CN109652155A - 一种用于天然气处理领域的分子筛脱水系统及工艺 - Google Patents

一种用于天然气处理领域的分子筛脱水系统及工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于天然气处理领域的分子筛脱水系统及工艺，系统包括原料气过滤器、原料气换热器、至少三个并联设置的脱水塔、粉尘过滤器、再生气加热炉、第一冷吹气/再生气换热器、第二冷吹气/再生气换热器、再生气空冷器、再生气分离器、冷却器过滤器和再生气过滤器。本发明在再生气加热炉出口设置再生气/冷吹气换热器，可实现脱水装置分子筛再生过程及冷却过程中温度平稳变化；冷却过程采用的冷吹气和再生过程的再生气采用一股气源，先用作冷吹气，后用作再生气，减少了再生气用量，同时在冷吹气离开吸附塔的出口设置第二冷吹气/再生气换热器，降低再生气加热炉的燃料气耗量。

Description

一种用于天然气处理领域的分子筛脱水系统及工艺
技术领域
本发明涉及一种用于天然气处理领域的分子筛脱水系统及工艺，可实现脱水装置分子筛再生过程及冷却过程温度平稳变化。
背景技术
天然气深度预处理是天然气液化过程不可或缺的重要环节。天然气液化前，为避免发生冰堵和腐蚀等问题，必须经过深度净化处理，脱除原料天然气中的H2S、CO2、有机硫、H2O、CH3OH等杂质使其达到液化技术指标。
目前天然气领域深度脱水工艺主要采用分子筛脱水方法。分子筛可采用3A、4A等分子筛。目前天然气脱水吸附设备多为固定床吸附塔，为保证装置的连续操作，每套装置至少需要设置两台吸附塔，当一塔处于吸附状态时，另一塔进行吸附剂的再生和冷却，两塔切换操作。该方法的缺点在于再生气加热炉不能连续操作，停炉会造成能量损失；对于原料气量比较大的工况，目前常用的是多塔流程，在3塔或多塔装置中，一塔或多塔脱水，一塔再生，一塔冷却。采用多塔流程一方面降低再生气流量，另一方面减少两塔流程停炉造成的热量损失，保证再生气加热炉连续操作，总体降低装置能耗。
专利CN201310157561及专利CN201810738468公开了目前常用的分子筛脱水工艺，其中专利CN201810738468公开的余热回收工艺将吸附了饱和水的热再生气与冷吹气进行换热，回收了热再生气的能量。
目前专利公开的分子筛脱水工艺主要针对天然气中主要含H2O的工况。对于天然气中含有除了H2O之外的其他杂质(如CH3OH)，分子筛需要同时脱除H2O和其他杂质的工况并未涉及，这一工况下采用的分子筛对再生温度的变化速率有较高要求。例如，分子筛需要同时脱除天然气中的H2O和CH3OH，为避免吸附塔和吸附剂的大的温差，同时避免温度过高导致甲醇、重烃类分解结焦、吸附在分子筛上降低分子筛寿命。为避免上述现象发生，本发明在常规分子筛脱水工艺的基础上开发了一种实现再生及冷却切换过程时保证温度平稳变化的工艺。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种用于天然气处理领域的分子筛脱水系统及工艺。
本发明所采用的技术方案是：一种用于天然气处理领域的分子筛脱水系统，包括原料气过滤器、原料气换热器、至少三个并联设置的脱水塔、粉尘过滤器、再生气加热炉、第一冷吹气/再生气换热器、第二冷吹气/再生气换热器、再生气空冷器、再生气分离器、冷却器过滤器和再生气过滤器，其中：所述原料气过滤器、原料气换热器和脱水塔的原料天然气入口依次连接，所述脱水塔的原料天然气出口和粉尘过滤器连接；所述再生气加热炉、第一冷吹气/再生气换热器、脱水塔的再生气入口依次连接，所述脱水塔的再生气出口、再生气过滤器、第二冷吹气/再生气换热器、再生气空冷器和再生气分离器依次连接；所述第一冷吹气/再生气换热器和脱水塔的冷吹气入口连接，所述脱水塔的冷吹气出口依次与冷却器过滤器、第二冷吹气/再生气换热器和再生气加热炉连接。
