天然氣分子篩脫水裝置計算書

PAGE2PAGE1天然氣分子篩脫水裝置計算書1.1吸附計算1.1.1吸附器直徑計算通過HYSYS軟件，已知處理量為1736.8kmol/h原料氣在4500kPa、30℃的飽和含水量為0.1112%（摩爾分數）。按全部脫去考慮，需脫水量：。吸附周期T=8h，總共脫水：。操作條件（30℃，4.5MPa）下氣體體積流量：Q=877.74m3/h操作條件（30℃，4.5MPa）下氣體質量流量：。已知分子篩密度，分子篩。即可根據雷督克斯的半經驗公式求得吸附塔直徑，半經驗公式如下：(1.1)式中G——允許的氣體質量流速，；C——系數，氣體自上向下流動，取0.25~0.32；自下向上流動，取0.167；——分子篩的堆密度，kg/；——氣體在操作條件下的密度，kg/；Dp——分子篩的平均直徑（球形）或當量直徑（條形），m。已知分子篩密度，分子篩。因此，吸附塔的截面積：。直徑：，取1600mm，則F=2.0096m2。1.1.2吸附器高徑比計算分子篩有效吸附容量取8kg（水）/100kg（分子篩）吸附塔需裝分子篩：則分子篩的體積為：V取20%的裕量，1.2V=1.2×5.44=6.528m3床層高：，取1.2m，高徑比約。1.1.3吸附傳質區(qū)長度hz的計算由《天然氣脫水設計規(guī)范》：(1.2)式中Hz——吸附傳質區(qū)長度，m；A——系數，分子篩A=0.6，硅膠A=1，活性氧化鋁A=0.8；q——床層截面積的水負荷，；vg——空塔線速，m/min；——進吸附塔氣體相對濕度，%。q=34.76/2.0096=17.30氣體流速:可見，無論是床層界面的水負荷或空塔流速都無問題，hT都大于2hz。1.1.4吸附劑的有效吸附容量校核由《天然氣脫水設計規(guī)范》：(1.3)式中X——吸附劑的有效吸附容量，kg水/100kg吸附劑；Xs——動態(tài)平衡濕容量，kg水/100kg吸附劑；HT——吸附塔床層高度，m；hz——傳質區(qū)長度，m。（kg水/kg分子篩）吸附劑的動態(tài)平衡濕容量XS大于吸附劑的有效吸附容量（X=8%)，則分子篩床層高度滿足要求。1.1.5轉效點計算由《天然氣脫水設計規(guī)范》：(1.4)式中θB——到達轉效點時間，h；ρb——分子篩的堆密度，kg/；x——選用的分子篩有效吸附容量，%；hT——整個床層長度，m；q——床層截面積的水負荷，。ρb=660kg/；x=8%；hT=1.2m；q=17.30>8h,符合設計要求。1.1.6吸附塔壓力降計算由《天然氣脫水設計規(guī)范》：計算式如下：(1.5)式中△P——壓降，kPa；L——床層高度，m；μ——氣體粘度，mPa·s；vg——氣體流速，m/min；ρg——氣體操作狀態(tài)下的密度，kg/。分子篩選用1.2mm直徑球形，查得則B=4.155，C=0.00135。溫度30℃，壓力4500kPa的操作條件下，已知ρg=31.89kg/，μ=0.0125mPa·s，氣體流速vg=7.278m/min。規(guī)范規(guī)定吸附時氣體通過床層的壓降宜小于等于0.035MPa，不宜高于0.055MPa，否則應重新調整空塔氣速。此處所算壓降滿足規(guī)范要求，無須重新調整空塔氣速。再生加熱和冷卻時壓降都很小，可不計算。1.1.7吸附器安全閥的計算根據HG/T20570.2-95《安全閥的設置和選用》計算：(1)安全閥的泄放量安全閥的泄放量應根據具體工藝過程來確定。本設計安全閥的泄放量均認為單位時間內流過設備的氣體質量流量，即Gg=。(2)安全閥的設定壓力（或開啟壓力）安全閥開始起跳時的進口壓力稱為安全閥的開啟壓力或設定壓力。它應等于或小于受壓設備或管道的設計壓力?？