1、1,第四節(jié) 固體吸附法脫水,吸附脫水原理 吸附脫水的操作方式 吸附脫水的傳質(zhì)過程 吸附床層再生方法 固體吸附劑及其性質(zhì) 吸附脫水工藝流程及主要參數(shù) 吸附脫水工藝計(jì)算,2,一、吸附脫水原理,吸附是用多孔性的固體吸附劑處理氣體混合物，使其中一種或多種組分吸附于固體表面上，其他的不吸附，從而達(dá)到分離操作。 水是一種強(qiáng)極性分子，分子直徑（2.76 3.2 ）很小。不同的多孔性固體的孔徑是不同的，孔徑大于3.2 的，都可以吸附水。吸附能力的大小與多種因素有關(guān)，主要是固體的表面力。,3,一、吸附脫水原理,根據(jù)表面力的性質(zhì)可將吸附分為兩大類型：物理吸附和化學(xué)吸附； 物理吸附是指流體中被吸附的分子與吸附劑表面

2、分子間為分子間吸引力范德華力所造成，其吸附速度快，吸附過程類似于氣體凝聚過程；,4,物理吸附當(dāng)氣體壓力降低或系統(tǒng)溫度升高時(shí)，被吸附的氣體可以容易地從固體表面逸出，而不改變氣體原來的性質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為脫附。 吸附和脫附為可逆過程，工業(yè)上利用這種可逆性，借以改變操作條件，使吸附的物質(zhì)脫附，達(dá)到使吸附劑再生、回收或分離吸附質(zhì)的目的。,一、吸附脫水原理,5,一、吸附脫水原理,化學(xué)吸附類似于化學(xué)反應(yīng)。吸附時(shí)，吸附劑表面的未飽和化學(xué)鍵與吸附質(zhì)之間發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移及重新分布，在吸附劑的表面形成一個單分子層的表面化合物。吸附中將放生的吸附熱。 化學(xué)吸附具有選擇性，它僅發(fā)生在吸附劑表面，且吸附速度較慢，是不可逆的

3、過程。要很高的溫度才能把吸附分子釋放出來，并且釋放出來的氣體常已發(fā)生化學(xué)變化，不復(fù)呈原有的性質(zhì)。為了提高化學(xué)吸附的速度，常常采用升高溫度的辦法。,6,一、吸附脫水原理,在實(shí)際過程中，有時(shí)物理吸附與化學(xué)吸附可相伴發(fā)生； 同一物質(zhì)在低溫時(shí)以物理吸附為主，在高溫時(shí)又以化學(xué)吸附占優(yōu)勢； 在通常的吸附操作中，主要是物理吸附。,7,二、 吸附脫水的操作方式,吸附劑與吸附物互相接觸的操作（氣-固吸附），一般可分為三種方式： （1）間歇操作：即將氣體與吸附劑同時(shí)置于一容器內(nèi)，使之充分接觸而進(jìn)行吸附，然后將吸附和氣體分離。這種吸附操作主要用于實(shí)驗(yàn)室或小規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中。,8,（2）半連續(xù)操作：使被處理的氣體通過固

4、定的床層進(jìn)行吸附，經(jīng)一定時(shí)間后，停止進(jìn)料，然后進(jìn)行再生（解吸）。再生后重新進(jìn)行吸附，依此循環(huán)。 （3）連續(xù)操作：將吸附劑和氣體連續(xù)地逆流或并流送入吸附器，使之互相接觸而進(jìn)行吸附，處理后的氣體和吸附劑連續(xù)流出設(shè)備，連續(xù)操作的設(shè)備效率高，但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜 在天然氣脫水裝置大多是采用半連續(xù)操作，即固定床吸附。,二、吸附脫水的操作方式,9,三、吸附脫水的傳質(zhì)過程,圖（a）圖是流出吸附劑床層的氣體中吸附物濃度隨時(shí)間變化的情況（又稱轉(zhuǎn)效點(diǎn)曲線）。圖（b）是吸附劑床層示意圖， C0進(jìn)料氣的濃度；tB吸附過程的轉(zhuǎn)效點(diǎn)；CB轉(zhuǎn)效點(diǎn)濃度。,10,四、 吸附床層再生方法,對固定床氣固吸附而言，主要有三種再生方法： （

