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1、摘 要此次课程设计我们组分到的是某分子筛吸附脱水工艺设计再生工艺计算与冷凝器设计。流程原料气进料温度40，进料压力为3Mp,设计规模15万方/天，要求脱水到1ppm以下，总设计内容包括吸附工艺计算与吸附塔设计、站内管径及壁厚设计、再生工艺计算与冷凝器设计、分离器设计计算和加热器设计计算等。 天然气脱水是提升天然气质量的一个重要环节。分子筛吸附脱水是目前国外引进的，国内自行设计的都是固定床式，为保证连续工作，至少需要两塔，经常采用的是两塔或三塔。本设计是再生工艺计算，分别从再生热负荷计算、再生气量计算、冷却气量计算、再生气空塔速度计算几个方面分析，并通过各个参数对冷凝器进行选型和选材等。关键词：
2、再生气、吸附、气量计算、冷凝器目 录1引言42 参数设计5 2.1 天然气基础资料5 2.2 天然气基础物性资料52.3 吸附器设计参数52.4 设计范围62.5 设计依据63 再生工艺计算73.1 再生热负荷计算73.2 再生气量计算83.3 冷却气量计算83.4 再生气空塔速度计算94 冷凝器设计114.1 冷凝器概念及原理114.1.1概念114.1.2冷凝原理114.2 制冷剂的选择124.3 换热器类型的选择124.4换热器材质的选择134.5流速的选择135 结束语156 参考文献161引言目前国内外应用较广泛,技术较成熟的天然气脱水工艺有:低温分离、固体吸附和溶剂吸收三种方法。而
3、固体吸附法中以分子筛脱水的应用最广泛,技术最成熟可靠。分子筛脱水是一个物理吸附过程。物理吸附主要由范氏引力或扩散力所引起,气体的吸附类似于气体的凝聚,一般无选择性,是可逆过程,吸附热小,吸附所需的活化能小,所以吸附速度快,较易达到平衡。分子筛是一种具有立方晶格的硅铝酸盐化合物。分子筛具有均匀的微孔结构，它的孔穴直径大小均匀，这些孔穴能把比其直径小的分子吸附到孔腔的内部，并对极性分子和不饱和分子具有优先吸附能力，因而能把极性程度不同，饱和程度不同，分子大小不同及沸点不同的分子分离开来，即具有“筛分”分子的作用，故称分子筛。由于分子筛具有吸附能力高，热稳定性强等其它吸附剂所没有的优点，使得分子筛获
4、得广泛的应用。对于冷凝器，对某些应用来说，气体必须通过一根长长的管子（通常盘成螺线管），以便让热量散失到四周的空气中，铜之类的导热金属常用于输送蒸气。为提高冷凝器的效率经常在管道上附加散热片以加速散热。散热片是用良导热金属制成的平板。这类冷凝器一般还要用风机迫使空气经过散热片并把热带走。一般制冷机的制冷原理压缩机的作用2 参数设计列出天然气基础资料，和其他小组计算得出的天然气物性资料、吸附器设计参数，以便接下来的再生工艺计算，并引出设计范围和依据。2.1 天然气基础资料表2.1 天然气组成组分C1C2C3iC4nC4iC5nC5CO2N2H2OMoL%71.38.396.011.242.210
5、.640.792.534.212.14进料温度：40进料压力：3MPa设计规模：15万方/天要求脱水到1ppm以下2.2 天然气基础物性资料（温度40，压力3MPa下）表2.2 天然气的物性资料分子质量g/mol密度kg/m3相对密度粘度MPas压缩因子含水量mg/m3定压摩尔比热J/(mol/k)22.327127.81310.7700.014280.9251920.7543.427此外，天然气热值为43400kg/m32.3 吸附器设计参数表2.3 吸附器设计参数参数吸附器筒体吸附件等钢材分子筛辅垫的瓷球质量kg1529.52555.51776.48401.92此外，吸附塔直径为0.8m，
6、高度为5.2m2.4 设计范围 根据重庆科技学院油气集输课程设计任务书，设计范围为某分子筛吸附脱水工艺再生工艺计算与冷凝器设计2.5 设计依据油田油气集输设计技术手册；GB50350-2005油气集输设计规范；SY0076T天然气脱水设计规范-2008；油气集输设计规范与工程技术标准及集输安全规范实用手册。3 再生工艺计算3.1 再生热负荷计算用贫干气加热，进吸附器温度260，分子筛床层吸附终了后温度t1=35（即床层温升5），再生加热器出吸附器温度200，床层再生温度t2=1/2（260+200）=230 预先计算在230时，分子筛比热0.96kJ/(kg),钢材比热0.5 kJ/(kg)，
