第ｌ９卷 第６期 Ｖ０１．１９ Ｎｏ．６ 电子设计工程 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１１年３月 Ｍａｒ．２０１１ 分子筛脱水装置在轻烃回收系统中的应用 尚立光，李晓娜，李红，程红伟，王宁 （长庆油田分公司第一采油厂，陕西延安７１６０００） 摘要：安塞油田轻烃回收系统利用原料伴生气采用高压低温、加压分馏的工艺回收液化气和轻烃。针对原料气及混 合液烃中含水较高，冬季易产生冻堵的难题，重点介绍了分子筛的结构、特点、吸附工作原理和方法，脱水装置理论参 数计算、工艺选择，以及在安塞油田轻烃回收系统现场使用情况，并对其使用前后的效果进行对比分析。分子筛脱水 效果显著，解决了因原料气含水冻堵装置的问题，并且提高了产品产量和质量。 关键词：分子筛；吸附法脱水；轻烃回收；效果对比 一 中图分类号：ＴＱ５１５．６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—６２３６（２０１１）Ｏ６一ｏ０５７一ｏ３ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｉｅｖｅ ｄｅｈｙｄｒａｔｉｏｎ ｕｎｉｔ ｉｎ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ＳＨＡＮＧ ｌｉ－ｇｕａｎｇ，ＬＩ Ｘｉａｏ—ｎａ，ＬＩ Ｈｏｎｇ，ＣＨＥＮＧ Ｈｏｎｇ—ｗｅｉ，ＷＡＮＧ Ｎｉｎｇ （Ｆｉｒｓｔ Ｏｉｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｐｌａｎｔ ｏｆＣｈａｎｇｑｉｎｇ Ｏｉｔｉｆｅｔｄ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｙｏｎ’ａｒｔ ７１６０００，Ｃｈｉｎａ） ＡｂｓｔｒａｃＵ Ａｎｓａｉ ＮＬＧ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｇａｓ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｉｎｇ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ ｇａｓ ａｎｄ ｌｉｇｈｔ ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｘｔｕｒｅ ｏｆ ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｅｅｄ ｇａｓ，ｅａｓｙ ｔｏ ｐｒｏｄｕｃｅ ｃｏｌｄ ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｗｉｎｔｅｒ，ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｉｅｖｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｆｅａｔｕｒｅｓ，ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ，ｄｅｈｙｄｒａｔｉｏｎ ｕｎｉｔｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ， ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｉｎ Ａｎｓａｉ ｏｉｌｉｆｅｌｄ ｌｉｇｈｔ ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ—ｓｉｔｅ ｕｓａｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅｉｒ ｕｓｅ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ．Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｉｅｖｅ ｄｅｈｙｄｒａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ，ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｃｏｌｄ ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ，ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｐｒｏｄｕｃｔ ｙｉｅｌｄ ａｎｄ ｑｕａｌｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｉｅｖｅ；ｄｅｈｙｄｒａｔｉｏｎ ｂｙ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ；ｌｉｇｈｔ ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ ｒｅｃｏｖｅｒｙ；ｃｏｎｔｒａｓｔ ｅｆｆｅｃｔ 安塞油田轻烃回收装置主要由原油稳定气、套管气、大 罐气３种油田伴生气作为原料气，生产干气、液化气、轻烃。 