NGL回收裝置中的天然氣脫水

第頁(yè)NGL回收裝置中的天然氣脫水

與汲取法相比，吸附法脫水適用于要求干氣露點(diǎn)較低的場(chǎng)合，尤其是分子篩，常用于采納深冷分開的天然氣凝液(NGL)回收、天然氣液化和汽車用壓縮天然氣的生產(chǎn)(CNG加氣站)等過程中。

采納不同干燥劑的天然氣脫水工藝流程基本相同，干燥器(脫水塔)都采納固定床。由于干燥器床層在脫水操作中被水飽和后，必須要再生脫除干燥劑所吸附的水分，故為了確保脫水裝置連續(xù)運(yùn)行，至少必須要兩個(gè)干燥器。在兩塔(即兩個(gè)干燥器)流程中，一臺(tái)干燥器進(jìn)行天然氣脫水，另一臺(tái)干燥器進(jìn)行干燥劑再生(加熱和冷卻)，然后切換操作。在三塔或多塔流程中，其切換流程則有所不同。

當(dāng)采納低溫法的目的是為了回收天然氣凝液時(shí)，由于這類裝置必須要在較低溫度(關(guān)于淺冷分開的NGL回收裝置，一般在-15～-35℃；關(guān)于深冷分開的NGL回收裝置，一般低于-45℃，甚至低達(dá)-100℃以下)下回收和分開NGL，為了防止在裝置的低溫系統(tǒng)形成水合物和凍堵，故必須采納吸附法脫水。此時(shí)，吸附法脫水系統(tǒng)是NGL回收裝置中的一個(gè)組成部分，其工藝流程見圖3-17。脫水深度應(yīng)依據(jù)裝置低溫系統(tǒng)中的天然氣溫度和壓力有所不同。關(guān)于采納深冷分開的NGL回收裝置，通常都要求干氣水含量低至1×10-6(體積分?jǐn)?shù)，下同)或0.748mg/m3，約相當(dāng)于干氣露點(diǎn)為-76℃，故均選用分子篩作干燥劑。

1.工藝流程

圖3-17為NGL回收裝置中普遍采納的氣體脫水兩塔工藝流程。一臺(tái)干燥器在脫水時(shí)原料氣上進(jìn)下出，以減少氣流對(duì)床層的擾動(dòng)，另一臺(tái)干燥器在再生時(shí)再生氣下進(jìn)上出，這樣既可以脫除靠近干燥器床層上部被吸附的物質(zhì)，并使其不流過整個(gè)床層。又可以保證與濕原料氣接觸的下部床層得到充分再生，而下部床層的再生效果直接影響流出床層干氣的露點(diǎn)。然后，兩臺(tái)干燥器切換操作。如果采納濕氣(例如原料氣)再生與冷卻，為確保分子篩床層下部再生效果，再生氣與冷卻氣應(yīng)上進(jìn)下出。

在脫水時(shí)，干燥器床層不斷吸附氣體中的水分直至最后整個(gè)床層達(dá)到飽和，此時(shí)就不能再對(duì)濕原料氣進(jìn)行脫水。因此，必須在干燥器床層未達(dá)到飽和之前就進(jìn)行切換，馬上濕原料氣改善入另一個(gè)已經(jīng)再生好的干燥器床層，而剛完成脫水操作的干燥器床層則改用再生氣進(jìn)行再生。

干燥器再生氣可以是濕原料氣，也可以是脫水后的高壓干氣或外來的低壓干氣(例如NGL回收裝置中的脫甲烷塔塔頂氣)。為使干燥劑再生更完全，確保干氣有較低露點(diǎn)，一般應(yīng)采納干氣作再生用氣。再生氣量約為原料氣量的5%～10%。

