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1、固体干燥剂脱水 固体表面对临近气体分子存在吸附力，在固体表面可捕 捉临近的气液分子，这种现象称吸附。其具有吸附平衡性和 吸附热效应。 吸附平衡性：气体与吸附剂接触时，有一部分气体被吸附 ，同时由于分子热运动，一部分气体脱附，脱附速度随着吸 附气体量的增加而增加，最后在一定温度和压力下吸附和脱 附保持平衡。 在平衡条件下，单位质量吸附剂吸附物质的多少，称平 衡吸附量，简称吸附量。 在气体脱水工业中，吸附量的大小以湿容量表示，是指每 100g吸附剂吸附水蒸汽的克数。 脱水原理 吸附热效应： 气体分子被吸附剂到吸附剂表面时放出的热量 成为吸附热，物理吸附是一种表面凝聚现象，由于 范德华力的作用，降低
2、了气体分子的自由度，因此 水蒸气吸附是放热过程。 判断分子筛是否失效可看温度是否升高，由 于气体中水含量较少，吸附放出的热量大量被气体 带走，故分子筛床层升温1-2. 脱水原理 吸附量的大小与温度和 压力有关。如图，CO2在木炭 上的等温吸附线。可见，吸 附量随温度的升高而减小， 随吸附质在气相中分压的增 大而增大。吸附剂的这种性 质表明，高压、低温有利于 吸附。 根据吸附力的不同，吸附分为化学吸附和物理吸附两种 。 化学吸附：若气体和固体原子间以某种化学键结合、形 成新的物质并以单层分子形式附着于固体表面上，多数为不可 逆过程。 特点：吸附热大，接近于化学反应热。被吸附分子至少会 发生变形，
3、可逆性小，这种过程很少用于混合物的分离。 物理吸附：若气体和固体间依靠范德华力，使 固体表面形成多层被吸附的气体分子，是可逆过程。 逆过程称为再生、活化或脱附。 特点：放热小（冷凝热润湿热），有可逆性 ，增加压力或降低温度有利于吸附；降低压力，提高 温度有利于脱附。吸附剂可循环使用。 第三节 固体干燥剂脱水 一、吸附剂种类及性能 二、吸附、再生过程 三、吸附脱水原理流程 四、吸附脱水工艺参数 五、脱水系统操作维护 六、 CNG加气站脱水装置常规类型 天然气脱水过程要求吸附剂应具有以下特性 必须是多孔性的、具有较大吸附比表面积。用于 天然气脱水的吸附剂比表面积般都在500800m2g ，比表面积
4、越大，其吸附容量(或湿容量)越大。 对流体中的不同组分具有选择性吸附作用，亦即 对要脱除的组分具有较高的吸附量。 具有较高的吸附传质速度，吸附剂与吸附质一旦 接触就会立即产生吸附现象，在瞬间即可达到相间平衡 。 能简便而经济地再生，且在使用过程中能保持较 高的吸附容量，使用寿命长。 工业用的吸附剂通常是颗粒状的。为了适应工业应 用的要求，吸附剂颗粒在大小、几何形状等方面应具有 一定的特性。例如，颗粒大小适度而且均匀，同时具有 很高的机械强度以防止破碎和产生粉尘(粉化)等。 具有较大的堆积密度。 有良好的化学稳定性、热稳定性以及价格使宜、原料 充足等。 目前，在天然气脱水中主要使用的吸附剂有活
5、性氧化铝、硅胶及分子筛三大类。通常，应根据工 艺要求进行经济比较后，选择合适的吸附剂。 （一）、吸附剂种类 天然气脱水的吸附剂主要有三种：硅胶、活性氧化铝和分子筛。 （一）、吸附剂种类 1、硅胶 主要成分为SiO2，含微量Al2O3和水。用于脱水的硅 胶有粉状、圆柱条状和球状三种，并有细孔（2040，600 700m2g）和粗孔（80100 ，300500 m2g）之分 。 硅胶特点： 与液态水接触易炸裂，因此除尽量防止液态水外，通常需 要在气体进口处加一层不易为液态水破坏的吸附剂。 吸附水蒸气时其量可达到自身质量的50%，即使相对湿度 60%的气流，湿容量可达24%，故使用水含量高的气体脱水
