分子筛脱水系统的工艺技术研究与应用.doc

温米轻烃回收装置分子筛脱水系统的工艺技术研究与应用 编写：陈杰单位：温米采油厂轻烃工区时间：2003年5月25日目 录一、前言 3二、脱水工艺简介 4三、现状调查及分析 5四、天然气脱水后露点高的原因分析 74.1分子筛吸附塔吸附脱水能力的影响 74.2高压分离器的分离效果对天然气水露点的影响 124.3二级出口空冷器出口温度对天然气水露点的影响 134.4吸附塔再生冷吹效果对天然气露点的影响 134.5分子筛切换配套阀组对天然气露点的影响 16五、提高天然气脱水露点的措施与实施 181、减少吸附塔在一个吸附周期里的脱水量 182、改造高压分离器的液位控制系统 183、降低吸附气中的含水量 194、优化再生冷吹工艺参数 20六、应用效果及效益 221、经济效益 222、社会效益 23七、结束语 24一、前言温米轻烃天然气处理装置始建于1995年8月，设计处理量为50×104NM3/d，为了充分利用天然气资源，减少资源的浪费和对环境的污染，温米在1998年初开始对原装置进行扩容改造，在原来的基础上增加了20×104NM3/d的处理量，采用了透平膨胀机＋重接触塔工艺系统和导热油供热系统目前装置工艺系统主要由压缩机增压、分子筛三塔脱水、丙烷冷剂加膨胀机膨胀制冷和分馏稳定等工艺系统组成。

装置设计制冷温度由-38℃降为-58℃，要求经分子筛吸附塔脱水后的天然气水露点达到-80℃装置实际处理能力为68×104NM3/d，分子筛吸附塔的实际湿气处理量为2.83×104NM3/h，分子筛吸附塔脱水后的天然气水露点检测为-71℃，与装置设计制冷深度对分子筛塔吸附后天然气露点（-80℃）要求相差9℃导致脱水后天然气的含水量较高，在进入后续流程冷箱时发生冻堵，造成装置无法正常运行本课题以降低分子筛塔吸附后天然气的水露点展开研究与攻关，并通过工艺技术的改造与完善来提高装置的运行时率通过工艺技术改造和完善，分子筛吸附塔脱水后天然气水露点达到-80℃，满足了温米70×104NM3/d深冷装置对水露点的工艺要求，确保了装置的平稳运行，为吐哈油田第二经济支柱的发展作出了贡献二、脱水工艺简介2.1装置吸附塔工作过程及吸附剂简介在天然气处理装置中，吸附塔的作用是对原料气进行深度脱水，目前国外引进的、国内自行设计的吸附塔都是固定床式，为保证连续操作，至少需要两个吸附塔，而温米气处理装置吸附塔采用三塔流程，吸附周期为8小时，吸附时，原料气自上而下流动，避免了因塔内气体流速大而搅动床层，吸附过程完成后进入再生加热过程，再生气自下而上流动，使床层底部分子筛得到完全再生，然后进入冷吹过程，冷吹气自上而下流动，将再生后的分子筛床层冷却到吸附时的床层温度。

在常用吸附剂中，分子筛与硅胶和活性氧化铝相比具有更多的优点，分子筛有3A 、4A和5A三种，本装置吸附塔采用4A分子筛作为吸附剂2.2装置脱水工艺简介二级出口空冷器来的增压原料气进入高压分离器，分离出的液烃进入闪蒸塔，液态水进入低压分离器，气相分为三股，一股为吸附气，一股为再生气，还有一股为冷吹气，分别进入三具分子筛吸附塔吸附气经过吸附塔脱水后进入粉尘过滤器，滤去粉尘后进入后续流程再生气进入再生气换热器与导热油换热，出来的高温再生气进入吸附塔对吸附后的分子筛床层进行再生，冷吹气进入吸附塔，为再生后的分子筛床层降温，从吸附塔出来的再生气和冷吹气汇合到一起进入再生气空冷器，冷却后的混合气进入再生气分离器，分离出的水进入低压分离器，气相又与吸附气汇合进入吸附塔脱水,分子筛吸附塔吸附周期为8小时装置吸附脱水工艺流程图如下：图1 分子筛吸附脱水工艺流程如图三、现状调查及分析表1 装置扩容前后制冷温度对比表装置处理量 50×104NM3/d低温分离器温度，℃-38主换热器液烃出口温度，℃液烃出口-38塔顶冷凝器液烃出口温度，℃-35低温分离器干气节流后温度，℃-57装置处理量 70×104NM3/d低温分离器温度，℃-38主换热器液烃出口温度，℃液烃出口-38塔顶冷凝器液烃出口温度，℃-34膨胀机出口温度，℃-58再冷凝器液烃出口温度，℃-63表2 吸附脱水工艺参数运行表压力,MPa流量,m3/h温度,℃切换前床层出口温度，℃吸附气2.75290004044再生气2.863200230196冷吹气2.8422004060压力，MPa温度，℃液位,m高压分离器2.90400.6再生气分离器2.80350.4表3 冷箱冻堵次数统计表月份主换热器液烃冻堵次数，次再冷凝器液烃冻堵次数，次合计99.103399.213499.312399.412399.521399.6123总计19从上列表格中可以看出，由于装置扩容后制冷方式由单一丙烷制冷改进为丙烷制冷加膨胀机膨胀制冷，冷箱制冷温度由-38℃降为-58℃，随着制冷温度的降低，要求脱水后的天然气的水露点达到- 80℃，而装置分子筛吸附塔脱水天然气水露点设计值为-73℃，与目前工艺要求的露点有一定的差距。