砂聪旅娣椒ù_定：當P≤1.8MPa時，P0=P+0.18MPa當1.8MPa<P≤7.5MPa時，P0=1.1P當P>7.5MPa時，P0=1.05P(1.6)式中P——被保護設備或管道操作絕對壓力，MPa；P0——安全閥設定壓力，MPa吸附塔操作壓力P=4.5MPa，由于1.8MPa<P≤7.5MPa，則：(3)超壓在泄放過程中，安全閥入口處的壓力超過設定壓力的部分。用Pα表示。對于安裝在無火壓力容器上的安全閥：Pα=0.1P=0.45MPa(4)泄放壓力安全閥的閥芯升到最大高度后閥入口處的壓力。泄放壓力等于設定壓力加超壓。在工藝流程中，最高泄放壓力可按下式確定：(1.7)式中Pm——安全閥最高泄放壓力，MPa；P0——安全閥設定壓力，MPa；Pα——安全閥超壓，MPa。Pm=4.95+0.45=5.4MPa(5)背壓作用在安全閥出口處的壓力。背壓分為靜背壓和動背壓。靜背壓是指安全閥未起跳時閥出口處的壓力；動背壓是指安全閥起跳后，由于流體的流動引起的摩擦壓力降值。背壓一般應小于氣體的臨界流動壓力值，氣體臨界壓縮比可按下式計算：(1.8)式中σc——氣體臨界壓縮比；k——氣體絕熱指數，可取1.2～1.4。如果背壓滿足式，則為臨界流動，否則為亞臨界流動。(6)安全閥通道截面積氣體在臨界流動條件下的最小泄放面積：(1.9)式中A——最小泄放面積，mm2；W——質量泄放流量，kg/h；C0——流量系數，由制造廠提供，若沒有制造廠的數據，則取C0=0.975；X——氣體特性系數，,k為絕熱系數；P——泄放壓力，MPa；Kb——背壓修正系數，對于彈簧式安全閥Kb=1.0；T——泄放溫度，K；Z——氣體壓縮因子；M——分子量。在4500kPa、30℃工作條件下，查HYSYS軟件可得k=1.444，則：安全閥的直徑：根據《油氣田常用閥門手冊》選用A42Y-64型彈簧封閉全啟式安全閥，公稱通徑DN35mm，公稱壓力6.4MPa。1.2吸附塔的壁厚計算及選型1.2.1吸附塔壁厚計算根據吸附器設計壓力及溫度，吸附器材質選用16MnR(Q345R)。根據分子篩床層高度初步估計計算圓筒有效高度為5.5m。設計壓力Pc=5MPa（略高于安全閥開啟壓力），設計溫度Tc=300℃根據JB731-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》查得設計溫度下材質的許用應力=143MPa，其密度為7850kg/m3。吸附塔壁有下列公式計算：(1.10)式中δ——吸附塔的壁厚，mm；Pc——設計壓力，MPa；Di——吸附塔管內徑，mm；——合金鋼的最大許用應力，MPa；φ——焊縫系數，無縫鋼管取0.9，焊接鋼管取0.8；C1——鋼板負偏差，取0.8mm；C2——吸附塔腐蝕裕量，取1mm。mm，向上圓整后取34mm。1.2.2分子篩吸附塔的壁厚校核分子篩吸附塔名義壁厚為34mm，有效壁厚：δ=34-0.8-1=32.2mm。反算出吸附塔最大允許工作壓力為：1.2.3吸附塔封頭、裙座選型計算分子篩吸附器為立式容器，筒體兩焊縫間距離為4500mm，兩端采用標準橢圓封頭，被支承在裙式支座上。分子篩吸附器內盛裝分子篩脫水填料，裝填順序為由下至上，4A條形分子篩裝填厚度為2500mm。在分子篩的上部和下部均裝有直徑為20mm的瓷球，厚度分別為200mm。在分子篩與瓷球之間設置兩層10目/寸不銹鋼絲網盤。該盤為分體組裝式，可以由人孔裝入或拆除。在分子篩的底部設置了支持格柵，該格柵有足夠的通氣面積和支持強度。吸附器封頭：根據《橢圓形封頭》（JB/T4737-95），吸附器內徑為1600mm時，選擇封頭性質如表3-1所示。封頭材料選為16MnR低合金壓力容器用鋼，則封頭厚度為12mm，封頭質量為276.37kg。表3-1封頭性質公稱直徑DNmm曲面高度h1mm直邊高度h2mm厚度Δmm內表面積A2m2容積Vm3質量mkg碳素鋼低合金鋼復合鋼板高合金鋼16004004010102.97610.6166229.631212276.371414321.401616370.701818418.27裙座：根據《石油化工塔器設計規(guī)范》（SH/T3098-2000），選擇圓筒形裙座。