一种特殊气质分子筛脱水方案设计_李明

　　　　　　　　　　　　　　　　　　石油与天然气化工　第40卷　第2期　　　　　　　　　CHEMICALENGINEERINGOFOIL&GAS141OILANDGASTREATMENTANDPROCESSING

油气处理与加工一种特殊气质分子筛脱水方案设计

李　明1　魏志强1　张　磊1　计维安2　温冬云2

(1.中国石油集团工程设计责任有限公司西南分公司)

(2.中国石油西南油气田公司天然气研究院)＊

　　摘　要　本文以哈萨克斯坦让纳若尔油田湿气回注工程的实际设计数据为例,对含硫天然气中同时含部分氧气的特殊气质的分子筛脱水工艺方案,从其主要工艺特点、设备选择、材料选择、平面布置、主要节能措施、能耗等方面进行了阐述,为含氧及硫化氢天然气分子筛脱水装置的设计提供了参考。

关键词　分子筛脱水装置　含氧含硫天然气　工艺方案

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2011.02.009

1概述

2009年阿克纠宾油气股份公司为哈萨克斯坦

让纳若尔油田湿气回注工程招标一套分子筛脱水装

置,装置原料气处理量430×104m3/d(20℃,

101.325kPa(A)),压力为8.0MPa～11.5MPa

(G),原料气温度40℃～55℃,原料天然气中C3+

含量11.9%(y),H2S含量2.5%(y),CO2含量

0.2%～0.7%(y),硫醇530mg/m,O2含量0.2%

(y)。由于原料气气质特殊,中国石油集团工程设

计责任有限公司西南分公司综合考虑该装置的工况

条件及气质条件后,对此设计出一套橇装分子筛脱

水装置。

原料气所处工况点(特别是8.1MPa,40℃时)

位于相包络图两相点附近。原料气经过很小的压降

(0.06MPa)及温度降(0.58℃)后即进入两相区,

并生成较多的液态烃(458.6kg/h,3668.8kg/吸

附周期)。故装置在设计时需解决原料气进入吸附

塔后生成游离水及液体烃、冷吹气进入吸附塔后生

成液体烃等一系列问题。据业主技术人员反映:阿

克纠宾油气股份公司在哈萨克斯坦让纳若尔油田有

一套类似工况的分子筛脱水装置,经常出现分子筛

吸附塔被游离水及液体烃淹塔的情况。

,/3因原料气及再生气中有0.2%(y)的O2、2.5%(y)的H2S,当分子筛脱水装置处于再生状态时,若再生温度超过250℃,则可能会在吸附塔中发生克劳斯反应并生成单质硫。随着单质硫在再生系统中的累积,将引发再生气系统中的换热器、空冷器、分离器、阀门及管道的堵塞问题,并最终导致装置无法维持正常生产而被迫停工。为适应该工况条件及气质条件,分子筛脱水工艺方案从工艺流程的设置、操作参数的优化、设备的选型、材料的选择等方面进行综合考虑,解决了原料气及冷吹气在进入吸附塔前生成游离水及液体烃、克劳斯反应生成的单质硫,在再生系统的设备、阀门及管道中累积,从而造成再生气系统堵塞等一系列问题。本工艺方案的实施,成功地解决了阿克纠宾油气股份公司的脱水问题,对于类似特殊气质条件的天然气脱水具有重要的参考价值。2工艺方法及主要工艺特点2.1工艺方法[1-5]分子筛脱水塔采用两塔同时吸附脱水、一塔再生、一塔冷吹的四塔流程,冷却后的富再生气返回到