本发明还提供了一种用于天然气处理领域的分子筛脱水工艺，采用至少三塔，保持至少一塔吸附、一塔冷吹和一塔再生，其中：
一、吸附阶段：
第1步、原料天然气经入口调节阀调节后进入原料气过滤器，除去夹带的液态水后，进入原料气换热器换热至15℃后进入第一、第二脱水塔进行脱水吸附过程，分子筛通过物理吸收的方式脱除原料气中的水分和甲醇，吸附时间为12h；
第2步，脱水后的干气出脱水塔后进入粉尘过滤器除去分子筛粉尘后，完成吸附过程进入下一处理单元；
二、再生阶段：
第1步、吸附完成后，关闭第二脱水塔吸附管线上的阀门，打开第二脱水塔再生管线上的阀门；
第2步、热再生气自再生气加热炉出口进入第一冷吹气/再生气换热器与冷吹气进行热交换，然后进入第二脱水塔，再生时间共计6h；
第3步、吸附了水的热再生气出脱水塔后，进入再生气过滤器脱除夹带的分子筛粉尘；
第4步、热再生气出再生气过滤器后进入第二冷吹气/再生气换热器与冷吹气进行换热；
第5步、经第二冷吹气/再生气换热器换热后的热再生气进入再生气空冷器，被冷却后再降压进入再生气分离器，底部分离出的甲醇、H2O进入凝液收集罐，经凝液外输泵至下一单元；顶部分离出的再生气去下一单元；
三、冷吹阶段：
第1步、再生完成后，关闭第一脱水塔吸附管线上的阀门，打开第一脱水塔冷吹气管线上的阀门；
第2步、冷吹气经第一冷吹气/再生气换热器与从再生气加热炉出口管线的热再生气进行换热；
第3步、经第一冷吹气/再生气换热器换热后的冷吹气进入第一脱水塔，冷吹过程持续6h；
第4步、冷吹气出脱水塔后，进入冷却器过滤器，除掉冷吹气夹带的分子筛粉尘；
第5步、冷吹气出冷却器过滤器后进入第二冷吹气/再生气换热器与再生气进行换热；
第6步、冷吹气经第二冷吹气/再生气换热器换热后进入再生气加热炉，再生气加热炉出口的温度控制在280℃，之后即进入到再生阶段。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
1)针对再生温度变化要求敏感的分子筛，本发明开发了一种分子筛脱水工艺，该工艺在再生气加热炉出口设置再生气/冷吹气换热器，用于控制再生过程热再生气进入脱水吸附塔的温度，同时也可实现冷吹过程冷吹气入塔温度的控制，可实现脱水装置分子筛再生过程及冷却过程中温度平稳变化。
2)在冷吹气出脱水塔后的管线及热再生气出脱水塔后的管线分别设置冷却器过滤器及再生气过滤器，以防止气体夹带的分子筛粉尘污染下游设备。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明的用于天然气处理领域的分子筛脱水工艺流程图；
图2为吸附塔操作状态及循环时间表；
图3为原料天然气及干气组分。
具体实施方式
一种用于天然气处理领域的分子筛脱水系统，如图1所示，包括：入口调节阀1、原料气过滤器2、原料气换热器3、第一脱水塔4、第二脱水塔5、粉尘过滤器6、再生气加热炉7、第一冷吹气/再生气换热器8、第二冷吹气/再生气换热器9、再生气空冷器10、调压阀11、再生气分离器12、凝液收集罐13、凝液外输泵14、冷却器过滤器15、再生气过滤器16、阀门17、18、41、42、43、44、45、46、51、52、53、54、55、56等。
本发明采用多塔流程、装置运行时至少保持一塔吸附、一塔冷吹、一塔再生，再生气加热炉连续操作，不存在炉膛热量损失的情况。同时冷却过程采用的冷吹气和再生过程的再生气采用一股气源，先用作冷吹气，后用作再生气，减少了再生气用量，同时在冷吹气离开吸附塔的出口设置第二冷吹气/再生气换热器9，回收吸附塔及分子筛吸收的热量，从而降低再生气加热炉的燃料气耗量，使综合能耗大幅度降低。
