《精编》天然气脱水原理课程介绍

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1、天然气脱水原理 脱水的必要性 天然气在加压 降温过程中 当达到其水露点时 其中的气相水就会以游离水的形式析出 如果又处在其水合物生成线以下区域时 天然气中的烃类组分还要和水生成水合物 因此 CNG中的含水量脱不到要求时 将带来以下危害 储存压力下减压温降时 生成水合物 堵塞管道 气瓶嘴 充气嘴等 使加气站在较低环境温度下不能实现正常加气 汽车在寒冷气候条件下无法启动和运行 当环境温度等于或低于0 时 析出的游离水将结冰而冻结系统的设备和管道 已符合酸性环境的一个条件 只要CNG中的硫分压超过0 00035MPa 加气站内的接触CNG的金属设备 管道就达到了硫化氢应力开裂 SSC 条件 这是十分

2、危险的 一旦加气站和 或 汽车载压力容器发生SSC 其后果就不堪设想 另外 即便硫分压达不到SSC条件 但由于游离水的存在 也要产生严重的内壁腐蚀 常见脱水方法 1 吸附脱水法吸附脱水法是利用吸附剂对水分的吸附性能 如硅胶 活性氧化铝和分子筛等 它们对水分有很强的吸附能力 吸附剂的吸湿过程是物理变化 因此这类吸附的特点是可以再生 这类吸附的干燥度可以达到常压露点 70 2 潮解脱水法潮解时干燥器也是利用吸附剂对水分的吸附性能 只不过潮解式的吸附剂在吸附水分后 变成液态排出 潮解后的吸附剂不能再生 而且会对环境造成污染这类脱水装置可以达到 38 左右的露点 3 冷冻式脱水法冷冻式脱水法是利用制冷

3、压缩机产生的冷量对压缩天然气进行冷却 使压缩天然气温度降低达到其压力对应的露点温度 从而使压缩天然气中的水分析出 达到干燥的目的 这类脱水法的干燥度可达到常压露点 23 4 膜分离脱水法利用膜分离技术对压缩天然气进行脱水 是一种极有前途的脱水方式 压缩天然气通过中空纤维薄膜时 各种物质的渗透压不同 使水从压缩天然气中分离出来 从而达到干燥效果 吸附法脱水 一 吸附式脱水原理虽然冷冻式脱水装置工作稳定 能耗低 在处理高含湿量及较大气流量时性能好 但其只能将压力露点降到2 8 左右 当要求压力露点降到更低时 吸附式干燥设备基本上是唯一的选择 吸附 是两相交界面上物质分子浓度自动发生变化的自然现象

4、吸附过程的机理很复杂 目前有关吸附原理的理论在解释吸附作用时都存在一定的不足 一般将吸附体系分为吸附剂和吸附质 具有一定吸附能力的材料叫吸附剂 被吸附的物质叫吸附质 对于吸附式干燥器 常采用硅胶 活性氧化铝 分子筛作为吸附剂 而存在于压缩天然气中的水蒸汽则为吸附质 吸附的分类 按吸附剂表面与吸附质分子间作用力的不同将吸附分为 物理吸附化学吸附 物理吸附 物理吸附的作用力为范德华力 由于分子间范德华力的作用 促使吸附质向吸附剂渗透 化学吸附是吸附质分子与吸附剂表面的分子产生电子转移或形成化合物 压缩天然气的吸附干燥过程属物理吸附 其特点如下 吸附作用力小 被吸附的气体分子比较容易重返气相 较容易

5、 解吸 物理吸附的过程是可逆的 吸附和解吸的速度都很快 吸附过程为放热反应 其放出的 吸附热 比化学吸附少得多 物理吸附无选择性 任何固体都可以吸附任何气体 仅在吸附量的不同 物理吸附与凝固有关 只有在低于被吸附物质沸点时吸附过程才能进行 根据再生时的压力及温度条件的状态 将吸附分为 1 变温吸附2 变压吸附 变温吸附在常温下进行吸附 而在较高温度下进行解析 从而恢复吸附剂的吸附功能 变压吸附在较高的吸附质分压力下进行吸附 而在较低压力 甚至真空 下进行解析 等温吸附线 在温度一定的情况下各种吸吸附剂在不同压力状态下的吸附性能 水在分子筛上的等压吸附线 在压力一定的情况下 吸附量与温度变化的关