合理利用伴生气资源，减少环境污染，提高了经济效益。３套 装置总设计处理量为６．５ｘｌ０４ ｍ３／ｄ，目前轻烃及液化石油气 天然气逆流接触．从而脱除气体中的水蒸气，用来脱水的亲 水液体称为脱水吸收剂或液体干燥剂。代表物质为二甘醇和 三甘醇。 产量可达到７０ ｔ／ｄ。 ２分子筛脱水装置工作原理 ２．１结构及特点 １ 国内外轻烃回收系统中脱水工艺 目前，国内外轻烃回收系统及天然气凝液脱水工艺，大 体可分为冷冻分离、固体干燥剂吸附和溶剂吸收３大类。近 年来国外正在大力发展用膜分离技术进行天然气及凝液脱 水．但未达到广泛应用。 分子筛是一种人工合成的无机吸附剂，它是具有骨架结 构的碱金属或碱土金属的硅铝酸盐晶体，依据其晶体内部孔 穴的大小，而吸附或排斥不同物质的分子。它具有均一的孔 径和极高的比表面积、热稳定性好、吸附性能强、不怕热、不 畏水、不受各种溶剂的侵蚀等特点，经过多次再生，仍能保持 较好的吸附性能。根据其结构通常分为Ｘ型、Ｙ型、Ａ型３ 冷冻分离法采用截流膨胀冷却或加压冷却，使原料气体 经过所谓焦耳一汤姆逊效应制冷而使原料气中的部分水蒸 气冷凝下来。 类。分子筛表面具有较强的局部电荷，对极性分子和不饱和 分子有很高的亲和力，而水是强极性分子，且分子直径比通 固体干燥剂吸附法脱水是利用多孔性的固体吸附剂处 理气液混合物。是其中一种或数种组分吸附于固体表面上达 到分离的操作，故也称之为固体吸附剂脱水，代表物质为分 子筛。 溶剂吸收法脱水是根据吸收原理，采用一种亲水液体与 收稿日期：２０１０—１２—０６ 稿件编号：２０１０１２０１９ 常使用的分子筛孔径小，所以分子筛是干燥气体和液体的优 良吸附剂［”。 分子筛具有以下优点： １）按分子的大小和形状不同的选择性吸附。对于小的极 性分子和不饱和分子，具有选择吸附性，极性越大，不饱和度 越高，其选择吸附性越强； 作者简介：尚立光（１９７５一），男，陕西延安人，工程师。研究方向： 油气集输．电气自动化。 ．．５７－ 《电子设计工程）２ｏｌ１年第６期 ２）具有强烈的吸水性，哪怕在较高的温度，含水量较低 的情况下，仍有相当高的吸水容量。 ３）应用十分广泛：各种液体的干燥、空气的干燥、制冷剂 的干燥．天然气、甲烷气的干燥，不饱和烃和裂解气、乙烯、乙 炔、丙烯、丁二烯的干燥等。 ２．２吸附法脱水原理 吸附是指气体或液体与多孔的固体颗粒表面相接处，气 体或液体与固体表面分子之间相互作用而停留在固体表面 上．使气体或液体分子孑Ｆ【舌］体表面上浓度增大的现象。吸附 法脱水．是依据吸附原理利用多孔性固体干燥剂对气体混合 物中极性水分子的选择，将水分从气体巾分离出，从而达到 脱水目的，获得低露点的干燥气体【＝１。 根据气体或液体与固体表面之间的作用力不同，可将吸 附分为物理吸附和化学吸附两类。 物理吸附是由流体巾吸附质分子与固体吸附刹表面之 间范德华力（分子问作用力）引起的吸附过程，类似于气体凝 结的物理过程。被吸附的气体和液体很容易从固体表面逐出 （比如升高温度）。物理吸附是可逆的，故可通过改变温度和 压力的方法达到吸附剂再生的目的。因此用于天然气脱水和 脱硫化物的吸附过程多为物理吸附。吸附剂主要有分子筛、 活性铝土矿、活性氧化铝、硅胶等 。 化学吸附是吸附质与固体吸附剂表面的未饱和化学健 作用的结果。这一类吸附吸附热较大，与化学反应热有同样 的数量级。被吸附的气体往往需要在很高的温度下才能逐 出．且所释放出的气体往往已发生了化学变化。 ２．３吸附剂的再生 用吸附剂除去气体混合物中的杂质，一般都须使吸附剂 再生，重新净化后，循环使用。对吸附过程，降低温度和增加 压力都有利于吸附地进行，对于脱吸来说，情况正好相反。常 用的脱吸再生方法主要是升温脱吸和降压脱吸两种，升温解 吸是工业中常用的再生方法．这是基于所有的干燥剂的湿容 量都是随温度上升而降低这一特点来实现的。 ２．４分子筛对不饱和烃及石油裂解气的脱水干燥 石油气含有大量烃类，尤其是烯烃，存干燥过程ｑ１吸附 于一般吸附剂的微孑Ｌ内，聚合和裂解成焦质，阻塞孔道，因而 降低吸附性能，缩短使用寿命。而分子筛用于石油气的干燥 则没有这些缺点，因为分子筛孑Ｌ径小而且均匀，可选用小孔 径分子筛，如３Ａ分子筛，可以只吸附水分，而不吸附大分子 烃类，可以避免烯烃等在分子筛内部结焦 。