吸附法脫水專題知識

概述吸附分離是利用氣體或液體中各組份在吸附劑表面吸附能力差異而使其分離方法。1.吸附過程分類按流體分子與吸附劑表面分子作用力不一樣可分為二類：①物理吸附（范德華力）特點：放熱?。ɡ淠裏幔珴櫇駸幔?，有可逆性，增加壓力或降低溫度有利于吸附；降低壓力，提升溫度有利于脫附。吸附劑可循環(huán)使用。②化學吸附（剩下力場，剩下價力）特點：吸附熱大，靠近于化學反應(yīng)熱。被吸附分子最少會發(fā)生變形，可逆性小，這種過程極少用于混合物分離。吸附法脫水專題知識第1頁吸附作用：因為吸附劑固體表面力作用而產(chǎn)生。脫附作用：因為吸附質(zhì)分子在吸附劑表面上熱運動而形成。當吸附速率＝脫附速率時，即到達了吸附平衡。

當吸附劑用于天然氣脫水時，吸附劑吸附水量又稱為吸附劑濕容量。固體吸附劑吸附容量(或濕容量)與被吸附氣體特征和分壓、固體吸附劑持性、吸附劑比表面積和孔隙率以及吸附溫度等相關(guān)。吸附質(zhì)與吸附劑表面之間吸引力主要決定于氣體和固體表面特征，故吸附容量可因吸附質(zhì)一吸附劑體系不一樣而有很大差異。2.吸附平衡吸附法脫水專題知識第2頁天然氣脫水過程對吸附劑要求活性鋁土和氧化鋁吸附劑硅膠和硅石球吸附劑分子篩吸附劑復合固體吸附劑第一節(jié)天然氣脫水慣用吸附劑吸附法脫水專題知識第3頁①必須是多孔性、含有較大吸附比表面積物質(zhì)。用于天然氣脫水吸附劑比表面積—般都在500—800m2／g，比表面積越大，其吸附容量(或濕容量)越大。②對流體中不一樣組分含有選擇性吸附作用，亦即對要脫除組分含有較高吸附容里。③含有較高吸附傳質(zhì)速度，在瞬間即可到達相間平衡。④能簡便而經(jīng)濟地再生，且在使用過程中能保持較高吸附容量，使用壽命長。天然氣脫水過程要求吸附劑應(yīng)含有以下特征吸附法脫水專題知識第4頁⑤工業(yè)用吸附劑通常是顆粒狀。為了適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用要求，吸附劑顆粒在大小、幾何形狀等方面應(yīng)含有一定特征。比如，顆粒大小適度而且均勻，同時含有很高機械強度以預防破碎和產(chǎn)生粉塵(粉化)等。

⑥含有較大堆積密度。⑦有良好化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性以及價格使宜、原料充分等。當前，在天然氣脫水中主要使用吸附劑有活性鋁土和活性氧化鋁、硅膠及分子篩三大類。通常，應(yīng)依據(jù)工藝要求進行經(jīng)濟比較后，選擇適當吸附劑。吸附法脫水專題知識第5頁一、活性鋁土和活性氧化鋁1.活性鋁土（鋁礬土）活性鋁土是由含鐵低天然鋁土(主要成份是Al2O3)經(jīng)過加熱活化而成。它優(yōu)點是成本低，有液態(tài)水存在時不會破碎，能提供一定露點降。缺點是吸附容量小。2.活性氧化鋁它是人工合成，含有部分水合、多孔和無定形氧化鋁。其比表面積可達250m2/g以上。近年來問世高效活性氧化鋁能使氣體水露點可低達-100℃。但其再生時耗熱量較硅膠高，能吸附重烴且不易脫除。另外，氧化鋁呈堿性、可與無機酸發(fā)生化學反應(yīng)，故不宜處理酸性天然氣?；钚匝趸X濕容量很大，慣用于水含量大氣體脫水。吸附法脫水專題知識第6頁二、硅膠和硅石球1.硅膠硅膠是一個晶粒狀無定形氧化硅，分子式為SiO2·nH2O。采取硅膠脫水普通可使天然氣露點達-60℃。用于天然氣脫水硅膠很輕易再生，再生溫度較分子篩低。當硅膠吸附天然氣中水份時，其量可達本身質(zhì)量50％。但吸水時放出大量吸附熱，很易破裂產(chǎn)生粉塵，增加壓降，降低有效濕容量。2.硅石球硅石球，比如美孚企業(yè)吸附球(Sorbead)，有R型和H型兩種，由97％SiO2和3％Al2O3組成。它吸附容量與硅膠基本相同，但因其堆積密度略大，因而單位體積處理能力也對應(yīng)大一些。吸附法脫水專題知識第7頁

