关于分子筛脱水装置在轻烃回收系统的应用探讨

高海云，王 鹏

(长庆油田分公司第七采油厂，甘肃 庆阳 745700)

1 概况

当前国内外油田伴生气脱水方法主要是三甘醇脱水法和分子筛吸附脱水法。

三甘醇脱水法适合于处理压力范围大，对水露点要求不是很严格的处理装置。处理气量非常大时的天然气、伴生气、煤层气等，具有很高的经济性。

分子筛吸附脱水法利用分子筛、硅胶和活性氧化铝等固体吸附剂，脱除油田伴生气中的水分,从而达到降低气体水露点、净化伴生气的目的。适合于处理气量小，压力范围大，对水露点要求比较严格的处理装置。处理气量在100～40000Nm3/h、压力范围在0.2～250 MPa、水露点方面要求可以达到常压露点-60℃以上的天然气、伴生气等，主要使用在CNG加气站、轻烃回收处理站等场站。

1.1 分子筛吸附剂结构简介

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。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[1]。

常用的分子筛系人工合成沸石，由SiO2和Al2O3四面体组成。在分子筛晶体中存在着金属阳离子，以平衡Al2O3四面体中多余的负电荷。分子筛化学结构式如下：

其中，M-金属离子，可以是K+、Na+、Ca2+等；n-离子的价数； X-称为硅铝比。

1.2 分子筛设备床层吸附过程

图1 床层内水被吸附的过程图

设: 湿天然气中水的浓度为C0；吸附床内水的原始浓度为零；床层内水被吸附的过程如图1所示。

1.3 分子筛特性

(1) 热稳定性和化学稳定性。分子筛能承受600～700℃的短暂高温，但再生温度一般在400℃以下。分子筛可在pH值5～10范围的介质中使用。

(2)分子筛对水或各种气、液态化合物可逆吸附及脱附。

(3)分子筛内部空腔和通道形成非常高的内表面积。

分子筛晶体具有蜂窝状的结构，晶体内的晶穴和孔道相互沟通，并且孔径大小均匀，与通常分子的大小相当，只有那些直径比较小的分子才能通过沸石孔道被分子筛吸附，而构型庞大的分子由于不能进入沸石孔道，则不被分子筛所吸附。

1.4 分子筛类型

硅铝比(X)不同，分子筛类型不同，分为 A、X、Y型分子筛，见表1。

表1 分子筛类型(按硅铝比)

同类分子筛由于金属离子不同、分子筛孔口直径不同，又有不同的牌号，对于A型分子筛，则有3A，4A，5A型分子筛等，见表2。

表2 分子筛类型(按金属离子)

1.5 分子筛用作石油伴生气干燥剂时的特点

1.5.1 具有很好的吸附选择性

3A分子筛(平均孔径3A，1A=10^-10 m) ：只允许H2O(2.7～3.1A)、CH4直径小于3A的分子进入孔道(不吸附乙烷)。

4A分子筛：只允许H2O、CH4、C2H6、CO2、H2S等直径小于4A的分子进入孔道吸附(不吸附丙烷)。若希望同时吸附CO2和H2S，则而应选择4A分子筛。

5A分子筛：允许各直链烷烃进入孔道。常用于正、异构烷烃分离，用于石油伴生气脱水则选择性差(失去了筛选作用，只靠极性差别吸附)不作为干燥吸附剂用。

1.5.2 具有很高的吸附性能

在很低的水蒸汽分压下仍有较大的吸附容量，可使干燥后气体中水的含量达到1ppm以下,相当于气体露点为-101℃。

1.5.3 湿容量随温度的变化

湿容量随温度的变化很小：分子筛经反复再生后，其湿容量可以基本保持不变。而硅胶和氧化铝等其他干燥剂的湿容量在23～59℃时，则下降约50%，多次再生后，可下降2/3。

1.5.4 使用寿命较长

由于分子筛可有选择性地吸附水，可避免因重烃共吸附而使吸附剂失去活性，故可延长分子筛的寿命。

1.5.5 分子筛不易被液态水破坏

分子筛不易被液态水破坏，可用于有液态水的气体脱水。

2 工艺流程特点

油田轻烃回收装置，主要以油田的套管气、原油稳定气、联合站三相分离器分离气作为原料，经装置处理后，生产出液化气、轻烃、干气，该工程是油田油气开采降低油气挥发的环保项目。

油田轻烃回收装置所使用的分子筛脱水撬装置，工作压力0.5～0.9MPa；处理气流量40000 Nm3/d；再生流量500Nm3/h；进气水分含量45℃饱和水量；进气温度10～45℃；出气常压露点≤-60℃；干燥剂类型分子筛3 A；单塔干燥剂充装量1680 kg。

分子筛脱水装置主要包括进口分离器、吸收塔、前置聚结过滤分离器、后置过滤除尘器、再生气加热器，再生气-水冷却器，再生气液分离器，天然气水露点在线分析仪，自动切换阀组等设备。

油田轻烃回收装置分子筛脱水装置具有完成原料气缓冲分离计量调压、一级压缩气缓冲分离、一级压缩气分子筛脱水三部分功能，见图 1。

图1 分子筛脱水装置

2.1 原料气缓冲分离计量调压流程部分

图2 原料气缓冲分离计量调压流程图

原料气缓冲分离计量调压流程描述：

抽气压缩机(C-101)出口来气进原料气缓冲分离器(V-201)进行气液分离。站外气经V-102初步缓冲分离后也进该分离器。分液后的气相经计量后去原料气压缩机C-102，液体一部分去V-101，另一部分直接去抽气压缩机C-101入口。该设备为防止冬季冻堵，内部设置有循环水盘管。

