關于分子篩脫水裝置在輕烴回收系統的應用探討

高海云，王 鵬

(長慶油田分公司第七采油廠，甘肅 慶陽 745700)

1 概況

當前國內外油田伴生氣脫水方法主要是三甘醇脫水法和分子篩吸附脫水法。

三甘醇脫水法適合于處理壓力范圍大，對水露點要求不是很嚴格的處理裝置。處理氣量非常大時的天然氣、伴生氣、煤層氣等，具有很高的經濟性。

分子篩吸附脫水法利用分子篩、硅膠和活性氧化鋁等固體吸附劑，脫除油田伴生氣中的水分,從而達到降低氣體水露點、凈化伴生氣的目的。適合于處理氣量小，壓力范圍大，對水露點要求比較嚴格的處理裝置。處理氣量在100～40000Nm3/h、壓力范圍在0.2～250 MPa、水露點方面要求可以達到常壓露點-60℃以上的天然氣、伴生氣等，主要使用在CNG加氣站、輕烴回收處理站等場站。

1.1 分子篩吸附劑結構簡介

分子篩是一種人工合成的無機吸附劑，它是具有骨架結構的堿金屬或堿土金屬的硅鋁酸鹽晶體。分子篩表面具有較強的局部電荷，對極性分子和不飽和分子有很高的親和力。而水是強極性分子，且分子直徑比通常使用的分子篩孔徑小，所以分子篩是干燥氣體和液體的優良吸附劑[1]。

常用的分子篩系人工合成沸石，由SiO2和Al2O3四面體組成。在分子篩晶體中存在著金屬陽離子，以平衡Al2O3四面體中多余的負電荷。分子篩化學結構式如下：

其中，M-金屬離子，可以是K+、Na+、Ca2+等；n-離子的價數； X-稱為硅鋁比。

1.2 分子篩設備床層吸附過程

圖1 床層內水被吸附的過程圖

設: 濕天然氣中水的濃度為C0；吸附床內水的原始濃度為零；床層內水被吸附的過程如圖1所示。

1.3 分子篩特性

(1) 熱穩定性和化學穩定性。分子篩能承受600～700℃的短暫高溫，但再生溫度一般在400℃以下。分子篩可在pH值5～10范圍的介質中使用。

(2)分子篩對水或各種氣、液態化合物可逆吸附及脫附。

(3)分子篩內部空腔和通道形成非常高的內表面積。

分子篩晶體具有蜂窩狀的結構，晶體內的晶穴和孔道相互溝通，并且孔徑大小均勻，與通常分子的大小相當，只有那些直徑比較小的分子才能通過沸石孔道被分子篩吸附，而構型龐大的分子由于不能進入沸石孔道，則不被分子篩所吸附。

1.4 分子篩類型

硅鋁比(X)不同，分子篩類型不同，分為 A、X、Y型分子篩，見表1。

表1 分子篩類型(按硅鋁比)

同類分子篩由于金屬離子不同、分子篩孔口直徑不同，又有不同的牌號，對于A型分子篩，則有3A，4A，5A型分子篩等，見表2。

表2 分子篩類型(按金屬離子)

1.5 分子篩用作石油伴生氣干燥劑時的特點

1.5.1 具有很好的吸附選擇性

3A分子篩(平均孔徑3A，1A=10^-10 m) ：只允許H2O(2.7～3.1A)、CH4直徑小于3A的分子進入孔道(不吸附乙烷)。

4A分子篩：只允許H2O、CH4、C2H6、CO2、H2S等直徑小于4A的分子進入孔道吸附(不吸附丙烷)。若希望同時吸附CO2和H2S，則而應選擇4A分子篩。

5A分子篩：允許各直鏈烷烴進入孔道。常用于正、異構烷烴分離，用于石油伴生氣脫水則選擇性差(失去了篩選作用，只靠極性差別吸附)不作為干燥吸附劑用。

1.5.2 具有很高的吸附性能

在很低的水蒸汽分壓下仍有較大的吸附容量，可使干燥后氣體中水的含量達到1ppm以下,相當于氣體露點為-101℃。

1.5.3 濕容量隨溫度的變化

濕容量隨溫度的變化很小：分子篩經反復再生后，其濕容量可以基本保持不變。而硅膠和氧化鋁等其他干燥劑的濕容量在23～59℃時，則下降約50%，多次再生后，可下降2/3。