6、系 总结 吸附温度的降低和水蒸气分压的提高 可增加吸附量有利于吸附过程的进行 再生温度的升高和水蒸气分压的降低 有利于再生过程的进行 吸附相关概念及参数 1 吸附平衡压缩空气与多孔的固体吸附剂相接触时 水分子碰到固体吸附剂的表面后被吸附 与此同时 被吸附的水分子由于自身分了热运动与外界气态分子碰撞 有一部分水分子又离开固体表面而返回气相中 当被吸附的水分子数等于离开吸附剂表面的水分子数量时 达到吸附平衡 吸附平衡是动态平衡 在宏观上吸附不再产生 但微观上的吸附与解吸仍在进行 2 吸附量吸附量分为静吸附量与动吸附量 静吸附量为吸附剂与吸附质达到充分平衡 即吸附平衡时 单位质量吸附剂所吸附气体的量

7、 单位为 kg水 kg吸附剂 对于吸附式干燥器而言 将干空气与水蒸气视为 两元 混合物 当干燥器出口端空气达到预定的 露点 值时 所吸附的水蒸气量占塔内充填的吸附剂重量的白分比为吸附剂的动吸附量 此值为吸附干燥器设计的重要基本参数 3 吸附热吸附热是吸附质与吸附剂接触时产生的热效应 如上所述 吸附过程为放热过程 解析过程为吸热过程 吸附热可比较准确地表达吸附剂的活性及吸附能力的强弱 下表为常用吸附剂对水蒸气的吸附热 常见压力单位换算表 吸附剂 在吸附式干燥设备中 吸附剂是保证设备吸附性能的重要因素 吸附剂一般为比表面积很大 孔隙率很高的物质 吸附剂应具有以下条件 有很强的吸附能力 比表面积大

8、与吸附质及其他与之相接触的介质不发生化学反应 机械强度与热强度好 易再生 不易劣化 可大量生产 价格低 常见吸附剂种类 硅胶硅胶是一种高活性 可再生的固体吸附剂 具有高微孔结构 颗粒坚硬 中性 具有较高的热稳定性和较稳定的化学惰性 对液相和气相介质有根强的吸附性能 硅胶有天然的也有人工合成的用于压缩天然气吸附干燥的硅胶为人工合成的 粗孔硅胶粒子尺寸大 排列疏松 外观为硬玻璃状 半透明无光泽的不规则颗粒 孔径为 80 100 10 10m 比表面积为500 g 对高湿度的气体吸附率较大 细孔硅胶粒子尺寸小 排列紧密 外观为硬玻璃状 半透明无光泽的不规则颗粒 孔径为20 10 10m 比表面积可达

9、700 g 对低湿度气体的吸附率较大 当硅胶吸附气体中的水分时 可达自重的50 在湿度为60 的空气流中细孔硅胶的吸湿量也可达硅胶自重的24 硅胶吸水后放热可使温升达100 在实际应用中 硅胶吸附的水分不应超过自重的6 8 细孔硅胶的再生温度为I80 200 最低不低于150 最高不超过250 超过260 将使硅胶降低干燥能力 粗孔硅胶再生温度最高不超过400 硅胶再生时 应注意逐渐提高温度 可控制在每分钟不超过10 硅胶的缺点为吸附的水气在凝成水滴或遇到液态水时 颗粒易破碎 特别在有压力时更明显 因此 在压缩天然气吸附式干燥器中 较少用硅胶作吸附剂 活性氧化铝活性氧化铝 Al2O3 nH2O

10、 在600 以下脱水 制成过渡态Al2O3 颗粒度为3 7mm 白色 机械强度和耐热性都较高 浸入水中不软 不胀 不裂 比表面积为300 g 有很高的吸附能力 用于压缩空气干燥时 每1m 空气含水量可降到0 005g m 相当于露点为 64 进塔再生温度为230 280 当入口温度为 20 时 其吸附效果最佳 是压缩空气吸附干燥器常用的吸附剂 分子筛分了筛是一种高效能 高选则性的吸附剂 对极性分子和不饱和分子具有优先吸附能力 对水分子具有特别高的亲和力 用分子筛干燥气体一般可达到低于 75 的露点 对于流速大 温度高的气体和液体 也具有很强的干燥能力 常用的4A 5A成3X型的分子筛 其比表面

11、积均在700 g以上 分子筛的再生温度较高 工业上一般取分子筛的再生温度为150 300 若要通过分子筛的完全再生来提供 85 100 的露点 其再生温度为315 375 分子筛的缺点为机械强度不高 抗水滴性能不强 在压力作用下易破碎 在处理水分负载较高的压缩空气时 可与氧化铝或硅胶联合使用 即用氧化铝或硅胶对压缩空气进行先期干燥 再用分子筛对压缩空气进行深度干燥 吸附剂平衡湿容量与相对湿度关系 常用吸附剂物理特性 常用吸附剂吸水 脱水性能 常用吸附剂的使用条件 吸附剂的耐热温度 脱水装置分类 CNG脱水装置按安装位置可分为 前置脱水 级间脱水 后置脱水 前置脱水是指安装在压缩机前面 级间脱水