7、瓷球比热0.88 kJ/(kg)。 再生器在260，1377.72kPa的热焓：-3376.58kJ/kg，再生器在115，1377.72kPa的热焓：-4167.30kJ/kg。再生热负荷计算如下：再生加热所需的热量Q，则： Q热=Q1+Q2+Q3+Q4 （3.1.1）式中 Q1加热分子筛的热量，kJ； Q2加热吸附器本身（钢材）的热量，kJ； Q3脱附吸附水的热量，kJ； Q4加热辅垫的瓷球的热量，kJ。所以，Q1=m1 Cp1(t2-t1)=1776.480.96(230-35)=332557.1kJ （3.1.2） Q2=m2 Cp2(t2-t1)=2555.50.5(230-35)=
8、249161.3 kJ Q3=m3 4186.8=278.124186.8=1164432.8 kJ Q4=m4Cp4(t2-t1)=401.920.88(230-35)=68969.5 kJ式中m1,m2,m3,m4分别是分子筛的重量，吸附器筒体及吸附件等钢材的重量，吸附水的重量和辅垫的瓷球的重量。4186.8J/kg是水的脱附热，Cp1,Cp2,Cp3,Cp4分别为上述各物质的定压比热。加10%的热损失: Q=1.1(Q1+Q2+Q3+Q4) （3.1.3）=1.1（33255.7+249161.3+1164432.8+68969.5）=1667401.23kJ设再生加热的时间是4.5h,
9、每小时加热量为： q=1667401.234.5=370533.6kJ/h （3.1.4）3.2 再生气量计算再生气出口平均温度：1/2（200+35）=117.5，压力2913.7kPa，其热焓为-4226kJ/kg。再生气在260、4500kPa的热焓：-3826kJ/kg。每千克再生气给出热量： q=(h|260-h|117.5)=-3826-(-4226)=400kJ/kg （3.2.1）每小时再生气量： q=370533.6/400=926.3kg/h换算成标准条件下（20,101.325kPa）的体积流量为1297.7m3/h加热器所需面积校核：再生加热气4500kPa,260下的
10、pg =17.44kg/m3,气体从下往上流则C取0.167，加热气允许质量流量：G=(CpbpgDp)0.5=(0.16766017.440.0032)0.5=2.48kg/(m2s) （3.2.2）式中 G允许的气体质量流速，kg/(m2s); C系数，气体自上向下流动，C值在0.250.32；自下向上流动，C值是0.167；pb分子筛的堆密度，kg/m3;pg气体在操作条件下的密度，kg/m3;Dp分子筛平均直径（球形），或当量直径条形，m。再生加热所需面积：F=q/G=926.3/(2.483600)=0.104m2 （3.2.3）根据上组做出数据：吸附塔直径为0.8m，吸附塔高度为5
11、.2m，所以算的吸附器床层面积为2.612m2,所以足够满足要求。3.3 冷却气量计算将床层温度自230冷却到30，根据公式（3.1.2）则冷却热负荷如下：Q1=m1 Cp1(t2-t1)=1776.480.96(230-30)= 341084.16kJ Q2=m2 Cp2(t2-t1)=2555.50.5(230-30)=2555550 kJ Q4=m4Cp4(t2-t1)=401.920.88(230-30)=70737.92 kJ加10%的裕量，根据公式（3.1.3）:Q冷=1.1(Q1+Q2+ Q4)=1.1（341084.16+2555550+70737.92）=3264109.28
12、8kJ设冷却时间3.2小时，每小时移去热量3264109.288/3.2=1020034.153kJ/h冷却器进口温度30，压力4500kPa，其热焓为-4448 kJ/kg。而出口平均温度：1/2（230+30）=130，压力4500kPa，其热焓为-4193kJ/kg。每千克再生气给出热量，根据公式（3.1.4）： q=(h|130-h|30)=-4193-(-4448)=255kJ/kg每小时需冷却气量： q=1020034.153/255=4000.13kg/h换算成标准条件下（20,101.325kPa）的体积流量为5603.2m3/h冷却器所需面积校核，根据公式（3.2.2）：冷却