2.2 一级压缩气缓冲分离流程部分

图3 一级压缩气缓冲分离流程图

一级压缩气缓冲分离流程描述：

原料气压缩机C-102一级出口伴生气经水冷后进一级压缩气分离器(V-202)，分离掉液体后进分子筛干燥装置脱水，脱水后的伴生气返回C-102继续压缩处理。分离出的液体进V-201中。

2.3 一级压缩气分子筛脱水流程部分

图4 一级压缩气分子筛脱水流程图

一级压缩气分子筛脱水流程描述：

本分子筛脱水装置为两塔结构，一塔吸附时，原料气中的水分被吸附到干燥剂表面，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，从系统中排除出去，再生气也可以与较湿的入口原料气混合一起进入吸附塔(闭式循环操作)[2]。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。

2.3.1 吸附脱水流程

原料伴生气经前置聚结器进入吸附塔，由吸附塔中的3A分子筛剂除去伴生气中的饱和水，通过出口后置过滤器，过滤掉可能由吸附塔中带出的分子筛粉尘，最后进入管道下游装置，完成吸附过程。

2.3.2 分子筛再生流程

将干气作为再生气进入导热油换热器(再生气加热器)，将再生气加热至180～210℃后进入吸附塔；热气带出分子筛所吸附的水份，经再生气水冷器冷却后,至气液分离器分离出冷凝的游离水排至污水系统，分液后的气体进入原料气吸附管路，气出塔温度达到160～180℃时再生加热完成。再生加热完成后引入干气对吸附塔进行冷吹，直至出塔干气温度降至常温，冷吹完成。

2.3.3 吸附周期

吸附周期长，则再生次数少，吸附剂寿命长；但床层长，投资高。对于含水量较高的天然气，易采用较短的周期；对于含水量较低的天然气，通常采取较长的吸附周期8～24h。

2.3.4 吸附温度

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，为保证吸附剂有较高的湿容量，吸附温度一般不超过45℃。

2.3.5 再生温度

再生温度越高，吸附剂再生越完全，但其有效使用寿命越短，分子筛的再生温度一般为200～300℃。

2.3.6 加热与冷却时间分配

对于两塔流程，加热时间为65%～75%的吸附时间；冷却时间为25%～35%吸附时间。

2.3.7 再生气量

再生气量一般为原料气流量的30%～40%，考虑到本装置吸附塔大小及分子筛的装填量，再生气量应大于400Nm3/h。

3 分子筛脱水装置的应用探讨

(1)为了简化工艺，轻烃厂前期的分子筛脱水橇上使用了四通阀，根据二年多的使用情况来看，四通阀存在阀芯易磨损、易窜漏、切换不到位及维修更换成本高昂等问题。后期轻烃厂分子筛脱水橇上改造使用十二个气动球阀进行切换的运行方式，保证设备能长期稳定可靠运行。

(2)为了让脱水橇结构布置更加紧凑，橇上的导热油加热器及再生气水冷器均采用不锈钢板式换热器，此类型的换热器虽换热效率高、结构紧凑，但因原料气含硫及水质硬等原因，易堵塞、使用寿命短。在后期的技改中分子筛脱水橇上改用结构简单的列管壳式换热器，以便于清洗、有效降低维修成本。

(3)根据以前设备运行情况，备用的电加热器一直闲置，使用率很低，但该设备长期闲置，易出现腐蚀泄露，造成安全隐患。在后期的技改项目中取消分子筛脱水橇上的电加热器。

(4)设备运行过程中的注意事项：

1)间隔3个月对设备控制柜内相关的电器元件进行紧固；

2)间隔6～12个月对前置和再生过滤分离器滤料进行更换；

3)间隔24个月对分子筛进行更换；

4)对于自动切换的分子筛设备，要懂得每个阀门在何时状态下何时动作，出现意外情况，及时维修或更换；

5)留意设备常出现何种故障报警，分析原因并解除；

6)在日常操作中请缓慢打开或关闭阀门；

7)及时排污，保持分子筛设备储液罐内液体在最低限度内；

8)在冬春寒冷季节加强循环系统和排污系统的保温措施；

9)保持必要的循环冷却水量，确保再生气冷却器的换热效果。

4 分子筛使用效果评价

油田轻烃回收装置利用分子筛脱水撬进行原料气脱水，有效的降低了设备维修成本，保证了轻烃产品含水率达到出厂销售标准，提高了回收系统生产运行的安全可靠性。使用效果评价如下：

(1)分子筛脱水工艺的有效运行，可以把回收原料气的含水控制在20～50 ppm范围内，从而使得轻烃净化工艺后续设备原料气压缩机、制冷压缩系统的冻堵损坏频次大大降低，与往年由于系统脱水不理想造成的设备维修统计相比较，维修成本降低了5.56万元。

(2)轻烃产品在出厂销售前，经储罐静止沉降后罐底有少量液态水，操作员工进行脱水作业，液化气及轻烃部分气化使得脱水阀门部位结冰冻堵，造成液化气及轻烃泄漏，给生产装置及操作人员带来安全隐患，分子筛脱水撬的有效使用，可使轻烃产品携带水的数量大大降低，有效的控制了轻烃装置的运行安全风险。

参考文献

[1]赵振国.吸附作用应用原理[M].北京:化工工业出版社，2005:406-408.

[2]张振友.分子筛在空气纯化系统中的应用[J].深冷技术，2006(7):5-8.