1.分子篩吸附劑化學組成當前慣用分子篩系人工合成沸石，是一個硅鋁酸鹽晶體，由SiO4和AlO4四面體組成。在分子篩晶體中存在著金屬陽離子，以平衡AlO4四面體中多出負電荷。分子篩化學結(jié)構(gòu)式以下：三、分子篩其中，M－金屬離子，能夠是K＋、Na＋、Ca＋等

n－離子價數(shù)；X－稱為硅鋁比吸附法脫水專題知識第8頁

含有許多排列整齊，大小均一孔道?？椎乐g經(jīng)過孔口相互聯(lián)結(jié)，孔口大小與分子大小相近。分子篩類型硅鋁比(X)不一樣,分子篩類型不一樣,分為A、X、Y型分子篩；金屬離子不一樣，分子篩孔口直徑不一樣，同類分子篩又有不一樣牌號；比如：3A，4A，5A型分子篩等。對不一樣類型分子篩可總結(jié)為：2.分子篩結(jié)構(gòu)特點：吸附法脫水專題知識第9頁分子篩類型AXY

硅鋁比（X）22.55對于A型分子篩，則有：分子篩名稱3A4A5A

金屬離子K＋Na＋Ca＋＋分子篩兩種效應(yīng)：①篩分效應(yīng)：有效直徑小于孔口分子才可進入孔道被吸附。②吸附效應(yīng)：進入孔道分子照極性強弱去吸附。3.不一樣類型分子篩吸附法脫水專題知識第10頁

（1）含有很好吸附選擇性：

3A分子篩（平均孔徑3?，1?

＝10-10m)

只允許H2O（2.7?

～3.1?

）、CH4直徑小于3?分子進入孔道。（不吸附乙烷）

4A分子篩：只允許H2O、CH4、C2H6、CO2、H2S等直徑小于4?分子進入孔道吸附（不吸附丙烷）。若希望同時吸附CO2和H2S，則不應(yīng)選擇3A而應(yīng)選擇4A分子篩。

5A分子篩：允許各中直鏈烷烴進入孔道。慣用于正、異構(gòu)烷烴分離，用于天然氣脫水則選擇性差（失去了篩選作用，只靠極性差異吸附）不作為干燥吸附劑用。

4.分子篩用作干燥劑時特點吸附法脫水專題知識第11頁

（2）含有很高吸附性能：在很低水蒸汽分壓下仍有較大吸附容量，可使干燥后氣體中水含量到達1ppm以下,相當于氣體露點為-101℃。（3）濕容量隨溫度改變很?。悍肿雍Y經(jīng)重復再生后，其濕容量能夠基本保持不變。而硅膠和氧化鋁濕容量在23→59℃時，則下降約50％，屢次再生后，可下降2／3。（4）使用壽命較長：因為分子篩可有選擇性地吸附水，可防止因重烴共吸附而使吸附劑失活，故可延長分子篩壽命。（5）分子篩不易被液態(tài)水破壞因為分子篩不易被液態(tài)水破壞。故可用于有液態(tài)水氣體脫水。

吸附法脫水專題知識第12頁四、復合固體吸附劑復合固體吸附劑就是同時使用兩種或兩種以上吸附劑，通常是將硅膠或活性氧化鋁與分子篩串聯(lián)使用，濕氣先經(jīng)過硅膠或活性氧化鋁床層，再經(jīng)過分子篩床層；當前．天然氣脫水普遍使用活性氧化鋁和4A分子篩串聯(lián)雙床層，其特點以下所述。（1)既能夠降低投資，又可確保干氣露點。(2)活性氧化鋁可作為分子篩保護層。當氣體中攜帶有液態(tài)水、液烴、緩蝕劑及胺類化合物時，位于上部床層活性氧化鋁除用于氣體脫水外，還可作為下部分子篩床層保護層。吸附法脫水專題知識第13頁（4）活性氧化鋁價格較低，活性氧化鋁價格不但比4A分子篩低，而且比濕溶量相同硅膠(在t≤30℃時與活性氧化鋁含有相同平衡濕容量)也低。因為活性氧化鋁與4A分子篩組成復合固體吸附劑床層含有以上持點，故近幾年來在天然氣脫水中得到廣泛應(yīng)用。（3）活性氧化鋁再生時能耗比分子篩低因為活性氧化鋁吸附熱比分子篩要低，故其再生時能耗也低。吸附法脫水專題知識第14頁第二節(jié)固定床吸附過程特征及計算吸附劑床層內(nèi)吸附過程幾個概念吸附過程計算干燥器工藝計算再生過程工藝計算吸附法脫水專題知識第15頁設(shè):濕天然氣中水濃度為C0;吸附床內(nèi)水原始濃度為零；床層內(nèi)水被吸附過程以下列圖。一、吸附劑床層內(nèi)吸附過程吸附波吸附法脫水專題知識第16頁透過曲線吸附法脫水專題知識第17頁二、幾個概念1.吸附負荷曲線（吸附波）：在吸附劑床層中，吸附質(zhì)沿床層不一樣高度濃度改變曲線，稱為吸附負荷曲線或吸附波。2.破點：床層出口氣體中水濃度剛才開始發(fā)生改變（上升）點（tb),稱為破點。3.透過(穿透)曲線：從“破點”到整個床層到達飽和時，床層出口端氣體中水濃度隨時間改變曲線，叫透過曲線。4.吸附劑平衡吸附（濕容）量：當床層到達完全飽和時，吸附劑吸附量叫平衡吸附量。（g-H2O/100g-吸附劑）5.動態(tài)（有效）吸附（濕容）量：吸附過程到達“破點”時，吸附劑吸附量叫動態(tài)（穿透）吸附量。吸附法脫水專題知識第18頁式中：X－吸附劑有效濕容量，kg水／100kg吸附劑；

