水：8×75.8kg/h＝606.7kg

在近似計算時，當天然氣相對密度ρ′在 0.5～0.9范圍內(nèi)，可用下列經(jīng)驗公式計算天然氣的臨界值：

計算壓縮系數(shù)：

天然氣對比參數(shù)：

Tr＝T/Tc＝303/212.7＝1.4

Pr＝P/Pc＝3.1/4.6＝0.7

查《燃氣概論》33頁圖1-18，得Z＝0.89。

操作條件下的氣體體積流量為：

式中：Q 為氣體流量，m3/s；Qg為天然氣處理量，m3/d；P 為吸附壓力，MPa；T為氣體開氏溫度，K；Z為壓縮因子。

賦值計算如下：

吸附器直徑取決于適宜的空塔流速，適宜的高徑比。下面采用雷督克斯的半經(jīng)驗公式試算一個空塔流速值，再用轉(zhuǎn)效點進行核算，證明其可行性：

式中：G為允許的氣體質(zhì)量流速，kg/(m2·s)；C為系數(shù)(氣體自上向下流動，C值在 0.25～0.32；自下向上流動，C值是0.167)；bρ為分子篩的堆密度，kg/m3；gρ為氣體在操作條件下的密度，kg/m3；Dp為分子篩的平均直徑(球型)，或當量直徑(條形)，m。

G＝(0.29×660×29.5×0.0032)′＝4.25kg/(m2·s)

由F＝πD2/4得分子篩吸附器直徑：

D＝(4F/π)0.5＝(4×3.35/3.14)0.5＝2.07m

取直徑：D＝2.1m

分子篩有效吸附容量為8kg水/100kg分子篩。

吸附器需裝分子篩：606.7/0.08＝7583.3kg

其體積為：7583.3/660＝11.5m3

分子篩高徑比：hT/D＝1.63(一般高徑比為 2左右最好，不能小于1.5)。

2.2 吸附傳質(zhì)區(qū)長度

式中：vg為空塔流速，m/min；hz為吸附傳質(zhì)區(qū)長度，m；Z＝3.4(對直徑為 3.2mm 的分子篩)；hZ= 0 .435(8.6/35)0.3× 3 .4＝0.9m(空塔流速無問題，hT＞2hz)。

2.3 轉(zhuǎn)效點計算

式中：Bθ為到達轉(zhuǎn)效點的時間，h；x為選用的分子篩有效吸附容量，%；hT為整個床層的長度，m；q為床層截面積的水負荷，kg/(m2·h)。其他符號意義同前。

床層截面積的水負荷：

因為渤南終端項目采用 8h周期所以設(shè)計滿足要求。

現(xiàn)場實際投用設(shè)備的直徑是 2.4m，分子篩床層高度4m，分子篩體積為18.0864m3。這表明，目前大港設(shè)計院對分子篩吸附器的設(shè)計是完全可以達到和滿足生產(chǎn)要求的。

2.4 再生計算

吸附操作達到轉(zhuǎn)效點后，失去吸附能力，需將吸附的水脫掉，恢復(fù)吸附能力，這就是再生。再生最好用干氣(露點溫度低)，加熱后流經(jīng)分子篩床層，將吸附的水脫附，再生氣進吸附器溫度一般為 2600℃左右。當再生氣出吸附器溫度升到 180～2000℃，可認為再生完畢。

2.4.1 再生加熱氣用量計算

再生加熱所需的熱量為Q，則：

Q＝Q1+Q2+Q3+Q4

式中：Q1為加熱分子篩的熱量，kJ；Q2為加熱器本身(鋼鐵)的熱量，kJ；Q3為脫附吸附水的熱量，kJ；Q4為加熱鋪墊的瓷球的質(zhì)量，kJ。

算出 Q后加 10%的熱損失，設(shè)吸附后床層溫度是t1，熱再生氣進出口平均溫度為t2。則：

Q1＝m1×Cp1(t2-t1)

Q2＝m2×Cp2(t2-t1)

Q3＝m3×4186.8

Q4＝m4×Cp4(t2-t1)

式中：m1、m2、m3、m4分別是分子篩的質(zhì)量、吸附器筒體及附件等鋼材的質(zhì)量、吸附水的質(zhì)量和鋪墊的瓷球的質(zhì)量。4186.8kJ/kg是水的脫附熱，Cp1、Cp2、Cp4分別是上述各物質(zhì)的定壓比容。

利用經(jīng)分子篩干燥后的干氣，分子量 M＝16，進吸附塔溫度 260℃，分子篩床層終了后溫度 35℃(即床層升溫 5℃)，再生氣加熱氣出吸附器溫度200℃，床層再生平均溫度是：

(260+200)/2＝230℃

已知在230℃時，分子篩比熱 0.96kJ/(kg·K)，鋼材比熱 0.5kJ/(kg·K)，瓷球比熱 0.88kJ/(kg·K)，預(yù)先估算分子篩質(zhì)量 11950kg，瓷球質(zhì)量 3080kg，金屬總質(zhì)量35630kg，吸附水質(zhì)量606.7kg。則：

Q1＝11950×0.96(230-35)＝2237040,kJ

Q2＝35630×0.5(230-35)＝3473925kJ

Q3＝606.7×4186.8＝2540131.5kJ

Q4＝3080×0.88(230-35)＝528528kJ

Q＝Q1+Q2+Q3+Q4＝8779624.5kJ

加10%的熱損失，則是9657587.0kJ。

設(shè)再生熱吹時間 4.3h，每小時加熱量是9657587.0/4.3＝2245950kJ/h

再生氣在230℃時的平均比熱3.14kJ/(kg·K)

再生氣溫降是：

式中：t1為吸附后床層溫度，℃；為再生加熱結(jié)束時氣體出口溫度，℃；t3為再生氣進吸附器時的溫度，℃；每千克再生氣給出的熱量：

qH＝CpΔt＝3.14×142.5＝447.5kJ/kg

需再生熱氣量：

G熱＝2245950.4/447.5＝5018.9kg/h

2.4.2 冷卻氣量計算

加熱后床層溫度很高，需通入冷的干氣冷卻，冷卻到原來吸附開始時的溫度，設(shè)此值為′冷卻吸附塔需移去的熱量。

床層溫度自 2300℃降到 300℃，則冷卻熱負荷如下：

Q1＝11950×0.96(230-30)＝2294400kJ

Q2＝35630×0.5(230-30)＝3563000kJ

Q4＝3080×0.88(230-30)＝542080kJ

Q＝Q1+Q2+Q4＝6399480kJ

設(shè)冷卻時間為3.3h，每小時移去熱量：

6399480÷3.3＝1939236.4kJ/h

冷氣平均比熱在1300℃時是2.9kJ/(kg·K)。

每千克冷卻氣移去的熱量為：

2.9×100＝290kJ/kg

需冷卻氣量：G冷＝1939236.4/290＝6687kg/h

一個周期8h內(nèi)需氣量G＝4.3G熱+3.3G冷＝4.3×5018.9+3.3×6687＝43648.4kg/8h

現(xiàn)場的再生氣量為20 萬m3/d，滿足要求。

3 結(jié) 論

按照渤南終端處理廠的天然氣再生氣量20萬m3/d計算進行設(shè)計：

①分子篩干燥器直徑 2.4m，高度 4m，體積18.0864m3。

②分子篩入口分離器直徑1.8m，高度8m，進出口直徑均為25cm。

③再生氣分水罐直徑0.8m，高度4m，進出口直徑均為100mm。

④調(diào)節(jié)閥直徑 50mm，分子篩出口過濾器直徑1m。