6、， 露点-60。 空隙不均匀，选择性不明显，易于为液态烃堵塞。 吸水放出大量吸附热，极易破裂产生粉尘。 2、活性氧化铝 主要成分为Al2O3，并含有少量其他金属化合物 （Na2O、Fe2O3等）和水。活性氧化铝也有细孔（约72 ）和粗孔（120130 ）之分，商用活性氧化铝做 成粒径37 mm的球状和圆柱条状。 活性氧化铝特点： 再生时消耗热量多，空隙不均匀，选择性差， 易于为液态烃堵塞 处理酸性天然气时，氧化铝能促使H2S与气体生 成COS。吸附剂加热再生时，吸附床内残留固态 硫，造成堵塞，影响正常脱水。 处理高含水气体，露点可达-70 。 3、分子筛 分子筛是一种人工合成的硅铝酸盐晶体。具
7、有均 一孔径，当被吸附分子直径小于分子筛孔径时，才能 进入孔径内部而被吸附，分子“筛”因其得名。其分 子式的通式为： SiO2分子数与Al2O3分子数之比称为硅铝比，在数 值上等于x。 x值越大热稳定性和耐酸性越好。 根据硅铝比的不同，分子筛分为三种类型 ：A型（硅铝比为2），X型（硅铝比为2.5）和Y型 （硅铝比为36）。它们的吸附机理是相同的，区 别在于晶体结构的内部特征。 5A分子筛 4A分子筛 常用分子筛的性能表 选择吸附性： 分子筛的孔径小于硅胶和活性氧化铝的 孔径，只有分子直径小于筛孔直径的气体分子 才能进入筛孔内被吸附，因此分子筛的吸附具 有很强的选择性。（水分子直径2.76-3
8、.2埃） （二）分子筛的吸附特性 优选吸附性： 分子筛表面具有大量较强的局部电荷， 为极性物质。因而，对于那些能够进入筛孔内的 分子，其优先吸附其中极性强的分子。水是强极 性分子，所以分子筛是干燥脱水的优良吸附剂。 H2ONH3CH3OHCH3SHH2SCOSCO2N2CH4 高效吸附性： 分子筛的高效吸附性主要表现在三个方面： 低浓度下的吸附 如图，三种吸附剂的湿 容量与相对湿度的关系。 可见，相对湿度愈小，湿 容量愈小。但当相对湿度 较低时分子筛仍有很好的 吸附性能。 30 不同湿度下几种吸附剂的平衡湿容量 （静态、常温） 动态下的吸附 气体流速对吸附剂湿容量的影响（ 0.1MPa,25，
9、相对湿度50%） 如图，三种吸附剂的 湿容量与温度的关系。温 度愈高，湿容量愈小；但 当温度较高时分子筛仍有 很好的吸附性能。 高温吸附 分子筛是唯一可用的高温吸附剂。在100 和1.3 %相对湿度时， 分子筛可吸附15%重量的水分,比相同条件下活性氧化铝的吸水量大10 倍;而比硅胶大20倍以上。所以在较高的温度下，分子筛仍能吸附相当 数量的水分，而活性氧化铝，特别是硅胶，大大丧失了吸附能力。 不同温度下几种吸附剂的平衡湿容量 高速吸附 分子筛对像水等极性分子在分压或浓度很低时的吸附 速率要远远超过硅胶，活性氧化铝。虽然在相对湿度很高 时，硅胶的平衡吸水量要高于分子筛，但随着吸附质的线 速度的
10、提高，硅胶的吸水率越来越不如分子筛效率高。 分子筛在使用寿命长，3-5年。 分子筛脱水后，干气水含量可达到1ml/m3，即 0.748mg/m3，露点约-76. 吸附剂的选择通常主要是考虑价格、工艺条件和 脱水要求等方面： 硅胶与分子筛的价格相差不多（10000），氧化铝的 价格约为分子筛的一半。 硅胶和氧化铝相对湿度愈大，湿容量愈大；相对湿度 较高时硅胶和氧化铝的湿容量高于分子筛，所以硅胶和 氧化铝适用于气体水含量较大的场合 。 （三）、吸附剂对比和选择 分子筛在相对湿度较小时有较高湿容量，因此适用于 气体深度脱水，要求干气露点很低的场合。比如天然气 冷凝法轻烃回收之前必须用分子筛脱水。 随
11、温度升高，分子筛湿容量的降低相对较慢，故必须 在较高温度下脱水时，应采用分子筛。 低压气脱水，宜用硅胶（或氧化铝）与分子筛双层联 合脱水。 二、吸附、再生过程 如图为吸附床示意图 。吸附床层从开始吸附到停 止使用而再生，在吸附过程的不同时期，吸附床层的 吸附情况是不同的。 阴影部分为吸附传质段，吸附剂仍然有吸附 脱水作用； 在吸附传质段后边线BB上方的吸附剂已被水 饱和，称饱和吸附段； 在吸附传质段前边线AA下方，吸附剂尚未吸 附水汽，称未吸附段。 随含水气体不断通过吸附床，吸附传 质段不断向下移动，当传质段前边线AA 达到床层出口端，即吸附过程转效点达 到出口端时，流出床层的气体中，水浓 度