5、1）溫度轉(zhuǎn)換再生法：升高吸附劑床層溫度進(jìn)行再生，然后降溫冷卻，再重新吸附。加熱方式有兩種：一種是利用熱再生氣通入吸附劑床層直接加熱，同時(shí)帶走被解吸的吸附物；另一種是床層內(nèi)部裝加熱 盤管進(jìn)行間接加熱。,11,溫度轉(zhuǎn)換再生法示意圖,12,加熱再生完全后，吸附劑需要冷卻，然后重新開始吸附操作。冷卻過程可以采用放置自然冷卻的方式，但通常都通冷氣流進(jìn)行冷卻，冷氣流的吹入方向最好與吸附時(shí)的氣流方向相反，而且冷氣流中應(yīng)不含吸附物。,四、 吸附床層再生方法,13,（2）壓力轉(zhuǎn)換再生法：其原理是使吸附劑床層在較高的壓力下進(jìn)行吸附，然后降低壓力而使吸附物解吸。此類再生工藝主要用于產(chǎn)品提純。在天然氣脫水基本不用。

6、（3）沖洗解吸再生法：其原理是用某種合適的氣體沖洗吸附劑床層，達(dá)到解吸而再生的目的，升高溫度或降低壓力均有利于沖洗解吸。,四、 吸附床層再生方法,14,五、固體吸附劑及其性質(zhì),工業(yè)吸附劑應(yīng)具備的性能： 宏大的比表面積 傳熱速度快 很強(qiáng)的選擇性 能簡便和經(jīng)濟(jì)地再生 較高的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì),15,五、固體吸附劑及其性質(zhì),目前工業(yè)上常用的吸附劑有：活性氧化鋁、硅膠、分子篩、活性炭。其中除活性炭外，都可以應(yīng)用于天然氣脫水。,16,1. 吸附劑的性能參數(shù),（1）比表面積 吸附劑是固體顆粒，其內(nèi)部有許多微孔和孔道與表面相通。吸附劑顆粒外表面積與顆粒內(nèi)孔穴的表面積之和稱為吸附劑的表面積。單位可用m2

7、/g表示。 （2）密度 由于吸附劑是一種多孔道和微孔的固體顆粒，其體積包括孔穴體積和骨架體積兩部分；在實(shí)際應(yīng)用中，顆粒是堆放在吸附器殼體之中的，故人們常用真實(shí)密度、顆粒密度和堆積密度三個指標(biāo)來綜合反映吸附劑的密度值。,17,真實(shí)密度s(kg/m3),吸附劑的真實(shí)密度是指單位骨架體積所具有的質(zhì)量，表達(dá)式為,G吸附劑的質(zhì)量，kg； VS吸附劑的骨架體積，m3。,18,顆粒密度P(kg/m3),顆粒密度 又稱假密度，是指單位體積吸附劑所具有的質(zhì)量。表達(dá)式為:,G吸附劑的質(zhì)量，kg； VP吸附劑的骨架體積與孔穴體積之和，m3 。,19,堆積密度b(kg/m3),堆積密度又稱為填充密度。是指單位吸附床層

8、體積內(nèi)所填充的吸附劑的質(zhì)量，表達(dá)式為：,G吸附劑的質(zhì)量，kg； Vb吸附劑床層的填充體積，m3。,20,（3）孔隙率（%）,吸附劑的孔穴體積占吸附劑體積的百分率稱為吸附劑的孔隙率。表達(dá)式為,VK吸附劑的孔穴體積，m3； VP吸附劑的體積，即孔穴體積與骨架體積之和，m3。,21,（4）細(xì)孔容積Vx(m3 /kg),細(xì)孔容積是指 單位質(zhì)量吸附劑所具有的孔穴體積。表達(dá)式為,G吸附劑的質(zhì)量，kg； VK吸附劑的孔穴體積，m3。,22,（5）吸附劑孔徑,孔徑是指固體吸附劑孔穴的直徑，單位用埃()表示，1 等于10-10m。 孔徑是吸附劑一個比較重要的參數(shù)，它表征出了吸附劑能夠吸附的顆粒大小，對于孔徑均勻

9、的吸附劑，可以通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算求出孔徑值。,23,（6）吸附劑濕容量,每100克吸附劑能從氣體中脫除的水汽克數(shù)。吸附劑濕容量有兩種表示：平衡濕容量和轉(zhuǎn)效點(diǎn)濕容量。 平衡濕容量是指在給定溫度下，吸附劑與一定溫度的氣體達(dá)到平衡狀態(tài)，每100克吸附劑吸附的水汽克數(shù)。 轉(zhuǎn)效點(diǎn)濕容量是將一定溫度的氣體通過吸附床層，當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)效點(diǎn)時(shí)平均每100克吸附劑吸附的水汽克數(shù)。吸附劑的濕容量一般與吸附劑的比表面積和其堆積密度的乘積成正比。,24,2. 常用吸收劑的性質(zhì),25,（1）活性氧化鋁,活性氧化鋁是一種多孔、吸附能力較強(qiáng)的吸附劑。對氣體、蒸氣和某些液體中的水分有良好的吸附能力，再生溫度175315。 國外天然氣脫