没有达到水露点要求的天然气经过低温干气预冷和丙烷相变制冷后进入冷箱主换热器与膨胀后的干气换热，温度降低到-38℃，而从脱乙烷塔顶冷凝器来的气液混合物与重接触塔来的低温干气在冷箱的再冷凝器中经过两次换热，温度降为-63℃低温气液混合物进入主换热器和再冷凝器的壳程，流通截面积突然增大，产生节流效应，又因为换热管上布满了翅片，物流与翅片的接触面积很大，而且流向多变，没有脱除的水分结冰附着在换热器进口的器壁上，连续不断的物流所带的微量水分都在此凝聚下来，导致冷箱的流通截面积逐渐减小，流通能力下降，直到不能满足工艺要求的流通能力，就形成了冻堵，造成冷箱前后压降增大，系统压力升高，导致装置无法正常生产四、天然气脱水后露点高的原因分析装置分子筛吸附塔脱水工艺采用的吸附剂是分子筛从分子筛吸附脱水的应用实践上来说，经过分子筛床层的吸附作用可以将原料气的含水量降到1ppm，最大露点降可以达到120℃，水露点能达到-80℃左右，但是，温米装置扩容后经过分子筛吸附塔脱水后的天然气水露点达不到工艺要求下面我们对影响天然气水露点的几个因素进行分析 4.1分子筛吸附塔吸附脱水能力的影响4.1.1分子筛吸附过程中传质区对天然气露点的影响图2 吸附传质区移动图图3 吸附露点与时间的关系装置在处理量增加到70×104NM3/d的情况下，仍然使用为50×104NM3/d装置设计的分子筛吸附塔， 从吸附传质区移动图上可以看出，在吸附周期开始时，吸附塔顶分子筛开始吸附水蒸汽，形成吸附传质区。

进入吸附中期吸附传质区向下推移，吸附塔上部分子筛已被水蒸汽饱和当到吸附末期时，吸附传质区基本已到达分子筛床层的最下端，流出气体的水露点已开始上升，由出口气体露点与时间的关系曲线也可以看出，在转效点时出口气体的含水量开始上升，而分子筛吸附塔从湿气中吸附的总水量增加了1.4倍，势必会导致吸附传质区提前到达转效点，分子筛床层继续吸附天然气中水分，此时分子筛已处于吸附容量饱和状态，失去脱水能力，也就是说湿气穿透了分子筛床层，从而导致分子筛塔吸附后天然气的水露点急剧上升4.1.2分子筛吸附塔吸附能力计算4.1.2.1计算公式G=QW　　（1）式中：G-吸附气含水量，kg/d;Q-吸附气量，103m3/d；W-吸附气在操作压力和温度下的含水量，kg水/1000 m3吸附气q=0.05305G/D2　　　（2）式中：q-床层截面积水负荷，kg/(h·m2)；D-吸附塔内径，m;Hz=(1.41Aq0.7895)/Vg0.5506Rs0.2646式中：Hz-吸附床层传质区长度，m; Vg-允许空塔流速，m/min; Rs-吸附气相对湿度，％VDES=100W2/Xs ρD 　　（3）式中：VDES-吸附剂用量，m3；W2-一个周期吸附剂吸收的水量，kg水/T；Xs -吸附剂的动态饱和湿容量，kg水/100kg吸附剂；ρD吸附剂堆密度，kg/ m3。

Ht=VDES /F　　　（4）式中：Ht-有效吸附床层高度，m；F-吸附床层截面积，m2F=ΠD2/4　　　（5）式中：D为吸附塔内径，mф=Ht/H　　　（6）式中：ф-有效吸附床层高度占床层高度的比例,％；H-吸附塔的床层高度，mx Ht=Xs Ht-0.45 Xs Hz　　　（7）式中：X-吸附剂有效吸附容量，kg水/100kg吸附剂 ，要求X

表4 脱水吸附剂湿容量推荐值吸附剂湿容量（kg水/100kg吸附剂）吸附剂湿容量（kg水/100kg吸附剂）活性铝土矿4～6活性氧化铝4～7硅胶7～9分子筛9～12图4 天然气含水量主算图图5 分子筛吸附脱水器允许空塔流速4.1.2.3计算50×104NM3/d吸附塔的处理能力计算：G=500×2.26=1130 kgq=0.05305×1130/1.62=23.41kg/( h·m2)Hz=1.41×0.6×23.410.7895/(120.55061000.2646)=0.7675mVDES=100×1130×8/(24×660×10)=5.707 m3F=Π×1.62/4=2.011 m2Ht=5.707/2.011=2.8378mф=2.8378/4.8=59.1％℅X=（10×2.8378-0.45 ×0.7675×10）/2.8378=8.783 kg水/100kgX< XsθB=0.01×8.783×660×4.8/23.41=11.9hβ=1-8/12=33.3％℅操作弹性为33％℅70×104NM3/d吸附塔的处理能力计算：G=700×2.26=1582kgq=0.05305×1582/1.62=33.06kg/( h·m2)Hz=1.41×0.6×33.060.7895/(120.55061000.2646)=1.01mVDES=100×8×1582/(24×660×10)=7.990 m3F=Π×1.62/4=2.011 m2Ht=7.99/2.011=3.973mф=3.973/4.8=82.8％℅X=（10×3.973-0.45 ×1.01×10）。