脱水与脱汞单元

目录

• 脱水与脱汞工艺介绍
• 单元用途
• 主要设备
• 工艺描述
• 公用设施中断影响
• 图纸

脱水与脱汞工艺介绍

脱水工艺介绍

天然气通常含有大量水汽，温度和压力的变化会导致水汽凝结，使其从气态转变为液态或固态。这些水分必须脱除，以保护系统免受腐蚀和水合物生成的影响。

入口湿气的温度和供应压力是天然气脱水系统精确设计的最重要因素，若无这些基本信息，无法合理确定脱水器的尺寸。

脱水系统的精确设计还需要其他许多重要的设计参数，包括压力、流量和体积等。

降低天然气含水量的方法主要有三种：

1. 焦耳-汤姆逊膨胀法
2. 固体干燥剂脱水法
3. 液体干燥剂脱水法

固体干燥剂脱水法（又称固定床法）利用吸附原理脱除水汽，常用的吸附剂包括硅胶（最常用）、分子筛、活性氧化铝和活性炭。湿气进入入口分离器，脱除污染物和游离水后，送入吸附塔，水分被干燥剂吸附。当吸附塔接近最大吸附负荷时，气体流自动切换至另一座吸附塔，第一座吸附塔则进行再生。

开式循环分子筛脱水系统

原料气（湿气）进入分子筛吸附塔后，水分被吸附剂吸附；部分主流气体经加热后作为再生气体，流经吸附饱和的吸附床层进行再生。再生气体通常在间接加热器中加热，不饱和的再生气体流经床层，脱除水分和液态烃；再生气体从塔顶流出后，通常经空冷式换热器冷却，凝结水和烃类分离，气体回流至入口湿气中重新处理。

A. 再生（活化）

典型循环系统中的再生，是通过加热并使用载气吹扫，从分子筛床层中脱除吸附质。需提供足够的热量，升高吸附质、吸附剂和容器的温度，使液体汽化，并抵消分子筛表面的润湿热。

再生后需进行冷却，使分子筛温度降至与待处理气流温度相差15摄氏度以内。最简便的方法是使用与加热相同的气体流，但不输入热量。为实现最佳再生效果，加热阶段的气体流向应与吸附阶段相反，冷却阶段的气体流向应与工艺气流相同。此外，少量分子筛可在无吹扫气的情况下，通过烘箱加热，然后在干燥器等封闭系统中缓慢冷却干燥。

吸附

吸附是利用固体干燥剂干燥天然气的过程。吸附系统至少包含两座吸附塔——一座运行，另一座再生。当一座吸附塔在一个周期内吸附了最大量的水分后，将其退出运行，通入热气体脱除水分。

固体干燥剂类型

1. 硅胶
• 本质上是纯二氧化硅（SiO₂）
• 以颗粒或粉末形式供应
• 可实现-60摄氏度的出口露点
2. 氧化铝
• 氧化铝的水合物形式（Al₂O₃·nH₂O）
• 以挤出物或颗粒形式供应
• 可实现-70摄氏度的出口露点
• 再生所需热量低于分子筛
3. 分子筛
• 分子筛是由铝硅酸盐结晶聚合物（沸石）组成的吸附剂
• 能高效脱除低浓度的极性或可极化污染物，如水分、甲醇、硫化氢、二氧化碳、羰基硫、硫醇、硫化物、氨、芳烃和汞，脱除后浓度可达痕量水平
• 分子筛产品有多种形式：颗粒、晶粒和挤出物

吸附系统

吸附系统可由两座或三座塔组成。若需要更长的再生和冷却时间，将采用三塔系统。

两塔系统的典型运行周期如下：

• 吸附周期：8小时
• 再生周期：8小时
• 气体加热：4.5小时
• 冷却至运行温度：3小时
• 切换与备用：0.5小时

整个周期由自动阀门控制。

潜在问题

• 干燥剂可能被硫化氢“中毒”，导致其吸水亲和力下降。
• 含有大量戊烷及以上组分（C5+）的气流可能在再生阶段引发问题，部分芳烃会分解，在干燥剂表面形成积碳和焦油。