其外徑與封頭外徑相等，即1600+2×12=1624mm，壁厚取為12mm，高為1.5m。封頭切線至裙座筒體上端的距離58mm。吸附器高度：根據《天然氣脫水設計規(guī)范》（SY0076-2003），分子篩吸附器為立式容器。根據《塔器設計技術規(guī)范》（HG20652-1998），吸附器高度H包括填料層高度，氣體分布器、氣體進出口所需高度，塔頂部、底部空間高度以及裙座高度等。吸附塔內部由柵板支撐床層，該柵板有足夠的通氣面積和支持強度，頂部裝有防護網。分子篩吸附器內盛裝分子篩脫水填料，裝填順序為由下至上，4A條形分子篩裝填厚度為2500mm。在分子篩的上部和下部均裝有直徑為20mm的瓷球，厚度均為200mm。在分子篩與瓷球之間設置兩層10目/寸不銹鋼絲網盤。該盤為分體組裝式，可以由人孔裝入或拆除。在分子篩的底部設置了支持格柵，該格柵有足夠的通氣面積和支持強度。預留塔頂、部底部空間后，初步設定筒體兩焊縫間距離（筒體有效高度）為5500mm。兩端采用標準橢圓封頭如表2-5所示，封頭高度為2×（400+40）=880mm。吸附器被支承在圓筒形裙式支座上，可估算吸附塔總高H=7880mm。進料口：《鋼制化工容器結構設計》（HG20583-1998）規(guī)定，進料口(人孔DN500)和卸料口分別置于上封頭和筒體上。在卸料口處設置操作平臺以方便填料的更換。進氣口設置在設備的頂部，為使進氣分布均勻，在進口處設置分布頭。通過以上計算，分子篩吸附塔塔體選型結果如下：吸附器設計壓力：5MPa吸附器設計溫度：300℃吸附器床層高度：3200mm吸附器內徑：1600mm吸附器筒體壁厚：34mm吸附器筒體材料：16MnR（Q345R）鋼板封頭形式：橢圓形封頭封頭壁厚：12mm封頭材料:16MnR（Q345R）鋼板裙座高：1500mm裙座壁厚：12mm裙座材料：16MnR（Q345R）鋼板1.2.4應力校核徑向應力：環(huán)向應力：符合設計要求。1.2.5質量估算根據初步估計計算（附件包括梯子平臺預焊件、對焊鋼法蘭、加厚接管、垂直吊蓋對焊法蘭人孔、不銹鋼絲、絲網、柵板、支持圈、支持板等）圓筒有效高度的質量計算：(1.11)封頭質量：2m=552.74kg附件質量：m=0.25（圓筒質量+封頭質量+裙座質量）=2255.4kg裙座質量：（1.11）鋼材總質量為：m1=11277.7kg分子篩質量計算：瓷球重量計算：床層上下各鋪200mm瓷球，瓷球堆密度2500kg/m31.3再生計算1.1.1再生熱負荷計算用貧干氣加熱，進吸附器溫度260℃，分子篩床層吸附終了后溫度=35℃(即床層溫升5℃)，再生加熱氣出吸附器溫度200℃，床層再生溫度是，預先計算在230℃時，分子篩比熱0.96kJ/（kg·℃），鋼材比熱0.5kJ/(kg.℃)，瓷球比熱0.88kJ/（kg·℃）。再生氣在260℃、1731.72kPa的熱焓：-3776.58kJ/kg，再生氣在115℃、1731.72kPa的熱焓：-4167.30kJ/kg。再生熱負荷計算如下：再生加熱所需的熱量為Q，則：(1.12)式中Q1——加熱分子篩的熱量，kJ；Q2——加熱吸附器本身（鋼材）的熱量，kJ；Q3——脫附吸附水的熱量，kJ；Q4——加熱鋪墊的瓷球的熱量，kJ。所以：加10%的熱損失，設再生加熱時間t=4.5小時，每小時加熱量為：1.1.2再生氣量計算再生氣出口平均溫度℃，壓力4500kPa，其熱焓為-4226kJ/kg。再生氣在260℃、4500kPa的熱焓：-3826kJ/kg。每千克再生氣給出熱量：kJ/kg每小時需再生氣量：kg/h換算成標準條件下（20℃，101.325kPa）的體積流量為2911.7m3/h。