12、开始迅速上升。 1、单组分的吸附过程 如图，流出吸附床的气体水浓度随时间而变化。开始水浓 度极低，tB时刻水浓度开始增加，最终床出口气体水浓度与进 口相等。tB称为吸附过程的转效点，相应的水浓度CB为转效点 浓度，浓度随时间变化曲线称转效曲线。 为了保证吸附工艺正常进行，吸附剂的再生也是一个 关键，吸附剂的再生不仅影响产品气中吸附物的含量，也关 系装置的处理量。 再生是为了除去水分，恢复分子筛吸水活性。工业上 常用的再生方法是升温脱附，因为温度愈高，湿容量愈小。 通常是用脱过水的天然气作为再生气体，将其加热到 一定高温，从塔底进入，自下而上穿过整个床层，利用再生 气所具有的高温使吸附剂在吸附过
13、程中所吸附的水分汽化， 并被再生气携带从顶部出塔。 脱附完成后，吸附床层的温度很高，不利于 吸附。因此需要用冷干气进行冷却，这一过程称为 冷吹。冷却后的塔方可进行吸附操作。 再生气和冷吹气都是从塔底进入，这样可以 确保在吸附操作中未吸附脱水的床层区域在再生操 作中没有含水气流过，使吸附床层底部的吸附剂得 到完全再生。 吸附-再生 当气体通过分子筛床 层时，气体中的水蒸气分 子随气流进入分子筛内部 的孔道，被吸附在孔道上 不再随气体流动；而甲烷 等烃类气体都因属于非极 性分子，会顺利通过，气 体从而得到干燥。 吸附 再生 用热气流加热使分 子筛脱附水分，再生冷 却后分离出水分，分子 筛得到再生，
14、恢复吸附 功能。 当气体通过分子筛床层时，气体中的水蒸气分子随气 流进入分子筛内部的孔道。由于水分子属于强极性分子， 因此被吸附在孔道上不再随气体流动；而甲烷等烃类气体 都因属于非极性分子，会顺利通过，气体从而得到干燥。 随着吸附塔内的分子筛吸附的水分增加，分子筛对水 分子的吸附能力也逐渐下降；当到达一定值时，从吸附塔 出口的气体中的水分子就会超过规定值说明该塔内分 子筛已吸附饱和了。（当露点高于-55时），必须对该吸 附塔内分子筛进行再生脱附。 所谓再生流程，就是将分子筛微孔内吸附的水分驱逐 ，使分子筛重新活化的过程。由于吸附时产生吸附热，用 热气流加热就会使分子筛脱附水分，分子筛得到再生，
15、再 生冷却后分离出水分。一般加气站大都采用两个吸附罐（ 双塔）轮流工作，以保证加气站连续运行。 五、吸附脱水原理流程 为保证连续生产，流程中必 须包括吸附、再生和冷吹三道工序 。可以采用两塔流程或三塔流程。 如图为两塔流程。 再生气量为原料气质量流量 的510。温度：分子筛入口 232-315度，硅胶入口234-245度， 一般情况下采用脱过水的干气作为 再生气。 三、吸附脱水工艺流程 前置低压再生零排放工艺流程 再生气为干气，露点低，湿气回至吸附塔入 口，全过程为零排放，适用高管网大排量母站 前置低压脱水系统 高压内冷却工艺流程 高压后置脱水 吸附塔的内部结构 支撑隔栅：支撑吸附剂和瓷球重量
16、。 瓷球：使气流比较均匀分布，再生时 顶部瓷球还有压住吸附剂、防止吸附剂 被吹跑的作用。 上瓷球直径:6mm,下瓷球直径12mm,厚度 50-75mm。 支撑隔栅上的丝网：防止瓷球和吸附剂 漏下。 吸附剂床层上的浮动丝网：防止吸附 剂漏出。 四、吸附脱水工艺参数 吸附脱水系统的合理设计和正确操作是延长吸附剂寿命 、节省运行能耗和费用的关键。主要考虑这样几个方面： 1、原料气压力和温度 1）根据吸附过程原理，吸附是一放热反应，吸附温度越高，吸 附剂湿容量越小。原料气温度的确定要考虑三个方面： 温度愈低，原料气的含水量愈小，吸附负荷愈低； 温度愈低，吸附剂的湿容量愈大，吸附效果愈好； 温度不能低于水合物形成温度。 一般原料气温度控制在3850。多在45 左右。 原料气压力的确定要考虑两个方面： 压力愈高，吸附剂湿容量愈大，吸附效果愈 好； 由整个操作系统决定 在操作中应避免原料气压力波动而扰动吸 附剂床层。 2、再生温度： 再生温度越高，吸附剂再生越完