10、水常用的活性Al2O3有F-1型粒狀、H-151型球狀和KA-201型球狀三種，其化學(xué)組成如下表所示。,26,（1）活性氧化鋁,典型活性氧化鋁組成表,27,（1）活性氧化鋁,活性氧化鋁吸附劑的特點(diǎn)： 經(jīng)活性氧化鋁吸附脫水后，油田氣的露點(diǎn)最高點(diǎn)可達(dá)-73； 但再生時(shí)消耗熱量多，選擇性差，易吸附重?zé)N，呈堿性，不宜處理含酸性氣體較多的天然氣。,28,（2）硅 膠,硅膠是粉狀或顆粒狀物質(zhì)，粒子外觀呈透明或乳白色固體。分子式為mSiO2 nH2O，它是用硅酸鈉與硫酸反應(yīng)生成水凝膠，然后洗去硫酸鈉，將水凝膠干燥制成。其典型組成如下表：,29,硅膠吸濕量可達(dá)到40%左右。按孔隙大小，分成細(xì)孔和粗孔兩種。粗孔

11、硅脫的比表面積（35）102m2/g，細(xì)孔硅膠約為（67）102m2/g。天然氣脫水用的是細(xì)孔硅膠，平均孔徑2030。 硅膠吸附水蒸氣的性能特別好，且具有較高的化學(xué)和熱力穩(wěn)定性。但硅膠與液態(tài)水接觸很易炸裂，產(chǎn)生粉塵，增加壓降，降低有效濕容量。,（2）硅 膠,30,（3）分子篩,分子篩是具有骨架結(jié)構(gòu)的堿金屬的硅鋁酸鹽晶體。是的一種高效、高選擇性的固體吸附劑。其分子式如下： M2/nOAl2O3xSiO2yH2O M某些堿金屬或堿土金屬離子，如Li、Na、Mg、Ca等； nM的價(jià)數(shù)； xSiO2的分子數(shù)； y水的分子數(shù)。,31,分子篩通常分為X型和A型兩類。它們的吸附機(jī)理是相同的，區(qū)別在于晶體結(jié)構(gòu)

12、的內(nèi)部特征。A型分子篩具有與沸石構(gòu)造類似的結(jié)構(gòu)物質(zhì)，所有吸附均發(fā)生在晶體內(nèi)部孔腔內(nèi)。 X型分子篩能吸附所有能被A型分子篩吸附的分子，并且具有稍高的容量。13X型分子篩中吸附象芳香烴這樣的大分子。 各類分子篩的pH值約為10，在pH=512范圍內(nèi)是穩(wěn)定的。在處理酸性天然氣時(shí)，若吸附液的pH值小于5，就應(yīng)采用抗酸分子篩。,（3）分子篩,32,（3）分子篩,33,（3）分子篩,分子篩的主要特點(diǎn) 具有很好的選擇吸附性。 分子篩能按照物質(zhì)的分子大小進(jìn)行選擇吸附。經(jīng)分子篩干燥后的氣體，一般含水量可達(dá)到0.110ppm，脫水裝置中多用4A，5A等分子篩作吸附劑。 具有高效吸附特性。 分子篩在低水汽分壓、高溫

13、、高氣體流速等苛刻的條件下仍然保持較高的濕容量。如圖5-3-3所示，例如在100時(shí)，分子篩的濕容量是15%，而活性氧化鋁小于3%，硅膠小于1%。,34,各種吸附劑在1.33kPa水蒸氣 分壓下的平衡濕吸附容量,35,3. 吸附劑的選用,吸附法脫水時(shí)，應(yīng)根據(jù)工藝要求作技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇合適的吸附劑； 分子篩脫水宜用于要求深度脫水的場合（1ppm以下），分子篩宜采用4A型或5A型； 當(dāng)天然氣露點(diǎn)要求不很低時(shí)，可采用氧化鋁或硅膠脫水。氧化鋁不宜處理酸性天然氣； 低壓氣脫水，宜用硅膠（或氧化鋁）與分子篩雙層聯(lián)合脫水。,36,六、吸附脫水流程及主要參數(shù),目前用于天然氣的吸附脫水裝置多為固定床吸附塔。為保