Xs－吸附劑平衡濕容量，kg水／100kg吸附劑；

hT－床層長度，m；hZ－傳質(zhì)區(qū)長度，m假定在傳質(zhì)區(qū)內(nèi)吸附劑飽和度為0.55三、吸附過程計算

1.吸附劑有效濕容量：在天然氣吸附脫水過程中，吸附劑有效吸附量計算公式以下：吸附法脫水專題知識第19頁在長久運行中，吸附劑濕容量會逐步降低。所以，在進行吸附器設(shè)計時，為確保天然氣脫水深度，應(yīng)取一個比平衡濕溶量低值，稱其為設(shè)計濕溶量。吸附劑濕容量下降原因有：①高溫老化：再生過程吸附劑在水蒸氣和熱作用下，引發(fā)微孔結(jié)構(gòu)改變，內(nèi)表面積減小。這種作用在用新鮮吸附劑時很顯著，以后改變逐步平緩。②不可逆吸附：主要是吸附劑吸附了一些不易揮發(fā)物質(zhì)（吸收油、壓縮機油、醇醚類化合物）以及元素硫等。阻塞了晶格內(nèi)部通道。所以，在吸附器設(shè)計時，應(yīng)選擇適當濕容量，使吸附劑在使用后期仍能到達要求脫水效果。2.吸附劑設(shè)計濕容量：吸附法脫水專題知識第20頁

吸附劑

設(shè)計是容量（g-H2O/100g-吸附劑)活性氧化鋁4-7硅膠7-9

A型分子篩9-12

3.吸附傳質(zhì)區(qū)長度

吸附傳質(zhì)區(qū)長度hZ與濕氣組成、流量、相對濕度及吸附劑裝填量等相關(guān)，計算公式見式5－3設(shè)計干燥器時推薦濕容量：吸附法脫水專題知識第21頁式中hZ－吸附傳質(zhì)區(qū)長度，m；q－吸附床層截面積水負荷,g/(hr.m2)Vg－吸附床層允許空塔速度，m/min,見圖5－15

Rs－進料濕氣相對濕度，％；A－吸附常數(shù)，對與分子篩為0.6。q計算公式以下式中G1－吸附劑吸附水量，kg/dD－吸附劑床層直徑，m吸附法脫水專題知識第22頁

1．吸附劑床層長度確實定已知濕氣在操作狀態(tài)體積流量(Qw),可按吸附劑床層允許孔塔速度Vg(見圖5-15）計算吸附劑床層直徑D’。

依據(jù)容器直徑系列標準，標準化為D四、干燥器工藝計算吸附法脫水專題知識第23頁

2.分子篩裝填高度（hT)

式中G1－吸附劑吸附水量，kg/h；τ－周期時間，h;ρB－吸附劑堆積密度，kg/m3；X－吸附劑設(shè)計濕容量，kg-水／100kg吸附劑；

D－標準化后床層直徑，m。當吸附波前沿到達床層底部切換再生時，則床高H＝hT吸附法脫水專題知識第24頁D/H過大,則D相對大,輕易產(chǎn)生氣流分布不均及傳質(zhì)區(qū)高度靠近床高,易短路;而D/H過小，則床層過高，床阻力過大。普通D/H＝1／2～1／3。若不在此范圍內(nèi)，應(yīng)進行調(diào)整。實際空塔速度（Vg）計算公式:式中Vg－氣體實際空塔速度，m/min；Q－進料濕氣流量，106m3/d;Tf、Pf、Zf－進料濕氣在脫水時溫度（K）、壓力（Kpa）和壓縮因子。3.檢驗高徑比(D/H)和實際空塔速度（Vg）吸附法脫水專題知識第25頁

