中国石油工程建设有限公司华北分公司 河北沧州 062550
摘要：分子筛脱水是目前国内外应用较广泛，技术较成熟的脱水工艺。脱水后干气含水量可低至10-6。该法操作简单，占地面积小，对进料气的温度、压力和流量变化不敏感。本文对生产中常用的分子筛两塔脱水工艺进行研究，主要包括分子筛选型，分子筛两塔脱水工艺，及时序控制过程等内容进行研究。
关键词：分子筛 两塔 脱水工艺
1 分子筛介绍
分子筛是一种人工合成的无机吸附剂。它是具有骨架结构的碱金属或碱土金属的硅铝酸盐晶体，分子式为：M2/nO•Al2O3•xSiO2•yH2O。根据分子筛晶体结构的内部特征不同，常用的分子筛可分为A型和X型两类。其中，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，孔腔直径为0.4nm，由理论孔径为0.42nm的通道联接；X型分子筛能吸附所有能被A型分子筛吸附的分子，并且具有较高的容量。13X型分子筛可吸附芳香烃这样的大分子。各类分子筛的pH值约为10，在pH值5～12范围内是稳定的。在处理酸性天然气时，若吸附液的pH值小于5，就应采用抗酸分子筛。
分子筛表面具有较强的局部电荷，因而对极性分子和不饱和分子有很高的亲和力，水是强极性分子，分子直径为0.27～0.31nm，比通常使用的分子筛孔径小，所以分子筛是干燥气体和液体的优良吸附剂。其特点如下。
具有高效吸附特性。分子筛在低水汽分压、高温、高气体线速度等苛刻的条件下仍然保持较高的湿容量。这是因为分子筛的表面积大于一般吸附剂，可达700～900m2/g。随着相对湿度进一步降低，分子筛的湿容量与其他干燥剂相比相对地提高，如图2.1-1所示。因而分子筛用于天然气深度脱水时较其他吸附剂优越。
2 分子筛脱水装置及工艺设计
2.1.关键工艺参数的选取
1）吸附周期
分子筛脱水塔吸附剂床层的吸附周期（脱水周期）应根据湿气中水含量、床层空塔流速和高径比（不应小于2.5）、再生能耗、吸附剂寿命等进行综合比较后确定。对于两塔流程，分子筛脱水塔床层吸附周期一般设计为8～24h，通常取吸附周期8～12h。如果进料气中的相对湿度小于100%，吸附周期可大于12h。吸附周期长，意味着再生次数较少，吸附剂寿命较长，但因床层较长，投资较高。对压力不高、水含量较大的天然气脱水，为避免分子筛脱水塔尺寸过大，耗用吸附剂过多，吸附周期宜小于等于8h。
2）湿气进分子筛脱水塔温度
湿气进口温度越高，吸附剂的湿容量越小。为保证吸附剂有较高的湿容量，进床层的湿气温度最高不要超过50℃。
3）再生加热与冷却温度
再生加热温度是指吸附剂床层在再生加热时最后达到的最高温度，通常近似取此时再生气出吸附剂床层的温度。再生加热温度越高，再生后吸附剂的湿容量也越高，但其有效使用寿命越短。再生加热温度与再生气进分子筛脱水塔的温度有关，而再生气进口温度则应根据脱水深度确定。对于分子筛，其值一般为232～315℃；对于硅胶其值一般为234～245℃；对于活性氧化铝，介于硅胶与分子筛之间，并接近分子筛之值。
图2.1-1 再生加热与冷却过程温度变化曲线
图2.1-1为采用双塔流程的吸附脱水装置8h再生周期（包括加热与冷却）的温度变化曲线。曲线1表示再生气进分子筛脱水塔的温度TH，曲线2表示加热和冷却过程中出分子筛脱水塔的气体温度，曲线3表示进料湿气温度。
由图2.1-1可知，再生开始时热再生气进入分子筛脱水塔加热床层及容器，出床层的气体温度逐渐由T1升至T2，大约在116～120℃时床层中吸附的水分开始大量脱附，所以此时升温比较缓慢。待水分全部脱除后，继续加热床层以脱除不易脱附的重烃和污物。当再生时间大于4h时，离开分子筛脱水塔的气体出口温度达到180～230℃，床层加热完毕。热再生气温度TH至少应比再生加热过程中所要求的最终离开床层的气体出口温度T4高19～55℃，一般为38℃。然后，将冷却气通过床层进行冷却，当床层温度大约降至50℃时停止冷却。在一些要求深度脱水的天然气液回收装置中，为了避免吸附剂床层在冷却时被水蒸气预饱和，多采用脱水后的干气或其他来源干气作冷却气。有时，还可将冷却用的干气自上而下流过吸附剂床层，使冷却气中所含的少量水蒸气被床层上部的吸附剂吸附，从而最大限度地降低吸附周期中出口干气的水含量。
对于两塔流程的吸附脱水装置，吸附剂床层的加热时间一般是再生周期的55%～65%。所以，在8h的吸附周期中，通常加热时间为4.5h；冷却时间为3h；备用和切换时间为0.5h。
2.2 分子筛脱水塔结构
分子筛脱水塔由床层支承梁和支撑栅板、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。
在支撑栅板上有三层10～20目的不锈钢滤网，防止分子筛或瓷球随进入气流下沉。滤网上放置的瓷球共二层，上层高约50～75mm，瓷球直径为6mm；下层高约50～75mm，瓷球直径为12mm，因工况不同也可选用同种直径的瓷球。支撑栅板下的支承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（有时还有挡板）的作用是使进入分子筛脱水塔的气体（尤其是从顶部进入的湿气，其流量很大）以径向、低速流向吸附剂床层。床层顶部也放置有瓷球，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与破碎。
分子筛脱水塔的吸附剂床层中装填有吸附剂。吸附剂的大小和形状应根据吸附质不同而异。对于天然气脱水，可采用ф3～8mm的球状分子筛。
分子筛脱水塔的尺寸会影响吸附剂床层压降，一般情况下，对于气体吸附来讲，其最小床层高径比为2.5：1。
2.3 分子筛脱水塔计算
1）直径和高径比的计算
分子筛有效吸附容量取8kg水/100kg分子筛，则有效吸附容量：
参考文献：
[1]王遇冬，天然气处理原理与工艺[M].第2版.北京：中国石化出版社，2011.
[2]李明，卢任务，冼祥发，程树.某脱水装置分子筛吸附塔设置数量的选择[J].天然气与石油.2006（06）.
[3]吉红军，梁成宁，邢艳霞，卫巍，骆兴华，李晓峰，李金峰.分子筛脱水技术简介[J].山东化工.2013（06）.
论文作者:陈晓杰
论文发表刊物:《基层建设》2018年第28期
论文发表时间:2018/11/14
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