优势

与乙二醇脱水装置相比，固体干燥剂系统更能适应入口温度和压力的变化。

固体干燥剂系统的投资成本可能是同类乙二醇装置的3倍，运行成本通常也更高，但乙二醇装置在露点控制和灵活性上无法与固体干燥剂系统竞争。

吸附塔组件

1. 入口分离器：至关重要，用于保护干燥剂免受水、液体、压缩机油、固体等杂质影响。若液体进入干燥剂塔，会导致干燥剂破碎或粉化，引发堵塞和压差问题。
2. 吸附塔：吸附过程中，气体通常向下流经床层，以允许更高的气体流速而不致使床层流化；再生气体则向上流经床层。
3. 再生气体加热器：为干燥剂再生提供热气体，热气体使截留的水和烃类汽化并将其带入分离器。
4. 再生冷凝器（或冷却器）：降低离开再生塔的再生气体温度，使气相中的水开始凝结为液体。
5. 再生分离器：从再生气体流中分离凝结液体（水和液态烃），分离器出口的气体此时为湿气，回流至主气流中。

气体干燥器流程

（假设干燥器A床处于吸附状态，B床处于冷却状态） 干燥器旁路切换流程（A床切换至B床）：

1. 打开干燥器旁路阀6号
2. 关闭B床冷却阀门（2个2号阀）
3. 打开B床吸附阀门（2个3号阀）
4. 关闭A床吸附阀门（2个4号阀）
5. 打开A床再生阀门（2个5号阀）
6. 关闭干燥器旁路阀6号
7. 启动A床再生流程

干燥剂床层寿命

干燥剂的使用寿命预计为3-5年，具体取决于运行条件。

• 新干燥剂的吸水效率高于旧干燥剂，即吸附水量更多，反应速度更快。
• 设计系统时，干燥剂容量应按使用3-5年的产品计算。例如，新分子筛每100千克可吸附20千克水，设计估算应采用较低值，即每100千克吸附13千克水。
• 未饱和的气体（如已在吸收塔中干燥过的气体）可延长干燥剂床层的寿命。在需要极低露点的工厂应用中，通常在气体进入吸附塔前，先在乙二醇塔中进行干燥。

脱汞工艺介绍

世界上许多天然气产区的天然气中都含有元素汞和化合汞。为避免深冷设备发生灾难性故障或化学工艺催化剂中毒，需将汞完全脱除。

天然气脱汞的主要目的是保护下游的铝制换热器，如深冷烃回收天然气工厂和天然气液化工厂中使用的换热器。汞已导致多起铝制换热器故障，它与铝形成汞齐，导致机械失效和气体泄漏。由于汞的允许含量标准尚未明确，大多数运营商希望将其“全部”脱除，即脱除至现有分析能力无法检测到的水平。目前，这意味着将汞含量降至低于0.01微克/标准立方米（μg/Nm³），约为1体积兆分之一（pptv）。

LNG工厂的设计中，采用硫磺浸渍活性炭床层从原料气中脱除汞，这些床层通常位于分子筛干燥器之后的最终净化阶段。

单元用途

脱水单元的用途是脱除酸性气体脱除单元出口气体中的水分。干燥处理是为了防止液化单元中生成冰和水合物，从而避免管道和设备堵塞。

脱水单元（13单元）在气体进入脱汞单元和液化单元之前，在吸附塔中对天然气进行干燥处理。

12单元出口的气体饱和有水汽，需在进一步处理前脱除。

原料气中的水分可能导致水合物或冰的生成，进而导致下游单元的设备/管道堵塞或损坏。

13单元包括：

• 干燥器入口分离器；
• 三台天然气干燥器（吸附塔）（两台运行，一台再生/备用）；
• 一台再生气体加热器；
• 一台再生气体冷却器；
• 一台再生气体分液罐；
• 一台再生气体压缩机。

