4A球形分子筛干燥器的优化

摘 要

摘要：中国石油吐哈油田公司丘东采油厂天然气处理装置采用分子筛两塔脱水工艺，使用4A条形分子筛脱水，操作过程中分子筛粉化现象严重，换热器换热能力降低，深冷净化压差增加，系统阻力
摘要：中国石油吐哈油田公司丘东采油厂天然气处理装置采用分子筛两塔脱水工艺，使用4A条形分子筛脱水，操作过程中分子筛粉化现象严重，换热器换热能力降低，深冷净化压差增加，系统阻力增加。为此，通过优化选用新型4A球形分子筛，在不改变脱水装置容积、不改变分子筛吸水能力的前提下，将分子筛的堆比重从0.66g/mL提高到0.70g/mL，使分子筛干燥器总吸附容量提高3%～5%，避免了分子筛床层被水“穿透”事故的发生；通过电脑程序监控操作压力、改进干燥器顶部与底部“篦板”结构、选用新型粘结剂材料，增强分子筛的抗酸性能等措施，有效降低了干气携带的粉尘量，缓解了分子筛粉化现象。实施上述优化措施后减轻了运行人员的工作量，提高了装置的使用效率，延长了装置的检修周期，为工厂带来可观的经济效益。
关键词：吐哈油田；天然气处理；脱水；4A球形分子筛；堆比重；吸附容量；干燥器；优化
    中国石油吐哈油田公司丘东采油厂开采出的天然气主要输出到乌鲁木齐石化总厂、新疆化肥厂、吐哈油田甲醇厂和新疆广汇LNG处理厂，其输送干线长达300km。因此对天然气集中脱水、除杂质，严格控制产品气的水露点、H2S和CO2的含量[1]，对保证输送管路和设备不被腐蚀、保证下游产品的正常生产、保证液化天然气用做燃料时不会污染环境都具有重要意义[2～3]。
1 天然气脱水装置运行中发现的问题
   丘东采油厂天然气处理装置采用管道工程有限公司天津分公司设计的工艺流程，根据吐哈油田气田和东疆气候条件，天然气处理装置采用分子筛两塔脱水工艺，设备设计使用的分子筛是上海环球分子筛(UOP)有限公司4A条形分子筛。操作过程中，发现有少部分分子筛粉尘穿过过滤器进入深冷净化装置，附着在换热器流道壁上，使换热器换热能力降低，深冷净化压差增加[4]；还有部分粉尘进入到输气管路系统，造成系统阻力增加[5]。分子筛的粉化，上层出现部分区域的塌陷，降低了干燥装置的干燥效率，缩短了装置运行周期，分子筛活化频率由原来8～12h/次缩短至6h/次。2002～2005年，我厂更换了2次分子筛，仍不能解决分子筛粉化和提高其使用寿命的要求，2005年还出现一次因分子筛吸水能力不够导致分子筛床层浸水的事故。为解决以上问题，与上海化工研究院进行技术交流，合作寻找降低分子筛粉尘、提高干燥装置干燥效率的有效途径。
2 分子筛干燥器运行状况分析及改进要求
    丘东第一天然气处理厂处理天然气规模为(100±20)×104m3/d，装置的工艺条件为：①原料气量：100×104m3/d；②原料气含水量：4000～6000kg/m3；③CO2含量(摩尔分数)：0.1%；④原料气温度：20～25℃；⑤原料气吸附压力：7.0MPa。
原料气进装置区后首先进入分离器除去游离水和机械杂质，然后在6.5MPa、25℃条件下进入分子筛干燥器，脱水后干气露点小于-80℃，干气进入旋风分离器除去分子筛粉末，最后进入输气管线。流程如图1所示：
 

    丘东第二天然气处理厂处理天然气规模(120±25)×104m3/d，装置的工艺条件为：①原料气量：120×104m3/d；②原料气含水量：6000～9000kg/m3；③原料气CO2含量(摩尔分数)：0.1%；④原料气温度：20～25℃；⑤原料气压力：3.0MPa。
    低压原料气进装置区后首先进行增压，与中压天然气汇合后在3.0MPa、25℃条件下进入分离器除去游离水和机械杂质，再进入分子筛干燥器，脱水后干气露点小于-80℃，干气进入旋风分离器除去分子筛粉末，然后进入输气管线。流程如图2所示。
 