13、气4500kPa,30下的pg =33.88kg/m3,气体从下往上流则C取0.167，加热气允许质量流量：G=(CpbpgDp)0.5=(0.16766033.880.0032)0.5=3.457kg/(m2s)再生加热所需面积：F=q/G=4000.13/(3.4573600)= 0.3214m2同上，根据上组做出数据：吸附塔直径为0.8m，吸附塔高度为5.2m，所以算的吸附器床层面积为2.612m2,所以足够满足要求。 冷却气量和热吹气量不等，实际操作中考虑到气量波动，为了使装置操作平稳，冷吹气量和热吹气量均采用4000.13kg/h（标准条件下20,101.325kPa）。 根据SYT
14、0076-2003天然气脱水设计规范介绍，床层不能有任何摩擦和振动，所以吸附与再生进行切换时应控制升压与泄压速度，一般要求小于0.3MPa/min。此设计的吸附塔吸附、再生、冷却均在4.5MPa的操作压力下进行，床层运行稳定。3.4 再生气空塔速度计算再生时再生气压力，原则上根据外输系统压力决定。经过吸附器压降一般在1020kPa。设再生加热气1380 kPa，再生加热气量4000.13 kg/h,M=17。其体积量为： （4000.13/17）22.4=527 m3/h操作时体积：V=5271/3600101.32/1382(230+273)/273=0.20m/s空气塔流速：w=0.20/
15、2.612=0.0766m/s通过雷督克斯公式核算，c取0.167， pg=（4000.13/3600）/0.20=5.556kg/m3 G=(0.1676605.5560.0032)0.5=1.400kg/(m2s)需空塔截面积F=0.73/1.400=0.52 m2，由于吸附器床层面积为2.612m2,所以足够满足要求。有GPSA推荐文本（见图3.1 分子筛吸附脱水器允许空塔流速），在200psia时，查的直径0.0032m球形分子筛的空塔速度0.4573m/min,这是在压力降为2.3kPa/m床层的情况下。 再生压力曲线只画到200psia（1379 kPa绝）。再生压力在400500
16、kPa也是可以的，如果设再生气加热气压力410 kPa（绝）。同理计算，仍符合要求。只要空塔速度符合要求。再生压力低一些，对脱附更有利一些，只要满足外输干气压力的要求就可以。图3.1 分子筛吸附脱水器允许空塔流速4 冷凝器设计4.1 冷凝器概念及原理4.1.1概念石油化学工业中用冷凝器使烃类及其他化学蒸气冷凝。在蒸馏过程中，把蒸气转变成液态的装置称为冷凝器。所有的冷凝器都是把气体或蒸气的热量带走而运转4.1.2冷凝原理 压缩机吸入从蒸发器出来的较低压力的工质蒸汽，使之压力升高后送入冷凝器，在冷凝器中冷凝成压力较高的液体，经节流阀节流后，成为压力较低的液体后，送入蒸发器，在蒸发器中吸热蒸发而成为
17、压力较低的蒸汽，从而完成制冷循环。 天然气在常温常压是气态，冷凝分离就是在一定压力下将天然气中的C3+（或C2+）在低温冷凝进行分离。冷凝分离需要冷量。工业上火的冷量的方法是多种多样的，但从原理上说基本可以分为冷剂制冷和气体膨胀制冷两大类。冷剂制冷是利用某些物质（制冷工质）在相变（如融化、气化、升华）时的吸热效应产生冷量。在天然气凝液回收中常用乙烷、丙烷、氨、氟利昂-12等（见表4.1）由液体气化为气体的吸热制冷。这就要耗功，用压缩机将气体压缩升压、冷凝液化、蒸发吸热、氨也可以用于吸收制冷，这就要消耗热能，要馋生冷量必须消耗能量。表4.1 常用制冷剂性质4.2 制冷剂的选择 选用氨做制冷剂，氨
18、是油田气凝液回收常用制冷剂之一。其优点是在冷凝器中工作压力一般不大于1700kPa.在常压下蒸发温度为-33.4，单位容积制冷量大，在冷凝温度25，蒸发温度-15时达2216.1Kj/m3。氨不溶于润滑油，泄露时容易发现，价廉易得。氨的缺点是能燃烧爆炸。空气中含氨达1625%（V）可引起爆炸，含氨1115%（V）时可点燃，有刺激性臭味对人体有一定毒性，对铜和铜合金有腐蚀作用，氨在常压的蒸发温度仅-33.4，如果与被冷却介质有6温差，被冷却介质只能达-27.4，制冷温度不够低，用丙烷丙烯或乙烷乙烯可获耕地的制冷温度。 采用单一冷剂蒸汽压缩制冷中无液相过冷。制冷是用压缩机做功，将在制冷系统蒸发器内
19、吸收热量气化的冷剂蒸汽压缩到一定压力，用水冷或其他介质冷却冷凝，冷凝液体经结论膨胀之后进入蒸发器与需要冷却的介质(天然气)换热（冷），冷剂液体蒸发，再返回压缩机入口，周而复始完成一个循环，如图4.2：图4.2 无液相过冷制冷剂制冷循环图4.2的（b）和（c）是这个制冷循环在T-S图和p-H图上的表示。点1带点2是压缩工程，点2到点4是等压冷却冷凝过程，点4到点5是等焓节流过程，点5到点1是蒸发过程。4.3 换热器类型的选择 列管式换热器的结构简单、牢固，操作弹性大，应用材料广，历史悠久，设计材料完善，并已有系列化标准，特别是在高温、高压和大型换热设备中占绝对优势。所以本次设计过程中的换热器都选
