天然气脱水固体吸附法

17.3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。2一、吸附脱水原理和工艺过程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。1.基本原理3水是一种强极性分子，分子直径（2.76Å～3.2Å）很小。不同的多孔性固体的孔径是不同的，孔径大于3.2Å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。1.基本原理42.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5（1）物理吸附物理吸附是指流体中被吸附的分子与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。6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。（1）物理吸附7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。（2）化学吸附8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。（2）化学吸附9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。104.吸附的传质过程图7-27吸附转效曲线115.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。12温度转换再生法示意图13（2）压力转换再生法：（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。5.再生方法14二、常用固体吸附剂的性质•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。1.工业吸附剂应具备的性能152.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。164.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。17表7-4常用吸附剂的物性18（1）活性氧化铝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。19表7-5典型活性氧化铝组成20活性氧化铝吸附剂的特点•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。21(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·nH2O，它是用硅酸钠与硫酸反应生成水凝胶，然后洗去硫酸钠，将水凝胶干燥制成。其典型组成如表7-6所示。22表7-6典型硅胶的组成23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）×102m2/g，细孔硅胶约为（6～7）×102m2/g。天然气脱水用的是细孔硅胶，平均孔径20～30Å。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。(2)硅胶24（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/nOAl2O3xSiO2yH2OM—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。25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。（3）分子筛26X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。（3）分子筛27表7-7常用分子筛的性能表28•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。分子筛的主要特点2930315.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（1ppm以下），分子筛宜采用4A型或5A型。32•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。5.吸附剂的选用33三、吸附脱水流程及主要参数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）。1.吸附法脱水流程341—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351—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—冷吹气出口图7-32三台吸附器时的运行图36图7-33吸附脱水的原理流程图372.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。38（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℃。39（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。40（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。41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；备用和切换时间：0.5小时。（3）吸附操作周期42（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。43（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。44（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)45四、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。461.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：47G—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。5.0][pbgdCG(7-38)1.吸附器直径D48Qm—气体质量流量，kg/h。mQDG24GQDm41.吸附器直径D49GPSA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)。vgQDV24Qv—气体体积流量，m3/h。50图7-34分子筛吸附器允许空塔流速512.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)。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。bDxGV110052吸附床层高度hT(m)F—床层的横截面积。FVhDT(5-3-11)533.传质区长度hz(m)2646.05506.07895.041.1gZVqAh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，%。(7-39)54吸附床层水负荷q[kg/(h·m2)]：214DGq3.传质区长度hz(m)55GPSA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：ZVhgZ3.0)35(435.0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）。(7-40)3.传质区长度hz(m)564.吸附剂的有效吸附容量sZTsTxhhxxh45.0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。57当吸附操作在转效点结束时，未用吸附段床层高度为零，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。4.吸附剂的有效吸附容量585.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：2gggTVCVBhp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。(7-42)59B和C的值分子筛BC3.2mm直径球形4.1550.001353.2mm圆柱条形5.3570.001881.6mm直径球形11.2780.002071.6mm圆柱条形17.6600.0031960吸附塔压降限制吸附时气体通过床层的压降宜小于0.035MPa，不宜高于0.055MPa，否则应重新调整空塔气速。616.转效时间θB（h）验证转效时间θB与确定的吸附周期τ是否一致。qhxTbB01.0(7-41)62吸附塔计算步骤•计算吸附水量，选取吸附有效湿容量；•计算床层直径D，圆整并确定外径；•计算吸附用量和床层总高度；•计算压降，若ΔP55kPa，则调整D，重复计算；•校核吸附周期，若不符，则从开始重新计算。637.吸附再生与冷却过程计算一般吸附剂的再生温度为175～260℃。用分子筛时，再生温度可高至260～370℃。脱水后干气露点可降至-100℃。再生操作压力通常与吸附操作压力相同，偶而采用较低压力再生以提高被吸附分子的脱附能力。再生过程的温度变化曲线。64再生过程的温度变化曲线65吸附剂的再生过程