    本装置设计最初选用采用UOP公司生产的4A条形分子筛。随着采气量的逐年增大，本装置吸水容量实际操作要求已经高出原设计容量，产出干气露点偏高，同时干气携带粉尘量增大，加重了下游旋风分离器的负担，部分粉末进入输气管线，带来安全隐患。这就要求选用一种新型、高吸附容量的分子筛干燥剂，能够在不改变原装置的条件下，尽可能的增大装置的吸附容量，同时增强分子筛干燥剂的强度，减少干气携带出的粉尘[6]。
3 改进措施
    2006年我厂选用上海绿强新材料有限公司生产的4A球形分子筛，为增大干燥器吸附容量和降低粉尘，对4A球形分子筛做了改进。
3.1 通过提高分子筛干燥剂性能增大干燥器吸附容量
    通过计算采气增产量和对现气源含水量在线监测，发现要想达到安全输气的要求，在不扩容现有干燥器的基础上，必须将分子筛干燥器总吸附容量提高3%～5%，才不会发生分子筛床层被水“穿透”的事故[7]。水“穿透”分子筛床层的诱因有2个：①分子筛自身吸水性能低，或耐温性能差，即几次活化后吸水性能大幅降低；②上游“游离水”没有完全脱除，造成分子筛干燥器进气水含量超标，分子筛提前失效[8]。
    根据装置干燥器定容这一实际情况，上海绿强新材料有限公司将4A球形分子筛在不改变产品吸水能力的前提下，将产品堆比重从0.66g/mL提高到0.70g/mL，相当于每1m3干燥器分子筛的填充量至少增加了20%，相应1m3的吸附容量至少增加了20%。
    选用不同堆比重分子筛的条件下，干燥器单位体积的吸附容量见表1。
    由表1可知，通过对分子筛干燥剂的改进，可将原体积干燥器扩容，每立方米体积可以多吸附气态水28.6kg，相当于每个处理周期可以多处理天然气约1.3×104m3。这一改进使天然气处理厂顺利完成扩产增效。
    选用新分子筛时，不仅考察其水吸附能力，而且还要考察其耐温性能。经多次活化测试后发现新选的4A球形分子筛耐温性能稳定，高温活化10次后吸水能力能够稳定在原吸附总量的70%～75%。投入装置使用2a以来，该产品仍稳定地保持着75%的吸附性能，这也是保证干燥器吸附总容量的必要条件。
3.2 降低干气携带粉尘
    干气携带过多粉尘会造成换热器换热能力降低、深冷净化装置压差增大，整个系统的阻力增大，造成不必要的能耗浪费。目前国内很多装置都存在干燥剂粉尘严重影响深冷净化的情况，不得不定期对进入深冷净化装置的粉尘采取爆破吹扫。
   为降低干气携带粉尘量，丘东采油厂对于燥器装置进行了以下改造：
   1) 通过电脑程序监控操作压力，在原控制程序中加入压差变化报警系统，当压力不稳时及时通过报警器输出信号通知操作员，操作员可及时监控采气量、调节系统压力，避免压力发生巨大“波动”变化。
   2) 改进干燥器顶部与底部“篦板”结构。原装置采用不锈钢丝网阻隔分子筛，不让其碎粒轻易流出干燥塔，由于改用了4A球形分子筛，因此选用1.6mm不锈钢冲孔网替换了原丝网，其结构对比见图3。该材料不易在气流过大或压力突变的情况下发生移位，同时可起到减少分子筛流动、摩擦粉化的作用。
 

   3) 选用抗酸分子筛，上海绿强新材料有限公司为工厂设计生产的4A球形分子筛除增大产品堆比重外，选用了新型粘结剂材料，增强了分子筛的抗酸性能，使分子筛能够吸附原料气中的少量酸性组分，不被酸性杂质腐蚀粉化。这一改进不仅降低了于气携带粉尘量，同时降低干气中酸性杂质的含量，有益于保护输气管线不被腐蚀，延长了装置的检修周期。
    4) 改进过滤装置，采用HFB/150天然气高效沉降过滤器，该装置过滤器由沉降段及过滤段两部分组成，沉降段由分隔板构成一个重力沉降室；过滤段安装有若干只滤芯。当含尘气体进入分离器时，在重力作用下先将粗颗粒杂质分离，从而减轻了后续精密滤芯的负荷，较细的杂质则随着气体由过滤段的滤芯除去，最终气体得以净化。改进后的过滤器装置结构图见图4。
 

3.3 干燥装置改进带来的经济效益
    改进后的4A球形分子筛在不改变产品吸水能力的前提下，将产品堆比重从0.66g/mL提高到0.70g/mL，相当于1m3干燥器分子筛的填充量至少增加20%，相应1m3的吸附容量至少增加了20%。通过选用新型4A分子筛，在不改变原装置体积的基础上，提高了脱水装置的使用效率，降低了干燥剂再生频率，节约了装置成本和在再生加热运行成本，带来可观的经济效益。
    改进后的除尘过滤器过滤精度高，自2006年至今已经运行4a多，系统没有出现过压差增加的现象，为工厂节能增效、安全生产作出了贡献。
4 结论
    选用新的4A球形分子筛，缓解了分子筛粉化现象，减轻了运行人员的工作量。丘东采油厂在2006年进行分子筛干燥器改造以来，通过4a的运行调制，没有发生过因分子筛干燥器吸水能力不够或分子筛粉化造成影响正常生产的事故，在增产20%的条件下，分子筛干燥器仍然能够满足正常生产的要求，干气能够满足露点低于-80℃的要求。通过4A球形分子筛干燥器的改进，提高了装置的使用效率，延长了装置的检修周期，创造了可观的经济效益。
参考文献
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[7] 罗小军，刘晓天，万书华.分子筛吸附法在高酸性天然气脱水中的应用[J].石油与天然气化工，2007，36(2)：118-123.
[8] 王君山，赵纯亮.分子筛干燥剂水“穿透”原因浅析[J].天然气化工，2000，25(3).37-39.
 
(本文作者：刘晓辉1 周永贤2 金伟2 1.中国石油吐哈油田公司丘东采油厂；2.上海化工研究院)