20、用固定管板式换热器4.3.1固定管板式换热器的结构图4.3 固定管板式换热器1折流挡板 2管束 3壳体 4封头 5接管 6管板 定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结构简单，在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑，由于这种结构使壳侧清洗困难，所以壳程益用于不易结垢和清洁的流体。当管子和壳体的壁温差大于50时，应在壳体上设置温差补偿膨胀节，依靠膨胀节的弹性变形可以减少温差应力。膨胀节的形式较多，常见的有U形、平板形等几种。由于U形膨胀节的绕行与强度都比较好，所以使用得最为普遍。当管子与壳体的壁温差大于60和壳程压强超过0.6MPa，时，由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补
21、偿作用，就应考虑其他结构。有次可见，这种换热器比较是个于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。4.4换热器材质的选择 在进行换热器设计时，换热器各种零部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等要求来选取。 由于碳钢价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。 本次设计中所涉及的换热器中流体大部分为水，腐蚀性较弱，所以本次设计中的换热器的钢材和壳材都选用碳钢。4.5流速的选择 在选择流速时，还需要考虑结构上的要求。例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加
22、程数。管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。下表列出工业一般采用的流体流速范围。见表4.4：表4.4 换热器常用流速范围由表4.4得管内循环水流速范围为1m/s2m/s,现取管内流速2.0m/s。管程流速1.848m/s，壳程流速0.2028m/s。壳程内径600mm,管长6000mm。则接管内径为，查标准，取管程流体的进出口接管为125x4mm。查相关资料取折流板厚度d=8mm,管孔d=19.8mm.。5 结束语 设计结论，本组分配设计为某分子筛吸附脱水工艺设计计算与冷凝器设计，首先本小组分别计算了再生热负荷计算，再生加热所需热量值Q为1667401.23
23、kJ，每小时加热量为q为370533.6 kJ/h，再生气量计算中每千克再q为400kJ/kg，每小时再生气量q为926.3kg/h，换算成标准条件下（20,101.325kPa）的体积流量为1297.7m3/h，加热器所需表面积校核满足要求；冷却气量计算中，冷却气量得热负荷Q为3264109.288kJ, 每千克再生气给出热量q为255kJ/kg，每小时需冷却气量q为4000.13kg/h，换算成标准条件下（20,101.325kPa）的体积流量为5603.2m3/h，冷却器所需表面积校核满足要求；再生气空气塔速度计算中，操作时体积为操作时体积V为0.20m/s，空气塔流速w为0.0766m
24、/s，需空塔截面积F为0.52 m2，由于吸附器床层面积为2.612m2,所以足够满足要求。冷凝器的设计中选用的为固定管板式换热器，因为其操作简单，应用材料广泛，换热器材质选择时选用的为碳钢，管内流速2.0m/s，管程流速1.848m/s，壳程流速0.2028m/s。壳程内径600mm,管长6000mm，接管内径查标准，取管程流体的进出口接管为125x4mm。折流板厚度8mm,管孔19.8mm.，冷凝器的制冷液通过分析选用氨做制冷液，并采用单一冷剂蒸汽压缩制冷中的无液相过冷。6 参考文献1梁平，王天祥天然气集输技术M北京：石油工业出版社20085；2油田油气集输设计技术手册编写组油田油气集输设计技术手册北京：石油工业出版社199412；3 GB50350-2005油气集输设计规范；4SY0076T天然气脱水设计规范-2008；5 曾自强，张育芳天然气集输工程M北京：石油工业出版社200111；6王遇冬，天然气处理原理与工艺，中国石化出版社，2011.2.5。
