c天然气分子筛脱水装置工艺设计

100×104 m3/d天然气分子筛脱水装置工艺设计说明书

1 概述

1.1 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3.2mm，堆密度为660kg/m3，吸附周期采用8小时。

其具体内容如下：

1. 绘制天然气脱水工艺流程图； 2. 确定工艺流程的主要工艺参数；

3. 对脱水系统中主要设备进行工艺计算，并确定主要设备的结构尺寸和型号。 4. 确定流程中主要管线的规格（材质、壁厚、直径）。 5. 编写工程设计书。

1.2 设计范围

分子筛吸附塔装置 导热油换热单元 过滤器 再生气分离器 连接管道 排污放空系统 安全阀，调压阀

1.3 设计原则

1) 贯彻国家建设基本方针政策，遵循国家和行业的各项技术标准、规范。 2) 贯彻“安全、可靠”的指导思想，紧密结合上、下游工程，以保证中央处理厂

安全、稳定地运行。

3) 根据高效节能、安全生产的原则，采用先进实用的技术和自控手段，实行现代

化的管理模式，实现工艺、技术成熟可靠、节省投资、方便生产。 4) 充分考虑环境保护，节约能源。

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1.4 气质工况及处理规模

气体处理规模：100×104 m3/d 原料气压力：4.5 MPa 原料气温度：30 ℃ 脱水后含水量：≤1 ppm 天然气气质组成见表1-1。

表1-1 天然气组成表（干基）

组分 mol% 组分 mol% H2 0.097 C3 0.73 He 0.052 iC4 0.121 N2 0.55 nC4 0.156 CO2 0.026 iC5 0.056 C1 94.595 nC5 0.052 C2 3.305 C6+ 0.262 1.5 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100×104m3/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。

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。在三塔或多塔流程中，切换的程序有所不同，通常三塔流程采用一塔吸附、一塔再生、一塔冷吹同时进行。

表1-2 三塔方案（常规）时间分配表

吸附器 分子筛脱水塔A 分子筛脱水塔B 分子筛脱水塔C 0～8h 吸附 冷却 加热 8～16h 加热 吸附 冷却 16～24h 冷却 加热 吸附 由表1-1可以看出，在三塔方案中，加热炉连续工作，并且冷吹再生时间长，期间的加热、冷却功率相对较小，三塔流程灵活性较高。

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表1-3 两塔方案（常规）时间分配表

吸附器 分子筛脱水塔A 分子筛脱水塔B 0～8h 吸附 加热/冷却 8～16h 加热/冷却 吸附

由表1-2可以看出，分子筛两塔脱水装置运行时，始终保持一塔处于吸附状态，另一塔处于再生状态。因此，加热炉操作不连续，点火、停炉频繁，不利于装置的长周期正常、平稳运行，且会造成一定的热损失。但两塔流程简单，其吸附时间增长，能耗大大降低。两塔流程较三塔流程减少1座吸附塔，大大节约了设备采购费用。由于设备数量的减少，操作维护费用也将大大降低。同时，由于减少了设备、工艺管线的数量，实际上也相应削减了管线、设备穿孔泄露的风险，提高了安全可靠性。且吸附、再生、冷却过程为密闭过程，对环境污染少。

两塔流程由装填有分子筛的两个塔组成,假设塔2在进行干燥,塔1在进行再生。在再生期间,所有被吸附的物质通过加热而被脱吸,为该塔的下一个吸附周期作准备。湿原料气一般经原料气过滤分离器,除去携带的液滴后自上而下地进入分子筛脱水塔(塔2),进行脱水吸附过程。脱除水后的干气一般经产品气粉尘过滤器除去分子筛粉尘后,作为本装置产品气输送出去。

且选用两塔流程仍有扩建空间。若以后天然气处理量逐步增大，可能导致分子筛床层内气体流速增大，部分分子筛被击碎，并被原料气携带进入粉尘过滤器，造成粉尘过滤器滤网堵塞，装置运行不平稳。则可对分子筛脱水工艺流程进行改造，在原两塔的基础上增加一台同规格的分子筛干燥塔，将“两塔流程”改为“三塔流程”，同时增加配套的自控系统，以完成扩建。

因此，本设计中采取分子筛两塔吸附脱水流程。

1.5.2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

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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。

1.6 遵循的主要标准、规范

SY/T 0076-2003《天然气脱水设计规范》 HG/T 20570.2-95《安全阀的设置和选用》 SY/T 0524-2008《导热油加热炉系统规范》 GB/T 8163-2008《输送流体用无缝钢管》

GB/T 17395-2008《无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差》 GB 50251-2003《输气管道工程设计规范》 GB 50350-2005《油气集输设计规范》 GB 8770-1988《分子筛动态水吸附测定方法》 GB/T 9019-2001《压力容器公称直径》 GB 150-1998《钢制压力容器》

SH3098-2000《石油化工塔器设计规范》 JB731-2008《锅炉和压力容器用钢板》 SY/T 0515-2007《油气分离器规范》 HGT21618-1998《丝网除沫器》

2工艺参数及设备选型

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。

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选用4A分子筛脱水，其特性如下： 分子筛粒子类型：直径3.2mm球形

分子筛的有效湿容量：8kg（水）/100kg（分子筛） 分子筛堆积密度：660kg/m3 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

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