當(dāng)采納高壓干氣作再生氣時(shí)，可以是加熱后直接去干燥器將床層加熱，使干燥劑上吸附的水分脫附，并將流出干燥器的氣體冷卻，使脫附出來的水蒸氣冷凝與分開。由于此時(shí)分出的氣體是濕氣，故增壓返回濕原料氣中(見圖3-17)；也可以是將再生氣先增壓(一般增壓0.28～0.35MPa)再加熱去干燥器，然后冷卻、分水并返回濕原料氣中；還可以依據(jù)干氣外輸要求(露點(diǎn)、壓力)，再生氣不必須增壓，經(jīng)加熱后去干燥器，然后冷卻、分水，靠控制進(jìn)輸氣管線閥門前后的壓差使這部分濕氣與干氣一起外輸。當(dāng)采納低壓干氣作再生氣時(shí)，因脫水壓力遠(yuǎn)高于再生壓九故在干燥器切換時(shí)應(yīng)控制升壓與降壓速度，一般宜小于0.3MPa/min。

床層加熱完畢后，再用冷卻氣使床層冷卻至一定溫度，然后切換轉(zhuǎn)入下一個(gè)脫水周期。由于冷卻氣是采納不加熱的干氣，故一般也是下進(jìn)上出。但是，有時(shí)也可將冷卻干氣自上而下流過床層，使冷卻干氣中的少量水蒸氣被床層上部干燥劑吸附，從而最大限度降低脫水周期中出口干氣的水含量。

2.工藝參數(shù)

(1)原料氣進(jìn)干燥器溫度

由圖3-16可知，吸附劑的濕容量與床層吸附溫度有關(guān)，即吸附溫度越高，吸附劑的濕容量越小。為確保吸附劑有較高的濕容量，進(jìn)入床層的原料氣溫度不宜超過50℃。

(2)脫水周期

干燥器床層的脫水周期(吸附周期)應(yīng)依據(jù)原料氣的水含量、空塔流速、床層高徑比、再生氣能耗、干燥劑壽命等進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

關(guān)于兩塔脫水流程，干燥器脫水周期一般為8～24h，通常取8～12h。如果原料氣的相對(duì)濕度小于100%，脫水周期可大于12h。脫水周期長(zhǎng)，意味著再生次數(shù)較少，干燥劑使用壽命長(zhǎng)，但是床層較長(zhǎng)，投資較高。關(guān)于壓力不高、水含量較大的氣體脫水，為避免干燥器尺寸過大，脫水周期宜小于8h。

再生周期時(shí)間與脫水周期相同。在兩塔脫水流程中再生氣加熱床層時(shí)間一般是再生周期的65%。以8h再生周期為例，大致是加熱時(shí)間4.5h，冷卻時(shí)間3h，備用和切換時(shí)間0.5h。

(3)再生周期的加熱與冷卻溫度

再生時(shí)床層加熱溫度越高，再生后干燥劑的濕容量也越大，但其使用壽命也約短。床層加熱溫度與再生氣加熱后進(jìn)干燥器的溫度有關(guān)，而此再生氣入口溫度應(yīng)依據(jù)原料氣脫水深度、干燥劑使用壽命等因素綜合確定。不同干燥劑所要求的再生氣進(jìn)口溫度范圍為：分子篩232～315℃；硅膠234～245℃；活性氧化鋁則介于二者之間，并接近分子篩的溫度范圍。

加熱完畢后馬上冷卻氣通過床層使其冷卻，一般在冷卻氣出干燥器的溫度降至50℃即可停止冷卻。冷卻溫度過高，由于床層溫度較高，干燥劑濕容量將會(huì)降低；反之，冷卻溫度過低，將會(huì)增加冷卻時(shí)間。如果是采納濕原料氣再生，冷卻溫度過低時(shí)還會(huì)使床層上部干燥劑被冷卻氣中的水蒸氣預(yù)飽和。

圖3-18為采納兩塔流程的吸附法脫水裝置8h再生周期(包括加熱和冷卻)的溫度變化曲線。曲線1表示再生氣進(jìn)干燥器的溫度TH，曲線2表示加熱和冷卻過程中離開干燥器的氣體溫度，曲線3則表示濕原料氣溫度。