加熱氣所需面積效核：再生加熱氣4500kPa，260℃下的ρg=17.44kg/m3，氣體從下往上流則C取0.167，加熱氣允許質量流量：kg/（m2·s）再生加熱氣所需面積：m2吸附器的床層面積為2.0096m2，所以滿足要求。1.1.3冷卻氣量計算將床層溫度自230℃冷卻到30℃，則冷卻熱負荷如下：kJkJkJ加上10％的裕量：kJ設冷卻時間1.2小時，每小時移去熱量kJ/h。冷卻氣進口溫度30℃，壓力4500kPa，其熱焓為-4448kJ/kg。而出口平均溫度℃,壓力4500kPa，其熱焓為-4193kJ/kg。每千克再生氣給出熱量：kJ/kg每小時需冷卻氣量：kg/h換算成標準條件下（20℃，101.325kPa）的體積流量為4336.8m3/h。冷卻氣所需面積效核：冷卻氣4500kPa，30℃下的ρg為31.88kg/m3，氣體從下往上流則C取0.167，加熱氣允許質量流量：kg/（m2·s）再生加熱氣所需面積：m2吸附器的床層面積為2.0096m2，所以滿足要求。冷吹氣量和熱吹氣量不等。實際操作中考慮到氣量波動，為了使裝置操作平穩(wěn)，冷吹氣量和熱吹氣量均采用4336.8m3/h（20℃，101.325kPa）。根據SY.T0076-2003《天然氣脫水設計規(guī)范》介紹，床層不能有任何摩擦和振動，所以吸附與再生進行切換時應控制升壓與泄壓速度，一般要求小于0.3MPa/min。此設計的吸附塔吸附、再生、冷卻均在4.5MPa的操作壓力下進行，床層運行穩(wěn)定。1.4熱油導熱工藝計算及設備選型1.4.1導熱油加熱系統(tǒng)設計負荷計算設進加熱爐干氣溫度30℃，出加熱爐氣體溫度比進吸附器溫度再高15℃，即275℃，4500kPa的熱焓為-3780kJ/kg，在30℃、4500kPa的熱焓為-4448kJ/kg。kW由以上計算得再生氣所需熱負荷。kJ/h(1.13)式中Q—導熱油加熱站的設計負荷，kJ/h；Q1—用戶的用熱量（這里指再生氣用熱量），kJ/h；△q—導熱油供熱系統(tǒng)的熱損失，一般可取用戶用熱量的3～5%。實際熱負荷需求：kw根據所需熱負荷，選擇QX1.2（125）-Y/Q型導熱油爐兩臺（一臺導熱爐正常工作，另一臺備用），額定熱功率1500kW。1.4.2導熱油系統(tǒng)總循環(huán)油量計算(1.14)式中G—導熱油的總循環(huán)量，kg/h；Q——導熱油爐的額定熱功率，kJ/h；t1—導熱油供油溫度，℃；t2—導熱油回油溫度，℃；c1—導熱油在t1溫度時的比熱，kJ/(kg.℃)，設計時一般取C=2.93kJ/(kg.℃)；c2—導熱油在t2溫度時的比熱，kJ/(kg.℃)，設計時一般取C=2.55kJ/(kg.℃)。所以，=1200·3600/(2.93×320-2.55×300)=27531.9kg取10%的裕量，則G=27531.9kg/h，300℃密度ρ=845kg/m則循環(huán)量：V=27531.9/845=32.6m3/h1.4.3導熱油的輸送導熱油爐的流速，國外文獻推薦為2~4m/s。由于油品儲運加熱系統(tǒng)負荷波動較大，因此要求在導熱油供回油管道上設一旁通閥或壓控閥組，當外界負荷降低時，導熱油的循環(huán)量下降，為了保證導熱油爐內的流速，可打開旁通閥或壓控閥組，將一部分導熱油通過旁路回到導熱油爐，以增加進入爐內的導熱油流量。國內目前設計導熱油流速一般取2.5~3m/s，此設計中取導熱油流速為3m/s。1.4.4燃料氣量燃料氣在4500kPa、30℃下的低位熱值為49210kJ/kg。kg/h1.5粉塵過濾器粉塵過濾器用于濾掉天然氣中攜帶的分子篩粉末，流程中兩個過濾器并聯使用。通過對比，選用啟東匯龍混合設備廠生產的SBFQ型氣體過濾器。