３Ａ分子筛干燥 石油裂解气操作状况如表１所示。 表ｌ 用３Ａ分子筛干燥石油裂解气操作状况 Ｔａｂ．１ Ｄｒｉｅｄ ｗｉｔｈ ３Ａ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｉｅｖｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｏｉｌ－ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｇａｓ —．５８．． ３分子筛在安塞油田轻烃回收系统中的应用 ３．１主要技术参数 ２００６年１２月．王窑站采用型号为ＬＮＤ６５０一Ａ一０．３／１．０的 分子筛脱水装置，处理气量３００４５０ Ｎｍ弧；吸附压力≤０３５ ＭＰａ； 再生压力≤Ｏ．１０ ＭＰａ；最高工作压力１．０ ＭＰａ；再生加热温度 ２２０℃：干燥剂类型／重量：分子筛３ Ａ／５５０ ｋｇ；输出成品气常 压露点≤～６０℃。 ３．２装置结构 装置为双塔结构，包括电加热器、循环风机、板式水冷却 器、分离器、过滤器等几部分。一塔吸附时，原料气中的水分 被吸附到干燥剂表面目．另一个塔进行解吸再生，湿热的再生 气通过冷却器使水冷凝，从系统巾排除出去，再生气也可以 与潮湿的入口原料气混合一起进入吸附塔（闭式循环操作） 。 吸附与解吸再生以循环的方式交替进行，该装置可以连续输 出洁净干燥的气体。 ３．３工艺流程及工作原理 １）吸附过程：采用二级脱水Ｔ艺。一级：预冷脱水，原料 气经前置水冷却器强制冷却，析出大量水分，再经气液分离 器去除液态水分、固体杂质。脱水率接近９０％。二级：分子筛 吸附脱水，原料气进入吸附塔Ａ进行吸附，干燥后的成品气 经后置粉尘过滤器过滤后到下游工序．进入原料气压缩机进 行二级压缩。脱水率１０％，分子筛脱水效率９８．４％。 ２）再生过程：完成对原料气进行吸附脱水的干燥器压力 在０．３５ ＭＰａ，进入再生阶段应先进行再生加热前的降压置 换，将操作压力降至０．１ ＭＰａ以下，利于再生。少量再生气（干 燥天然气），在经电加热器加热至２２０ ｏＣ以上，由循环风机提 供动力，进入再生塔Ｂ进行加热再生．带走吸附在分子筛里 面的水分。加热器停止加热后，装置进入冷吹阶段，高温再生 水冷却器冷却，冷却后产生的液态 再生气再次进入吸附塔，形成循环再 图１ 分子筛脱水工艺流程图 Ｆｉｇ．１ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｉｅｖ￣ｄｅｈｙｄｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ 气经循环风机内部循环、水由分离器彻底分离，生系统。工艺流程图如图１所示。尚立光。等 分子筛脱水装置在轻烃回收系统中的应用 ３．４工艺特点 １）二级脱水工艺使分子筛用量减少，分子筛脱水负荷仅 为总负荷的１０％： ２）工艺控制系统自动化程度高，整套脱水装置采用ＰＬＣ 自动控制系统： ３）操作弹性较大，处理能力在３００～４５０ Ｎｍ 范围内； ４）分子筛可再生使用： 图２分子筛使用效果对比网 Ｆｉｇ．２ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｉｅｖｅ ｅｆｆｅｃｔ ５）再生干气、仪表风、电加热等均依托原轻烃回收装置： ６）工艺流程简单、操作方便。 ３．５用分子筛干燥原料气 ５ 结 论 应用分子筛脱水工艺后，原料气中的含水量大大降低， 控制在５０ ｐｐｍ以下。输出成品气常压露点≤一３０℃．系统发 用分子筛干燥原料气如表２所示。 表２用分子筛干燥原料气的操作条件和结果 Ｔａｂ．２ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｉｅｖｅ ｄｒｙｆｅｅｄ ｇａｓ 生冻堵的几率接近于零，解决了原料气及混合液烃中含水较 高冬季产生冻堵的难题，增加了产品产量，保证了产品质量。 而且还能脱除部分微溶于其中的ＣＯ：、Ｈ：Ｓ等酸性物质，降低 管道和设备的腐蚀。 从近两年安塞油田分子筛脱水装置的使用情况得出，分 ４分子筛使用效果评价 王窑站轻烃回收系统增加分子筛脱水ｌ＿［艺后，脱水彻 底，改变了以往冬季冻堵严重的状况。 ４．１使用分子筛脱水工艺前 １）冬季，压缩机进Ｌ】缓冲罐脱人工水近２００ ｋｇ／ｄ、过滤器 ５０ ｋ删。脱水不密闭，劳动强度大，员工无法兼顾正常的生产 子筛脱水装置是轻烃回收系统最有效的脱水方式．保障了冬 季轻烃回收系统的良好运行。 参考文献： Ｉ１】赵振国．吸附作用应用原理【Ｍ】．北京；化学工业出版社， ２００５：４０６－４０８． 【２】梁会田．乙酸乙脂水溶液中水在３Ａ分子筛上的吸附平衡与 动力学ｌＪＪ．