本发明采用多塔流程，包含吸附-再生-冷却三个过程。吸附12h，再生、冷却各6h，再生方式为降压再生，再生过程连续进行。吸附过程与常规流程无异，与目前常规脱水工艺不同的是，该工艺在再生气加热炉出口设置第一冷吹气/再生气换热器8，用于控制再生过程热再生气进入脱水吸附塔的温度，同时也可实现冷吹过程冷吹气入塔温度的控制。同时在吸附管线及再生管线上均设置切换阀及限流孔板，保证第一冷吹气/再生气换热器8及第二冷吹气/再生气换热器9的平稳运行。此外，在冷吹气出脱水塔后的管线及热再生气出脱水塔后的管线分别设置冷却器过滤器15及再生气过滤器16，以防止气体夹带的分子筛粉尘进入第二冷吹气/再生气换热器9。
主要操作步骤结合下面的案例及图1描述如下：
该流程采用四塔流程，两塔吸附，一塔再生，一塔冷却。吸附时间为12h，再生及冷却各6h。通过切换阀组来实现各吸收塔在这三种状态下的切换，切换逻辑由DCS进行自动控制。各吸收塔操作状态及循环时间见图2所示。
吸附阶段：
第1步，原料天然气(7.2MPag，-5℃，具体组分见图3)经入口调节阀1调节后进入原料气过滤器2，除去夹带的液态水后进入原料气换热器3(如需要)，经换热至15℃。
第2步，以第一、第二脱水塔为例，在确保第一、第二脱水塔再生及冷却管线上阀门42、43、45、46、52、53、55、56关闭后，打开阀门41、51、44、54，换热后的原料气自上而下(分别经过阀门41、51)进入第一脱水塔4、第二脱水塔5，进行脱水吸附过程，分子筛通过物理吸收的方式脱除原料气中的水分和甲醇，吸附时间为12h。
第3步，脱水后的干气出第一脱水塔4、第二脱水塔5后，分别经过阀门44和54进入粉尘过滤器6过滤除去分子筛粉尘后、完成吸附过程进入下一处理单元。脱水后的干气(7.0MPag，15℃)组分见图3。
再生阶段：
吸附阶段完成后，进入再生阶段。以第二吸附塔为例，进行程序切换介绍。
第一步，吸附完成后，关闭吸附管线上的阀门51、54，打开阀门17、18、53、55；
第二步，热再生气(P＝6.2Mpag，T＝280℃)自再生气加热炉7出口进入第一冷吹气/再生气换热器8与冷吹气进行热交换。再生阶段初期，再生气经第一冷吹气/再生气换热器8换热至180℃后经阀门55自下而上进入第二吸附塔5，此时第二吸附塔内温度为40℃。随后再生气温度线性增加，由180℃逐步升温至280℃，升温速率为50℃/h。升温至280℃后，温度保持恒定。再生时间共计6h；
第三步，吸附了水的热再生气出第二脱水塔5后，经过阀门53进入再生气过滤器16脱除夹带的分子筛粉尘；
第四步，热再生气经再生气过滤器16进入第二冷吹气/再生气换热器9。再生阶段初期，进入第二冷吹气/再生气换热器9的再生气温度基本接近吸附温度，约为15℃，此时另一塔的冷吹阶段刚开始，冷吹温度接近再生温度，约为280℃。由于进入再生气加热炉7的冷吹气温度是恒定(160-180℃)，此时热再生气出口温度为135℃。随后，第二脱水塔内再生温度逐步升高。再生阶段末期，第二脱水塔内温度稳定至280℃。此时经第二冷吹气/再生气换热器9换热后再生气温度约为135℃；
第五步，热再生气(P＝6.05MPag，T＝140℃)进入再生气空冷器10，出口温度降至45℃；
第六步，经再生气空冷器10冷却后的再生气(P＝6.00MPag，T＝45℃)经调压阀11降压至1.8Mpag；
第七步，降压后的再生气(P＝1.80MPag，T＝16℃)进入再生气分离器12，分离器底部分离出的甲醇、H2O进入凝液收集罐13，经凝液外输泵14至下一单元；分离器顶部分离出的再生气去下一单元。
冷吹阶段：
再生阶段完成后，进入冷吹阶段。以第一吸附塔为例，进行程序切换介绍。