由圖3-18可知，再生開始時(shí)加熱后的再生氣進(jìn)入干燥器加熱床層和容器，出床層的氣體溫度逐漸由五升至咒，大約在116～120℃時(shí)床層中吸附的水分開始大量脫附，故此時(shí)升溫比較緩慢。制定中可假定大約在121～125℃的溫度下脫除全部水分。待水分全部脫除后，持續(xù)加熱床層以脫除不易脫附的重?zé)N和污物。當(dāng)再生時(shí)間在4h或4h以上，離開干燥器的氣體溫度達(dá)到180～230℃時(shí)床層加熱完畢。熱再生氣溫度TH至少應(yīng)比再生加熱過程中所要求的最終離開床層的氣體出口溫度瓦高19～55℃，一般為38℃。然后，將冷卻氣通入床層進(jìn)行冷卻，當(dāng)床層溫度大約降至50℃時(shí)停止冷卻。

3.主要設(shè)備

主要設(shè)備有干燥器、再生氣加熱器、冷卻器和水分開器以及再生氣壓縮機(jī)等?，F(xiàn)僅將干燥器的結(jié)構(gòu)介紹如下。

干燥器的結(jié)構(gòu)見圖3-19。由圖可知，干燥器由床層支承梁和支承柵板、頂部和底部的氣體進(jìn)、出口管嘴和分配器(這是因?yàn)槊撍驮偕謩e是兩股物流從兩個(gè)方向流過干燥劑床層，故頂部和底部都是氣體進(jìn)、出口)、裝料口、排料口以及取樣口、溫度計(jì)插孔等組成。

在支承柵板上有一層10～20目的不銹鋼濾網(wǎng)，以防止干燥劑和瓷球隨氣流下沉。濾網(wǎng)上放置的瓷球通常為兩層，上層瓷球直徑一般為6mm，下層瓷球直徑一般為12mm，二者各高50～75mm。支承柵板下的支承梁應(yīng)能承受床層的靜載荷(干燥劑等的質(zhì)量)和動(dòng)載荷(氣體流動(dòng)壓降)。

干燥劑的形狀、大小應(yīng)依據(jù)吸附質(zhì)不同而異。關(guān)于天然氣脫水，通常使用的分子篩顆粒是球狀和條狀(圓形或三葉草形截面)。常用的球狀規(guī)格是ф3～8mm，條狀(即圓柱狀)規(guī)格是ф1.6～3.2mm。

干燥器尺寸會(huì)影響床層壓降。關(guān)于氣體吸附來講，其床層高徑比不應(yīng)小于1.6。氣體通過床層的制定壓降一般應(yīng)小于35kPa，最好不大于55kPa。

分配器(有時(shí)還有擋板)的作用是使進(jìn)入干燥器的氣體(尤其是流量很大的原料氣)以徑向、低速流向干燥劑床層，從而減少對(duì)床層的擾動(dòng)。床層頂部也放置瓷球，瓷球直徑為12～50mm，高100～150mm，其作用是改善進(jìn)口氣流的分布并防止因渦流引起干燥劑的移動(dòng)和破碎。瓷球?qū)酉旅媸且粚悠鹬С凶饔玫牟讳P鋼浮動(dòng)濾網(wǎng)。

由于干燥劑床層在再生加熱時(shí)溫度較高，故干燥器必須要保溫。器壁外保溫比較容易，但內(nèi)保溫可以降低大約30%的再生能耗。然而，一旦內(nèi)保溫襯里發(fā)生龜裂，氣體就會(huì)走短路而不經(jīng)過床層。

20世紀(jì)80年代以來我國(guó)陸續(xù)引進(jìn)了幾套處理量較大且采納深冷分開的NGL回收裝置，這些裝置均選用分子篩作干燥劑。目前，國(guó)內(nèi)也有很多采納淺冷或深冷分開的NGL回收裝置選用分子篩作干燥劑。另外，海南福山油田目前有一套小型NGL回收裝置在運(yùn)行，由于原料氣中CO2含量高達(dá)20%～30%，應(yīng)選用抗酸性分子篩。我國(guó)為哈薩克斯坦扎那假設(shè)爾油氣處理新廠制定與承建的天然氣脫水脫硫醇裝置處理量為315×104