選好干燥器殼體直徑后，除應(yīng)按計算出吸附劑床層實際直徑確定實際床層長度等外,還應(yīng)按下式核實床層實際透過時間。式中θB－床層實際透過時間，h；H－床層實際長度，m。q－吸附床層截面積水負荷,g/(hr.m2);

計算出實際透過時間應(yīng)大于或等于原先確定吸附周期時間。

5.氣體流過吸附劑床層壓降對于各種固定床干燥器，當床層直徑與長度確定之后，還必須計算氣體流過床層壓降（Δp)是否合理（＜35kPa)。壓降可按以下公式計算。4.核實透過時間吸附法脫水專題知識第26頁式中Δp——氣體流過床層壓降，kPaH——吸附劑床層長度。m；μg——氣體在操作狀態(tài)下粘度，mPa.SVg——氣體實際空塔流速，m／minB、C——常數(shù)，與吸附劑顆粒形狀相關(guān)，可由表5—10查得；吸附劑顆粒類型Φ3.2mm球狀Φ3.2mm條狀Φ1.6mm球狀Φ1.6mm條狀B4.1555.35711.27817.660C0.001350.001880.002070.00319表5－10吸附劑顆粒類型常數(shù)吸附法脫水專題知識第27頁

經(jīng)過計算確定：再生氣量；再生氣加熱負荷；冷卻氣量；冷卻熱負荷。

1.再生氣選擇依據(jù)對干燥氣露點要求，可選擇濕氣或干氣作再生氣。在再生過程中，將吸附器加熱到一樣溫度，采取濕氣作再生劑時，脫水操作中出口干氣露點相對較高。比如，都將床層加熱到204℃，當用干氣作再生器時，脫水操作中出口干氣水露點是-76℃；而用濕氣作再生器時，脫水操作中出口干氣水露點上升到-39℃。為使吸附劑再生完全，確保出口干氣較低露點，普通是用干氣作再生氣。

2.加熱過程總熱負荷和再生氣量計算加熱過程曲線見圖5－9五、再生過程工藝計算吸附法脫水專題知識第28頁吸附法脫水專題知識第29頁A階段：升溫、烴脫附。認為烴在TA＝（T1＋T2）／2下脫附；

B階段：水脫附，認為全部水在TB溫度下全部脫掉；

C階段：重烴脫附，認為在TC下脫掉重烴。

D階段：冷卻階段。總熱負荷包含：①顯熱負荷：塔體、吸附劑及其它內(nèi)容物有T1→T4；輕烴由T1→TA；水由T1→TB；重烴由T1→TC

②潛熱負荷：輕烴、水、重烴等全部吸附物脫附熱。水在氧化鋁和硅膠上脫附熱為778KCal/kg;在分子篩上脫附熱為1000KCal/kg；烴在硅膠、氧化鋁和分子篩上脫附熱均為111KCal/kg。由圖5－9可知，吸附器再生、冷卻過程主要四個階段：吸附法脫水專題知識第30頁計算步驟為①計算加熱過程總負荷→②確定適當加熱時間（θh)，計算再生氣所提供熱負荷（包含未知數(shù)再生氣量）→③使以上兩步計算值相等求出再生氣量→④取與加熱過程相同氣量，計算冷卻過程時間(θc)→⑤判斷θh+θc≤τ(吸附周期),不然適當增加加熱過程時間,對應(yīng)增加再生氣流量,重復②→⑤直至條件滿足。詳細計算過程參見書中《再生周期中干燥器加熱和冷卻過程工藝計算》及例5－23.再生冷卻過程再生氣量計算步驟吸附法脫水專題知識第31頁第三節(jié)固體吸附劑脫水工藝固體吸附劑脫水工藝流程工藝參數(shù)選擇干燥器結(jié)構(gòu)吸附法脫水專題知識第32頁

1.采取濕氣（或進料氣）作再生氣。一、固體吸附劑脫水工藝流程特點：①再生器用量約占進料量5％～10％；②因為采取濕氣作再生氣，脫水操作中干氣露點僅能到達約為-39℃；③因為脫水干燥時干燥器內(nèi)氣速很大，為降低床層擾動，原料氣自上而下經(jīng)過床層。吸附法脫水專題知識第33頁2.采取干氣作再生氣

特點：（1）因為用干氣再生，出口干氣露點可降低至-100℃以下；（2）再生操作時，再生氣自下而上，其原因是：①預防床層下部重新被水污染；②可使床層下部再生更完全，以確保天然氣露點要求；③即使床層下部沒有吸附水，但吸附力大量烴類，其脫附后流向床層上部，起到再生氣作用。吸附法脫水專題知識第34頁

1.吸附周期：吸附周期長，則再生次數(shù)少，吸附劑壽命長；但床層長，投資高。對于含水量較高天然氣，易采取較短周期；對于含水量較低天然氣，易采取較長周期。通常取吸附周期8～二十四小時。

2.吸附溫度：依