SBFQ型氣體過濾器是一種新型、高效氣體除塵設備，廣泛用于石油、天然氣工業(yè)部門一般含塵量的氣體主管線和旁通管。亦是城市天然氣、煤制氣輸配系統(tǒng)安全、可靠運行不可缺少的氣體凈化設備。具有結構先進、除塵效率高、操作維護方便等優(yōu)點。選型結果見表3-2。表3-2粉塵過濾器規(guī)格設備名稱工藝參數及幾何尺寸粉塵過濾器工作溫度，℃30工作壓力，kPa4500氣體體積流量，m3/h896.8過濾精度，μm5過濾器計算截面積，m20.097過濾器選用外徑，mm300過濾器型號SBFQ300-4.5/5C1.6再生氣分離器根據《油氣集輸設計規(guī)范》（GB50350-2005），立式重力分離器的直徑可按以下公式進行計算：(1.15)式中D——分離器內徑，m；qv——標準參比條件下氣體流量，m3/h；T——操作溫度，K；Z——氣體壓縮因子；P——操作壓力（絕），MPa；Wo——液滴沉降速度，m/s，；g——重力加速度，g=9.81m2/s；dL——液滴直徑，取為100×10-6m；ρL——液體的密度，Kg/m3；ρG——氣體在操作條件下的密度，Kg/m3；f——阻力系數。用式計算出f·（Re2），在通過查圖得出f值。μG——氣體在操作條件下的粘度，Pa·s；K1——立式分離器修正系數，一般取K1=0.8；查得:f=54。m/sm根據《油氣集輸設計規(guī)范》（GB50350-2005），立式重力分離器內通過絲網捕霧器的設計速度，一般取絲網最大允許速度的75%，氣體通過絲網最大允許速度可按下式計算：(1.16)式中vmax——氣體通過絲網最大允許速度，m/s；KSB——桑得斯-布朗（Souders-Brown）系數，KSB可取0.107m/s。m/sm/s捕霧器的面積應為S=q/υ，其中q為操作條件下氣體的流量。S=0.0251/1.43=0.059m2按照SY/T0515-2007《油氣分離器規(guī)范》可對分離器進行選型，本設計選擇再生氣分離器的公稱直徑為600mm,筒體高度1800mm,公稱容積0.6m3，材質為16MnR。根據HGT21618-1998《絲網除沫器》對捕霧器進行選型，選擇捕霧器厚度150mm。表3-3再生分離器計算結果及選型結果設備名稱工藝參數及幾何尺寸干氣出口分離器原始數據操作溫度，℃30操作壓力，MPa4.48工況下氣體流量，m/s0.0251工況下氣相密度，kg/m331.85工況下液相密度，kg/m31005工況下氣體粘度，mPa·s0.01247工況下氣體的壓縮因子0.9025型式立式重力式計算值f·（Re2）0.00274阻力系數54液滴沉降速度，m/s0.026分離器直徑計算值，m0.039捕霧器氣流允許速度，m/s0.43捕霧器面積計算值，m20.059選用值選用公稱直徑，mm600筒體長度，mm1500捕霧器厚度，mm150材質16MnR型號LE0.6×1.8-4.48/2有效容積，m30.61.7管線計算按照《輸送流體用無縫鋼管》（GB/T8163-2008），選擇系統(tǒng)內用無縫鋼管管材為無縫鋼管20號，其最低屈服強度為245MPa。根據《油氣集輸設計規(guī)范》（GB50350-2005）計算管線內徑：(1.17)式中：v——輸氣管氣體流速，本設計取10m/s；——輸氣管氣體流量，m3/s；d——輸氣管管徑,m。輸氣管道直管段壁厚：+C(1.18)式中：δ——鋼管設計壁厚，mm；P——設計壓力，MPa；本設計取5MPD——鋼管外徑，mm；σs——鋼管的最低屈服強度，MPa；本設計選材為無縫鋼管20號，σs為245MP；F——強度設計系數，本設計按二級地區(qū)選取，F=0.6；Φ——焊縫系數，當選用無縫鋼管時，取Φ=1.0；t——溫度折減系數，當溫度低于120℃時，取t=1.0；C——管道腐蝕裕量，當管道含水、H2S和CO2等酸性介質時，根據腐蝕程度及采取的防腐措施確定；