应用化学，２００６，３３（１０）：９３２—９３６． ＬＩＡＮＧ Ｈｕｉ—ｔｉａｎ，Ｅｔｈｙｌ ａｃｅｔａｔｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｒ／ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ 操作。脱水时不可避免带有烃气，存在较大的安全隐患。 ２）脱水不彻底的原料气进入压缩机后．造成机组汽缸内 带液，损坏气阀部件、活塞、密封填料等部件，降低压缩机使 用寿命．严重时可能导致压缩机爆炸 ３）烃气带水进人工艺系统后，在一定的压力和温度下， ３Ａ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｉｅｖｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ａｎｄ ｋｉｎｅｔｉｃｓ『Ｊ】． Ａｐｐｌｉｅｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００６，３３（１０）：９３２－９３６． 【３］葛灵．刘晓琴．低碳醇中水分子筛上的吸附平衡与动力学 【Ｊ１．南京化工大学学报，１９９８，２０（３）：８８—９１． ＧＥ Ｌｉｎｇ，ＬＩＵ Ｘｉａｏ—ｑｉｎ，Ａｌｃｏｈｏｌ ｏｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｉｎ ｚｅｏｌｉｔｅ 形成气体水化物，造成管线、设备、自控仪表的冻堵。甚至冻 坏阀门、设备、管网，造成液化石油气及轻烃泄漏．大大增加 了处理难度和危险系数 ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ａｎｄ ｋｉｎｅｔｉｃｓ［Ｊ］．Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９８，２０（３）：８８—９１． ４）发生冻堵无时，需操作人员用蒸汽逐段解冻，耗时耗 力。加上大部分工艺管线采用高空架设，形成高空作业。 ５）轻烃回收系统无法正常运行时，影响上下游运行。稳 【４１张金，王武．轻烃回收装置原料气过滤器的开发及应用【Ｊ】． 石油工程建设，１９９１，６（１７）：４２—４Ｊ４． ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎ，ＷＡＮＧ Ｗｕ．Ｌｉｇｈｔ ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ ｒｅｃｏｒｅｒｙ ｕｎｉｔ 定轻烃产量降低，套管气管线凝液冻堵．无法为锅炉等供应 干气。得不到处理的原稳气只能放空至火炬：一是烃类组分 （Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５等），燃烧产生大量的黑烟，污染环境；二是闪蒸 气携带部分液态水进入紧急放空管线．造成放空管线、安全 阀冻漏。 ｆｅｅｄ ｇａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒ ｆｊ】． Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｔｉｏｎ，１９９１，６（１７）：４２－４４． ｆ５】郭安祥，闫爱军，姜丹，等．变电站接地网土壤腐蚀性评价 方法研究『Ｊ】．陕西电力，２０１０，３８（１２）：２８－３０． ＥｖａｌｕａｔｉＯＦ／Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｏｉｌ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｏｆ ＴｒａｎｓｆｏＹｎｌｅｒ 分子筛使用前后效果对比如图２所示。 ４．２经济效益评估 Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ Ｇｒｉｄ［Ｊ］．Ｓｈａａｎｘｉ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｐｏｗｅｒ，２０１０，３８ （１２）：２８—３０． 轻烃回收系统增加分子筛脱水后，装置正常平稳生产， 每天产生的经济效益为（以每天生产５吨液化气、每吨液化 气按６ ５００元计算）：６ ８００￣５＝３．４万元；冬季（以１００天计）不 停产，产生的经济效益为３．４ｘ１００＝３４０万元。 【６】河南开元气体装备有限公司．分子筛在空气纯化系统中的 应用【ＥＢ／ＯＬ１．（２００９－０３－２３）．ｈｔｔｐ．ＷＶｇＷ．ｋｆａｉｒ．ｃｏｍ／Ｎｅｗｓ＿Ｉｎｆｏ． ａｓｐ？ＩＤ＝５６． －５９ ．