第一步，再生完成后，关闭吸附管线上阀门43、45,打开阀门17、18、42、46；
第二步，冷吹气(P＝6.5MPa，T＝40℃)经第一冷吹气/再生气换热器8与从再生气加热炉7出口管线的热再生气进行换热。通过调节第一冷吹气/再生气换热器8壳程冷吹气的流率实现进入脱水塔热再生气的温度控制。上述调节过程主要在冷吹、再生切换的初期进行。冷吹阶段初期，冷吹气温度由T＝40℃升温至180℃后，经阀门46自下而上进入第一脱水塔4，之后，通过控制进入第一冷吹气/再生气换热器8壳程冷吹气的流率，冷吹气入塔温度由180℃逐步降低至40℃，降温速率为50℃/h。降温至40℃后，冷吹气全部通过第一冷吹气/再生气换热器8旁路直接进入第一脱水塔4；
第三步，经第一冷吹气/再生气换热器8换热后的冷吹气经阀门46自下而上进入第一脱水塔4。冷吹过程持续6h；
第四步，冷吹气(P＝6.35MPa，T＝40℃(吸附后期)/280℃(吸附初期))出第一脱水塔4后，经阀门42进入冷却器过滤器15，除掉冷吹气夹带的分子筛粉尘；
第五步，冷吹气经冷却器过滤器15后进入第二冷吹气/再生气换热器9与再生气进行换热。通过控制进入第二冷吹气/再生气换热器9的冷吹气的流率实现进入再生气加热炉7的气体温度始终保持在180℃。具体过程如下：冷吹的初始阶段，第一脱水塔刚完成再生过程，塔内温度为280℃；再生的初始阶段，第二脱水塔刚完成冷吹过程，塔内温度为40℃，经过第二冷吹气/再生气换热器9，冷吹气温度降至180℃，再生气温度升至140℃；冷吹的稳定阶段，第一脱水塔内温度与冷吹气温度一致，为40℃，再生的稳定阶段，第二脱水塔内温度与热再生气温度一致，为280℃，经过第二冷吹气/再生气换热器9，冷吹气温度升至180℃，再生气温度降至140℃。
第六步，冷吹气经第二冷吹气/再生气换热器9换热后进入再生气加热炉7。再生气加热炉采用燃料气作为热源。再生气加热炉出口的温度控制在280℃。之后即进入到再生阶段。

Claims (9)

1.一种用于天然气处理领域的分子筛脱水系统，其特征在于：包括原料气过滤器、原料气换热器、至少三个并联设置的脱水塔、粉尘过滤器、再生气加热炉、第一冷吹气/再生气换热器、第二冷吹气/再生气换热器、再生气空冷器、再生气分离器、冷却器过滤器和再生气过滤器，其中：所述原料气过滤器、原料气换热器和脱水塔的原料天然气入口依次连接，所述脱水塔的原料天然气出口和粉尘过滤器连接；所述再生气加热炉、第一冷吹气/再生气换热器、脱水塔的再生气入口依次连接，所述脱水塔的再生气出口、再生气过滤器、第二冷吹气/再生气换热器、再生气空冷器和再生气分离器依次连接；所述第一冷吹气/再生气换热器和脱水塔的冷吹气入口连接，所述脱水塔的冷吹气出口依次与冷却器过滤器、第二冷吹气/再生气换热器和再生气加热炉连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于天然气处理领域的分子筛脱水系统，其特征在于：在第一冷吹气/再生气换热器的冷吹气出口和冷却器过滤器之间设置阀门。
3.根据权利要求1所述的一种用于天然气处理领域的分子筛脱水系统，其特征在于：在第一冷吹气/再生气换热器的再生气出口和再生气过滤器之间设置阀门。
4.根据权利要求1所述的一种用于天然气处理领域的分子筛脱水系统，其特征在于：在第一冷吹气/再生气换热器的冷吹气入口和出口之间设置冷吹气旁路。
5.一种用于天然气处理领域的分子筛脱水工艺，其特征在于：采用至少三塔，保持至少一塔吸附、一塔冷吹和一塔再生，其中：
一、吸附阶段：
第1步、原料天然气经入口调节阀调节后进入原料气过滤器，除去夹带的液态水后，进入原料气换热器换热后进入第一、第二脱水塔进行脱水吸附过程，分子筛通过物理吸收的方式脱除原料气中的水分和甲醇，吸附时间为12h；