14、證裝置連續(xù)操作，至少需要兩個吸附塔。工業(yè)上經(jīng)常采用雙塔流程和三塔流程。,1. 吸附法脫水流程,37,1在吸附的干燥器； 2在再生(包括熱吹和冷吹)的干燥器； 3程序切換閥；I含水天然氣；II脫水后天然氣； III熱(冷)吹氣入口；IV熱(冷)吹氣出口 兩臺吸附器的運(yùn)行圖,38,1在吸附的吸附器；2在熱吹的吸附器；3在冷吹的吸附器；4程序切換閥；I含水天然氣入口；II脫水后天然氣出口；III熱吹氣入口；IV熱吹氣出口；V冷吹氣入口；VI冷吹氣出口 三臺吸附器時(shí)的運(yùn)行圖,39,吸附脫水的工藝流程圖,40,2. 吸附法脫水工藝參數(shù),吸附法脫水工藝主要由吸附操作和再生操作組成，其操作參數(shù)應(yīng)按照原料組成

15、、氣體露點(diǎn)要求、吸附工藝特點(diǎn)等予以綜合比較確定。 吸附操作壓力和溫度 吸附操作周期 再生氣源和流量 再生溫度和冷卻等,41,（1）吸附操作壓力和溫度,壓力對吸附劑濕容量影響甚微，因此，吸附操作壓力可由工藝系統(tǒng)壓力決定，但在操作過程中應(yīng)注意壓力平穩(wěn)，避免波動。若吸附塔放空過急，床層截面局部氣速過高，會引起床層移動和摩擦，甚至吸附劑顆粒會被氣流夾帶出塔。 為了使吸附劑能保持較高的濕容量，除分子篩外，其它各種吸附劑操作溫度不宜超過38，最高不能超過50。,42,（2）吸附操作周期,吸附周期應(yīng)根據(jù)氣中含水量、空塔流速、床層高徑比（不應(yīng)小于1.6）、再生能耗、吸附劑壽命作技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，一般為8h24h。

16、對于壓力不高，含水量較多的天然氣，吸附周期宜小于或等于8h。 確定吸附脫水操作周期應(yīng)考慮保證吸附塔有足夠的再生和冷卻時(shí)間。對操作周期為8小時(shí)的雙塔流程： 加熱時(shí)間：4.5小時(shí)；冷卻時(shí)間為3小時(shí)； 備用和切換時(shí)間：0.5小時(shí)。,43,（3）再生氣源和流量,再生氣和冷吹氣宜用凈化后的干天然氣。兩者都應(yīng)回收。 大約為總原料濕氣體的5%15%，由具體操作條件而定。再生氣體流量應(yīng)足以保證在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將再生吸附提高到規(guī)定的溫度。,44,（4）再生溫度和冷卻,再生氣的入口溫度應(yīng)根據(jù)吸附劑類型和脫水深度確定： 分子篩入口溫度為232315； 硅膠入口溫度：234245 ； 氧化鋁入口溫度介于硅膠與分子篩之間而

17、接近于分子篩。 對兩塔流程冷卻床層的氣體一般與再生氣流量相同，冷卻氣出口溫度宜在50 以下。,45,（5）吸附劑的濕容量,靜態(tài)吸附濕容量在指定溫度和濕度條件下的測量，動態(tài)吸附容量參考下列數(shù)據(jù)： 氧化鋁： 47kgH2O/100kg(吸附劑) 硅膠： 79kgH2O/100kg(吸附劑) 分子篩：912kgH2O/100kg(吸附劑),46,七、吸附脫水工藝計(jì)算,對于吸附脫水工藝計(jì)算主要是確定： 吸附器直徑 吸附床層高度 吸附操作周期 床層壓降 再生負(fù)荷和再生氣用量等,47,1. 吸附器直徑D,吸附器直徑取決于適宜的空塔流速，適宜的高徑比。實(shí)踐證明，采用雷督克斯的半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出空塔流速的值，然

18、后用轉(zhuǎn)效點(diǎn)核算是可行的。此半經(jīng)驗(yàn)公式如下：,G允許氣體空塔質(zhì)量流速，kg/（m2h）； C常數(shù)，氣體自上而下流動C=0.250.32，氣體自下而上流動C=0.167。,48,Qm氣體質(zhì)量流量，kg/h。,1. 吸附器直徑D,49,GPSA推薦方法,GPSA工程數(shù)據(jù)手冊推薦基于壓降為7.53kPa/m 時(shí)用下圖取分子篩允許空塔氣速Vg。,Qv氣體體積流量，m3/h。,50,分子篩吸附器允許空塔流速,51,2. 吸附劑用量和床層高度,在知道吸附劑有效濕容量后，可下式計(jì)算吸附劑用量VD(m3)。,G1吸附劑脫出的水量，kg/h； x吸附劑的有效濕容量，kg水/100kg吸附劑； 吸附操作周期，h。,