1.5.4 使用壽命較長

由于分子篩可有選擇性地吸附水，可避免因重烴共吸附而使吸附劑失去活性，故可延長分子篩的壽命。

1.5.5 分子篩不易被液態水破壞

分子篩不易被液態水破壞，可用于有液態水的氣體脫水。

2 工藝流程特點

油田輕烴回收裝置，主要以油田的套管氣、原油穩定氣、聯合站三相分離器分離氣作為原料，經裝置處理后，生產出液化氣、輕烴、干氣，該工程是油田油氣開采降低油氣揮發的環保項目。

油田輕烴回收裝置所使用的分子篩脫水撬裝置，工作壓力0.5～0.9MPa；處理氣流量40000 Nm3/d；再生流量500Nm3/h；進氣水分含量45℃飽和水量；進氣溫度10～45℃；出氣常壓露點≤-60℃；干燥劑類型分子篩3 A；單塔干燥劑充裝量1680 kg。

分子篩脫水裝置主要包括進口分離器、吸收塔、前置聚結過濾分離器、后置過濾除塵器、再生氣加熱器，再生氣-水冷卻器，再生氣液分離器，天然氣水露點在線分析儀，自動切換閥組等設備。

油田輕烴回收裝置分子篩脫水裝置具有完成原料氣緩沖分離計量調壓、一級壓縮氣緩沖分離、一級壓縮氣分子篩脫水三部分功能，見圖 1。

圖1 分子篩脫水裝置

2.1 原料氣緩沖分離計量調壓流程部分

圖2 原料氣緩沖分離計量調壓流程圖

原料氣緩沖分離計量調壓流程描述：

抽氣壓縮機(C-101)出口來氣進原料氣緩沖分離器(V-201)進行氣液分離。站外氣經V-102初步緩沖分離后也進該分離器。分液后的氣相經計量后去原料氣壓縮機C-102，液體一部分去V-101，另一部分直接去抽氣壓縮機C-101入口。該設備為防止冬季凍堵，內部設置有循環水盤管。

2.2 一級壓縮氣緩沖分離流程部分

圖3 一級壓縮氣緩沖分離流程圖

一級壓縮氣緩沖分離流程描述：

原料氣壓縮機C-102一級出口伴生氣經水冷后進一級壓縮氣分離器(V-202)，分離掉液體后進分子篩干燥裝置脫水，脫水后的伴生氣返回C-102繼續壓縮處理。分離出的液體進V-201中。

2.3 一級壓縮氣分子篩脫水流程部分

圖4 一級壓縮氣分子篩脫水流程圖

一級壓縮氣分子篩脫水流程描述：

本分子篩脫水裝置為兩塔結構，一塔吸附時，原料氣中的水分被吸附到干燥劑表面，另一個塔進行解吸再生，濕熱的再生氣通過冷卻器使水冷凝，從系統中排除出去，再生氣也可以與較濕的入口原料氣混合一起進入吸附塔(閉式循環操作)[2]。吸附與解吸再生以循環的方式交替進行，該裝置可以連續輸出潔凈干燥的氣體。

2.3.1 吸附脫水流程

原料伴生氣經前置聚結器進入吸附塔，由吸附塔中的3A分子篩劑除去伴生氣中的飽和水，通過出口后置過濾器，過濾掉可能由吸附塔中帶出的分子篩粉塵，最后進入管道下游裝置，完成吸附過程。

2.3.2 分子篩再生流程

將干氣作為再生氣進入導熱油換熱器(再生氣加熱器)，將再生氣加熱至180～210℃后進入吸附塔；熱氣帶出分子篩所吸附的水份，經再生氣水冷器冷卻后,至氣液分離器分離出冷凝的游離水排至污水系統，分液后的氣體進入原料氣吸附管路，氣出塔溫度達到160～180℃時再生加熱完成。再生加熱完成后引入干氣對吸附塔進行冷吹，直至出塔干氣溫度降至常溫，冷吹完成。