12、安装在压缩机的2 3级压缩缸之间 后置脱水安装在压缩机之后 前置脱水特点 1 性能特点1 1 再生工艺为零排放闭式循环 外置电加热再生 1 2 进口配置过滤器 过滤精度 3 m 有效保护吸附剂不被液体浸泡 污染 延长吸附剂使用寿命 出口配置粉尘过滤器 能过滤精度3 m粉尘 保护后续压缩机正常工作 1 3 再生系统采用无油润滑增压机驱动循环再生 循环增压机配有气液过滤器 对分离后的气体再实施分离 使再生循环气更干净 1 4 气水分离器具有重力和过滤双重分离 分离效果好 气水分离器后设储液罐 1 5 控制系统 PLC程控包括恒温控制 文本显示 控制参数输入经处理后显示在液晶屏上 并保证设定程序自动

13、控制循环风机 加热器 冷却器 以及防冻保温装置的正常工作 配有就地仪表和室内控制仪表 以及远传控制仪表 再生冷却器 循环增压机 电加热器的启停均能实现电气联锁控制和手动单独控制 且手动优先 1 6 安全保护功能 加热器筒体及出口设温度保护功能 电机设有热保护 短路保护 电气设有短路和漏电保护 1 7 电机采用隔爆异步电动机 符合1类区D组防爆要求及GB50058标准 1 8 吸附剂富余量1 3倍 2 结构特点2 1 吸附塔包裹保温材料后外包裹不锈钢装饰板 抗腐蚀性好且美观 漂亮 2 2 整体式电热元件采用材质为不锈钢1Cr18Ni9Ti 电加热管表面发热功率达到2 0W 2 2 3 脱水装置出

14、口设置露点分析仪取样口 2 4 吸附塔上设置就地显示压力表及温度计 显示吸附塔工作压力 工作温度 再生系统中安装有温度表 压力表和热电偶 可将再生加热器出口 冷却器出口温度及吸附塔再生气出口温度远传到控制室 控制柜上安装有电压表 电流表 PLC控制仪表 2 5 装置上所有电气设备均为防爆设计 现场防爆等级Exd BT4 防护等级IP54 2 6 所有外接管口接到橇边 2 7 吸附塔设有分子筛专用装卸口 分子筛更换方便 快捷 2 8 再生系统中有安全阀 2 9 吸附塔 再生气加热器及其高温管线均做保温处理 2 10 脱水装置的橇装结构 装置的使用寿命15年 后置脱水特点 性能特点1 吸附和再生阀

15、采用美国进口高温高压不锈钢针形阀 可降低开启阀门瞬时对吸附剂的冲击 延长吸附剂使用寿命 2 三级过滤方式 前置采取两级过滤 粗过滤器配国产不锈钢滤芯 使用寿命长 阻力低 可清洗再生使用 精过滤器配德国进口除油滤芯 过滤精度达0 01 m 保护吸附剂不被液体浸泡 污染 延长吸附剂使用寿命 后置过滤精度达1 m 更有效保护压缩机的进气质量 3 高压容器和低压电加热器之间采用安全隔离装置 可防止误操作而产生人身伤亡 设备损毁 4 严格按压缩机排气温度及压力状态饱和水含量进行吸附塔的设计 5 电加热器功率富余量1 3倍 缩短加热时间 确保有效可靠加热 总能耗不变 同时采用单体式不锈钢电加热管 可单根独

16、立更换 6 电器控制系统采用PLC控制 具有数字显示并可实现电加热器自动监控 温控柜重要电气元件选用德国SIEMENS及韩国LG产品 该类品牌产品性能好 可靠性高 加热器出口及加热器筒体的温度控制采用智能仪表辅助控制 PLC主控制的方式 可按设定程序控制工作 温度参数可重新设置 调整 整个的加热器加热工作由PID进行调节 以达到自动恒温控制的目的 温控柜中设有电加热器的过电流及短路保护 有上述设备的电流指示 同时设置自动断电及报警功能 装置的电气系统设有防爆接线箱 装置内电气均为防爆连接 用电设备的防爆等级为 Exd BT4 防护等级 IP54 7 吸附剂采用中美合资4A型分子筛 平衡水容量大 吸附效果好 保证成品气质量 分子筛富余量1 3倍 能适应气质变化 8 再生气加热时冷却采用联合换热冷却器 利用干气减压所产生的冷量来冷却再生热气 同时使电加热器进气温度升高 以便快速加热至所需温度 减少加热时间 节约能源 9 装置设有专用再生冷吹管路 节约冷吹时间和气量 10 调压装置管路无冰堵设计 11 过滤器为双排污设计 延长排污阀使用寿命 12 所有管路均为GB T14976不锈钢管 且吸