在脱水单元中，通过分子筛床层吸附，将原料气的含水量降至1体积百万分比（ppmv）以下。

分子筛吸附水分达到规定时间后，通入一股热的干燥再生气体向上流经床层，脱除水分。

随后，通入一股冷的干燥再生气体向上流经床层，使床层恢复至正常运行温度。

主要设备

工艺描述

过滤

来自酸性气体脱除单元的净化气，在E-1406中与高压丙烷换热冷却至不低于17.2摄氏度后，进入干燥器入口分离器（V-1301），分离凝结水或烃类。干燥器入口分离器设计用于脱除10微米及以上的液体，以减小干燥器的尺寸。

V-1301下游的过滤聚结器（F-1304）进行进一步过滤，去除1微米及以上的液体或固体。

过滤聚结器可旁路，以便在不中断工厂运行的情况下更换滤芯。

V-1301和F-1304中收集的液体，通过液位控制返回至V-1101。

吸附

脱水单元包含三台分子筛脱水器（V-1302 A/B/C），其中两台运行，第三台要么处于再生状态，要么备用。在整个吸附周期内，气流中的水汽被分子筛吸附。

气体向下流动，以避免床层中出现沟流现象。

再生

每座床层的运行周期如下：

加热

热再生过程的第一步是加热阶段，持续4.5小时。一股干燥气体支流在两台再生气体加热器（H-1301 A/B）中加热至287.8摄氏度，然后送入待再生床层的底部，向上流经床层，脱除吸附的水分。部分重烃和二氧化碳也随水分一起被脱除，以恢复床层的吸附容量。

来自干燥器床层顶部的热湿再生气体，通过翅片风扇冷却器（E-1301再生气体冷却器）与空气换热，冷却至32摄氏度，使脱除的水分凝结。

水分随后在再生气体分液罐（V-1305）中与再生气体分离，通过液位控制送入湿烃液储存罐（V-1101）。

水分分离后，再生气体在再生气体压缩机（C-1301）中增压，通过流量控制回流至前端，与原料气汇合。若再生气体压缩机（C-1301）故障停运，再生气体将自动送入湿火炬；若压缩机长时间停运，操作员可手动将气体送入高压燃料气系统。

冷却

再生过程的第二步是冷却阶段，持续3小时，使床层恢复至正常运行温度。

通过将一股未加热的干燥气体支流流经床层3小时来实现冷却。

脱汞

若气流中含有汞，会侵蚀冷端的铝制换热器，与铝形成汞齐导致腐蚀，因此必须保护下游设备免受汞的影响。

本单元设有两座并联运行的脱汞床，脱汞床（V-1304 A/B）装有硫磺浸渍活性炭，不可再生。根据工厂处理量和出口汞含量低于0.01微克/标准立方米（μg/Nm³）的要求，脱汞床的预计使用寿命约为三年，之后需更换。

经脱水器（V-1302 A/B/C）干燥后的气体，流经分子筛后置过滤器（F-1303）过滤后，送入脱汞床（V-1304 A/B），随后在脱汞后置过滤器（F-1302 A/B）中进行粉尘过滤，然后送入深冷段进行液化。

工艺停运期间，干燥气体用作高压燃料气系统的补充气，以维持燃料气供应。

公用设施中断影响

交流电源中断

若交流电源中断，再生气体冷却器（13-MC03）将停止运行，来自加热床层的湿再生气体温度过高，将导致再生气体停止供应至处理单元，并导入火炬。若电源长时间中断，需手动停运单元。

仪表风中断

若仪表风完全中断，所有干燥器阀门将保持在最后位置，控制阀门切换至故障安全位置。若仪表风完全中断持续时间较长，需手动停运单元。仪表风恢复后，再生和吸附循环将从最后一个阀门位置恢复。

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