天然气分子筛脱水装置工艺设计论文

天然气分子筛脱水装置工艺设计论文内容摘要：

是床层界面的水负荷或空塔流速都无问题， hT 都大于 2hz。 吸附剂的有效吸附容量校核 由《天然气脱水设计规范》 ： SZTST ?? () 式中 X——吸附剂的有效吸附容量， kg 水 /100kg 吸附剂； Xs——动态平衡湿容量， kg 水 /100kg 吸附剂； HT——吸附塔床层高度， m； hz——传质区长度， m。 s ??? ??（ kg 水 /kg 分子筛） 吸附剂的动态平衡湿容量 XS 大于吸附剂的有效吸附容量（ X=8%)，则分子筛床层高度满足要求。 转效点计算 由《天然气脱水设计规范》 ： q TbB ?? ? () 式中 θB——到达转效点时间， h； ρb——分子筛的堆密度， kg/ 3m ； x——选用的分子筛有效吸附容量， %； hT——整个床层长度， m； q——床层截面积的水负荷， )hm/(kg 2 ?。 ρb=660kg/ 3m ； x=8%； hT=； q= )hm/(kg 2 ? ?????? 8h, 符合设计要求。 吸附塔 压力降计算 由《天然气脱水设计规范》 ： 计算式如下： 2ggg vCvBL/P ????? () 式中 △ P——压降， kPa； L——床层高度， m； μ——气体粘度， mPas； vg——气体流速， m/min； ρg——气体操作状态下的密度， kg/ 3m。 分子筛选用 直径球形，查得则 B=， C=。 温度 30℃ ，压力 4500kPa 的操作条件下，已知 ρg=， μ=s， 气体流速 vg=。 k P ) 0 1 3 1 2 ( 2 ????????? 规范规定吸附时气体通过床层的压降宜小于等于 ，不宜高于 ，否则应重新调整空塔气速。 此处所算压降满足规范要求，无须重新调整空塔气速。 再生加热和冷却时压降都很小，可不计算。 吸附器安全阀的计算 根据 HG/T 《安全阀的设置和选用》计算 ： (1) 安全阀的泄放量 安全阀的泄放量应根据具体工艺过程来确定。 本设计安全阀的泄放量均认为单位时间内流过设备的气体质量流量， 即 Gg= h/ g ?。 (2) 安全阀的设定压力（或开启压力） 安全阀开始起跳时的进口压力称为安全阀的开启压力或设定压力。 它应等于或小 于受压设备或管道的设计压力。 可按下面方法确定： 当 P≤ 时， P0=P+ 当 P≤ 时， P0= 当 P 时， P0= () 式中 P——被保护设备或管道操作绝对压力， MPa； P0——安全阀设定压力， MPa 吸附塔操作压力 P=，由于 P≤，则： M P 0 ???? (3) 超压 在泄放过程中，安全阀入口处的压力超过设定压力的部分。 用 Pα 表示。 对于安装在无火压力容器上的安全阀： Pα== (4) 泄放压力 安全阀的阀芯升到最大高度后阀入口处的压力。 泄放压力等于设定压力加超压。 在工艺流程中，最高泄放压力可按下式确定 ： ?PPP 0m ?? () 式中 Pm——安全阀最高泄放压力， MPa； P0——安全阀设定压力， MPa； Pα——安全阀超压， MPa。 Pm=+= (5) 背压 作用在安全阀出口处的压力。 背压分为静背压和动背压。 静背压是指安全阀未起跳时阀出口处 的压力；动背压是指安全阀起跳后，由于流体的流动引起的摩擦压力降值。 背压一般应小于气体的临界流动压力值，气体临界压缩比可按下式计算： 1kkc 1k2??????? ??? () 式中 σc——气体临界压缩比； k——气体绝热指数，可取 ～。 如果背压满足式 PPP ccrb ??? ，则为临界流动，否则为亚临界流动。 (6) 安全阀通道截面积 气体在临界流动条件下的最小泄放面积： MTZKPXC b0 ???? () 式中 A——最小泄放面积， mm2； W——质量泄放流量， kg/h； C0——流量系数，由制造厂提供，若没有制造厂的数据，则取 C0=； X——气体特性系数， 1k 1k1k 2k520X???????? ??? ,k 为绝热系数； P——泄放压力， MPa； Kb——背压修正系数，对于弹簧式安全阀 Kb=； T——泄放温度， K； Z——气体压缩因子； M——分子量。 在 4500kPa、 30℃ 工作条件下 ，查 HYSYS 软件可得 k=，则： 360 ?????????? 2mm826 ???????? 安全阀的直径 ： 8264A4D ????? 根据《油气田常用阀门手册》选用 A42Y64 型弹簧封闭全启式安全阀，公称通径 DN35mm，公称压力。 吸附塔的壁厚计算及选型 吸附塔壁厚计算 根据吸附器设计压力及温度，吸附器材质选用 16MnR(Q345R)。 根据分子筛床层高度初步估计计算圆筒 有效高度为。 设计压力 Pc=5MPa（略高于安全阀开启压力），设计温度 Tc=300℃ 根据 JB7312020《锅炉和压力容器用钢板》查得设计温度下 材质的许用应力??t? =143MPa ， 其密度为 7850kg/m3。 吸附塔壁有下列公式计算： ? ?21ct ic CCP2 DP ??????? () 式中 δ——吸附塔的壁厚， mm； Pc——设计压力， MPa； Di——吸附塔管内径， mm； ??t? ——合金钢的最大许用应力， MPa； φ——焊缝系数，无缝钢管取 ，焊接钢管取 ； C1——钢板负偏差，取 ； C2——吸附塔腐蚀裕量，取 1mm。 5 1 6 0 0 0 .8 1 3 3 .4 92 1 4 3 0 .9 5? ?? ? ? ?? ? ?mm， 向上圆整后取 34mm。 分子筛吸附塔的壁厚校核 分子筛吸附塔名义壁厚为 34mm，有效壁厚 ： δ==。 反算出吸附塔最大允许工作压力为： ? ?? ? ? ?2 2 3 2 . 2 1 4 3 0 . 95 . 0 73 2 . 2 1 6 0 0tiP M P aD? ? ?? ? ? ?? ? ??? 吸附塔 封头、裙座 选型计算 分子筛吸附器为立式容器，筒体两焊缝间距离为 4500 mm，两端采用标准椭圆封头，被支承在裙式支座上。 分子筛吸附器内盛装分子筛脱水填料，装填顺序为由下至上， 4A 条形分子筛装填厚度为 2500 mm。 在分子筛的上部和下部均装有直径为 20 mm 的瓷球，厚度分别为 200 mm。 在分子筛与瓷球之间设置两层 10 目 /寸不锈钢丝网盘。 该盘为分体组装式，可以由人孔装入或拆除。 在分子筛的底部设置了支持格栅，该格栅有足 够的通气面积和支持强度。 吸附器封头：根据《椭圆形封头》（ JB/T 473795），吸附器内径为 1600 mm 时，选择封头性质如表 31 所示。 封头材料选为 16MnR 低合金压力容器用钢，则封头厚度为 12mm，封头质量为。 表 31 封头性质 公称直径 DN mm 曲面高度 h1 mm 直边高度 h2 mm 厚度 Δmm 内表面积 A2 m2 容积 V m3 质量 m kg 碳素钢低合金钢 复合钢板 高合金钢 1600 400 40 10 10 12 12 14 14 16 16 18 18 裙座：根据《石油化工塔器设计规范》（ SH/T 30982020），选择圆筒形裙座。 其外径与封头外径相等，即 1600+212=1624 mm，壁厚取为 12mm，高为。 封头切线至裙座筒体上端的距离 58mm。 