142一种特殊气质分子筛脱水方案设计　　　　　　　　　　　　2011　

冷却至50℃。冷却后的再生气经再生气出口分离

器分离出游离水后,返回到压缩机一级分离器入口,

完成再生气循环。

采用四塔流程,分子筛脱水塔的1个操作周期

为12h,其中:吸附6h,再生3h,冷却2h(吸附塔

冷却至比原料气入口温度高5℃时,冷吹气由吸附

塔旁通至加热炉),升降压转换时间各0.5h。运行

期间保持两塔吸附、一塔冷却、一塔再生。保证系统

中原料气、产品气流量稳定,再生气加热炉连续操

作。冷吹气和再生气共用一股气流,既减少了再生

气用量,又回收了吸附塔及分子筛吸收的热量,降低

了能耗及燃料气耗量。

工艺方法详见分子筛脱水装置工艺流程图(见

图1)。

　　装置设计处理能力为430×104m3/d,操作弹性

为50%～100%,产品气水露点要求≤-40℃(出装

置压力条件下)。装置设计使用寿命25年,每年连

续操作时间不少于350天。每天24h操作,每周运

行7天

。湿气回注站压缩机一级分离器入口,流程成熟可靠。其工艺方法简单描述如下:40℃～55℃的原料气进入本装置原料气分离器,分离出游离水及烃类液滴后从分子筛脱水塔的顶部进入,自上而下在分子筛脱水塔内完成吸附脱水过程。干燥后的天然气经产品气粉尘过滤器过滤后出装置。本工程采用干气低压再生,热再生气自下而上吹扫分子筛床层,从产品气粉尘过滤器出来的部分产品气经调节阀减压至3.7MPa(G)后,再经再生气入口分离器分离出烃类液滴后用作再生气,再生气流量为33.68×10m/d。再生气先自上而下进入分子筛脱水塔冷吹,冷吹后再经再生气/冷吹气换热器预热后进入再生气加热炉加热,从下部进入分子筛脱水塔。分子筛吸附的水被230℃的高温再生气加热脱附,脱附后的饱和水与再生气一起进入再生气/冷吹气换热器,温度降至140℃,若有单质硫生成,则在该温度下为雾状液态硫,通过液硫分离器脱除可能生成的微量雾状液硫,再经再生气空冷器43

2.1.1避免游离水及液体烃进入吸附塔的措施

　　原料气组成(干基)见表1。

原料气相包络图如图2所示,原料气所处工况

点(特别是8.1MPa,40℃时)在相包络图两相点附

近。原料气降压约0.06MPa,同时温度降低0.58℃,烃类(458.6kg/h,3668.8kg/吸附周期)。故原料气进入吸附塔前必须进行液烃分离。设计中使用原料气分离器分离出游离水及烃类液滴,在冷却过程,当吸附塔温度冷至比原料气入口温度高5℃时,冷吹气由吸附塔旁通至加热炉,从而保证吸附操作前期原料气不会在吸附塔内生成游离水及烃类液滴。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　石油与天然气化工　第40卷　第2期　　　　　　　　　CHEMICALENGINEERINGOFOIL&GAS143

再生气由产品气降压得到,由于产品气重烃含

量同样很高,对于再生气流量为33.68×104m3/d

的情况,当产品气由11.2MPa(G)降至3.7MPa

(G)时,再生气将析出液态烃946.9kg/h,10415.9

kg/吸附周期,极有可能发生液态烃淹塔现象。故

再生气在进入吸附塔前必须进行液烃分离。设计中

使用再生气入口分离器分离出析出的液体烃类液

滴。

表1　原料气组成(干基)

组分

CH4

C2H6

C3H8

i-C4H10

n-C4H10

i-C5H12

n-C5H12

n-C6H14

n-C7H16

CO2

H2S

N2

O2

硫醇组成,y,%74.179.317.111.252.060.460.250.100.702.502.641.850.20530mg/m3组成范围,y,%73～759～106.5～7.51.0～2.02.0～3.00.4～0.50.2～0.30.10～0.150.6～0.82.0～3.02.5～2.71.5～2.00.20530mg/m

3免克劳斯反应的发生,本设计一方面采用了不含Al2O3且不吸附H2S的特殊酸性分子筛或复合型分子筛,从而降低H2S在分子筛上发生克劳斯反应的反应率。另一方面,采用230℃的再生温度,使其偏离克劳斯反应发生的温度条件,减少反应产生的单质硫量。此外,高温再生气出再生气/冷吹气换热器的温度不低于140℃,有可能携带微量液硫的高温再生气走管程,高温再生气出再生气/冷吹气换热器后采用液硫分离器分离出液态的单质硫。在再生气冷却过程中,单质硫凝固前将其聚结分离后脱除,避免可能生成的微量单质硫堵塞再生气管路中的换热器、空冷器、分离器、阀门及管道。同时,再生气/冷吹气换热器、空冷器、再生气出口分离器均按可能存在液硫或固体硫磺颗粒进行选型设计。2.1.3安全、节能措施为节省燃料气耗量,增加装置的安全性能,本设计增加了一台再生气/冷吹气换热器。当一台分子筛吸附塔转入冷吹流程时,因该吸附塔刚完成再生加热,吸附塔的温度较高,从吸附塔出来的冷吹气温度亦较高,若再进入再生气加热炉,由于再生气加热炉内温度也较高,因此再生气加热炉出口的再生气温度短时间内超高,将导致再生气加热炉燃料气连