第2步、脱水后的干气出脱水塔后进入粉尘过滤器除去分子筛粉尘后，完成吸附过程进入下一处理单元；
二、再生阶段：
第1步、吸附完成后，关闭第二脱水塔吸附管线上的阀门，打开第二脱水塔再生管线上的阀门；
第2步、热再生气自再生气加热炉出口进入第一冷吹气/再生气换热器与冷吹气进行热交换，然后进入第二脱水塔，再生时间共计6h；
第3步、吸附了水的热再生气出脱水塔后，进入再生气过滤器脱除夹带的分子筛粉尘；
第4步、热再生气出再生气过滤器后进入第二冷吹气/再生气换热器与冷吹气进行换热；
第5步、经第二冷吹气/再生气换热器换热后的热再生气进入再生气空冷器，被冷却后再降压进入再生气分离器，底部分离出的甲醇、H2O进入凝液收集罐，经凝液外输泵至下一单元；顶部分离出的再生气去下一单元；
三、冷吹阶段：
第1步、再生完成后，关闭第一脱水塔吸附管线上的阀门，打开第一脱水塔冷吹气管线上的阀门；
第2步、冷吹气经第一冷吹气/再生气换热器与从再生气加热炉出口管线的热再生气进行换热；
第3步、经第一冷吹气/再生气换热器换热后的冷吹气进入第一脱水塔，冷吹过程持续6h；
第4步、冷吹气出脱水塔后，进入冷却器过滤器，除掉冷吹气夹带的分子筛粉尘；
第5步、冷吹气出冷却器过滤器后进入第二冷吹气/再生气换热器与再生气进行换热；
第6步、冷吹气经第二冷吹气/再生气换热器换热后进入再生气加热炉，再生气加热炉出口的温度控制在280℃，之后即进入到再生阶段。
6.根据权利要求5所述的一种用于天然气处理领域的分子筛脱水工艺，其特征在于：自再生气加热炉出口进入第一冷吹气/再生气换热器的热再生气温度为280℃，再生阶段初期，再生气经第一冷吹气/再生气换热器换热至180℃后进入第二脱水塔，此时塔内温度为40℃，随后再生气温度线性增加，由180℃逐步升温至280℃后，温度保持恒定。
7.根据权利要求6所述的一种用于天然气处理领域的分子筛脱水工艺，其特征在于：再生阶段初期，进入第二冷吹气/再生气换热器的再生气温度基本接近吸附温度，约为15℃，此时另一塔的冷吹阶段刚开始，冷吹温度接近再生温度，约为280℃；随后，第二脱水塔内再生温度逐步升高；再生阶段末期，第二脱水塔内温度稳定至280℃，此时经第二冷吹气/再生气换热器换热后再生气温度约为135℃。
8.根据权利要求5所述的一种用于天然气处理领域的分子筛脱水工艺，其特征在于：进入第一冷吹气/再生气换热器的冷吹气温度为40℃，在冷吹、再生切换的初期，通过调节第一冷吹气/再生气换热器壳程冷吹气的流率实现进入脱水塔热再生气的温度控制：冷吹阶段初期，冷吹气温度由40℃升温至180℃后进入第一脱水塔，之后，通过控制进入第一冷吹气/再生气换热器壳程冷吹气的流率，冷吹气入塔温度由180℃逐步降低至40℃，降温至40℃后，冷吹气全部通过第一冷吹气/再生气换热器旁路直接进入脱水塔。
9.根据权利要求8所述的一种用于天然气处理领域的分子筛脱水工艺，其特征在于：通过控制进入第二冷吹气/再生气换热器的冷吹气的流率实现进入再生气加热炉的气体温度始终保持在180℃：冷吹的初始阶段，第一脱水塔刚完成再生过程，塔内温度为280℃；再生的初始阶段，第二脱水塔刚完成冷吹过程，塔内温度为40℃，经过第二冷吹气/再生气换热器，冷吹气温度降至180℃，再生气温度升至140℃；冷吹的稳定阶段，第一脱水塔内温度与冷吹气温度一致，为40℃，再生的稳定阶段，第二脱水塔内温度与热再生气温度一致，为280℃，经过第二冷吹气/再生气换热器，冷吹气温度升至180℃，再生气温度降至140℃。
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