吸附器高度：根据《天然气脱水设计规范》（ SY 00762020），分子筛吸附器为立式容器。 根据《塔器设计技术规范》（ HG 206521998），吸附器高度 H 包括填料层高度，气体分布器、气体进出口所需高度，塔顶部、底部空间高度以及裙座高度等。 吸附塔内部由栅板支撑床层，该栅板有足够的通气面积和支持强度，顶部装有防护网。 分子筛吸附器内盛装分子筛脱水填料，装填顺序为由下至上， 4A 条形分子筛装填厚度为 2500 mm。 在分子筛的上部和下部均装有直径为 20mm 的瓷球，厚度均为 200 mm。 在分子筛与瓷球之间设置两层 10 目 /寸不锈钢丝网盘。 该盘为分体组装式，可以由人孔装入或拆除。 在分子筛的底部设置了支持格栅，该格栅有足够的通气面积和支持强度。 预留塔顶、 部底部空间后，初步设定筒体两焊缝间距离（筒体有效高度）为 5500 mm。 两端采用标准椭圆封头如表 25 所示，封头高度为 2（ 400+40） =880 mm。 吸附器被支承在圆筒形裙式支座上，可估算吸附塔总高 H=7880 mm。 进料口：《钢制化工容器结构设计》（ HG 205831998）规定，进料口 (人孔 DN500)和卸料口分别置于上封头和筒体上。 在卸料口处设置操作平台以方便填料的更换。 进气口设置在设备的顶部，为使进气分布均匀，在进口处设置分布头。 通过以上计算，分子筛吸附塔 塔体 选型 结果 如下： 吸附器设计 压力： 5 MPa 吸附器设计温度： 300 ℃ 吸附器床层高度： 3200 mm 吸附器内径： 1600 mm 吸附器筒体壁厚： 34mm 吸附器筒体材料： 16MnR（ Q345R）钢板 封头形式：椭圆形封头 封头壁厚： 12mm 封头材料 :16MnR（ Q345R）钢板 裙座高： 1500mm 裙座壁厚： 12mm 裙座材料： 16MnR（ Q345R）钢板 应力校核 径向应力： ? ? t1 5 4 σ 2 2 4iPD M P a??? ?? ? ? ?? 环向应力： ? ?t2 5 1 .6 3 4 6 0 .0 7 σ 4 4 0 .0 3 4iPD M P a??? ?? ? ? ?? 符合设计要求。 质量 估 算 根据初步估计计算（附件包括梯子平台预焊件、对焊钢法兰、加厚接管、垂直吊盖对焊法兰人孔、不锈钢丝、丝网、栅板、支持圈、支持板等） 圆筒有效高度的质量计算： hSS(Vm ???? ）内外?? () h4D4D22 ????????? ?? 内外 ??? kg7532)4 ( 22 ?????? 封头质量： 2m= 附件质量： m=（圆筒质量 +封头质量 +裙座质量） = 裙座质量： hSS(Vm ???? ）内外?? （ ） 22D h44D??? ??? ? ?????外 内 )4 ( 22 ?????? 钢材总质量为： m1= 分子筛质量计算： 22iT2 ????????? ?? 瓷球重量计算： 床层上下各铺 200mm 瓷球，瓷球堆密度 2500kg/m3 Shm 22i4 ????????? ?? 再生计算 再生热负荷计算 用贫干气加热，进吸附器温度 260 ℃ ， 分子筛床层吸附终了后温度 1t =35 ℃ (即床层温升 5 ℃ )， 再生加热气出吸附器温度 200 ℃ ， 床层再生温度是 ? ? ℃23020206021t2 ???， 预先计算在 230 ℃ 时，分子筛比热 kJ/（ kg℃ ），钢材比热 kJ/(kg.℃ )，瓷球比热 kJ/（ kg℃ ）。 再生气在 260℃ 、 kPa 的热焓： kJ/kg，再生气在 115 ℃ 、 kPa 的热焓： kJ/kg。