锁切断阀频繁动作。为避免再生气加热炉出口温度

超高并回收再生气热能,减少再生气加热炉燃料气

耗量及再生气空冷器电耗,设置了再生气/冷吹气换

热器(E-1302)。该流程已在让纳若尔油田第三油

气处理厂一期工程脱水装置中成功应用(原料气处

理量600×104m3/d,四塔低压再生流程),节能降温

效果非常好。

再生气加热炉采用效率较高的带对流段及辐射

段的立式圆筒加热炉,其燃烧器操作平稳可靠,并设

置了可靠的熄火安全连锁保护系统。

2.2主要工艺特点

(1)原料气脱水采用四塔低压再生流程,分子

2.1.2避免生成单质硫从而堵塞管路的措施

因原料气及再生气中有0.2%(y)的O2、2.5%

(y)的H2S,当再生温度高于250℃时,常规分子筛

对H2S与O2的克劳斯反应有催化作用,再生时可。筛吸附、再生过程的切换周期合理。设备投资少,能耗显著下降。再生气用量小、能耗低,且再生气加热炉连续工作,装置可长周期正常、平稳地运行。吸附塔切换采用自动切换阀,流程安全可靠,分子筛使用

144一种特殊气质分子筛脱水方案设计　　　　　　　　　　　　2011　

(2)进入吸附塔的原料气及再生气均设置了游3.4再生气入口分离器、再生气出口分离器

再生气入口分离器、再生气出口分离器选用带

高效分离元件的立式分离器,以方便操作、提高分离

效率、减小设备尺寸,从而节省占地面积。

3.5再生气空冷器

再生气空冷器采用干式空冷器,换热管采用

304L材质,采用单管程空冷器,可能携带液硫的高

温再生气走管程,管束无介质流动死角,减少硫堵塞

空冷器管束的可能性。风机叶片采用铝合金材质。

3.6液硫分离器

组合式设备,上部为分离器,下部为液硫收集

罐,整个设备保温,下部电伴热,设备上部与下部间

可通过阀门切断以方便液硫的排出,下部液硫收集

罐为带手孔的可拆卸型式,若发生硫堵时可方便地

卸下疏通。

3.7氮气电加热器

本设计在装置内设置了一台氮气电加热器,当

再生气/冷吹气换热器、再生气空冷器、液硫分离器、

再生气出口分离器等设备发生硫堵时,该设备可用

于解堵吹扫,也可用于装置检修时的吹扫。氮气加

热器可根据需要手动调节氮气出口的温度及流量。

3.8再生气加热炉

再生气加热炉采用效率较高的带对流段及辐射

段的立式圆筒加热炉,燃料气管线上设置连锁切断

功能阀,壳体材质为Q235-B,炉管材质为316L。离水及液体烃的分离设施,保证分子筛脱水装置不会出现游离水及液体烃淹塔的现象。从而保证装置的长期、平稳、安全、可靠运行。(3)在操作参数优化、设备选型、材料选择上,采取了避免单质硫生成及堵塞管路的措施。(4)采用了带内衬里的分子筛吸附塔、再生气/冷吹气换热器、效率较高的带对流段,及辐射段的立式圆筒加热炉、再生气空冷器等安全、高效、节能设备,与常规分子筛脱水装置相比,装置运行费用大幅度降低,且运行更加平稳、安全、可靠。(5)整套装置采用橇装化布置,除加热炉必须在现场制作外,其余设备均可在设备制造厂内加工制作并组橇,设备、管线安装质量均可得到保证。分子筛吸收塔及橇的重量、尺寸均不超限,可直接运输,从而降低装置的制造成本,增加装置的经济效益。3设备选择及主要设备特点[6]3.1原料气分离器、产品气粉尘过滤器原料气分离器采用带高效分离元件的立式旋流分离器,产品气粉尘过滤器采用立式过滤器。产品气粉尘过滤器过滤精度≥1μm,杂质脱除率不低于99.8%。在工况点的压降低于0.015MPa,且过滤元件在正常工况下的实际使用周期不少于12个月,为便于操作和更换滤芯,该过滤器带有快开盲板。