2.3.3 吸附周期

吸附周期長，則再生次數少，吸附劑壽命長；但床層長，投資高。對于含水量較高的天然氣，易采用較短的周期；對于含水量較低的天然氣，通常采取較長的吸附周期8～24h。

2.3.4 吸附溫度

根據吸附過程原理，吸附是一放熱反應，吸附溫度越高，吸附劑濕容量越小，為保證吸附劑有較高的濕容量，吸附溫度一般不超過45℃。

2.3.5 再生溫度

再生溫度越高，吸附劑再生越完全，但其有效使用壽命越短，分子篩的再生溫度一般為200～300℃。

2.3.6 加熱與冷卻時間分配

對于兩塔流程，加熱時間為65%～75%的吸附時間；冷卻時間為25%～35%吸附時間。

2.3.7 再生氣量

再生氣量一般為原料氣流量的30%～40%，考慮到本裝置吸附塔大小及分子篩的裝填量，再生氣量應大于400Nm3/h。

3 分子篩脫水裝置的應用探討

(1)為了簡化工藝，輕烴廠前期的分子篩脫水橇上使用了四通閥，根據二年多的使用情況來看，四通閥存在閥芯易磨損、易竄漏、切換不到位及維修更換成本高昂等問題。后期輕烴廠分子篩脫水橇上改造使用十二個氣動球閥進行切換的運行方式，保證設備能長期穩定可靠運行。

(2)為了讓脫水橇結構布置更加緊湊，橇上的導熱油加熱器及再生氣水冷器均采用不銹鋼板式換熱器，此類型的換熱器雖換熱效率高、結構緊湊，但因原料氣含硫及水質硬等原因，易堵塞、使用壽命短。在后期的技改中分子篩脫水橇上改用結構簡單的列管殼式換熱器，以便于清洗、有效降低維修成本。

(3)根據以前設備運行情況，備用的電加熱器一直閑置，使用率很低，但該設備長期閑置，易出現腐蝕泄露，造成安全隱患。在后期的技改項目中取消分子篩脫水橇上的電加熱器。

(4)設備運行過程中的注意事項：

1)間隔3個月對設備控制柜內相關的電器元件進行緊固；

2)間隔6～12個月對前置和再生過濾分離器濾料進行更換；

3)間隔24個月對分子篩進行更換；

4)對于自動切換的分子篩設備，要懂得每個閥門在何時狀態下何時動作，出現意外情況，及時維修或更換；

5)留意設備常出現何種故障報警，分析原因并解除；

6)在日常操作中請緩慢打開或關閉閥門；

7)及時排污，保持分子篩設備儲液罐內液體在最低限度內；

8)在冬春寒冷季節加強循環系統和排污系統的保溫措施；

9)保持必要的循環冷卻水量，確保再生氣冷卻器的換熱效果。

4 分子篩使用效果評價

油田輕烴回收裝置利用分子篩脫水撬進行原料氣脫水，有效的降低了設備維修成本，保證了輕烴產品含水率達到出廠銷售標準，提高了回收系統生產運行的安全可靠性。使用效果評價如下：

(1)分子篩脫水工藝的有效運行，可以把回收原料氣的含水控制在20～50 ppm范圍內，從而使得輕烴凈化工藝后續設備原料氣壓縮機、制冷壓縮系統的凍堵損壞頻次大大降低，與往年由于系統脫水不理想造成的設備維修統計相比較，維修成本降低了5.56萬元。

(2)輕烴產品在出廠銷售前，經儲罐靜止沉降后罐底有少量液態水，操作員工進行脫水作業，液化氣及輕烴部分氣化使得脫水閥門部位結冰凍堵，造成液化氣及輕烴泄漏，給生產裝置及操作人員帶來安全隱患，分子篩脫水撬的有效使用，可使輕烴產品攜帶水的數量大大降低，有效的控制了輕烴裝置的運行安全風險。

參考文獻

[1]趙振國.吸附作用應用原理[M].北京:化工工業出版社，2005:406-408.

[2]張振友.分子篩在空氣純化系統中的應用[J].深冷技術，2006(7):5-8.