19、52,3. 傳質(zhì)區(qū)長度hz(m),A吸附劑系數(shù)，對于硅膠A=1，活性氧化鋁A=0.8，分子篩A=0.6； q吸附床層水負(fù)荷，kg/(hm2)； Vg 空塔氣速，m/min； Rs進(jìn)口天然氣相對濕度，%，取值Rs%。,53,GPSA氣體加工工程數(shù)據(jù)手冊（1987版）介紹一種吸附傳質(zhì)區(qū)長度hz(m)的計(jì)算方法：,Vg一空塔氣速，m/min； Z=3.4（對3.2mm直徑的分子篩）； Z=1.7（對1.6mm直徑的分子篩）。,3. 傳質(zhì)區(qū)長度hz(m),54,4. 吸附劑的有效吸附容量,x吸附劑的有效吸附容量，kg水/100kg吸附劑； xs吸附劑的動態(tài)平衡濕容量，kg水/100kg吸附劑； hz

20、吸附傳質(zhì)區(qū)的長度，m； hT床層進(jìn)口端距吸附傳質(zhì)段前沿的長度，m。,55,當(dāng)吸附操作在轉(zhuǎn)效點(diǎn)結(jié)束時(shí)，未用吸附段床層高度為零，此時(shí)hT即為床層總高度，而x為吸附劑轉(zhuǎn)效點(diǎn)的濕容量。常數(shù)0.45是一個均值，它是吸附段長度的函數(shù)，其變化范圍僅為0.400.52。 如果xxs，則hT才能滿足要求。,4. 吸附劑的有效吸附容量,56,5. 氣體壓降P(kPa),GPSA氣體加工工程數(shù)據(jù)手冊推薦按修正的埃爾根（Ergun）公式計(jì)算 ：,氣體粘度，mPas；g氣體密度，kg/m3； Vg氣體空塔流速，mt/min；B、C常數(shù)。 吸附時(shí)氣體通過床層的壓降宜小于0.035MPa，不宜高于0.055MPa，否則應(yīng)重

21、新調(diào)整空塔氣速。,57,6. 轉(zhuǎn)效時(shí)間B（h）,驗(yàn)證轉(zhuǎn)效時(shí)間B與確定的吸附周期是否一致。否則，則調(diào)整床層高度。,58,吸附塔計(jì)算步驟,計(jì)算吸附水量，選取吸附有效濕容量； 計(jì)算床層直徑 D，圓整并確定外徑； 計(jì)算吸附用量和床層總高度； 計(jì)算壓降，若P55kPa，則調(diào)整D，重復(fù)計(jì)算； 校核吸附周期，若不符，則從開始重新計(jì)算。,59,7. 吸附再生與冷卻過程計(jì)算,一般吸附劑的再生溫度為175260。用分子篩時(shí)，再生溫度可高至260370。脫水后干氣露點(diǎn)可降至-100 。 再生操作壓力通常與吸附操作壓力相同，偶而采用較低壓力再生以提高被吸附分子的脫附能力。 再生過程的溫度變化曲線如下圖。,60,再生過

22、程的溫度變化曲線,61,吸附劑的再生過程可劃分為A、B、C、D四個階段，在A階段，烴類全部被脫附，水的脫附集中在階段B，階段C主要清除重?zé)N等不易脫附的物質(zhì)，增加再生后吸附劑的濕容量，階段D則冷卻床層至吸附溫度。T2110， T3127，TB116，T4175260。再生氣體溫度和流量控制了每一階段的時(shí)間 。,7. 吸附再生與冷卻過程計(jì)算,62,（1）再生氣用量計(jì)算,再生加熱所需的熱量為Q，則：,Q1加熱分子篩的熱量，kJ； Q2加熱吸附器本身(鋼材)的熱量，kJ； Q3脫附吸附水的熱量，kJ； Q4加熱鋪墊的瓷球的熱量，kJ。,63,吸附器結(jié)構(gòu)示意圖,64,設(shè)吸附后床層溫度是t1 ，熱再生氣進(jìn)出口平均溫度為t2 ，則：,65,m1、m2、m3、m4分別是分子篩、吸附器筒體及附體等鋼材、吸附水和鋪墊物的質(zhì)量，kg； 4186.8是水的脫附熱， kJ/kg； Cp1，Cp2，Cp4分別為分子篩、吸附器筒體及附體等鋼材、鋪墊物的定壓比熱，kJ/(kg)；,上四式中符號的意義,66,qh每kg再生氣所放出的熱量，kJ/kg； h再生加熱時(shí)間，h； Cp再生氣的定壓比熱，kJ/(kg)； t再生氣的溫降， 。,（