3.2再生气/冷吹气换热器

再生气/冷吹气换热器采用浮头式换热器,壳体

材质选用20R,换热管材质20G,换热器采用单管程

换热器且换热面积不增加裕量,保证高温再生气出

换热器温度不低于140℃。有可能携带液硫的高温

再生气走管程,管束无介质流动死角,减少换热器发

生硫堵的可能性。

3.3分子筛脱水塔

分子筛脱水塔壳体材质选用16MnR(HIC),采

用耐热层衬里,保温。由于吸附塔吸附-再生操作

切换频繁,可能使设备产生疲劳,需对其进行应力分4材料选择主要特点(1)吸附剂采用不含Al2O3且不吸附H2S的特殊酸性分子筛或复合型分子筛,使分子筛不会成为克劳斯反应的催化剂。(2)原料气分离器、产品气粉尘过滤器、分子筛脱水塔壳体材质选用16MnR(HIC),再生气/冷吹气换热器、再生气入口分离器、再生气出口分离器、液硫分离器、氮气电加热器壳体材质选用20R,再生气加热炉壳体材质Q235-B,炉管材质316L,再生气空冷器换热管材质采用304L。(3)原料气、产品气管道采用20G高压锅炉用。、

　　　　　　　　　　　　　　　　　　石油与天然气化工　第40卷　第2期　　　　　　　　　CHEMICALENGINEERINGOFOIL&GAS145空气、氮气、低压排污及放空管管道,采用20号钢。

输送流体用无缝钢管(GB/T8163-2008)。

(4)设备及管道保温和防烫,采用保温性能较

好的复合硅酸盐板材及管壳,在保证保温效果的同

时,最大限度地节省投资。50183-2004“石油天然气工程设计防火规范”的站场分级规定,该站为三级站。本装置的平、竖面布置,本着紧凑、美观、安全及有利于操作、检修的原则,采用流程式布置方式。主管廊和设备轴线与上、下游装置协调一致。

全部设备露天布置于主管廊的一侧,平面布置

详见图3。本装置加热炉与设备(介质为天然气)的5平面布置主要特点[7]

43本工程装置处理规模430×10m/d,根据GB外壁间距不小于20m

。

6主要节能措施

(1)采用四塔流程,同一股气流既作为冷吹气

又作为再生气,再生气流量比两塔流程大大减少。

再生气/冷吹气换热器利用热吹后分子筛和吸附塔

的热量加热进入再生气加热炉前的再生气,降低装

置能耗。再生气冷却器采用空冷器节能效果显著。

(2)分子筛脱水塔的内衬里采用高效绝热材

料,可降低再生所需热量。此外,装置采用橇装型

式,设备间距小,加热管道短,最大限度地降低了再

生燃料气的耗量。

(3)再生气加热炉采用热效率较高的带对流室

的圆筒式加热炉,加热后的再生气管线采用保温材

料保温,以减少热量的损失。

(4)富再生气采用空冷器进行冷却,整套装置7能耗[8-10]本方案装置总能耗见表2。表2　脱水装置设计能耗项目日耗量单位数量能量折算值单位数量能耗MJ/d电力kW·h316.8MJ/(kW·h)10.893449.933燃料气7334.438.64283401.2mMJ/m合计能耗286851.1MJ/d单位能耗667.1MJ/104m3天然气　注:未计装置照明用电及仪表用电。从表2可以看出,本方案装置总能耗较低。8结论本分子筛脱水工艺方案完全能适应原料气工况条件及气质条件,达到产品气的水露点要求。)

　第40卷　第2期　　　　　　　　解决重整装置大负荷运行下的瓶颈问题159出。2010年1月31日,九江分公司新建90×10t/a催化汽油加氢装置开工一次成功,实现了汽油质量升级。汽油产品的升级需要消耗更多的氢气,因此,重整满负荷运行,多产氢气,成为九江分公司迫切需要解决的问题。

重整装置经过一系列攻关,消除瓶颈后,装置处理量最高可达37.5t/h,纯氢产量增加0.24t/h,高辛烷值汽油增加4.5t/h,可以很好地解决九江分公司多产高标号汽油、多产高附加值产品的问题,提高了九江分公司的经济效益。另外根据九江分公司全厂硫平衡情况,重整装置多产3000m/h氢气,九江分公司大概可以多处理3000t/h原油,提高了全厂的加工能力,成为九江分公司最大的效益增长点。34装置进料能在设计负荷下正常长周期运行,产氢能力可达15000m3/h,为九江分公司的汽油产品升级提供保障,产生了良好的社会效益和经济效益。另外,充分利用AspenPlus软件对工艺过程进行模拟,可以有效地分析设备的运行情况,提高了技术人员分析问题、解决问题的能力。参考文献[1]徐承恩.催化重整工程与工艺.北京:中国石化出版社,2006,11.[2]李大东.加氢处理工艺与工程(第一版).北京:中国石化出版社,2004,12.[3]林世雄.石油炼制工程.北京:石油工业出版社(第二版).1988,6.作者简介

男,1979年生。工程师。2001年毕业于江苏石油化江劲松:

工学院,现就职于九江分公司二联合车间,任副主任。电话:[1**********],079-28493181。4结论及建议

通过查找制约重整装置大负荷运行的瓶颈,对其进行分析,有效地提高了装置的处理量,目前重整收稿日期:2010-09-26;收修改稿:2010-12-06;编辑:杨　兰(上接第145页)

　　本方案成功地解决了原料气及再生气析出游离水及液体烃,使装置不能长周期安全平稳运行的问题。

本方案解决了因原料气及再生气中含有O2、H2S,再生时可能发生克劳斯反应生成微量单质硫,从而在再生气系统的换热器、空冷器、分离器、阀门及管道中形成硫堵的问题,保证了装置的长周期安全平稳运行。

本方案采取了多项安全节能措施,选用了多种节能设备,单位产量能耗低,设备布置紧凑,占地面积少,可靠性高,装置投资少。

本方案通过对工艺流程的精心设计,优化各项工艺设计参数,合理调整再生气流量,既可解决阿克纠宾油气股分公司的天然气脱水问题,获得合格的产品气,又可取得最佳的节能效果及经济效益。

参考文献

[1]徐文渊,蒋长安.天然气利用手册[C].北京:中国石化出版社,

2002.1(1).

[2],,工业,2010,30(3):91-94.[3]付秀勇.对轻烃回收装置直接换热工艺原理的认识与分析[J],石油与天然气化工,2008,37(1):18-22.[4]赵建彬,艾国生,陈青海,等.英买力凝析气田分子筛脱水工艺的优化[J],天然气工业,2008,28(10):113-115.[5]苏欣,李喻,章磊.低压油田气轻烃回收方案比选[J].石油与天然气化工,2008,37(3):186-190.[6]石油工业标准化技术委员会石油工程建设专标委.SY/T0076-2008　天然气脱水设计规范[S].2008.[7]中国石油天然气集团公司.GB50183-2004(2007年版)　石油天然气工程设计防火规范[S].2008.[8]石油工业节能节水专业标准化技术委员会.SY/T6331-2007　气田地面工程设计节能技术规范[S].2008.[9]罗小军,刘晓天,万书华.分子筛吸附法在高酸性天然气脱水中的应用[J].石油与天然气化工,2007,36(2):118-123.[10]王君山,赵纯亮.分子筛干燥剂“水穿透”原因浅析[J].天然气工业,2000,25(3):37-39.作者简介李　明:男,1973年生,四川成都人,1996年毕业于成都科技大学精细化工专业。工程师,主要从事油气加工设计工作。电话:028-86014418,地址:(610017)四川省成都市小关庙后街25号。收稿日期:20100925;编辑　兰